RU2361360C1

RU2361360C1 - Controlled pulse shaper based on bound ferroelectric non-linear transmission lines

Info

Publication number: RU2361360C1
Application number: RU2008118686/09A
Authority: RU
Inventors: Андрей Борисович Козырев (RU); Андрей Борисович Козырев; Виталий Николаевич ОСАДЧИЙ (RU); Виталий Николаевич Осадчий; Дмитрий Михайлович КОСЬМИН (RU); Дмитрий Михайлович КОСЬМИН; Татьяна Борисовна Самойлова (RU); Татьяна Борисовна Самойлова; Анатолий Константинович Михайлов (RU); Анатолий Константинович Михайлов
Original assignee: Андрей Борисович Козырев
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2009-07-10

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to telecommunications and allows for shaping ultra-short (less 1 ns) electromagnetic pulses by means of bound ferroelectric transmission lines. The pulse shaper based, for example, on bound coplanar transmission lines contains metal electrodes (8, 9, 10, 11) mounted on ferromagnetic layer (12), which is formed on the substrate made up from linear dielectric (13). Ferroelectric and electrodes (8 and 9) produce excitation line (1) which is shaper input (6). Accordingly, ferroelectric and electrodes (10 and 11) form branching line (4), which ends up with a shaper output. Electrodes (8 and 9) together with linear dielectric form a section of linear transmission line (2). There is a ferroelectric capacitor between electrodes (8 and 9) on the end of linear transmission line section. The said ferroelectric capacitor is short-circuited.

EFFECT: development of device to shape ultra-short, electromagnetic pulses where pulse duration is controlled electrically and produced pulses have both positive and negative polarity.

5 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к телекоммуникациям и позволяет формировать ультракороткие (менее 1 нс) электромагнитные импульсы при помощи связанных сегнетоэлектрических линий передачи.The invention relates to telecommunications and allows the formation of ultrashort (less than 1 ns) electromagnetic pulses using coupled ferroelectric transmission lines.

Известен формирователь импульсов по патенту США N 6,753,741, который может формировать импульсы с одним обостренным, а с другим расширенным фронтом по сравнению с исходным электромагнитным импульсом. Обострение достигается за счет сегнетоэлектрической нелинейной линии передачи.Known pulse shaper according to US patent N 6,753,741, which can generate pulses with one sharpened, and with another widened front compared to the original electromagnetic pulse. The aggravation is achieved due to the ferroelectric nonlinear transmission line.

В патенте США N 6,690,247 описано устройство для формирования ультракоротких электромагнитных импульсов, представляющее собой полупроводниковую нелинейную линию передачи и короткий отрезок линейной линии передачи на ее выходе. Длина отрезка определяет длительность формируемых электромагнитных импульсов. Недостатками являются отсутствие возможности электрически управлять длительностью формируемого импульса, а также однополярность формируемых импульсов.US Pat. No. 6,690,247 describes an apparatus for generating ultrashort electromagnetic pulses, which is a semiconductor non-linear transmission line and a short length of a linear transmission line at its output. The length of the segment determines the duration of the generated electromagnetic pulses. The disadvantages are the inability to electrically control the duration of the generated pulse, as well as the unipolarity of the generated pulses.

Наиболее близкий аналог (прототип) описан в заявке на патент США N 2006/0158277. Устройство состоит из полупроводниковой нелинейной линии передачи, обостряющей один из фронтов исходного сигнала, делителя мощности, второй полупроводниковой нелинейной линии передачи, работающей в линейном режиме и являющейся электрически управляемой линией задержки, а также противофазного сумматора мощности. Длительность формируемого импульса определяется временем задержки сигнала во второй нелинейной линии передачи. Однако формируемые импульсы могут иметь только либо положительную, либо отрицательную полярность.The closest analogue (prototype) is described in application for US patent N 2006/0158277. The device consists of a non-linear semiconductor transmission line, sharpening one of the edges of the original signal, a power divider, a second non-linear semiconductor transmission line operating in a linear mode and being an electrically controlled delay line, as well as an antiphase power adder. The duration of the generated pulse is determined by the delay time of the signal in the second nonlinear transmission line. However, the generated pulses can have only either positive or negative polarity.

