АНАЛИЗ нелинейной ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ НА ОСНОВЕ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СТРУКТУРЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИК, ДЛЯ УСТРОЙСТВ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ

February 15, 2013 by admin Комментировать »

Михайлов А. К., Самойлова Т. Б. Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» ул. Проф. Попова, 5, г. Санкт-Петербург, 197376, Россия e-mail: mlp@eltech.ru

Аннотация – Рассматривается общий метод анализа нелинейных линий передачи на основе распределенной структуры, содержащей сегнетоэлектрик, с точки зрения возможности максимального сжатия импульса для использования в устройствах формирования сверхширокополосных сигналов. Результаты приведенного анализа демонстрируют перспективность применения сегнетоэлектриков в СШП-технике в устройствах обострения высоковольтных импульсов нано- и пикосекундной длительности.

I.                                       Введение

На сегодняшний день одной из главных проблем в сверхширокополосной (СШП) технике является получение высокоэнергетичных СШП импульсов. С этой точки зрения особенно актуальным является исследование возможности применения сегнетоэлектрических материалов для устройств формирования сверхширокополосных сигналов, т. к основными преимуществами сегнетоэлектриков, в сравнении с традиционно используемыми в СВЧ электронике полупроводниками и ферритами, являются: высокое быстродействие, высокие предельные рабочие уровни СВЧ мощности, не приводящие к деградации свойств сегнетоэлектрических материалов и, кроме того, высокая радиационная стойкость.

Предполагая линейную зависимость напряжения от времени на входе и выходе линии, можно записать:

Для формирования СШП сигналов уже более 20 лет разрабатывают и используют линии передачи, периодически нагруженные диодами, емкость которых зависит от напряжения распространяющегося вдоль линии сигнала (нелинейные линии передачи) [1, 2]. Линии передачи с нелинейными распределенными и квазираспределенными параметрами, содержащие тонкие сегнетоэлектрические пленки, являются альтернативой нелинейных линий передачи на полупроводниковых диодах.

II.                              Основная часть

Используя выражения (2), (3), (4) и (5) получим выражение для фактора качества в случае распределенной линии с потерями:

Скорость распространения электромагнитной волны в линии передачи главным образом определяется её погонными индуктивностью L и емкостью С:

где То – длительность фронта импульса на входе нелинейной линии передачи, а У; – длительность фронта на ее выходе.

Экспериментальные зависимости емкости сегнетоэлектриков хорошо описываются выражением:

При прохождении электромагнитного импульса по нелинейной линии передачи, вследствие зависимости емкости от напряжения, участки более высокого напряжения имеют большую скорость распространения, что приводит к временному сжатию фронта импульса. Для оценки сжатия обычно вводят так называемый «фактор качества» Fb виде:

На рис.1 схематично изображено сжатие ступенчатого импульса в линии без потерь. В соответствии с рис.1 и выражением (1) фактор качества может быть записан для распределенной линии как

где / – длина линии, \/(0) – скорость распространения, соответствующая начальной емкости (емкости при отсутствии внешнего поля) С (0).

Рис. 1. Изображение ступенчатого импульса на входе и выходе линии передачи.

Fig. 1. Schematic presentation of step puise at transmission iine input and output

Введем потери a, как затухание на единицу длины для распределенной линии и потери на одну ячейку для сосредоточенной линии. В этом случае будем использовать эффективную длительность импульса т) на выходе линии.

где Uo – феноменологический параметр имеющий размерность напряжения, К – коэффициент управляемости емкости [3]. В общем случае, эти параметры зависят от структуры сегнетоэлектрической пленки и геометрии конденсатора.

Подставив выражение (7) в выражение (6) получим итоговую запись фактора качества для распределенной линии. На рис.2 представлены графические зависимости фактора качества распределенной линии передачи от ее длины при U/Uo = 2, длительности фронта входного импульса 35 пс и различных потерях в линии (кривая 1 – без потерь, кривая 2 – а = 0.88 дБ/мм, кривая 3 – а = 1.12 дБ/мм).

Рис. 2. Зависимость фактора качества от длины нелинейной линии передачи

Fig. 2. Figure of merit vs length of nonlinear transmission line

Точками на графике обозначены результаты компьютерного моделирования в среде MATLAB.

III.                                  Заключение

Результаты приведенного анализа нелинейных линий на основе сегнетоэлектриков демонстрируют перспективность их применения в CLUn-технике в качестве обострителей высоковольтных импульсов на- но- и пикосекундной длительности.

Как видно из рис.2 предложенный метод оценки сжатия фронта импульса, основанный на феноменологической ВФХ сегнетоэлектриков хорошо согласуется с результатами компьютерного моделирования как при различных параметрах исходного импульса, так и при различных свойствах и структуре линии передачи.

IV.                           Список литературы

[1]  м. Rodwell, М. Kamegawa, R. Yu et. al. GaAs transmission lines for picosecond pulse generation and millimeter-wave sampling IEEE Trans. MTT, 1991 V.39, N7, p.1195.

[2]  S. T. Allen, U. Brattacharya, M. J. W. Rodwe// 125GHz Sampling Circuits Integrated with Nonlinear Transmission Lines. IEEE Device Research Conference, 1994.

[3]  O. Г. Вендик «Сегнетоэлектрики в технике СВЧ» (Сов. Радио, Москва, 1979).

ANALYSIS OF FERROELECTRIC-BASED NONLINEAR TRANSMISSION LINES FOR PULSE SHAPING DEVICES

A.                         K. Mikhailov, T. B. Samoilova St. Petersburg State Electrotechnical University (LETI) Prof Popov St, 5, Saint Petersburg, 197376, Russia e-mail: mlp@eltech.ru

Abstract – Described in this paper is the generalized analysis of a possibility to realize nonlinear transmission line (NLTL) as a distributed line with nonlinear dielectric. The analysis is based on phenomenological description of ferroelectrics C-V characteristics. Results presented show that the use of ceramic paraelectrics in NLTLs provides rather effective compression of high voltage steps of subnanosecond duration.

I.                                         Introduction

Last 20 years Nonlinear transmission lines (NLTL) were under developing as shock wave generators. Current NLTLs, used as electric step or short pulse function generators consist of high-impedance transmission lines, periodically loaded by varactor diodes. Nonlinear capacitance (Cd (U)) of reverse- based varactor diodes depends on DC bias voltage and on the voltage of propagating signal. One of the main problems of UWB signal shaper is to provide the higher energy pulses and higher voltage steps with steep fronts. Results presented below allow making a conclusion that the use of ferroelectric-based NLTL can solve this problem.

II.                                        Main Part

The operation principle of distributed NLTL, containing nonlinear dielectric and used as a shock-wave NLTL, is based on voltage dependence of the velocity (v(u)) of traveling waveform propagation,

The voltage dependence of the velocity provides different time delays for different parts of traveling signal. As a result the wave front compression occurs during propagation along NLTL.

In order to characterize the compression efficiency it is comfortable to introduce the parameter «Figure of merit»,

F.   Further we shall analyze the potential of ferroelectric-based NLTL in order to provide maximal figure of merit.

For the lossy NLTL we introduce the wave attenuation a per unit length of the line. For distributed NLTL figure of merit can be written as

Experimental C-V characteristics of ferroelectrics are usually described well by the expression

where С (0) is the capacitance at U=0, Uo’\s a phenomenological parameter having the dimension of voltage, and К is capacitance adjustability factor.

III.                                       Conclusion

From the analysis carried out it follows that ferroelectric- based NLTLs are promising as shock-wave NLTLs intended for compression of wave front duration around tens of picoseconds and with high voltage levels about 1 kV.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты