Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Устройства генерирования сверхширокополосных излучений радиочастотного диапазона с генераторами возбуждения полупроводникового типа

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрена перспектива использования мощных генераторов электрических импульсов субнаносекундной длительности полупроводникового типа в качестве модуляторов излучения. Приведены результаты расчета амплитудно-временных и спектральных параметров излучения синхронной активной антенной решетки, угловой расходимости излучения решетки, эффективности преобразования электрической энергии возбуждения антенн в энергию направленного сверхширокополосного излучения в главном лепестке диаграммы направленности решетки. Показано, что эффективная пиковая мощность излучения тераваттного уровня достигается при мощности возбуждения гигаваттного уровня, а эффективная средняя мощность излучения в десятки мегаватт достигается при первичном энергопотреблении модуляторов в десятки киловатт.

Для цитирования:


Лебедев Е.Ф., Осташев В.Е., Ульянов А.В. Устройства генерирования сверхширокополосных излучений радиочастотного диапазона с генераторами возбуждения полупроводникового типа. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(1):35-42.

For citation:


Lebedev E.F., Ostashev V.E., Ulyanov A.V. Means for generating ultra-wideb and radio-frequency emissions with semiconductor field generators. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(1):35-42. (In Russ.)

Введение

В последнее время интенсивно развивается полупроводниковая техника генерирования электрических импульсов субнаносекундной длительности. Пиковая мощность компактных генераторов достигает сотен мегаватт. Частота непрерывного следования импульсов с такой мощностью составляет примерно 103 имп/с.

Короткие электрические импульсы со ско­ростью изменения напряжения (1.. .2)х1015 В/с эффективны для возбуждения сверхширокопо­лосных (СТТТП) излучений.

Электрические импульсы субнаносе­кундной длительности, генерируемые полу­проводниковыми устройствами, могут быть устойчиво синхронизированы с точностью до значения случайного временн0го джиттера им­пульсов, что делает возможным создание син­хронных активных антенных решеток (СААР) с использованием этих устройств в качестве модуляторов.

Излучатели такого типа можно рассма­тривать в качестве источников подсветки в задачах радиочастотной локации различных объектов [1, 2], как средство мощного воз­действия при изучении стойкости различных объектов электронной техники к импульсному излучению и как средство подавления и пора­жения объектов в задачах радиоэлектронной борьбы [3-5].

Мощные полупроводниковые генераторы субнаносекундных импульсов

Успешные разработки мощных быстродей­ствующих полупроводниковых коммутаторов в России проводятся в Физико-техническом институте им. А. Ф. Иоффе РАН (г. Санкт-Пе­тербург), Институте электрофизики Уральско­го отделения РАН (г. Екатеринбург), Нацио­нальном исследовательском Томском поли­техническом университете, Санкт-Петербург­ском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) [6-11].

Серия мощных генераторов импульсных напряжений (ГИН) суб- и наносекундной дли­тельности разработана в ЗАО «ПК ФИД-Тех­ника» (г. Санкт-Петербург) [12, 13] и доведена до уровня коммерческого продукта. В частно­сти, линейка ГИН покрывает диапазон частот следования импульсов 103.106 имп/с и ампли­туд 1.100 кВ. Длительность фронта импуль­сов ГИН достигает 50 пс, скорость изменения напряжения на согласованной электрической нагрузке - (1...2)х1015 В/с.

Характерная форма униполярных нано- секундных импульсов полупроводниковых ГИН представлена на интернет-сайте ЗАО «ПК ФИД-Техника» [12]. В качестве примера на рис. 1, а приведено фото генератора семейства ГИН-100 кВ, а также параметры импульса на­пряжения на его фидере (рис. 1, б).