Технической задачей, решаемой данным изобретением, является создание устройства для формирования ультракоротких электромагнитных импульсов, в котором управление длительностью импульса осуществляется электрически и формируемые импульсы имеют одновременно как положительную, так и отрицательную полярности.The technical problem solved by this invention is to provide a device for generating ultrashort electromagnetic pulses, in which the pulse duration is controlled electrically and the generated pulses have both positive and negative polarity.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый формирователь импульсов, так же как и известный, содержит отрезки двух нелинейных линий передачи. Но в отличие от известного, в предлагаемом формирователе линии имеют между собой непрерывную, распределенную по длине электромагнитную связь, а в качестве материала линий используется сегнетоэлектрик в параэлектрическом состоянии с нанесенными металлическими электродами, одна из нелинейных линий является линией возбуждения, а другая - линией ответвления, выходом формирователя импульсов является окончание линии ответвления, одно из двух оставшихся окончаний связанных нелинейных линий является открытым концом, а другое соединено с отрезком линейной линии передачи, содержащей сегнетоэлектрический конденсатор, и закорочено. Достигаемый технический результат - расширение номенклатуры формирователей УК-импульсов за счет создания формирователя УК-импульсов на основе сегнетоэлектрика.The problem is solved due to the fact that the proposed pulse shaper, as well as the well-known, contains segments of two non-linear transmission lines. But unlike the known, in the proposed shaper, the lines have a continuous electromagnetic distribution distributed along the length, and a ferroelectric in the paraelectric state with deposited metal electrodes is used as the line material, one of the nonlinear lines is the excitation line, and the other is a branch line, the output of the pulse shaper is the end of the branch line, one of the two remaining ends of the connected non-linear lines is the open end, and the other is connected to ezkom linear transmission line comprising a ferroelectric capacitor and shorted. Achievable technical result is the expansion of the range of UK pulse generators by creating a UK pulse generator based on a ferroelectric.

В частном случае связанные нелинейные линии передачи представляют собой связанные нелинейные копланарные линии передачи. Копланарные линии позволяют упростить технологию создания формирователя за счет расположения всех электродов в одной плоскости.In the particular case of coupled non-linear transmission lines are connected non-linear coplanar transmission lines. Coplanar lines make it possible to simplify the technology of creating a shaper due to the location of all the electrodes in one plane.

В другом частном случае связанные нелинейные линии передачи представляют собой связанные нелинейные микрополосковые линии передачи. Микрополосковые линии позволяют снизить амплитуду формируемых импульсов до единиц вольт за счет уменьшения толщины пленки сегнетоэлектрика.In another particular case, the coupled non-linear transmission lines are coupled non-linear microstrip transmission lines. Microstrip lines can reduce the amplitude of the generated pulses to units of volts by reducing the thickness of the ferroelectric film.

В другом частном случае связанные нелинейные линии передачи представляют собой связанные нелинейные полосковые линии передачи. Полосковые линии позволяют повысить амплитуду формируемых импульсов до единиц киловольт за счет использования сегнетоэлектрической керамики.In another particular case, the coupled non-linear transmission lines are coupled non-linear strip transmission lines. Striped lines allow you to increase the amplitude of the generated pulses to units of kilovolts due to the use of ferroelectric ceramics.

В другом частном случае связанные нелинейные линии передачи представляют собой связанные нелинейные полосковые линии передачи, где область связи заполнена линейным диэлектриком. Заполнение области связи линейным диэлектриком позволяет улучшить согласование формирователя на входе и выходе за счет снижения эффективной диэлектрической проницаемости структуры.In another particular case, the coupled nonlinear transmission lines are coupled nonlinear strip transmission lines where the communication region is filled with a linear dielectric. Filling the coupling region with a linear dielectric improves the shaper matching at the input and output by reducing the effective permittivity of the structure.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 показана функциональная схема управляемого формирователя импульсов на основе связанных нелинейных линий передачи; на фиг.2 - вольт-фарадная характеристика сегнетоэлектрика и обострение переднего фронта входного сигнала после прохождения через нелинейную линию передачи на основе данного сегнетоэлектрика; на фиг.3 - сигнал синусоидальной формы на входе формирователя импульсов; на фиг.4 - сигнал, отраженный от окончания линии ответвления, в плоскости у выхода формирователя; на фиг.5 - сигнал, отраженный от окончания линии возбуждения, в плоскости у выхода формирователя; на фиг.6 - ультракороткий электромагнитный импульс на выходе формирователя; на фиг.7 - топология связанных нелинейных копланарных линий передачи; на фиг.8 - топология связанных нелинейных микрополосковых линий передачи; на фиг.9 - топология связанных нелинейных полосковых линий передачи; на фиг.10 - топология связанных нелинейных полосковых линий передачи с областью связи, заполненной линейным диэлектриком.The proposed device is illustrated by drawings, where figure 1 shows a functional diagram of a controlled pulse shaper based on connected non-linear transmission lines; figure 2 - capacitance-voltage characteristic of a ferroelectric and exacerbation of the leading edge of the input signal after passing through a nonlinear transmission line based on the given ferroelectric; figure 3 - a sinusoidal signal at the input of the pulse shaper; figure 4 - signal reflected from the end of the branch line, in the plane at the output of the shaper; figure 5 - signal reflected from the end of the excitation line, in the plane at the output of the shaper; figure 6 - ultrashort electromagnetic pulse at the output of the shaper; 7 is a topology of the associated non-linear coplanar transmission lines; on Fig - topology of the associated nonlinear microstrip transmission lines; figure 9 - the topology of the associated nonlinear strip transmission lines; 10 is a topology of coupled nonlinear strip transmission lines to a communication region filled with a linear dielectric.

