Введение

В последнее годы происходит стремительный рост интереса к использованию нано- и субнаносекундных импульсов напряжения для применения в науке [1], технике [2] и медицине [3]. Для формирования таких коротких сигналов используют различные генераторы, в первую очередь — твердотельные генераторы, которые содержат в своей основе два ключевых элемента: размыкатель (коммутатор) тока и накопитель энергии (как правило, индуктивный накопитель). В качестве размыкателей тока наиболее часто используются транзисторы, диоды с накоплением заряда (ДНЗ) [4], диодные лавинные обострители, SOS-диоды (Semiconductor Opening Switch), а также дрейфовые диоды с резким восстановлением обратного сопротивления (ДДРВ) [5, 6]. Последний тип полупроводниковых коммутаторов отличается возможностью формирования импульсов с уникальными амплитудно-временными параметрами — нано- и субнаносекундных импульсов напряжения с амплитудой от десятков вольт до десятков киловольт, работающих в частотном режиме (на частотах свыше сотен килогерц) [7]. Однако, такие полупроводниковые коммутаторы являются довольно специфичными в части проектирования, технологии изготовления, использования в составе генераторов и при изготовлении высоковольтных столбов (требуется предварительная разбраковка по физико-топологическим параметрам отдельных полупроводниковых структур для их синхронного переключения в высоковольтном столбе), поэтому ДДРВ в широкой продаже практически отсутствуют, в отличие от транзисторных коммутаторов и диодов с накоплением заряда. Вследствие указанных ограничений во многих работах используются именно ДНЗ диоды в качестве низковольтных коммутаторов тока [8, 9].

Как было указано выше, полупроводниковые генераторы нано- и субнаносекундных импульсов имеют тенденцию к расширению применения в медицине, в том числе при медицинских исследованиях не только in vitro , но и in vivo . Так, например, в последние годы появились работы, в которых рассматриваются возможности применения микроволнового излучения для синтеза радиолокационного изображения с целью раннего выявления рака молочной железы (РМЖ) [10, 11]. Данная методика основана на облучении грудной клетки и мягких тканей ультракороткими сигналами (нано- и субнаносекундными), которые формируются генераторами и излучаются набором антенн, образующих, по сути, антенную решетку. Излученные сигналы рассеиваются на неоднородностях тканей, затем отраженные сигналы принимаются соответствующими приемниками и обрабатываются, в результате чего получается изображение облученных тканей. Рассеяние сигналов возникает вследствие значительного контраста между диэлектрическими параметрами здоровой и опухолевой тканей. Фактически же такое использование ультракоротких СВЧ импульсов применительно к биологическим тканям представляет собой томографию.

В данной работе будут рассмотрены спроектированный генератор наносекундных импульсов с полупроводниковым коммутатором на основе коммерчески доступного ДНЗ диода, а также антенная система типа двухрупорной антенны Лалезари с возможностью автономной работы от встроенного источника электропитания для применения в томографии высокого разрешения.

Основная часть

Работу диода с накоплением заряда в схеме генератора с индуктивным накопителем можно разделить на три стадии. В первый момент времени создаются условия для инжекции электронно-дырочной плазмы в i -область диода, вследствие чего в ней происходит накопление объемного заряда. На второй стадии изменение направления тока приводит к удалению (рассасыванию) электронно-дырочной плазмы и накоплению энергии в индуктивном накопителе. На завершающей стадии ток в цепи ДНЗ резко обрывается, что и приводит к формированию импульса напряжения на нагрузке. На рисунке 1 показана электрическая принципиальная схема разработанного генератора импульсов напряжения, моделирование которой было осуществлено в САПР.