 

Рис 1. ГИН и генерируемый им импульс напряжения, зарегистрированный в измерительном тракте с импе­дансом 50 Ом и длительностью фронта переходной характеристики 70 пс

 

Рассматриваемый ГИН (см. рис. 1) запи- тывается напряжением 300 В, запускается внешним импульсом с амплитудой 15 В, фрон­том 1 нс и длительностью примерно 100 нс. Пиковая мощность импульсов ГИН на нагруз­ке 50 Ом равна РГИН « 200 МВт, а средняя, при частоте их следования 103 имп/с, - примерно 50 Вт. При этом эффективность преобразова­ния первичной энергии в ГИН составляет 25 %. Удельная мощность генератора по сред­ней мощности на выходном фидере составля­ет 50.70 кг/кВт.

Стоит отметить успешный опыт созда­ния систем автоматической синхронизации импульсов таких генераторов, реализованный в активных антенных решетках излучателей. Например, в работе [14] описана 8-элементная синхронизированная активная антенная решетка (СААР) с амплитудой импульсов воз­буждения элемента 40 кВ.

Излучение СШП электромагнитных импульсов

Проблемам генерации и изучения СШП из­лучений посвящены монографии [15-19], в которых обобщены результаты примерно 20-летнего периода исследований.

Оценим амплитуду импульса E (В/м), излучаемого плоским однородно возбуждае­мым синхронным апертурным раскрывом по его оси, на расстоянии R в дальней зоне излу­чения. Поскольку E ~ R-1, будем оценивать максимальное значение произведения ER , называемое электродинамическим потенциа­лом излучателя.

Введем следующие обозначения:

UA - напряжение возбуждения раскрыва;

IA - ток, возбуждаемый этим напряжением;

с - скорость распространения электромаг­нитной волны в свободном пространстве;

μ 0 - диэлектрическая постоянная;

Z0 - характеристическое сопротивление сво­бодного пространства;

Z0 = μ0c= 120π Ом;

S - площадь раскрыва.

Затем, следуя [20], запишем:

Напряжение UA определим из баланса энергии импульса генератора возбуждения Ug, потерь в фидере и энергии, доставляемой к излучающему раскрыву:

Здесь η - характеристика омических по­терь в фидере (если нет потерь - η = I);

Zg - входной импеданс антенно-фидер­ной системы (АФС);

ZA - выходной импеданс АФС;

4ηΖ0 Za /(Z0 + Za )2 - эффективность транспортировки энергии от ГИН к раскрыву (КПД фидерный).

При возбуждении апертурного раскрыва импульсом с крутизной 1015 В/с и апертуре раскрыва 0,3х0,3 м (волновой импеданс рас­крыва ≈180 Ом) потенциал излучателя составляет ER ≈ 0,4 МВ.

Поставим в соответствие потенциалу ER эффективную пиковую мощность излу­чателя - эквивалентную пиковую мощность изотропного излучения. Плотность потока энергии излучения на удалении R от раскры- ва по его оси n = E2 / Z0 (Вт/м2). Тогда

где Ку(м) - коэффициент усиления АФС по пиковой мощности;

Ку(м) = PэфГИН .

Таким образом, при ER ≈ 0,4 МВ эффек­тивная пиковая мощность излучения состав­ляет Рэф ≈ 5 ГВт. При скважности последова­тельности импульсов (0,5...1,0)х107 эффек­тивная средняя мощность этого излучения на­ходится в диапазоне 0,5...1,0 кВт. По эффек­тивным параметрам излучения вычисляются локальные значения параметров в заданной точке наблюдения.

Коэффициент усиления АФС по пиковой мощности

а по энергии -

Ку(э)=Ку(м) х (τизл  /τГИН).

Здесь Zg = 50 Ом;

Ug = 100 кВ;

хизл, хгин - характерные длительности импульсов излучения и возбуждения, опреде­ляющие их энергию.