Управляемый формирователь импульсов (фиг.1) состоит из линии возбуждения 1, соединенной с линейной линией передачи 2, содержащей сегнетоэлектрический конденсатор и на конце которой реализовано условие короткого замыкания 3, и линии ответвления 4, в начале которой реализовано условие холостого хода 5. Входом 6 формирователя является начало линии возбуждения, а выходом 7 - окончание линии ответвления.The controlled pulse shaper (Fig. 1) consists of an excitation line 1 connected to a linear transmission line 2 containing a ferroelectric capacitor and at the end of which a short circuit condition 3 is realized, and a branch line 4, at the beginning of which an idle condition is realized 5. Input 6 shaper is the beginning of the excitation line, and output 7 is the end of the branch line.

Принцип работы управляемого формирователя импульсов состоит в следующем. На вход 6 устройства подается сигнал синусоидальной формы (фиг.2). По мере распространения сигнала вдоль линии возбуждения 1 происходит обострение его переднего фронта за счет нелинейности линии. В результате уменьшения погонной емкости линии (копланарная, микрополосковая, полосковая) при увеличении напряжения (фиг.6) различные участки фронта сигнала распространяются вдоль нелинейной линии передачи с различными скоростями, что приводит к обострению фронта по мере прохождения сигнала по линии. Одновременно за счет распределенной электромагнитной связи происходит частичное ответвление входного сигнала в линию ответвления 4. Направленное распространение в линии ответвления достигается в результате интерференции возбужденных в ней волн, которые, складываясь, в направлении окончания линии ответвления взаимно гасятся, а в направлении начала линии ответвления образуют результирующий ответвленный сигнал (фиг.3). Как известно, при уровне связи линий 3 дБ амплитуда прошедшего и ответвленного сигналов одинакова и равна половине амплитуды исходного входного сигнала. Поскольку в начале линии ответвления реализовано условие холостого хода 5, то сигнал отражается без изменения фазы и поступает на выход 7 формирователя (фиг.3). Сигнал, распространяющийся в линии возбуждения, отражается от ее окончания 3, а затем ответвляется в линию ответвления в направлении выхода формирователя. Поскольку сигнал был отражен от короткого замыкания, то его фаза изменилась на 180 градусов (фиг.4), кроме того сигнал задержан на время 2t, где t - время прохождения короткого отрезка 2 линейной линии передачи, содержащей сегнетоэлектрический конденсатор. Электрическая длина отрезка, а следовательно, и время t управляются изменением значения емкости включенного в отрезок конденсатора. В результате интерференции сигналов, изображенных на фиг.3 и фиг.4, на выходе устройства формируется ультракороткий электромагнитный импульс, длительность которого зависит от времени задержки сигнала в отрезке линейной линии передачи, то есть управляется изменением емкости конденсатора.The principle of operation of a controlled pulse shaper is as follows. At the input 6 of the device, a sinusoidal signal is supplied (figure 2). As the signal propagates along the excitation line 1, its leading edge aggravates due to the nonlinearity of the line. As a result of a decrease in the linear capacity of the line (coplanar, microstrip, strip) with increasing voltage (Fig.6), various sections of the signal front propagate along the nonlinear transmission line at different speeds, which leads to an aggravation of the front as the signal passes along the line. At the same time, due to the distributed electromagnetic coupling, the input signal is partially branched into the branch line 4. Directional propagation in the branch line is achieved as a result of interference of the waves excited in it, which, when folded, mutually cancel out in the direction of the end of the branch line and form the resulting branched signal (figure 3). As is known, at a link level of 3 dB, the amplitude of the transmitted and branched signals is the same and equal to half the amplitude of the original input signal. Since at the beginning of the branch line the idle condition 5 is realized, the signal is reflected without changing the phase and goes to the output 7 of the shaper (figure 3). The signal propagating in the excitation line is reflected from its end 3, and then branches into the branch line in the direction of the output of the driver. Since the signal was reflected from a short circuit, its phase changed by 180 degrees (Fig. 4), in addition, the signal was delayed by 2t, where t is the transit time of a short segment 2 of a linear transmission line containing a ferroelectric capacitor. The electric length of the segment, and hence the time t, is controlled by a change in the capacitance value of the capacitor included in the segment. As a result of interference of the signals depicted in FIGS. 3 and 4, an ultrashort electromagnetic pulse is generated at the output of the device, the duration of which depends on the delay time of the signal in the segment of the linear transmission line, that is, it is controlled by a change in the capacitance of the capacitor.

