ПРИМЕНЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА НА ПЬЕЗОЭФФЕКТЕ ДЛЯ ОТЛАДКИ И МЕТРОЛОГИИ ИМПУЛЬСНЫХ СШП АНТЕНН

February 4, 2013 by admin Комментировать »

Гадецкий Н. П., Магда И. И., Мухин В. С., Чупиков П. Т. Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт» ул. Академическая, 1, г. Харьков, 61108, Украина тел:+38-057-751-2669, e-mail: imagda@online.kharkiv.com

Аннотация – Обсуждаются результаты исследования параметров сверхширокополосных (СШП) импульсных антенн, основанного на применении генератора электрических сигналов сверхкороткой длительности (СКД), использующего пьезоэффект.

I.                                       Введение

Практика исследования СШП импульсных антенн (ИА) сталкивается с необходимостью проведения ряда рутинных процедур, доступных в реальном масштабе времени: снятие импульсной характеристики, рефлектометрия антенно-фидерного тракта (АФТ), измерение параметров передающей и приемной антенн и др. Все они основаны на применении генератора импульсных сигналов СКД с длительностями импульса tp И переднего фронта ίκ, не превышающими СОТНИ пикосекунд. При этом желательно, чтобы параметр широкополосности Kf=fH/fL, где /й, l (ГГц)=0.35Як, р (не), всех элементов тестовой аппаратуры, включая ЛИНИИ передачи и согласованные нагрузки, достигал нескольких десятков, и максимальная частота – нескольких ГГц. Измерения дальней зоны полей излучения ИА в условиях полигонов выдвигают дополнительные требования к генератору СКД, в частности, увеличение амплитуды выходного сигнала до сотен вольт-киловольт. Распространение И внедрение импульсных технологий СКД, а также реализация описанных выше процедур сдерживается достаточно высокой стоимостью таких приборов, выпускаемых пока малыми сериями.

Ниже обсуждаются некоторые методики измерений параметров СШП фидерных устройств и ИА, основанные на применении несложного в изготовлении автономного высоковольтного генератора субнаносе- кундного диапазона, основанного на пьезоэффекте.

II.         Импульсные характеристики АФТ

Экспериментальные исследования основаны на нескольких вариантах компоновки стенда импульсных измерений реального времени, которые включали: генератор пикосекундных сигналов (ГПС), коаксиальный фидерный тракт (КФ) с импедансом 75 Ом И емкостной делитель напряжения (ED). При проведении рефлектометрии в тракт дополнительно включался коаксиальный тройник, Рис.1, а. В качестве измерительного средства использовался цифровой осциллограф Agilent 54846 (^н=2.25 ГГц).

Генератор пикосекундных сигналов выполнен на основе цилиндрического активного элемента (пьезокерамика ЦТС 19) диаметром и высотой 8 мм. Пьезоэлемент (ПЭ) плотно установлен в картридже ИЗ диэлектрического материала, содержащем миниатюрный ВЗВОДИМЫЙ пружинный ударный механизм. Стабильность работы ударного механизма обеспечивает высокую повторяемость деформации пьезокристалла И генерирование на обкладках ПЭ импульсной разности потенциалов до 25 кВ. Соединение ПЭ с низкоимпедансной нагрузкой – коаксиальным кабелем уменьшает результирующую амплиту

ду сигнала на выходе ГПС. Типичный сигнал на выходе ГПС И его спектр приведены на Рис.1, б.

Рис. 1. Схема стенда (а), сигнал ГПС, 1нс/дел и его спектр, 10 дБ/дел, 0.4 ГГи/дел (б).

Fig. 1. Schematics of test-bed (а), PSG signal, 1 ns/div, and its spectrum, 10 dB/div, 0.4 GFIz/div, (6)

Рефлектометрия АФТ. ГПС, соединенный с 75 0м кабелем (РК75-11/9) и тройником, подключался к исследуемому АФУ, Рис.1, а Длина кабеля / могла изменяться в пределах 0.5-3.5 м. Увеличение ДЛИНЫ КФ приводит к заметному увеличению длительности фронта импульса. Например, при длине кабеля 8м это увеличение становится соизмеримым с ИСХОДНОЙ длительностью фронта импульса.

Использование импульса с Ir = 100 пс обеспечивает пространственную точность ~2-3 см. Этого вполне достаточно для рефлектометрических измерений элементов АФУ, например, коэффициента отражения перехода КФ-ИА или узла нагрузки ИА, по амплитудам прямого U+ и отраженного 0. сигналов, Kr = UJU+. На Рис.2 приведены результаты рефлектометрии АФТ с переходом 50-75 Ом (!) и согласованной нагрузки 75 Ом (Рис.2, а), а также перехода 50-75 Ом (!) И ИА (II), замещающей согласованную нагрузку (Рис.2, б).

Рис. 2. Сигналы рефлектометрии КФ с согласованHoij нагрузко!^ (а) и с ИА (б), 1 нс/дел.

Fig. 2. Signals of reflectometry of CF with matched load (a), and CF with lA (6), 1 ns/div.

Измерение параметров импульсной антенны. В

качестве тестируемой ИА выбрана импульсная рефлекторная антенна (ИРА) [1]. Конструктивно ИРА представляла половину кругового параболоида вращения, установленного на проводящей поверхности, являющейся фокальной плоскостью параболоида. В области фокуса ИРА (D=0.6 м, F/D=OA) располагался вывод коаксиального фидера, к которому подключался возбудитель ИРА – две неоднородные полосковые линии. Геометрические параметры линий, определяющие их импеданс (суммарный импеданс линий равен импедансу фидера 75 Ом), выбирались в соответствии с [1]. Для регистрации поля излучения ИРА использовалась калиброванная по полю полосковая СШП антенна, установленная на расстоянии 8-11 м от ИРА [2]. Обе антенны размещались либо в помещении, оборудованном СШП РИМ типа «Бамбук», либо на открытом полигоне. Сигналы излучения ИРА, измеренные в этих условиях приведены на Рис.З.