Уточнение и дополнение параметров из­лучения проведем, используя расчетную мо­дель, в которой раскрыв представлен сово­купностью однонаправленных излучающих элементов Гюйгенса [20], возбуждаемых из точки на оси раскрыва, вследствие чего рас­крыв возбуждается несинхронно и неодно­родно. Модель верифицирована на примерах аналитических решений, удовлетворяет тео­реме взаимности и не противоречит принципу сохранения энергии при ее преобразовании. Модель удовлетворительно описывает излуче­ние экспериментального макета с апертурной антенной на основе расходящегося TEM-ру­пора (апертура 0,3х0,3 м), возбуждаемой од­ним из генераторов, разработанных ЗАО «ПК ФИД-Техника» (рис. 2).

 

 

Очевидно, что при больших углах откло­нения от оси реальной антенны параметры ее излучения хуже воспроизводятся в рамках мо­дели плоского раскрыва.

Модуль СШП излучателя

На основе расчетной модели оценим предель­ные параметры СААР с генераторами возбуж­дения типа ГИН-100 кВ. Импульс электриче­ской энергии с амплитудой напряжения ≈100 кВ и эффективной длительностью ≈0,5 нс можно ввести в АФС, не прибегая к специальным ме­рам по обеспечению электрической прочно­сти системы (масло, газ под давлением и т. п.). Это упрощает конструкцию излучателя и его эксплуатацию.

При заданной площади апертуры СААР мощность излучателя будет тем больше, чем больше синхронная мощность возбуждения ан­тенны или, что тоже, чем больше генераторов, размещенных в пределах этой апертуры. Каж­дый генератор должен быть нагружен на свою АФС, согласованную как с генератором, так и с пространством распространения излуче­ния. Согласование было реализовано в пассив­ной антенной решетке из четырех связанных TEM-рупоров в формате 2х2. Каждый рупор имеет входной импеданс 200 Ом и выходной 280...300 Ом. Параллельное соединение вхо­да рупоров с фидером ГИН осуществляется с использованием 4 гибких двухпроводных вол­новых линий с импедансом 200 Ом.

Время появления мощных импульсов на­пряжения на выходном фидере ГИН имеет слу­чайный разброс - джиттер. Он связан с неста­бильностью времени последовательного многоступенчатого процесса формирования вы­ходного субнаносекундного импульса при пол­ной длительности этого процесса Тформ ≈ 100 нс.

Джиттер импульсов одного ГИН как слу­чайный процесс характеризуется временем среднеквадратического отклонения σ1. При совместной работе N однотипных генерато­ров джиттер генерируемых ими импульсов уменьшается в соответствии с законом боль­ших чисел 

Несинхронность выходных импульсов генераторов обусловлена не только джиттером, но и сравнительно медленным процессом из­менения длительности формирования импуль­сов Тформ в генераторах однотипных, но не одинаковых. И если джиттер как случайный процесс нельзя исключить, то систематиче­скую погрешность времени Тформ можно ми­нимизировать системой автоматической ста­билизации среднего значения Тформ при периодической коррекции времени внешнего запуска каждого из генераторов.

При цифровой регистрации импульсов ГИН-100 кВ, следующих с частотой 103 имп/с в течение -10 с, фиксируется σ1 ≈ 20 пс. По­скольку все импульсы попадают в интервал времени ±3σ1 ≈ 60 пс, то при фронте импуль­са генератора ≈100 пс джиттер необходимо учитывать при оценке параметров СААР.

Рассмотрим элемент СААР (модуль) с апертурой антенны 0,3х0,3 м и тремя ГИН воз­буждения, размещенными в пределах этой апертуры (габариты ГИН-100 кВ позволяют это сделать). Оценим параметры излучения такого модуля с учетом несинхронности и неоднород­ности возбуждения раскрыва антенны, переход­ных свойств АФС элемента модуля, а также джиттера импульса генераторов (вероятный раз­брос ограничим интервалом ±2σ). Результат расчета параметров, усредненных по 200 им­пульсам излучения, представлен на рис. 3.