Конструкцию управляемого формирователя импульсов рассмотрим на примере формирователя импульсов на основе связанных копланарных линий передачи (фиг.7). Металлические электроды 8, 9, 10, 11 формируются на слое сегнетоэлектрика 12, который, в свою очередь, сформирован на подложке из линейного диэлектрика 13. Сегнетоэлектрик и электроды 8 и 9 образуют линию возбуждения 1, которая является входом формирователя 6, а линию ответвления 4 образуют соответственно сегнетоэлектрик и электроды 10 и 11. Область связи линий находится между электродами 9 и 10. Окончание области связи реализовано за счет отдаления друг от друга электродов 9 и 10. По окончании области связи сегнетоэлектрик заменен на линейный диэлектрик, электроды 8 и 9 образуют вместе с линейным диэлектриком отрезок линейной линии передачи 2, на конце которого, между электродами 8 и 9, помещен сегнетоэлектрический конденсатор, образуя тем самым короткое замыкание 3. Электроды 10 и 11 вместе с линейным диэлектриком образуют выход формирователя 7.The design of the controlled pulse shaper will be considered using an example of a pulse shaper based on coupled coplanar transmission lines (Fig. 7). Metal electrodes 8, 9, 10, 11 are formed on a layer of a ferroelectric 12, which, in turn, is formed on a substrate of a linear dielectric 13. The ferroelectric and electrodes 8 and 9 form an excitation line 1, which is the input of the former 6, and the branch line 4 respectively, the ferroelectric and the electrodes 10 and 11 are formed. The communication region of the lines is between the electrodes 9 and 10. The end of the communication region is realized due to the separation of the electrodes 9 and 10 from each other. At the end of the communication region, the ferroelectric is replaced by a linear dielectric k, the electrodes 8 and 9 form together with the linear dielectric a segment of the linear transmission line 2, at the end of which, between the electrodes 8 and 9, a ferroelectric capacitor is placed, thereby forming a short circuit 3. The electrodes 10 and 11 together with the linear dielectric form the output of the driver 7 .

Claims

1. A controlled pulse shaper containing segments of two nonlinear transmission lines, characterized in that the said lines have a continuous electromagnetic distribution distributed along the length, and the ferroelectric in the paraelectric state with deposited metal electrodes is used as the material of the lines, one of the nonlinear lines is the excitation line, and the other - the branch line, the output of the pulse shaper is the end of the branch line, one of the two remaining ends connected elineynyh lines is an open end, and the other is connected to the transmission line segment a linear comprising a ferroelectric capacitor and shorted.

2. The controlled pulse shaper according to claim 1, in which the associated non-linear transmission lines are made in the form of coplanar lines.

3. The controlled pulse shaper according to claim 1, in which the associated non-linear transmission lines are made in the form of microstrip lines.

4. The controlled pulse shaper according to claim 1, in which the associated non-linear transmission lines are made in the form of strip lines.

5. The controlled pulse shaper according to claim 4, in which the communication region of the nonlinear transmission lines is filled with a linear dielectric.