Михайлов А К, Самойлова Т Б Санкт-Петербурзький державний електротехнічний університет «ЛЕТІ» вул Проф Попова, 5, м Санкт-Петербург, 197376, Росія e-mail: mlp@eltechru

Анотація – Розглядається загальний метод аналізу нелінійних ліній передачі на основі розподіленої структури, що містить сегнетоелектрик, з точки зору можливості максимального стиснення імпульсу для використання в пристроях формування понадширокосмугових сигналів Результати наведеного аналізу демонструють перспективність застосування сегнетоелектриків в Сніп-техніці в пристроях загострення високовольтних імпульсів нано-і пикосекундной тривалості

I                                       Введення

На сьогоднішній день однією з головних проблем в сверхширокополосной (Сніп) техніці є отримання високоенергетичних Сніп імпульсів З цієї точки зору особливо актуальним є дослідження можливості застосування сегнетоелектричних матеріалів для пристроїв формування понадширокосмугових сигналів, т до основними перевагами сегнетоелектриків, в порівнянні з традиційно використовуваними в СВЧ електроніці напівпровідниками і ферритами, є: висока швидкодія, високі граничні робочі рівні НВЧ потужності, що не приводять до деградації властивостей сегнетоелектричних матеріалів і, крім того, висока радіаційна стійкість

Припускаючи лінійну залежність напруги від часу на вході і виході лінії, можна записати:

Для формування Сніп сигналів вже більше 20 років розробляють і використовують лінії передачі, періодично навантажені діодами, ємність яких залежить від напруги що поширюється уздовж лінії сигналу (Нелінійні лінії передачі) [1, 2] Лінії передачі з нелінійними розподіленими і квазіраспределеннимі параметрами, що містять тонкі сегнетоелектрічеськие плівки, є альтернативою нелінійних ліній передачі на напівпровідникових діодах

II                              Основна частина

Використовуючи вирази (2), (3), (4) і (5) отримаємо вираз для фактора якості в разі розподіленої лінії з втратами:

Швидкість поширення електромагнітної хвилі в лінії передачі головним чином визначається її погонними індуктивністю L і ємністю С:

де То – тривалість фронту імпульсу на вході нелінійної лінії передачі, а У – Тривалість фронту на її виході

Експериментальні залежності ємності сегнетоелектриків добре описуються виразом:

При проходженні електромагнітного імпульсу з нелінійної лінії передачі, внаслідок залежності ємності від напруги, ділянки більш високої напруги мають велику швидкість поширення, що призводить до тимчасового стисненню фронту імпульсу Для оцінки стиснення зазвичай вводять так званий «фактор якості» Fb вигляді:

На рис1 схематично зображено стиск ступеневої імпульсу в лінії без втрат Відповідно до рис1 і виразом (1) фактор якості може бути записаний для розподіленої лінії як

де / – довжина лінії, \ / (0) – швидкість поширення, відповідна початковій ємності (ємності при відсутності зовнішнього поля) С (0)

Рис 1 Зображення ступеневої імпульсу на вході і виході лінії передачі

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

Введемо втрати a, як загасання на одиницю довжини для розподіленої лінії і втрати на одну клітинку для зосередженої лінії У цьому випадку будемо використовувати ефективну тривалість імпульсу т) на виході лінії

де Uo – феноменологічний параметр має розмірність напруги, К – коефіцієнт керованості ємності [3] У загальному випадку, ці параметри залежать від структури сегнетоелектричної плівки і геометрії конденсатора

Підставивши вираз (7) у вираз (6) отримаємо підсумкову запис фактора якості для розподіленої лінії На рис2 представлені графічні залежності фактора якості розподіленої лінії передачі від її довжини при U / Uo = 2, тривалості фронту вхідного імпульсу 35 пс і різних втратах в лінії (крива 1 – без втрат, крива 2 – а = 088 дБ / мм, крива 3 – а = 112 дБ / мм)

Рис 2 Залежність фактора якості від довжини нелінійної лінії передачі

Fig 2 Figure of merit vs length of nonlinear transmission line

Точками на графіку позначені результати компютерного моделювання в середовищі MATLAB

III                                  Висновок

Результати наведеного аналізу нелінійних ліній на основі сегнетоелектриків демонструють перспективність їх застосування в CLUn-техніці як обострітель високовольтних імпульсів на-но-і пикосекундной тривалості

Як видно з рис2 запропонований метод оцінки стиснення фронту імпульсу, заснований на феноменологічної ВФХ сегнетоелектриків добре узгоджується з результатами компютерного моделювання як при різних параметрах вихідного імпульсу, так і при різних властивостях і структурі лінії передачі

IV                           Список літератури

[1] м Rodwell, М Kamegawa, R Yu et al GaAs transmission lines for picosecond pulse generation and millimeter-wave sampling IEEE Trans MTT, 1991 V39, N7, p1195

[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 Вендік «Сегнетоелектрики в техніці НВЧ» (Рад Радіо, 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@eltechru

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 \ sa phenomenological parameter having the dimension of voltage, and До 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р