DE4401350C1 - Mikrowellen-Impulsgenerator mit Ladungsspeicherdiode - Google Patents
Mikrowellen-Impulsgenerator mit LadungsspeicherdiodeInfo
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- DE4401350C1 DE4401350C1 DE19944401350 DE4401350A DE4401350C1 DE 4401350 C1 DE4401350 C1 DE 4401350C1 DE 19944401350 DE19944401350 DE 19944401350 DE 4401350 A DE4401350 A DE 4401350A DE 4401350 C1 DE4401350 C1 DE 4401350C1
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Mikrowel
len-Impulsgenerator zur Erzeugung von Mikrowellen-Impulsen
mit einer Impulsdauer im Nanosekundenbereich gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. dem Oberbegriff des An
spruchs 4.
Aus der DE 42 07 627 A1 ist zur exakten Entfernungs- und
Richtungsbestimmung ortsfester und beweglicher Ziele im
Nahentfernungsbereich ein hochauflösendes Pulsradarverfah
ren bekannt, bei dem eine Nadelimpulsfolge einer bestimmten
Impulsfolgefrequenz in einem Mikrowellen-Impulsgenerator in
eine Mikrowellen-Impulsfolge umgewandelt wird, wobei die
trägerfrequente Anfangsphase der einzelnen Impulse der Mi
krowellen-Impulsfolge jeweils durch den ansteuernden Nade
limpuls zeitlich festgelegt ist. Mittels einer Sendeimpuls
folge und einer Abtastimpulsfolge zum Abtasten des Zielecho
signals wird ein zeittransformiertes Zwischenfrequenzsignal
erzeugt, welches ausgewertet wird.
Der Mikrowellen-Impulsgenerator eines hochauflösenden Puls
radars muß dabei folgenden vier Anforderungen genügen:
- 1. Die Impulsdauer einer Mikrowellen-Impulsfolge muß im Bereich von einer Nanosekunde liegen. Diese Bedingung ergibt sich aus dem geforderten hohen Auflösungsvermögen des Pulsradars. Diese Anforderung bedingt eine Systemband breite von etwa 1 GHz. Bei festgewählten Trägerfrequenzen im Bereich von einigen GHz bis über 20 GHz enthält der Mikrowellen-Impuls nur 6 bis 24 Trägerfrequenzschwingungen.
- 2. Der Mikrowellen-Impulsgenerator muß eine große Dynamik, d. h. einen kurzen Übergang zwischen Impulsdauer und Impulspause besitzen. Diese Anforderung ergibt sich ebenfalls aus der gewünschten hohen Zielauflösung. Die Abklingzeit eines Mikrowellen-Impulses muß möglichst kurz sein, damit keine restliche Mikrowellen-Energie im System ist, wenn das Zielechosignal eintrifft. Für den ungestörten Empfang der fernen Zielechosignale wird eine Dynamik von bis zu 100 dB gefordert, d. h. das Sendesignal muß bei Emp fang des Echosignals um diesen Wert abgeklungen sein.
- 3. Das Verhältnis von Impulsperiode zu Impulsdauer muß groß sein, d. h. das Zeitintervall zwischen zwei Mikrowel len-Impulsen lang sein im Vergleich zu der Dauer eines Mikrowellen-Impulses. Dies ist erforderlich, damit erst nach Ablauf der Zielecho-Rücklaufzeit jeweils ein weiterer Mikrowellen-Impuls ausgesandt wird.
- 4. Es muß eine hohe Kohärenz von Impulsfolgefrequenz und Mikrowellen-Impuls-Trägerfrequenz vorliegen. Dazu muß ein spektraler Energieanteil der den Mikrowellen-Impulsgene rator anregenden Impulsfolge zur Einprägung der Anfangspha se des entsprechenden Resonanzkreises in diesen eingekop pelt werden.
Übliche gepulste Mikrowellen-Generatoren genügen nicht der
Anforderung 4, da sie aus dem Rauschen heraus anschwingen
und daher ihre Phase von Impuls zu Impuls zufällig ist.
In Stephen Hamilton, Robert Hall, "Shunt Mode Harmonic Gene
ration Using Step Recovery Diodes", Microwave Journal 1967,
ist ein Impulsgenerator mit einer Ladungsspeicherdiode
(SRD-Impulsgenerator) beschrieben, der Impulse sehr kurzer
Dauer bis hin zum Subnanosekundenbereich erzeugt. Eine La
dungsspeicherdiode (steprecovery diode SRD) ist ein hochgra
dig nichtlineares Element. Ihr Ersatzschaltbild im Flußbe
trieb ist näherungsweise ein niedrigohmiger Durchlaßwider
stand und ihr Ersatzschaltbild im Sperrbetrieb eine konstan
te Kapazität. Eine Ladungsspeicherdiode zeichnet sich durch
die Fähigkeit aus, äußerst schnell zwischen Durchlaßbetrieb
und Schaltbetrieb umzuschalten. Ihr Rückstromimpuls ist
kurz und scharf ausgeprägt und weist dementsprechend einen
hohen Gehalt an Oberwellen auf. Vereinfacht kann eine La
dungsspeicherdiode als schneller, ladungsgesteuerter Schal
ter aufgefaßt werden.