Рис. 3. Сигналы излучения ИРА, измеренные в помещении, оборудованном СШП РПМ (а), и на полигоне (б).

Fig. 3. Signals of IRA measured in the room with anechoic material (a), and at open poligon (6)

Измерения принятого сигнала позволяют определить фактор качества и действующую вьюоту исследуемой ИРА [3]:

а также оценить спектральные характеристики ИРА. Сравнение результатов измерений внутри помещения с поглотителем и на полигоне демонстрирует различия не только в значениях F = 1.5, 1.7 и /?/\ = 15.4 см, 16.2 см, соответственно, но и в характере измеренного сигнала. Последнее видно из спектров принятых сигналов. Различия экспериментальных условий, по-видимому, связаны с большим количеством отражений внутри помещения от окружающих предметов и стен, которые не удается убрать с помощью РПМ. Кроме того, очевидно влияние поглощающего материала и на излучение ИРА, идущее под малыми углами.

III.                                   Заключение

Описана методика применения генератора электрических сигналов сверхкороткой длительности (СКД) на основе пьезоэффекга, а также результаты измерения параметров СШП фидерных и антенных систем. Применение компактного автономного источника сигналов СКД существенно упрощает проведение натурных испытаний и аттестации импульсных антенн в условиях открытого пространства, свободного от предметов, усложняющих оценку их параметров.

IV.                            Список литературы

[1]  Giri D. V., Tesche F. М., Classification of intentional electromagnetic environments, IEEE Trans. EMC, 2004, 46, p.323.

[2]  Подосенов С. A., Потапов A. A., Соколов A. A., Импульсная электродинамика широкополосных радиосистем и поля связанных структур. М.: «Радиотехника», 2003, 720 с.

[3]  Giri D. У., LacknerH., Smith I. D., Morton D. W.,

Baum 0. E., MarekJ. R., Prather \N. D., Scholfield, D. \N., Design, fabrication, and testing of a paraboloidal reflector antenna and pulser system for impulselike waveforms,»

IEEE Trans. Plasma Sci., 1997, 25, p.318.

PIEZOELECTRIC GENERATOR FOR TREATMENT AND METROLOGY OF IMPULSE UWB ANTENNA

N. P. Gadetski, I. I. Magda, V. S. Muhin, P. N. Chupikov National Science Center «Institute of Physics and Technology»

1 Academicheskaya Str, Kharkov, 61108, Ukraine e-mail: imagda@online. kharkiv. com

Abstract – Parametrical study of ultrawide-band (UWB) impulse antenna with the help of generator of electric ultashort pulses (USP), based on piezoeffect, is considered.

I.                                         Introduction

study the UWB impulse antennas (lA) faces the necessity of carrying out some routine procedures accessible in real time: measurement of impulse characteristics, reflectometry of an- tenna-feeding tract (AFT), measurement of parameters of transmitting and reception antennas, etc. All these are based on the use of generator of ultrashort pulses (USP) with duration tp and rise-time tp, not exceeding hundred picoseconds. Technology for measurement the parameters of UWB feeding units and lA, based on the use of simple in manufacture autonomous high-voltage generator of subnanosecond pulse range based on piezoeffect are discussed.

II.                     Impulse Characteristics of AFT

Experimental study is based on several configurations of the stand for impulse real time measurements which includes: picosecond impulse generator (PSG), coaxial feeder (CF) with impedance of 75 Ohm and capacitive voltage divider (ED). PSG is manufactured on the basis of cylindrical active element (pie- zoceramics CTS 19). For providing reflectometry CF additionally includes a coaxial tee, Fig.1, a. Typical PSG output signal and its spectrum are shown in Fig.1, 6.

Reflectometry of AFT. A pulse with ίκ = 100 ps used for reflectometry provides spatial accuracy of ~2-3cm. It is quite enough for investigation of AFT elements: the reflection factor of the transition unit CF-IA or the load unit of lA, by means of measurement the direct U+ and the reflected U. signal amplitudes, Kr = UyU+. Fig.2 demonstrates the results of the AFT reflectometry of the transition unit 50-75 Ohm (I), and the matched load 75 Ohm (Fig.2, a), and also the transition unit 50- 75 Ohm (I), and lA (I!) replacing the matched load (Fig.2, 6).

Measurement the characteristics of impulse antenna. An impulse reflector antenna (IRA) [1] was used as tested lA. The IRA is composed of one half of circular paraboloid (D=0.6 m, F/D=0.4), set on conducting metal surface, and of two non- uniform strip lines used as inductors. Comparison of IRA tests produced indoors with the use of an UWB absorber and at open polygon (Fig. 3) shows distinctions not only in values of the factor of quality F = 1.5, 1.7 and effective antenna height Ьд = 15.4 cm, 16.2 cm [3], accordingly, but also in character of measured signals. The last is obvious from the spectra of received signals. Distinctions of experimental conditions, apparently, are caused by numerous reflections from laboratory indoor surrounding and walls which could not be removed with help of an absorbing material. Besides, the influence of the absorbing material to radiation of IRA under small angles is obvious.

III.                                       Conclusion

A technology of application of the generator of electric USP based on piezoeffect, together with results of measurement the characteristics of UWB feeding and antenna units are described. Compactness and autonomous of the generator of USP signals essentially simplifies carrying out live tests and certification of impulse antennas at open polygon, free from objects which complicate estimating their characteristics.

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