книги из ГПНТБ / Богатырев Ю.К. Импульсные устройства с нелинейными распределенными параметрами

шепнем nil длительность фронта Тг и волновое сопротивление нелинейной линии при фиксированных значениях параметроз фер­ рита н линии, а также заданной амплитуде тока увеличиваются. С другой стороны, при малых /щ оптимальная длина линии (опти­ мальное число звеньев) и необходимые размеры феррита меньше, чем при больших т ь Длительность же фронта и все связанные с ней величины изменяются незначительно (см. график функции

тельных значений, например с целью дальнейшего сокращения

фронта импульса) является феррит, у которого коэффициент дис­ сипации и равен 1. При «=1 длительность фронта и оптимальное число ячеек в линии минимальны. Для большинства поликристал-

Если формирование импульса .производится без вспомогатель­ ных импульсов подмагничивання, то величина тх в значительной мере зависит от остаточной намагниченности феррита. Чем мень­ ше Мг (или Вг), тем ближе т х к нулю, тем лучше феррит.

Другие формирующие системы. Для получения ма­

70

в базе диода, от напряжения, создаваемого прямым током смещения, правая ветвь — зависимость, суще­ ствующую после рассасывания накопленного заряда и перезаряда барьерной емкости напряжением волны.

Механизм образования ударных волн в линиях с диодами накапливающими заряд — диссипативный. Процесс образования и развития разрыва на фронте волны происходит быстро. Минимальная длительность фронта ударной волны напряжения определяется, посуществу, временем восстановления tn обратного со­ противления диода *\ В настоящее время диоды с на­ коплением заряда, по-видимому, не выпускаются. Однако целый ряд диодов, таких, например, как им­ пульсные меза-диоды Д311 п ДЗ12, импульсные 2Д503, параметрические 1А401, 1Л402, 1А403, облада­ ют свойством накопления заряда. Характерные пара­ метры этих диодов приведены в табл. 2 приложения.

Конструктивно ли :: :о целесообразно выполнять в полосковом пли коаксиальном варианте. Естествен­ но, что для полосковой конструкции наиболее подхо­ дящим является диод с корпусом таблеточного типа, для коаксиальной — диод в СВЧ корпусе (например, параметрические 1Л401) с /!т,,-п —0,1 • 10~9 с. Однако при этом весьма желателен подбор пары диодов с об­ ратным включением р—я-переходов относительно вы­ водов корпуса, что существенно облегчает подключе­ ние источников питания к формирующим звеньям ли­ нии. Для монтажа на печатных платах вполне подхо­

ферритов качественно совпадают). Однако упрощен-

*> Паразитные параметры диодов, разумеется, также оказы­ вают заметное влияние, которое можно уменьшить изменением конструкции диодов и линий.

71

пый конструктивный расчет можно выполнить, рассчи­ тав параметры выбранной формирующей линии без учета включения диодов, предусмотрев их расположе­ ние на оптимальном расстоянии 1 ... 2 см. Учитывая, что время задержки волны на 1 см линии ~0,03Х X-9 с без заполнения и — 0,05 -10-9 с с полиэтилено­ вым или тефлоновым заполнением, линию можно счи­ тать квазираспределенной лишь для импульсов с ми­ нимальным характерным временным параметром (0,15 ... 0,3) 1 9 с. Кроме того, для компенсации раз­ броса параметров диодов и согласования всего тракта

строечной емкости). Конструкции формирующих ли­ ний подобного типа описаны в работе [44].

Для формирования импульсов малой мощности применяются также полосковые линии па основе длин­ ного р—«-перехода, изготовленного методом эпитакси­ ального наращивания кремниевой или германиевой пленки [45]. Технология изготовления линии, ее пара­ метры и конструкции подробно будут описаны в § 5.4. Формирование ударных сил (импульсов напряжения) в такой линии происходит по закону простой волны. При этом, как показали экспериментальные исследо­ вания [46, 47], волна практически остается простой и после возникновения разрыва в какой-либо точке ее профиля. Поэтому расчет линии на основе длинного р—«-перехода может быть выполнен по результатам § 1.2 и § 5.4. В частности, оптимальная длина линии

[47]

Inpi =тщ (и г) vp/2[v (U2) — Vp].

