устройство управления амплитудой мощных импульсных сигналов

Формула изобретения

Устройство управления амплитудой мощных импульсных сигналов, содержащее первый фильтр нижних частот, вход которого является входом устройства для управляемого сигнала, второй фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с входом второго фильтра нижних частот, резистор и вход сигнала управления, отличающееся тем, что в него введены полупроводниковый диод, первый вывод которого соединен с базой биполярного транзистора, а второй вывод подключен к входу сигнала управления, и дополнительный биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, коллектор - с базой биполярного транзистора, а база - с первым выводом резистора, при этом коллектор биполярного транзистора соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а второй вывод резистора - с общим проводником.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано в системах возбуждения СВЧ-генераторов на лавинно-пролетных диодах и диодах Ганна.

Известно устройство управления амплитудой мощных гармонических сигналов, содержащее первый электрический фильтр, вход которого является входом устройства для управляемого сигнала, трансформатор, первичная обмотка которого является входом устройства для сигнала управления и один из выводов вторичной обмотки которого подключен к источнику смещения E_см, второй электрический фильтр, вход которого подключен к другому выводу вторичной обмотки трансформатора, третий электрический фильтр, выход которого является выходом устройства, биполярный транзистор, коллектор которого соединен с выходом первого электрического фильтра и входом третьего электрического фильтра, а эмиттер соединен с общим для всего устройства проводником, резистор, один из выводов которого соединен с выходом второго электрического фильтра, а другой - с базой биполярного транзистора [1]. Недостатком такого устройства является невозможность его использования для управления амплитудой мощных однополярных импульсов, поскольку рассматриваемое устройство работает в полосе частот, не превышающей две-три октавы [1], в то время как импульсный сигнал имеет спектр с коэффициентом перекрытия по частоте, составляющим 10² 10⁵ раз [2, с.152].

Известно также устройство управления амплитудой мощных импульсных сигналов, являющееся одновременно устройством защиты усилителя однополярных импульсов от рассогласования по выходу и от перегрузки по входу, содержащее трансформатор тока, выполненный на основе ферритового кольца и двух обмоток. Первичная обмотка выполнена в виде продетого сквозь ферритовое кольцо полоскового проводника, концы которого образуют вход и первый выход трансформатора тока. Вход трансформатора подключен к выходу защищаемого усилителя, а первый выход - к нагрузке усилителя. Вторичная обмотка выполнена из навитого на ферритовое кольцо провода, первый конец которого подключен к общему для усилителя и цепи обратной связи проводнику, а второй конец образует второй выход трансформатора тока. В состав устройства входят также детектор, вход которого подключен ко второму выходу трансформатора тока, блок управления, вход которого соединен с выходом детектора, резистор, выводы которого охватывают ферритовое кольцо с обеих сторон и гальванически соединены между собой, биполярный транзистор, база которого подключена к выходу блока управления, коллектор транзистора соединен с общим для усилителя и цепи обратной связи проводником, а эмиттер транзистора образует выход цепи обратной связи, подключенный к входу усилителя [3]. Недостатком такого устройства управления амплитудой мощных однополярных импульсов является то, что оно может работать только с генераторами мощных импульсов с выходным сопротивлением, много большим сопротивления насыщения используемого биполярного транзистора. Это связано с тем, что при малом выходном сопротивлении генератора мощных импульсов устройство управления перестает осуществлять регулировку амплитуды импульсов. Кроме того, работая на параллельно соединенные сопротивление нагрузки и сопротивление насыщения биполярного транзистора, генератор часто выходит из строя из-за превышения мгновенным значением тока в импульсе его допустимого значения. Согласно [2, с.229] генераторы мощных сигналов имеют, как правило, малое выходное сопротивление, что приводит к ограничению использования этого устройства управления.

Наиболее близким к заявляемому объекту по максимальному числу существенных признаков является устройство управления амплитудой мощных сигналов, содержащее первый фильтр нижних частот, вход которого является входом устройства для управляемого сигнала, второй фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот и входом второго фильтра нижних частот, а коллектор соединен с общим для всего устройства проводником, и резистор, один из выводов которого подключен к входу сигнала управления, а другой - к базе биполярного транзистора [4, рис.2].