В качестве транзисторного ключа M1 использовался быстродействующий MOSFET-транзистор, в качестве источника V1 — задающий генератор низковольтных прямоугольных импульсов напряжения длительностью 30…50 нс. Для регулировки напряжения на MOSFET-транзисторе и амплитуды формируемых на нагрузке импульсов использовался источник питания V2. Индуктивности L1 и L2, а также конденсатор С4 образуют резонансный LC-контур накачки электронно-дырочной плазмой, в который включен ДНЗ диод D1. Для регулировки напряжения на MOSFET-транзисторе и амплитуды формируемых на нагрузке импульсов использовался источник питания V2. Индуктивности L1 и L2, а также конденсатор С4 образуют резонансный LC-контур накачки электронно-дырочной плазмой, в который включен ДНЗ диод D1 SMMD837. Варьируя параметры источника V2, элементов L1 и L2, а также С4 можно добиваться различных режимов работы схемы и, соответственно, формируемых импульсов. На рисунке 1 указаны значения элементов схемы для получения оптимальных амплитудно-временных параметров формируемых на нагрузке сигналов.

Рис. 1. Схема формирователя импульсов

ДНЗ диод SMMD837 в качестве коммутатора тока был выбран на основе его параметров, таких, как крайне малые емкость p-n -перехода (0,2 пФ) и время жизни неосновных носителей заряда (5 нс) и незначительное время обратного восстановления (60 пс). Напряжение пробоя (по паспортным данным) для данного ДНЗ составляет 20 В, однако, вследствие его работы в схеме с небольшим временем накачки электронно-дырочной плазмой и нано- и субнаносекундных временах переключения, диод может быть использован для формирования импульсов с амплитудой свыше 20 В.

На рисунке 2 представлены 3D-модель печатной платы (вид сверху) генератора импульса, на которой можно увидеть микроконтроллер, отвечающий за формирование задающих прямоугольных импульсов амплитудой 5 В, контактные площадки для подключения аккумуляторных Li-Pol батарей с номинальным напряжением 3,7 В и емкостью 480 мАч, соединенных последовательно, высоковольтный MOSFET-транзистор для накачки ДНЗ-диода, а также сам ДНЗ диод SMMD837 в качестве размыкателя тока.

Рис. 2. 3D-модель печатной платы генератора импульса, вид сверху

На рисунке 3 представлены 3D-модель печатной платы (вид снизу) генератора импульса.

Рис. 3. 3D-модель печатной платы генератора импульса, вид снизу

На рисунке 4 представлена осциллограмма формируемых на нагрузке 50 Ом импульсов напряжения разработанным генератором. Как видно из рисунка длительность импульсов по основанию составляет 4,7 нс, на полувысоте — порядка 2 нс, передний фронт импульса (время переключения диода) — менее 1,5 нс, амплитуда — порядка 26 В.

Рис. 4. Осциллограмма формируемых генератором импульсов напряжения

На рисунке 5 показана 3D-модель корпуса разработанного генератора наносекундных импульсов напряжения. Размеры корпуса составляют 95х36х27 мм. Подключение к нагрузке осуществляется через СВЧ разъем типа SMA.

Рис. 5. Корпус разработанного формирователя импульсов

На рисунке 6 представлены фотографии спроектированной двухрупорной антенны Лалезари, которая является усовершенствованной версией [12] широко применяемой антенны Вивальди и состоит из двух излучателей, расположенных параллельно. Подключение антенны к разработанному генератору осуществляется при помощи СВЧ-кабеля с низкими потерями с разъемами типа SMA. Однако, следует заметить, что для получения узкой диаграммы направленности, необходимо применять другие типы излучателей.

Рис. 6. Фотографии изготовленной двухрупорной антенны Лалезари

Разработанный генератор импульсов напряжения наносекундной длительности может работать не только от источника напряжения 12 В, но также и от встроенного Li-Pol источника питания емкостью 480 мАч. Проведенные испытания показали, что генератор может работать в течении порядка 6 ч при формировании на нагрузке 50 Ом импульсов напряжения амплитудой 26 В, длительностью порядка 2 нс на полувысоте и с частотой следования 10 кГц.