Зависимость Q(ti) определяется формулой (1.4) (при «n=V2), а погонная индуктивность и начальная емкость, по крайней мере для описанных в § 5.4 кон­ струкций порядка 5-10~3 мкГ'н/см и (1 ... 2) X ХЮ2 пФ/см (см. табл. 3 приложения). Минимальная

72

длительность фронта, которую можно получить в'рас­ пределенной р—«-линии, пропорциональна произведе­

В заключение отметим, что круг возможных прак­ тических применений нелинейных формирующих ли­ ний в различных областях экспериментальной физи­ ки, ядерной электронике, СВЧ- и особенно наносекундной импульсной технике, непрерывно расширяет­ ся. Такие линии используются и как самостоятельные устройства, и как основные элементы более сложных систем: измерителей времен релаксации различных веществ, генераторов наносекундных импульсов раз­ личной мощности, модуляторов добротности резонато­ ров оптических квантовых генераторов, генераторов развертки сверхскоростных осциллографов, умножи­ телей частоты СВЧ диапазона волн и т. п. [5, 6, 35]. Тем не менее перспективы развития и использования нелинейных линий как устройств, позволяющих фор­ мировать импульсы с сверхмалыми временными пара­ метрами, пока еще не исчерпаны. Действительно, если рассмотреть идеализированный случай, предположив, что нелинейные вещества безынерционны, то мини­ мальная длительность фронта ударной волны будет ограничена только дисперсией линий передачи *\ на­ пример, за счет скин-эффекта в металле или диспер­ сией диэлектрической проницаемости заполнения со­ ответственно на уровнях 10~10 и 10~13 с. Эти пределы можно уменьшить, применив криогенную технику низ­ ких и сверхнизких температур.

Что же касается времен релаксации нелинейных веществ, то здесь картина имеет к настоящему време­ ни, по-видимому, такой вид: для ферромагнитных и сегнетоэлектрических веществ в предпробойпых обла-

*> При оптимально выбранной конструкции линии.

73

стих времена релаксации 10~10 и 10“®с практически совпадают с минимальными длительностями фронтов ударных волн. Это значит, что возможности ферритов и сегнетоэлектриков как нелинейных заполнителей формирующих систем, по-видимому, практически по­ что реализованы *).

Время релаксации запертого р—«-перехода (при равномерном распределении примесей и толщине по­ лупроводника порядка толщины барьера (г/~30ц) при пробое получено около 10~10 с и может быть уменьшено до величины 10_и с и менее за счет уве­ личения концентрации примесей N03, а также благодаря предварительному накоплению неосновных носителей Nn3 за счет постоянного тока, протекающего через пе­ реход в прямом направлении, что, по-существу, выли­

предлагается И. Г. Катаевым в работе [48]. Его реа­ лизация требует разработки конструкции двухпровод­ ной полупроводниковой линии с толщиной полупро­ водника меньшей, чем величина d, с областями р и п, имеющими омические переходы с проводами линии. При этом длительность фронта ударной волны опре­ делялась бы постоянной времени перехода гС. Одна­ ко при больших напряжениях (£/2~50 В) свободные носители зарядов должны быть вытеснены нолем вол­ ны из всей толщины полупроводника, и он превра­ щается в идеальный диэлектрик с электронной поля­ ризацией и временем релаксации диэлектрической постоянной порядка 10~13 с.

*> Исключение, по-видимому, могут составить ферритовые и сегнетоэлектрические пленки, интенсивные исследования которых ведутся в настоящее время [50, 51].

74

2

ФОРМИРОВАНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ В ВОЛНОВЫХ СИСТЕМАХ С АКТИВНЫМИ НЕЛИНЕЙНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Рассмотренные ранее нелинейные линии не содер­ жат распределенных источников энергии, питающих распространяющийся сигнал, а лишь обеспечивают перераспределение энергии из низкочастотных состав­ ляющих его спектра в высокочастотные. По мере рас­ пространения импульса вдоль такой линии полная энергия сигнала непрерывно уменьшается в резуль­ тате излучения и рассеяния на различных диссипатив­ ных элементах. Нелинейные линии с реактивными па­ раметрами являются, таким образом, пассивными.

Сравнительно давно известны и применяются на практике устройства, основой которых служат актив­ ные линии передачи — линии с распределенными вдоль них нелинейными активными элементами, пре­ образующими энергию внешних (постоянных или пе­ ременных) источников в энергию сигналов, распрост­ раняющихся вдоль линии. Как правило, линии здесь работают в режиме малого сигнала, не допускающем заметных искажений его формы и, по существу, явля­ ются линейными активными линиями. К таким устрой­ ствам, например, относятся: распределенные усили­ тели на туннельных диодах [52, 53], параметрические усилители бегущей волны [54] и т. п.

Активные линии, работающие в существенно нели­ нейном режиме (в режиме большого сигнала), так же, как и нелинейные пассивные линии, обладают свойст­ вом формировать перепады н импульсы напряжения (тока) с минимальной длительностью фронтов поряд­ ка десятых долей наносекунды, поэтому теоретическое [55—59, 67, 68] и экспериментальное [60—65] исследова­ ние их свойств представляет заметный интерес для наносекундной импульсной техники.

75

В этой главе рассматриваются свойства форми­ рующих нелинейных линий с активными элементами, имеющими на статических вольт-амперных характери­ стиках падающий участок. В таких линиях нелиней­ ность активного элемента оказывает определяющее (по сравнению с дисперсией) влияние на характер изменения формы распространяющегося в пей им­ пульсного сигнала.