Недостатком такого устройства-прототипа при его использовании в качестве устройства управления амплитудой мощных импульсных сигналов является то, что оно может работать только с генераторами мощных импульсов с выходным сопротивлением, много большим сопротивления насыщения используемого биполярного транзистора. Это связано с тем, что при малом выходном сопротивлении генератора мощных импульсов устройство управления перестает осуществлять регулировку их амплитуды. Кроме того, работая на параллельно соединенные сопротивление нагрузки и сопротивление насыщения биполярного транзистора, генератор часто выходит из строя из-за превышения мгновенным значением тока в импульсе его допустимого значения. Согласно [2, с.229] генераторы мощных сигналов имеют, как правило, малое выходное сопротивление, что приводит к ограничению использования этого устройства управления.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое решение, - создание устройства управления амплитудой мощных импульсных сигналов, способного работать от генератора мощных импульсов как с малым, так и с большим выходным сопротивлением.

Это достигается тем, что в устройство управления амплитудой мощных сигналов, содержащее первый фильтр нижних частот, вход которого является входом устройства для управляемого сигнала, второй фильтр нижних частот, выход которого является выходом устройства, биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с входом второго фильтра нижних частот, резистор и вход сигнала управления, введены полупроводниковый диод, первый вывод которого соединен с базой биполярного транзистора, а второй вывод подключен к входу сигнала управления, и дополнительный биполярный транзистор, эмиттер которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот, коллектор - с базой биполярного транзистора, а база - с первым выводом резистора, при этом коллектор биполярного транзистора соединен с выходом первого фильтра нижних частот, а второй вывод резистора - с общим проводником.

На фиг.1 и 2 представлены функциональная схема предложенного устройства управления амплитудой мощных импульсных сигналов и принципиальная электрическая схема макета такого устройства.

Устройство управления амплитудой мощных импульсных сигналов содержит первый фильтр нижних частот 1, вход которого является входом устройства для управляемого сигнала, второй фильтр нижних частот 2, выход которого является выходом устройства, биполярный транзистор 3, эмиттер которого соединен с входом второго фильтра нижних частот 2, резистор 4, полупроводниковый диод 5, первый вывод которого соединен с базой биполярного транзистора 3, а второй вывод подключен к входу сигнала управления, дополнительный биполярный транзистор 6, эмиттер которого соединен с выходом первого фильтра нижних частот 1, коллектор - с базой биполярного транзистора 3, а база - с первым выводом резистора 4, при этом коллектор биполярного транзистора 3 соединен с выходом первого фильтра нижних частот 1, а второй вывод резистора 4 - с общим проводником.

Устройство управления амплитудой мощных однополярных импульсов работает следующим образом. На вход сигнала управления подается постоянное напряжение управления, равное требуемой амплитуде импульсов на выходе устройства. В исходном состоянии полупроводниковый диод 5 закрыт, и при подаче на вход устройства импульсов, имеющих амплитуду меньше, чем значение постоянного напряжения управления, полупроводниковый диод 5 остается закрытым. Биполярный транзистор 3 в момент поступления на вход устройства импульсов входит в состояние, близкое к насыщению, благодаря подаче на его базу через дополнительный биполярный транзистор 6 отпирающего импульсного напряжения. Это напряжение ограничено коллекторным током дополнительного биполярного транзистора 6, который в свою очередь определяется сопротивлением резистора 4. Изменением сопротивления резистора 4 можно регулировать величину максимального импульсного тока биполярного транзистора 3. При этом обеспечивается сохранение работоспособности биполярного транзистора 3 при работе устройства на короткое замыкание по выходу и не приводит к увеличению длительности импульсов в процессе регулирования их амплитуды, которое было бы возможно в случае, если бы биполярный транзистор 3 входил в режим насыщения. Сопротивление биполярного транзистора 3 в состоянии, близком к насыщению, составляет десятые доли Ом [5]. В этом случае импульсы, подаваемые на вход устройства, беспрепятственно проходят на его выход и поступают в нагрузку, на которой выделяется импульсное напряжение, равное амплитуде входных импульсов. При подаче на вход устройства импульсов, имеющих амплитуду, превышающую значение постоянного напряжения управления, полупроводниковый диод 5 открывается, и на базе биполярного транзистора 3 устанавливается напряжение, равное напряжению управления. Поэтому, как только амплитуда импульса на выходе устройства станет равной напряжению управления, биполярный транзистор 3 входит в режим ограничения, препятствуя дальнейшему росту тока в нагрузке, поскольку напряжение на эмиттере биполярного транзистора 3 не может превышать напряжения на его базе. Первый фильтр нижних частот 1 и второй фильтр нижних частот 2 совместно с емкостными составляющими входного и выходного сопротивления биполярного транзистора 3 имеют сопротивление тракта передачи, равное сопротивлению нагрузки, подключаемой к выходу устройства управления.