Die Hewlett Packard Application Note 920, "Harmonic Genera
tion Using Step Recovery Diodes und SRD Modules",
beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung eines Mikrowellen-
Dauerstrich-(CW-)Signals. Wie in Fig. 3 dargestellt, steu
ert ein Sinusgenerator 1 der Frequenz fP = 1/Tp einen Im
pulsgenerator 2 mit einer Ladungsspeicherdiode (SRD) an,
der Subnanosekundenimpulse der Breite tp im Takt fP er
zeugt. Ein anschließender Mikrowellen-Resonanzkreis 3 ist
auf die gewünschte Harmonische fc = n * fP abgestimmt. Es
entsteht eine gedämpfte Schwingung der Frequenz fc über die
Dauer TP, die einem Bandpaßfilter mit der Bandbreite
b < 2 * fP zugeführt wird. Die Seitenlinien fc +/- i * fP
werden unterdrückt und die Spektrallinie fc, die das ge
wünschte Dauerstrichsignal fc darstellt, herausgefiltert.
Es handelt sich bei dieser Schaltung um eine typische Fre
quenzvervielfacherschaltung, die selektiv eine Sinusfre
quenz fP mit hohem Wirkungsgrad auf eine relativ hohe
Harmonische der Frequenz fc = n * fP umsetzt. Das charakteri
stische Merkmal ist die Zwischenstufe zur Erzeugung eines
Subnanosekunden-Impulses mit Hilfe einer Ladungsspeicherdi
ode im sogenannten "shunt-mode". Bei den in der Zwischenstu
fe erzeugten Impulsen darf das Verhältnis von Impulsperiode
zu Impulsdauer einen bestimmten Wert nicht überschreiten.
So darf die Frequenz fP des Sinusgenerators 1 und damit die
Impulsfolgefrequenz fP eine bestimmte Frequenz nicht unter
schreiten. Der Grund dafür liegt in der begrenzten Ladungs
träger-Lebensdauer einer Ladungsspeicherdiode. Niedrige
Impulsfolgefrequenzen fP können daher nicht erzeugt werden.
Dieses bekannte Verfahren erzeugt in einem Zwischenschritt
einen Mikrowellen-Impuls. Das Ziel des Verfahrens ist
jedoch die Erzeugung eines Mikrowellen-Dauerstrichsignals,
das durch ein geeignetes schmalbandiges Bandpaßfilter aus
den Mikrowellen-Impulsen ausgefiltert wird. Da die Impuls
folgefrequenz fP nicht beliebig niedrig wählbar ist, er
füllt das Verfahren insbesondere nicht die obengenannte
dritte Bedingung.
Aus der DE 24 37 156 C2 ist ein Verfahren zur Erzeugung von
Subnanosekunden-Impulsen bekannt. Wie in Fig. 4 der Zeich
nung dargestellt ist, stößt ein Triggerimpulsgenerator 5
mit der Impulsfolgefrequenz fP = 1/TP einen Impulsgenerator
6 an, der als Sprungfunktionsgenerator mit anschließender
Differenzierschaltung arbeitet. Hierzu wird ein Transistor
im Lawinendurchbruch betrieben. Die erzeugte Sägezahnspan
nung mit steiler Anstiegsflanke im Bereich weniger Nanose
kunden und einer langen Abfallzeit in der Größenordnung von
TP wird differenziert. Man erhält am Ausgang des Im
pulsgenerators 6 Impulse der Breite π/ω und der Periode TP.
Die Impulsbreite π/ω ist durch die Anstiegsflankendauer der
Sägezahnspannung gegeben und nur in Grenzen wählbar. Daraus
ergibt sich die Frequenz ω, auf die ein nachfolgendes
Resonanz- und Anpaßfilter 7 abgestimmt ist. Das Ausgangssi
gnal des Resonanz- und Anpaßfilters 7 ist eine gedämpfte
Schwingung der Frequenz ω, die einem SRD-Impulsgenerator 8
zugeführt wird.
Durch geeignete Wahl der Vorspannung der Ladungsspeicherdi
ode des SRD-Impulsgenerators 8 wird bevorzugt für jede
gedämpfte Sinusschwingung nur ein einziger Ausgangsimpuls
in der ersten Periode der gedämpften Schwingung erhalten.
Alternativ wird die Vorspannung derart gewählt, daß mehrere
Impulse mit absinkender Amplitude als Antwort auf die
gedämpften Sinusschwingungen erzeugt werden. Die am Ausgang
des SRD-Impulsgenerators 8 erhaltenen Ausgangsimpulse haben
eine Dauer tp im Subnanosekundenbereich.
Das in der DE 24 37 156 C2 beschriebene Verfahren ermög
licht die Erzeugung eines Basisband-Impulses im Subnanose
kundenbereich bei beliebig niedrig wählbarer Impulsfolgefre
quenz. Die direkte Erzeugung eines Mikrowellen-Impulses ist
jedoch nicht möglich.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und einen Mikrowel
len-Impulsgenerator der eingangs genannten Gattung zur
Verfügung zu stellen, die in einfacher Weise einen Mikrowel
len-Impuls mit einer im Nanosekundenbereich liegenden Dauer
erzeugen, wobei die Impulsfolgefrequenz in weiten Grenzen
beliebig wählbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnen
den Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht durch Verwendung
einer Ladungsspeicherdiode, deren Sperrkapazität Teil des
Mikrowellen-Resonanzkreises ist, die Erzeugung von Mikrowel
len-Impulsen mit einer im Nanosekundenbereich liegenden
Dauer. Die Impulsfolgefrequenz der Mikrowellen-Impulse ist
gleich der Impulsfolgefrequenz der ansteuernden Impulse des
Impulsgenerators, welche in weiten Grenzen beliebig wählbar
ist.