Линии активного типа могут быть реализованы как на основе полупроводниковых элементов с S-образной вольт-амперной характеристикой (четырехслойпые пе­ реключатели, униполярные транзисторы, двухбазовые диоды, диоды па базе легированного золотом кремния н т. д.), так и на основе элементов с iV-образной ха­ рактеристикой (туннельные диоды, диоды Ганна, сверхпроводящие линии с туннельными и джозефсоновскими переходами и т. д. [58, 60, 61, 67].

Внимательное рассмотрение уравнений, описываю­ щих различные системы результатов их решений и экспериментальных данных показывают, что почти все активные системы (если не по математическому опи­ санию, то по физическим свойствам) могут быть от­ несены к тому же классу, что и хорошо исследованные

Принцип действия и механизм формирования не­ затухающего сигнала в таких системах опишем на примере однородной активной линии с нелинейным сопротивлением утечки. Эквивалентная схема такой линии и вольт-амперпая характеристика показаны па рис. 2.1 и 2.2. Положим для простоты рассмотрения, что потери в линии отсутствуют (сопротивления R = 0, г=0). Пусть от источника питания в линию поступает ток смещения /,м, больший, чем / т ;„, но меньший fmnx (рис. 2.2). Если входной сигнал отсутствует, на­ пряжение вдоль линии отлично от нуля й равно либо

76

U'o, либо U2 Для определенности будем считать, что и равно U'o.

Когда на вход линии поступит сигнал с амплиту­ дой меньшей, чем величина Ui, то, как это видно из

Рис. 2.1. Эквивалентная схема активной линии:

а) с учетом низкочастотных потерь, б) с учетом высокочастотных потерь.

рис. 2.2, ток утечки I(и) увеличится, превысив уровень / = / см. Это возможно лишь за счет энергии входного сигнала, которая распределится вдоль линии с опреде­ ленной скоростью. Входной сигнал затухнет.

Если же амплитуда входного сигнала превысит уровень U1, но не достигнет уровня U2, то при уве-

Рис. 2.2. Вольт-амперпая характеристика активного элемента линии.

*> Состояние с u=U \ является неустойчивым, и линия не мо­ жет долго в нем находиться.

77

личении напряжения на начальных участках линии выше уровня Ui ток утечки станет меньше тока сме­ щения и разностный ток, равный / см—Н и)> потечет в соседние участки линии, увеличивая напряжения на этих участках. Таким образом, увеличение напряже­ ния в линии будет теперь происходить не только за счет энергии сигнала, но и за счет перераспределения токов смещения, т. е. за счет работы источника по­ стоянного тока. В линии будет происходить усиление напряжения входного сигнала до тех пор, пока оно не превысит уровня U2. При и>112 ток утечки станет больше Iсм и линия начнет лишь потреблять энергию сигнала, а не отдавать ее.

Интервал изменения напряжения в линии от U\ до U2, в котором происходит увеличение энергии сиг­ нала, можно назвать активной областью, а области u < U ь u>U2, где энергия сигнала уменьшается — пас­ сивными областями *>.

Таким образом, если па вход линии подать поло-' жительный импульс произвольной формы с амплиту­ дой Um, то в тех частях его, где и<0\, и— Ю, а где u> U ь и— >-U2, и импульс по мере его распространения

Однако длительность импульса в общем случае не будет оставаться постоянной. Дело в том, что энер­ гия, отдаваемая импульсу линией в активной области, не всегда равна энергии, расходуемой импульсом в пассивной области изменения и. Эти энергии про­ порциональны, соответственно, площадям S2 и Si (рис. 2.2), заключенным между линией тока смещения

в исходном состоянии напряжение в линии u ~ U 2, а на вход линии подан отрицательный импульс. Однако активной областью здесь будет интервал U i > u > U ' 0, а пассивной U2> u > U (,

78

полная энергия распространяющегося импульса оста­ ется неизменной. Поскольку энергия импульса равна ё и = и тЧИо/р0, то при постоянной амплитуде импуль­

са Um будет оставаться постоянной и его длительность ta. При S i> S 2 (потери энергии при распространении

Рис. 2.3. Деформация формы импульсного сигнала в активной линии без потерь.

импульса превышают ее поступление) полная энергия импульса будет непрерывно уменьшаться, стремясь к пулю. При этом (в силу действия описанного выше механизма формирования) форма импульса будет оставаться прямоугольной, а его амплитуда постоян­ ной, следовательно, убывание энергии импульса будет происходить за счет уменьшения его длительности, вплоть до полного исчезновения импульса. Такая ли­ ния в конечном счете оказывается пассивной, хотя на начальных ее участках возможно формирование им­ пульса. Если S2> S i (отдача энергии импульсу пре­ вышает ее потери), полная энергия импульса непре­ рывно увеличивается. При постоянной амплитуде импульса это будет происходить в результате увеличе­ ния длительности импульса, которая в неограниченной линии стремится к бесконечности. Этот импульс мож­ но рассматривать как бегущий вдоль линии положи­ тельный перепад напряжения, соответствующий фрон­

79