Первый фильтр нижних частот 1 на фиг.1 соответствует фильтру, образованному элементами C₃, C₄, L ₃, L₄ на фиг.2. Второй фильтр нижних частот 2 на фиг.1 соответствует фильтру, образованному элементами C ₁, C₂, L₁, L₂ на фиг.2. Транзистор 3 на фиг.1 соответствует транзистору VT2 на фиг.2. Резистор 4 на фиг.1 соответствует резистору R₁ на фиг.2.

Полупроводниковый диод 5 на фиг.1 соответствует полупроводниковому диоду VD1 на фиг.2. Транзистор 6 на фиг.1 соответствует транзистору VT1 на фиг.2

На фиг.3 приведена экспериментально измеренная форма и амплитуды импульсов на выходе устройства управления амплитудой мощных импульсных сигналов, принципиальная электрическая схема которого приведена на фиг.2. Измерение амплитуды и формы импульсов на выходе устройства управления амплитудой мощных импульсных сигналов осуществлялось при трех значениях постоянного напряжения управления, равных 100, 60 и 20 В. Амплитуда импульса на входе устройства управления амплитудой мощных импульсных сигналов составляла 110 В. Масштаб времени на оси абсцисс не приведен. Минимальное сопротивление нагрузки было выбрано равным 8 Ом. При этом изменение сопротивления нагрузки в пределах от 8 Ом до холостого хода практически не сказывалось на форме и амплитуде импульсов на выходе устройства и определялось лишь напряжением управления.

Предложенное устройство управления амплитудой мощных импульсных сигналов по сравнению с устройством-прототипом обеспечивает регулировку амплитуды импульсов генераторов как с большим, так и с малым выходным сопротивлением и не приводит к превышению мгновенным значением тока генератора в импульсе его допустимого значения, поскольку величина максимального импульсного тока биполярного транзистора 3 определяется величиной сопротивления резистора 4 и не зависит ни от амплитуды импульсов на выходе генератора, ни от величины сопротивления нагрузки.

Источники информации, использованные при составлении описания изобретения

1. Титов А.А., Ильюшенко В.Н. Амплитудный модулятор мощных сигналов / Патент РФ № 2240645, - Опубл. 20.11.2004. Бюл. № 32.

2. Пикосекундная импульсная техника. / В.Н.Ильюшенко, Б.И.Авдоченко, В.Ю.Баранов и др. / Под ред. В.Н.Ильюшенко.- М.: Энергоатомиздат, 1993. - 368 с.

3. Титов А.А., Семенов А.В., Пушкарев В.П. Устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току. / Патент РФ № 2328818, - Опубл. 10.07.2008. Бюл. № 19.

4. Титов А.А. Регулировка и модуляция амплитуды мощных сигналов // Электросвязь. - 2007. - № 12. - С, 46-48 - прототип.

5. Петухов В.М. Полевые и высокочастотные биполярные транзисторы средней и большой мощности и их зарубежные аналоги: Справочник. В 4-х томах. - М.: КУбК-а, 1997.