Der Erfindung liegt folgende Erkenntnis zu Grunde. Der La
dungsspeicherdiode wird vom Anpaßnetzwerk eine einzige,
stark gedämpfte Sinusschwingung einer Periodenlänge zuge
führt. Während der positiven Halbwelle der Sinusschwingung
ist die Ladungsspeicherdiode in Durchlaßrichtung geschaltet
und es baut sich in der Ladungsspeicherdiode Ladung auf.
Während der negativen Halbwelle wird die aufgebaute Ladung
wieder abgebaut. Es fließt ein Entlade- oder Rückstrom.
Gemäß den Eigenschaften einer Ladungsspeicherdiode bricht
der Entladestrom abrupt ab, sobald alle Ladungsträger
abgebaut sind. Dadurch entsteht in den vom Ladungsspeicher
diodenstrom durchflossenen Induktivitäten ein großer, nega
tiver Spannungsimpuls, der über der Ladungsspeicherdiode
abfällt.
Der bei Sperren der Ladungsspeicherdiode sich sprunghaft än
dernde Entladestrom regt den Mikrowellen-Resonanzkreis an,
der aus der Sperrkapazität der Ladungsspeicherdiode und
weiteren kapazitiven und induktiven Elementen besteht. Für
die Dauer des über der Ladungsspeicherdiode abfallenden, im
Nanosekundenbereich liegenden, negativen Spannungsimpulses
ist die Sperrkapazität der Ladungsspeicherdiode wirksam, so
daß der Mikrowellen-Resonanzkreis während der Dauer dieses
Spannungsimpulses - und nur für diesen Zeitraum - eine Eigen
schwingung ausbildet. Der dabei entstehende Mikrowellen-Im
puls wird aus dem Mikrowellen-Resonanzkreis ausgekoppelt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erzeugt direkt Mikrowel
len-Impulse.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erreicht die in der Ladungsspeicherdiode während
der positiven Halbwelle des anliegenden Signals gespeicher
te und in der negativen Halbwelle wieder abgebaute Ladung
dann den Wert Null, wenn der Entladestrom der Ladungsspei
cherdiode sein Maximum aufweist. Dies bewirkt ein besonders
abruptes Abbrechen des Entladestromes und einen entspre
chend großen negativen Spannungsimpuls.
Der aus dem Mikrowellen-Resonanzkreis ausgekoppelte Mikro
wellen-Impuls wird zur Aussiebung des gewünschten Frequenz
bandes und zur geeigneten Formung der Mikrowellen-Impuls-
Hüllkurve einem Mikrowellen-Bandpaßfilter zugeführt. Dabei
erhält der Mikrowellen-Impuls bevorzugt eine glockenförmige
Form entsprechend einer Gauß- oder Besselcharakteristik.
Der erfindungsgemäße Mikrowellen-Impulsgenerator weist
einen mit dem Ausgang eines Impulsgenerators verbundenen Im
pulsverstärker und eine vom Impulsverstärker getriebenen
Differenzierschaltung auf, die jeden eingehenden Impuls
differenziert und als Ausgangssignal eine stark gedämpfte
Sinusschwingung einer Periodenlänge aufweist. An die Diffe
renzierschaltung schließt sich ein Anpaßnetzwerk zum Herab
transformieren des Ausgangssignals der Differenzierschaltung
auf den niedrigen Eingangswiderstand eines Mikrowellen-Reso
nanzkreises an. Der Ausgang des Anpaßnetzwerkes ist mit
einer Ladungsspeicherdiode verbunden, deren Sperrkapazität
Teil des Mikrowellen-Resonanzkreises ist. Der bei Sperren
der Ladungsspeicherdiode sich sprunghaft ändernde Speicher
strom regt den Mikrowellen-Resonanzkreis an, wobei dieser
für die Dauer des über der Ladungsspeicherdiode abfallen
den, großen negativen Spannungsimpulses eine Eigenschwin
gung ausbildet.
Der Mikrowellen-Resonanzkreis ist Teil einer Einrichtung
zur Filterung der aus dem Mikrowellen-Resonanzkreis ausge
koppelten Mikrowellen-Schwingungen, die aus einem mehrere
Resonanzkreise enthaltenden, vorzugsweise gemäß einer Gauß- oder
Besselcharakteristik ausgelegten Mikrowellen-Bandpaß
filter besteht, wobei der Mikrowellen-Resonanzkreis der
erste Resonanzkreis des mehrkreisigen Mikrowellen-Bandpaß
filters ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Mikrowellen-Impuls
generators wird die Schwingkreiskapazität des Mikrowel
len-Resonanzkreises durch die Reihenschaltung der Sperrkapa
zität der Ladungsspeicherdiode, ein kapazitives TEM-Lei
tungsstück mit einer elektrischen Länge, die kleiner als
ein Viertel der Betriebswellenlänge ist, und einen
Trimm-Kondensator gebildet. Die Schwingkreisinduktivität
des Mikrowellen-Resonanzkreises wird durch die Reihenschal
tung eines am Ende kurzgeschlossenen TEM-Leitungsstücks mit
einer elektrischen Länge, die sehr viel kleiner als die Be
triebswellenlänge ist, und der Gehäuse-Induktivität der La
dungsspeicherdiode gebildet.