Электродинамический потенциал модуля ER ≈ 0,52 МВ (≈5,2 кВ/м в 100 м от модуля по оси его излучения). Соответствующее значение эффективной пиковой мощности импульса из­лучения составляет ≈9 ГВт, а эффективной энер­гии импульса - 1,15 Дж. Эта энергия сосредото­чена в частотном интервале 1,6.4 ГГц с характерной плотностью ≈ 0,2 мДж/МГц. При частоте следования импульсов 103 имп/с сред­няя эффективная мощность излучения состав­ляет ≈1,1 кВт, а спектральная плотность сред­ней мощности - 0,2 Вт/МГц. АФС модуля характеризуется коэффициентом усиления Ку(м)≈17,8 по пиковой мощности и Ку(э) ≈ 8 - по энергии.

На рис. 4 представлены расчетные дан­ные, характеризующие диаграмму направлен­ности антенны (ДНА) модуля.

 

Рис. 4. ДНА модуля по плотности энергии (1), пиковой мощности (2), ширине частотного спектра (3) и средне­му значению его плотности (4), а также доля энергии излучения внутри заданного телесного угла (5)

 

Полный угол расходимости излучения модуля по плотности энергии импульса состав­ляет ≈18°. Энергетический коэффициент на­правленного действия антенны модуля DЭ = 34. В соответствии с приведенными дан­ными, энергетическая эффективность АФС с апертурой антенны 0,3х0,3 м, возбуждаемой заданным униполярным импульсом, составля­ет пример 24 % (Ку(э)/ОЭ).

Ширина ДНА по пиковой мощности из­лучения (линия 2) несколько меньше, чем по плотности энергии (линия 1). Важно отметить, что при увеличении угла отклонения от оси излучателя ширина частотного спектра из­лучения (линия 3) сокращается в результате сдвига высокочастотной границы излучения в сторону низких частот. Ширина ДНА по это­му параметру и среднему значению плотности частотного спектра (линия 4), примерно вдвое меньше, чем ширина ДНА по энергии и мощ­ности импульса излучения.

Одна из особенностей СШП излучения направленной антенны заключается в том, что энергия излучения в пределах главного лепест­ка ДНА заметно меньше, чем для синусоидального сигнала [21]. Энергетическая эффектив­ность главного лепестка ДНА рассматри­ваемого модуля составляет примерно 15 % (см. линию 5 на рис. 4). Однако это не означает, что поток энергии СШП излучения в целом не может быть компрессирован в физическом простран­стве. Это возможно при увеличении площади апертуры антенны (Ку ~ S). При этом отно­сительная доля энергии СШП излучения, со­средоточенная в главном лепестке ДНА, по-прежнему относительно мала.

Синхронная активная антенная решетка СШП излучателей

Оценим параметры излучения СААР на при­мере решетки с размерностью 6х6 элементов. В качестве элемента решетки используем мо­дуль с апертурой 0,3х0,3 м, описанный выше.

Полагая решетку синхронной с точно­стью до джиттера каждого активного элемента, получим значение электродинамического по­тенциала излучателя на уровне 19 МВ (-2 кВ/м на расстоянии 10 км от излучателя). Соответ­ствующее значение эффективной пиковой мощ­ности излучателя будет равно Рпик ≈ 12 ТВт.

Эффективная энергия импульса излуче­ния решетки εэф ≈ 15 кДж при эффективной длительности импульса τэф = εэф  / Pпик ≈ 130 пс. При частоте следования этих импульсов, рав­ной 103 имп/с, эффективная средняя мощность излучения составит 1,5 МВт.

Распределение энергии импульса в ча­стотной области в основном соответствует ее распределению в единичном модуле. При этом максимальное значение эффективной плотно­сти энергетического спектра излучения соста­вит примерно 0,4 Дж/МГц в частотном интер­вале 1,5...3,5 ГГц (см. рис. 3, б).