Заключение

Представлены результаты разработки и исследования маломощного генератора наносекундных импульсов напряжения. Показана возможность использования коммерческого ДНЗ диода в качестве коммутатора тока для формирования коротких импульсов напряжения в частотном режиме. Проведена экспериментальная оценка времени работы такого генератора от встроенного аккумулятора — в зависимости от параметров формируемых импульсов напряжения время работы составило порядка 6 ч. Продемонстрирована разработанная двухрупорная антенна Лалезари для эффективного излучения импульсов, формируемых генератором. Спроектированное устройство может найти широкое применение в биомедицинских исследованиях, в частности, при томографии высокого разрешения.

Литература:

1. А. А. Самохвалов, К. А. Сергушичев, С. И. Елисеев, А. А. Смирнов, М. В. Тимшина. Высоковольтный полупроводниковый генератор импульсов напряжения для формирования капиллярного разряда в источнике мягкого рентгеновского излучения // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Инженерные исследования. 2023. Т. 24. № 4. С. 331–339. http://doi.org/10.22363/2312–8143–2023–24–4-331–339.
2. Платонов, К. В. Генератор коротких высоковольтных импульсов для первичного пробоя жидкого диэлектрика / К. В. Платонов, И. С. Доронин // Сборник тезисов, материалы Двадцать первой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (ВНКСФ-21, Омск): материалы конференции, тезисы докладов. Т. 1. — Екатеринбург — Омск: Изд-во АСФ России, 2015. — С. 501–502.
3. Вдовин В. А., Плютинская А. Д., Панкратов А. А., Воронцова М. С., Сапецкий С. А., Денисов Р. А., Черепенин В. А. Влияние мощных электромагнитных импульсов наносекундной длительности на опухолевые клетки в системе in vitro. // Журнал радиоэлектроники. — 2026. — №. 3. С. 1–25. https://doi.org/10.30898/1684–1719.2026.3.8.
4. А. В. Демьяненко, Ю. И. Алексеев, И. В. Семерник. Эффективный генератор шума на основе диода с накоплением заряда. Известия высших учебных заведений. Физика. Т. 57, № 4. 2014. С. 117–120.
5. Смирнов А. А., Иванов Б. В., Кардо-Сысоев А. Ф., Шевченко С. А. Исследование процесса формирования субнаносекундных перепадов напряжения карбид-кремниевыми дрейфовыми диодами с резким восстановлением // Интернет-журнал Науковедение. 2015. Т. 7. № 4 (29). С. 97.
6. Иванов Б. В., Смирнов А. А., Шевченко С. А., Кардо-Сысоев А. Ф. Формирование наносекундных импульсов напряжения дрейфовыми диодами с резким восстановлением // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2015. № 3. С. 25–29.
7. Ilyin V. A., Afanasyev A. V., Demin Y. S., Ivanov B. V., Luchinin V. V., Sergushichev K. A., Smirnov A. A. 30 kV pulse diode stack based on 4H-SiC. Materials Science Forum. 2018. Т. 924. С. 841–844.
8. Елфимов А. Е., Величкина А. С., Усков Г. К., Бобрешов А. М. Исследование параметров диодов с накоплением заряда в САПР. СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии. 2024. Вып. 6. С. 4–5.
9. Bobreshov, A.M., Zhabin, A.S., Ryazantsev, A.D., Stepkin, V.A. and Uskov, G. K. Improvement of Ultrashort Pulses by Serial Connection of Step Recovery Diodes // IEEE Microwave and Wireless Components Letters. — Vol. 31. — № 2. — Рp. 204–206, Feb. 2021, doi: 10.1109/LMWC.2020.3046925.
10. Васин В. В., Еремеев А. И., Васильева М. А. Разработка подхода СШП-томографии при сферическом сканировании // В сборнике: Труды Шестнадцатой Всероссийской конференции студенческих научно-исследовательских инкубаторов. под ред. В. В. Демина. 2019. С. 23–25.
11. Минин О. В., Минин И. В. Микроволновый имиджинг рака молочной железы // Вестник СГУГиТ, Том 23, № 1, 2018. С. 189–199.
12. Французов А. Д. Проблемы конструирования сверхширокополосных антенн для излучения сверхкороткоимпульсных сигналов // Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2012. Вып. 2. С. 9–15.