Das Anpaßnetzwerk des Mikrowellen-Impulsgenerators weist be
vorzugt einen Breitbandübertrager für den Frequenzbereich
von 50 MHz bis 500 MHz auf, dessen Primärwicklung mit dem
Ausgang der Differenzierschaltung und dessen Sekundärwick
lung über einen Koppelkondensator mit der Einrichtung zur
Filterung der aus dem Mikrowellen-Resonanzkreis ausgekoppel
ten Mikrowellen-Schwingungen (SRD Resonatorschaltung) ver
bunden ist.
Die Länge eines ausgekoppelten Mikrowellen-Impulses ist
gleich der Länge des negativen Spannungsimpulses über der
Ladungsspeicherdiode, da nur während dieses Spannungsimpul
ses die Sperrkapazität der Ladungsspeicherdiode wirksam ist
und sich eine Eigenschwingung ausbilden kann. Die Größe und
Breite des über der Ladungsspeicherdiode abfallenden negati
ven Spannungsimpulses sowie dessen optimaler Zeitpunkt im
Moment des Entladestroms-Maximums ist durch geeignete Wahl
der Sperrkapazität der Ladungsspeicherdiode, der Sekundärin
duktivität des Breitbandübertragers und des Dämpfungswider
standes einstellbar. Damit ist über diese Größen die Dauer
eines Mikrowellen-Impulses einstellbar. Diese Dauer beträgt
bevorzugt etwa eine Nanosekunde. Jedoch sind auch kürzere
Mikrowellen-Impulse mit einer Dauer im Subnanosekundenbe
reich einstellbar.
Im Rahmen der Erfindung wird ein Mikrowellen-Resonanzkreis
geschaffen, dessen Schwingkreiskapazität durch die Sperrka
pazität einer Ladungsspeicherdiode sowie weitere kapazitive
Elemente und dessen Schwingkreisinduktivität durch die Ge
häuseinduktivität der Ladungsspeicherdiode sowie weitere in
duktive Elemente gebildet ist. Der Mikrowellen-Resonanz
kreis ist dabei aus Leitungselementen und konzentrierten
Elementen aufgebaut. Durch die erfindungsgemäße Einbezie
hung der Sperrkapazität der Ladungsspeicherdiode in den Mi
krowellen-Resonanzkreis ist die direkte Erzeugung kurzer Mi
krowellen-Impulse mit einer Impulsdauer im Nanosekundenbe
reich oder auch im Subnanosekundenbereich möglich.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Mikrowellen-Impulsgenerators sind in den verbleibenden Un
teransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die
Figuren der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Mi
krowellen-Impulsgenerators,
Fig. 2 ein Schaltbild der Blöcke 2, 3 und 4 des Mikro
wellen-Impulsgenerators gemäß Fig. 1,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer bekannten Schaltung
zur Erzeugung eines Mikrowellen-Dauerstrichsi
gnals und
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer bekannten Schaltung
zur Erzeugung von Subnanosekunden-Impulsen.
Zur Erleichterung des Verständnisses der grundlegenden Be
triebsweise des erfindungsgemäßen Mikrowellen-Impulsgenera
tors war eingangs anhand der Fig. 3 und 4 die Betriebs
weise der Verfahren nach Hewlett Packard Application Note
920 zur Erzeugung eines Mikrowellen-Dauerstrichsignals
sowie gemäß der DE 24 37 156 C2 zur Erzeugung von Subnanose
kunden-Impulsen ausführlich betrachtet worden.
Fig. 1 zeigt anhand des Blockschaltbildes und der Signal
verläufe das erfindungsgemäße Verfahren. Ein Impulsgenera
tor 9 erzeugt Impulse der Breite tPP in der Größenordnung
von zehn Nanosekunden (Punkt A). Die Impulsfolgefrequenz fP
ist in weiten Grenzen beliebig wählbar und die Impulsperi
odendauer TP = 1/fP groß gegen tPP.
Der sich anschließende Impuls-Differenzierverstärker 10
weist einen Impulsverstärker und eine vom Impulsverstärker
getriebene Differenzierschaltung auf. Die Differenzierschal
tung erzeugt ein Ausgangssignal in Form einer einzigen,
stark gedämpften Sinusschwingung einer Periodenlänge (Punkt
B). Diese Schwingungsform ergibt sich aus der Differenzie
rung des glockenförmigen Eingangsimpulses.
In einem nachfolgenden Anpaßnetzwerk 11 wird dieses Aus
gangssignal mit Hilfe eines Breitbandübertragers auf den
niedrigen Eingangswiderstand einer nachfolgend angeordneten
Mikrowellen-Resonanzkreisschaltung mit Ladungsspeicherdiode
(SRD), im folgenden SRD-Resonator genannt, herabtransfor
miert. Der SRD-Resonator zur Filterung der aus dem Mikrowel
len-Resonanzkreis ausgekoppelten Mikrowellen-Schwingungen
besteht aus einem mehrere Resonanzkreise enthaltenden Mikro
wellen-Bandpaßfilter vorzugsweise mit Gauß- oder Besselcha
rakteristik, wobei der Mikrowellen-Resonanzkreis der erste
Resonanzkreis des mehrkreisigen Mikrowellen-Bandpaßfilters
ist.