При апертуре решетки 1,8х1,8 м коэффи­циент усиления ее АФС по пиковой мощности равен Ку(м) ≈ 640, а по энергии -Ку(э) ≈ 280. Ширина главного лепестка ДНА равна ≈3°, а его энергетическая эффективность составляет примерно 6 % при заданной (приведенной) форме импульса возбуждения. Последнее мож­но объяснить тем, что главный лепесток ДНА формируется высокочастотной частью импуль­са излучения, а доля энергии этой части от полной энергии СШП импульса относительно мала.

Технологические параметры антенной решетки определяются в основном удельными параметрами генератора возбуждения. Масса 108 генераторов составляет ≈380 кг. При этом удельная эффективная мощность излучения по среднему ее значению составит примерно 0,25 кг/кВт (380 кг/1,5 МВт).

Пиковая синхронная мощность возбуж­дения антенны с учетом джиттера генераторов равна примерно 18,4 ГВт, а средняя при часто­те следования импульсов 103 имп/с - 5,4 кВт. При этом средняя мощность электропита­ния всех генераторов возбуждения составит 20...25 кВт.

Режим работы генераторов следующий: единицы минут без охлаждения (на теплоем­кости конструкции) или длительно - при ох­лаждении мощных переключающих элементов в схеме генератора.

Заключение

Развитие техники генерирования мощных СШП излучений обусловлено практическим интересом к использованию таких сигналов, в ее основе быстрый прогресс в создании мощных полупроводниковых устройств, ге­нерирующих импульсы с фронтами субнаносекундной длительности. Привлекательность полупроводниковой техники заключается в ее компактности, надежности, возможности генерирования мощных импульсов с высокой частотой их следования при возможности обе­спечения устойчивой синхронизации импуль­сов субнаносекундной длительности в преде­лах случайного временного джиттера.

Предельное значение электродинамиче­ского потенциала СААР, создаваемой на ос­нове рассмотренной технологии, находится в диапазоне 5.6 МВ на 1 м2 ее апертуры. Соот­ветствующее значение эффективной пиковой мощности излучения составляет около 1 ТВт. Мощность излучения СААР пропорциональна квадрату числа ее элементов.

С использованием рассмотренной тех­нологии могут быть созданы синхронизи­рованные излучатели с пиковой мощностью возбуждения антенны в десятки гигаватт, эф­фективной пиковой мощностью излучения в десятки тераватт при эффективной средней мощности излучения мегаваттного уровня и энергопотреблении модуляторов в десятки ки­ловатт. Характерная ширина частотного спек­тра таких излучений в пределах главного ле­пестка ДНА составляет 3...5 ГГц.

Список литературы

1. Зеркаль А.Д. Вопросы практического использования системы ближней радиолокации на основе сверхкоротких импульсов с малым энергопотреблением // Журнал радиоэлектроники. 2012. № 1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/ jan12/3/text.pdf (дата обращения 16.02.2018).

2. Скосырев В.Н. Повышение информативности радиолокационных систем на основе технологий сверхширокополосных сигналов // Журнал радиоэлектроники. 2012. № 7. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jul12/9/text.pdf (дата обращения 16.02.2018).

3. Schreiber A.W., Butler C.M., Tesche F.M., Giri D.V. Effects of high power electromagnetic radiation on electronic systems // Proc. of the IEEE AP-S Intern. Symp. and UNSC/URSI and AMEREM Meetings. Albuquerque, NM USA, July 2006. P. 216.

4. Перунов Ю.М., Фомичев К.И., Юдин Л.М. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием / под ред. Ю.М. Перунова. М.: Радиотехника, 2003. 416 с.

5. Добыкин В.Д., Куприянов А.И., Пономарев В.Г., Шустов Л.Н. Радиоэлектронная борьба. Силовое поражение радиоэлектронных систем / под ред. А.И. Куприянова. М.: Вузовская книга, 2007. 468 с.

6. Тучкевич В.М., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л.: Наука, 1988. 116 с.

7. Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н., Филатов А.Л. Твердотельный прерыватель тока для генерирования мощных наносекундных импульсов // Доклады Академии наук. 1993. Т. 330. № 3. С. 315-317.

8. Рукин С.Н., Месяц Г.А., Любутин С.К., Словиковский Б.Г., Аличкин Е.А. Субнаносекундная коммутация гигаваттной пиковой мощности полупроводниковым диодным обострителем // Доклады Академии наук. 2001. Т. 379. № 4. С. 470.

9. Аличкин Е.А., Любутин С.К., Пономарев А.В., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г. Формирование коротких импульсов с субнаносекундным фронтом и пиковой мощностью до 1 ГВт полупроводниковым диодным обострителем // ПТЭ. 2002. № 4. С. 106-111.

10. Коротков С.В., Аристов Ю.В., Воронков В.Б. Генератор высоковольтных наносекундных импульсов с субнаносекундным фронтом нарастания // ПТЭ. 2010. № 2. С. 80.

11. Афанасьев А.В., Демин Ю.А., Иванов Б.В., Ильин В.А., Лучинин В.В., Сергушичев К.А., Смирнов А.А., Кардо-Сысоев А.Ф. Мегаваттный генератор наносекундных импульсов на основе карбидокремниевых дрейфовых диодов с резким восстановлением // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2015. № 3. С. 21-24.

12. FID GmbH Company. URL: http:// fidtechnology.com (data access 16.02.2018).

13. Efanov V.M., Yarin P.M., Kricklenko A.V. New generation of high voltage picosecond generators based on FID technology // Proc. of the IEEE AP-S Intern. Symp. on UNSC/URSI and AMEREM Meetings. Albuquerque, NM USA, July 2006. P. 72.

14. Грехов И.В., Ефанов В.M., Лебедев E.Ф. и др. Модульный СШП излучатель электромагнитных волн с управляемой диаграммой направленности / Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН. 2003. Вып. 6. М.: ОИВТ РАН. 2004. С. 103.

15. Хармут Х.Ф. Несинусоидальные волны в радиолокации и связи. М.: Радио и связь, 1985. 376 с.

16. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь, 1989. 192 с.

17. Подосенов С.А., Потапов А.А., Соколов А.А. Импульсная электродинамика широкополосных радиосистем и поля связанных структур / под ред. А.А. Потапова. М.: Радиотехника, 2003. 720 с.

18. Антенно-фидерные и оптоэлектронные устройства / Колосов Ю.А., Курочкин А.П., Левков Ф.Е. [и др.]; под ред. В.С. Вербы, А.П. Курочкина. М.: Радиотехника, 2014. 352 с.

19. Беличенко В.П., Буянов Ю.И., Кошелев В.И. Сверхширокополосные импульсные радиосистемы / под ред. В.И. Кошелева. Новосибирск: Наука, 2015. 483 с.

20. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны. М.: Энергия, 1975. 528 с.

21. Осташев В.Е., Ульянов А.В., Федоров В.М. Оценка эффективности преобразования энергии в излучателе сверхширокополосных импульсов: от энергии электрической в энергию направленного излучения // Известия высших учебных заведений. Физика. 2016. Т. 59. № 9/3. С. 127-131.


Об авторах

Е. Ф. Лебедев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Объединенный институт высоких температур Российской академии наук»
Россия


В. Е. Осташев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Объединенный институт высоких температур Российской академии наук»
Россия


А. В. Ульянов
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Объединенный институт высоких температур Российской академии наук»
Россия


Для цитирования:


Лебедев Е.Ф., Осташев В.Е., Ульянов А.В. Устройства генерирования сверхширокополосных излучений радиочастотного диапазона с генераторами возбуждения полупроводникового типа. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2018;(1):35-42.

For citation:


Lebedev E.F., Ostashev V.E., Ulyanov A.V. Means for generating ultra-wideb and radio-frequency emissions with semiconductor field generators. Journal of «Almaz – Antey» Air and Defence Corporation. 2018;(1):35-42. (In Russ.)

Просмотров: 56


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)