Während der positiven Halbwelle der vom Anpaßnetzwerk 11 zu
geführten, gedämpften Sinusschwingung ist die Ladungsspei
cherdiode in Durchlaßrichtung geschaltet und es baut sich
in der Ladungsspeicherdiode eine Ladung auf. Während der ne
gativen Halbwelle wird die aufgebaute Ladung wieder abge
baut. Es fließt ein Entlade- oder Rückstrom. Gemäß den Ei
genschaften einer Ladungsspeicherdiode bricht der Entlade
strom abrupt ab, sobald alle Ladungsträger abgebaut sind.
Durch geeignete Wahl der Betriebsparameter, d. h. durch Ein
stellung der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Entla
destrom sowie der Vorspannung der Ladungsspeicherdiode wird
erreicht, daß die Ladung etwa im Moment des Entladestrom-Ma
ximums ausgeräumt ist. Die plötzliche Änderung des Durchlaß
leitwerts der Ladungsspeicherdiode auf den gegen Null
gehenden Sperrleitwert erzeugt in den vom Ladungsspeicherdi
odenstrom durchflossenen Induktivitäten des Anpaßnetzwerks
11 einen großen negativen Spannungsimpuls der Breite tP,
der auf der Verbindungsleitung zwischen dem Anpaßnetzwerk
11 und dem SRD-Resonator erscheint (Punkt C). Die Dauer
dieses Spannungsimpulses liegt in der Größenordnung von
einer Nanosekunde.
Größe und Breite des negativen Spannungsimpulses werden
durch die Sperrkapazität CVR der Ladungsspeicherdiode, die
Sekundärinduktivität des Breitbandübertragers und einen
Dämpfungswiderstand bestimmt. Durch die geeignete Wahl von
Sekundärinduktivität und Dämpfungswiderstand können sowohl
die Breite des negativen Spannungsimpulses wie auch dessen
optimaler Zeitpunkt im Moment des Entladestrom-Maximus
eingestellt werden.
Die Ladungsspeicherdiode im Block SRD-Resonator und Bandpaß
filter 12 ist integraler Bestandteil des Mikrowellen-Reso
nanzkreises. Die sprunghafte Änderung des Entladestromes in
der Zeitdauer von Bruchteilen einer Nanosekunde erregt den
Mikrowellen-Resonanzkreis in seiner Eigenfrequenz fc. Diese
ist durch die Sperrkapazität CVR der Ladungsspeicherdiode
14 mitbestimmt. Für die Dauer tP des negativen Spannungsim
pulses ist diese Sperrkapazität wirksam, so daß der Mikro
wellen-Resonator während der Dauer tP seine Eigenschwingung
ausbilden kann. Am Ende des Spannungsimpulses bleibt die
Ladungsspeicherdiode im Bereich der Spannung Null, so daß
keine neue Ladung in der Ladungsspeicherdiode aufgebaut
wird, bis nach Ablauf der Periodendauer TP ein neuer Zyklus
beginnt.
Der Mikrowellen-Resonator bildet den ersten Kreis des mehr
kreisigen Mikrowellen-Bandpaßfilters mit Gauß- oder Bessel
charakteristik. Dieses Bandpaßfilter hat zwei Aufgaben. Zum
einen die Aussiebung des gewünschten Frequenzbandes (Unter
drückung höherer Harmonischer) und zum anderen die Formung
der Mikrowellen-Impuls-Hüllkurve zu einem annäherungsweise
glockenförmigen Verlauf. Am Ausgang (Punkt D) erscheint der
gewünschte Mikrowellen-Impuls der Dauer tP.
Fig. 2 zeigt ein spezielles Ausführungsbeispiel der rele
vanten drei Blöcke des Blockschaltbildes gemäß Fig. 1. Der
Impulsgenerator 9 der Fig. 1 ist ein beliebiger Impulsgene
rator. Der Impuls-Differenzierverstärker 10, das Anpaßnetz
werk 11 und der SRD-Resonator mit Bandpaßfilter 12 bilden
einen geschlossenen Schaltungsaufbau, da die Signalleitung
zwischen dem Impuls-Differenzierverstärker 10 und dem Anpaß
netzwerk 11 ebenso wie die Signalleitung zwischen dem Anpaß
netzwerk 11 und dem SRD-Resonator und Bandpaßfilter 12 eine
kurze definierte Länge aufweist und nicht auf dem üblichen
50 Ω-Impedanzniveau liegen. Eingang A und Ausgang D sind
auf 50 Ω angepaßt.
In dem Schaltbild gemäß Fig. 2 ist der Eingang A mit dem
Gate eines VMOS-Feldeffekttransistor 13 und einem Wider
stand R₁ verbunden. Der andere Anschluß des Widerstandes R₁
ist mit Masse verbunden. Der Drain-Anschluß des VMOS-Feldef
fekttransistors 13 ist über eine Spule S₁ mit einer Speise
spannung UB verbunden und über einen Koppelkondensator C₂
mit der Primärwicklung W₁ eines Breitbandübertragers 15.
Der eine Anschluß eines Blockkondensators C₁ ist mit der
Spule S₁ und der Speiseschaltung UB verbunden, während der
andere Anschluß mit Masse verbunden ist. Der Source-An
schluß des VMOS-Feldeffekttransistors 13 ist ebenfalls mit
Masse verbunden.
Der Impulsgenerator 9 liefert an den Eingang A Impulse kon
stanter Impulsbreite tPP mit der Impulsfolgefrequenz fP =
1/TP, die in weiten Grenzen beliebig gewählt werden kann.
Die Wahl der Impulsbreite tPP wird durch die Schaltgeschwin
digkeit des Impulsverstärkertransistors 13 bestimmt, der
Spitzenströme bis zu etwa 1 Ampere im Ausgangskreis erzeu
gen muß. Daher ist ein VMOS-Feldeffekttransistor 13 beson
ders geeignet. Alternativ kann auch ein schneller bipolarer
Transistor eingesetzt werden. Beim derzeitigen Stand der
Technik bei schnellen Halbleitern wird eine Impulsbreite im
Bereich von zehn Nanosekunden erzielt. Der Widerstand R₁
verbessert die Anpassung des Eingangs A an die ankommende
Leitung. So hat das Gate des VMOS-Feldeffekttransistors 13
eine kapazitive Eingangsimpedanz. Der Blockkondensator C₁
leitet den Impulsstrom nach Masse ab.
Der Koppelkondensator C₂ wirkt als Differenzierer, so daß
am Ausgang (Punkt B) des Impuls-Differenzierverstärkers 10
eine einzige, stark gedämpfte Sinusschwingung einer Peri
odenlänge vorliegt.
Das Anpaßnetzwerk 11 weist einen Breitbandübertrager 15 mit
einer Primärwicklung W₁ und einer Sekundärwicklung W₂ auf.
Der Breitbandüberträger 15 ist für den Frequenzbereich 50
bis 500 MHz bei einem Impedanzniveau von einigen zehn Ω aus
gebildet. Er ist als Ferrit-Ringkern-Übertrager realisiert.
Das Übersetzungsverhältnis von W₁ zu W₂ liegt im Bereich 2
bis 4. Die Primärwicklung W₁ ist mit dem Koppelkondensator
C₂ des Impuls-Differenzierverstärkers 10 verbunden. Die Se
kundärwicklung W₂ ist über einen Koppelkondensator C₃ mit
dem Eingang C eines SRD-Resonators verbunden. Parallel zum
Punkt C liegt ein Dämpfungswiderstand R₂ mit einem Wert von
einigen zehn Ω. Der andere Anschluß des Dämpfungswiderstan
des R₂ ist mit Masse verbunden.
Das Anpaßnetzwerk 11 transformiert das Ausgangssignal des
Impuls-Differenzierverstärkers 10 auf den niedrigen Ein
gangswiderstand des nachfolgenden SRD-Resonators.
Block 12, SRD-Resonator und Bandpaßfilter, ist als Mikrowel
lenschaltung in einer geeigneten Technologie aufgebaut. Von
den üblichen Technologien wie Koaxialbauweise, Triplate,
Dünnfilm-Hybrid und Microstrip kann jede hier verwendet
werden. Die im Schaltbild angegebenen Leitungsstücke L₁ bis
L₈ sind TEM-Wellenleiter in einer der genannten Bauweisen.
Am Eingang C ist zum einen ein am anderen Ende offenes Lei
tungsstück L₁ mit der Länge 1/4 * l₀ angeschlossen. l₀ be
zeichnet dabei die Betriebswellenlänge des SRD-Resonators
und Bandpaßfilters 12. Weiter führt vom Eingang C eine
Leitung L₂ mit der Länge 1/4 * l₀ zum Verbindungspunkt
einer Ladungsspeicherdiode 14 und eines Leitungsstücks L₄.
Die Länge des Leitungsstückes L₄ ist kleiner als 1/4 * l₀.
Mit einem Kondensator C₄, der z. B. als Trimmschraube ausge
bildet ist, ist das offene Leitungsende von L₄ kapazitiv
belastbar.
An den anderen Anschluß der Ladungsspeicherdiode 14 ist ein
am Ende kurzgeschlossenes Leitungsstück L₃ mit einer elek
trischen Länge, die sehr viel kleiner als 1/4 * l ist,
angeschlossen.
Der SRD-Resonator setzt sich als Schwingkreis aus Leitungse
lementen und konzentrierten Elementen wie folgt zusammen:
Das am Ende kurzgeschlossene Leitungsstück L₃ bildet in Reihe mit der Gehäuse-Induktivität der Ladungsspeicherdiode 14 die Schwingkreis-Induktivität Lc. Die Sperrkapazität CVR der Ladungsspeicherdiode 14 bildet in Reihenschaltung mit dem kapazitiven Leitungsstück L₄ und dem Trimm-Kondensator C₄ die effektive Schwingkreiskapazität Cc. Der SRD-Resona tor kann dabei mittels des Trimm-Kondensators C₄ abgestimmt werden.
Das am Ende kurzgeschlossene Leitungsstück L₃ bildet in Reihe mit der Gehäuse-Induktivität der Ladungsspeicherdiode 14 die Schwingkreis-Induktivität Lc. Die Sperrkapazität CVR der Ladungsspeicherdiode 14 bildet in Reihenschaltung mit dem kapazitiven Leitungsstück L₄ und dem Trimm-Kondensator C₄ die effektive Schwingkreiskapazität Cc. Der SRD-Resona tor kann dabei mittels des Trimm-Kondensators C₄ abgestimmt werden.
Der Verbindungspunkt von Ladungsspeicherdiode 14 und Lei
tungsstück L₄ liegt auf niedrigem Schwingkreis-Potential,
weil die Reihenschaltung von Leitungsstück L₄ und Trimm-Kon
densator C₄ eine größere Kapazität als die Sperrkapazität
CVR der Ladungsspeicherdiode 14 aufweist. Das an diesen
Verbindungspunkt angeschlossene Leitungsstück L₂ wirkt als
Hochfrequenzsperre, weil der Eingang C durch das am anderen
Ende offene Leitungsstück L₁ bei der SRD-Resonatorfrequenz
eine niedrige Impedanz aufweist. Auf diese Weise ist der
Eingang C vom SRD-Resonator ausreichend entkoppelt.
Alternativ kann auf das Leitungsstück L₁ verzichtet werden.
So besitzt der üblicherweise gedrängte Aufbau von Breit
bandübertrager 15, Verbindungsleitung über C₃ zum Eingang C
und Dämpfungswiderstand R₂ eine Massekapazität, die für die
SRD-Resonatorfrequenz eine ausreichend niedrige Impedanz
darstellt.
Wie bereits erläutert, entsteht nach dem plötzlichen Abbre
chen des Entladestroms der Ladungsspeicherdiode 14 ein
negativer Spannungsimpuls in der vom Ladungsspeicherdi
odenstrom durchflossenen Induktivität W₂ des Anpaßnetzwer
kes 11, der über der Sperrkapazität CVR der Ladungsspeicher
diode 14 abfällt. Die sprunghafte Änderung des Entladestro
mes der Ladungsspeicherdiode 14 erregt den SRD-Resonator in
seiner Eigenfrequenz fc. Für die Dauer tP des negativen
Spannungsimpulses ist die Sperrkapazität CVR wirksam, so
daß der SRD-Resonator während der Dauer tP seine Eigen
schwingung ausbilden kann. Am Ende des Spannungsimpulses
bleibt die Ladungsspeicherdiode 14 im Bereich der Spannung
Null, so daß keine neue Ladung in der Ladungsspeicherdiode
14 aufgebaut wird, bis nach Ablauf der Periodendauer TP ein
neuer Zyklus beginnt.
Der SRD-Resonator bildet den ersten Kreis eines dreikreisi
gen Bandpaßfilters mit annähernder Gauß-Charakteristik. Am
Verbindungspunkt von Ladungsspeicherdiode 14 und Leitungs
stück L₃ wird die Mikrowellenenergie ausgekoppelt und dem
zweiten Kreis zugeführt. In der Ersatzschaltung des Bandpaß
filters ist der Resonator als erster Kreis ein Parallel
kreis und der zweite Kreis dementsprechend ein Serienkreis,
dem am Ausgang ein Parallelkreis folgt.
Wie bei Frequenzen über 500 MHz üblich, ist das Mikrowel
len-Bandpaßfilter aus einzelnen Leitungsstücken aufgebaut.
Der zweite Kreis besteht aus den als T-Glied angeordneten
Leitungsstücken L₅, L₆ und L₇, die elektrisch jeweils
1/4 * lß lang sind. L₆ ist dabei kurzgeschlossen. Der
dritte Kreis wird durch das kurzgeschlossene Leitungsstück
L₈ gebildet.
L₅ und L₇ wirken als Admittanzinverter für das kurzgeschlos
sene Leitungsstück L₆. So erhält man gemäß der genannten Er
satzschaltung den erforderlichen Serienkreis zwischen dem
ersten Kreis und dem durch das Leitungsstück L₈ gebildeten
dritten Kreis. Parallel zu diesem dritten Kreis wird das
Ausgangssignal, d. h. der gewünschte Mikrowellen-Impuls der
Dauer tP, am Punkt D erhalten.
Die Berechnung dieses bekannten Mikrowellen-Filtertyps
erfolgt entweder nach den Berechnungsgängen der einschlägi
gen Literatur, z. B. nach George L. Matthaei, Leo Young,
E.M.T. Jones, "Microwave Filters, Impedance-Matching Net
works and Coupling Structures", Mc Graw Hill Book Company
und nach Anatol J. Zverev, "Handbook of Filter Synthesis",
John Wiley and Sons, Inc., New York, oder mit Hilfe einfach
zu handhabender PC-Rechenprogramme.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf
das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel.
Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von
dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen
Mikrowellen-Impulsgenerator auch bei grundsätzlich anders
gearteten Ausführungen Gebrauch machen.
Claims (12)
1. Mikrowellen-Impulsgenerator zur Erzeugung von Mikrowel
len-Impulsen mit einer Impulsdauer im Nanosekundenbe
reich mit einem Impulsgenerator, der Impulse konstanter
Impulsbreite und mit einer bestimmten Impulsfolgefre
quenz erzeugt, mit einer Ladungsspeicherdiode und mit
einem Mikrowellen-Resonanzkreis zur Erzeugung von Mikro
wellen-Schwingungen,
gekennzeichnet durch
gekennzeichnet durch
- a) einen mit dem Ausgang des Impulsgenerators (9) verbun denen Impulsverstärker und einer vom Impulsverstärker getriebenen Differenzierschaltung, die jeden eingehen den Impuls differenziert und als Ausgangssignal eine stark gedämpfte Sinusschwingung einer Periodenlänge aufweist,
- b) einem mit dem Ausgang der Differenzierschaltung ver bundenen Anpaßnetzwerk (11) zum Herabtransformieren des Ausgangssignals der Differenzierschaltung,
- c) einer mit dem Ausgang des Anpaßnetzwerkes (11) verbun denen Ladungsspeicherdiode (14), die eine Sperrkapazi tät (CVR) aufweist, die Teil eines Mikrowellen-Reso nanzkreises mit kapazitiven und induktiven Elementen ist, wobei der bei Sperren der Ladungsspeicherdiode (14) sich sprunghaft ändernde Entladestrom den Mikro wellen-Resonanzkreis anregt und dieser für die Dauer des über der Ladungsspeicherdiode (14) abfallenden, negativen Spannungsimpulses eine Eigenschwingung aus bildet, und
- d) einer Resonatorschaltung (12) zur Filterung der aus dem Mikrowellen-Resonanzkreis ausgekoppelten Mikrowel len-Schwingungen.
2. Mikrowellen-Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Resonatorschaltung (12) zur Filte
rung der aus dem Mikrowellen-Resonanzkreis ausgekoppel
ten Mikrowellen-Schwingungen aus einem mehrere Resonanz
kreise enthaltenden, vorzugsweise gemäß einer Gauß- oder
Besselcharakteristik ausgelegten Mikrowellen-Bandpaßfil
ter besteht, der aus den ausgekoppelten Mikrowellen-
Schwingungen das gewünschte Frequenzband aussiebt und
die Mikrowellen-Impuls-Hüllkurve geeignet formt.
3. Mikrowellen-Impulsgenerator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellen-Resonanz
kreis der erste Resonanzkreis des mehrkreisigen Mikrowel
len-Bandpaßfilters ist.
4. Mikrowellen-Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schwingkreiskapazität des Mikrowel
len-Resonanzkreises durch die Reihenschaltung der Sperr
kapazität (CVR) der Ladungsspeicherdiode (14), ein
kapazitives TEM-Leitungsstück (L₄) mit einer elektri
schen Länge, die kleiner als ein Viertel der Betriebswel
lenlänge ist, und einen Trimm-Kondensator (C₄) gebildet
ist.
5. Mikrowellen-Impulsgenerator nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkreisinduktivität
des Mikrowellen-Resonanzkreises durch die Reihenschal
tung eines am Ende kurzgeschlossenen TEM-Leitungsstücks
(L₃) mit einer elektrischen Länge, die wesentlich klei
ner als ein Viertel der Betriebswellenlänge ist, und der
Gehäuse-Induktivität der Ladungsspeicherdiode (14) gebil
det ist.
6. Mikrowellen-Impulsgenerator nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpaß
netzwerk (11) einen Breitbandübertrager (15) für den Fre
quenzbereich von 50 MHz bis 500 MHz aufweist, dessen Pri
märwicklung (W₁) mit dem Ausgang der Differenzierschal
tung und dessen Sekundärwicklung (W₂) über einen Koppel
kondensator (C₃) mit dem Eingang der SRD-Resonatorschal
tung (12) zur Filterung der aus dem Mikrowellen-Resona
nzkreis ausgekoppelten Mikrowellen-Schwingungen verbun
den ist und daß parallel zum Eingang der SRD-Resonator
schaltung (1) zur Filterung der aus dem Mikrowellen-Re
sonanzkreis ausgekoppelten Mikrowellen-Schwingungen ein
Dämpfungswiderstand (R₂) angeordnet ist.
7. Mikrowellen-Impulsgenerator nach Anspruch 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Größe und die Breite des über der
Ladungsspeicherdiode (14) abfallenden negativen Span
nungsimpulses durch geeignete Wahl der Sperrkapazität
(CVR) der Ladungsspeicherdiode (14), der Sekundärindukti
vität (W₂) des Breitbandübertragers (15) und des Dämp
fungswiderstandes (R₂) einstellbar ist.
8. Mikrowellen-Impulsgenerator nach mindestens einem der An
sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungs
speicherdiode (14) über ein als Hochfrequenzsperre die
nendes TEM-Leitungsstück (L₂) einer elektrischen Länge,
die ein Viertel der Betriebswellenlänge beträgt, mit dem
Ausgang des Anpaßnetzwerkes (11) verbunden ist.
9. Mikrowellen-Impulsgenerator nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß am Ausgang des Anpaßnetzwerkes (11)
zusätzlich ein am anderen Ende offenes TEM-Leitungsstück
(L₁) einer elektrischen Länge, die etwa ein Viertel der
Betriebswellenlänge beträgt, vorgesehen ist.
10. Mikrowellen-Impulsgenerator nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Im
pulsverstärker einen VMOS-Feldeffekttransistor (13) auf
weist, dessen Drain-Anschluß zum einen über eine Spule
(S₁) mit einer Speiseschaltung (UB) und zum anderen
über einen Koppelkondensator (C₂) mit dem Anpaßnetzwerk
(11) verbunden ist.
11. Mikrowellen-Impulsgenerator nach mindestens einem der
Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mi
krowellen-Resonanzkreis und das Mikrowellen-Bandpaßfil
ter als gemeinsame Resonatorschaltung (12) in einer
geeigneten Technologie wie etwa Koaxialbauweise, Tripla
te, Dünnfilm-Hybrid oder Microstrip realisiert sind.
12. Mikrowellen-Impulsgenerator nach einem der vorangehen
den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrka
pazität (CVR) der Ladungsspeicherdiode (14) zusammen
mit weiteren kapazitiven Elementen (L₄, C₄) die Schwing
kreiskapazität und die Gehäuseinduktivität der Ladungs
speicherdiode (14) zusammen mit weiteren induktiven
Elementen (L₃) die Schwingkreisinduktivität bildet.
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---|---|---|---|
DE19944401350 DE4401350C1 (de) | 1994-01-14 | 1994-01-14 | Mikrowellen-Impulsgenerator mit Ladungsspeicherdiode |
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Publications (1)
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DE (1) | DE4401350C1 (de) |
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