DE2212109A1

DE2212109A1 - Impulsempfanger

Info

Publication number: DE2212109A1
Application number: DE19722212109
Authority: DE
Inventors: Kenneth Warren Wilmington Mass Robbins (VStA)
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Unisys Corp
Priority date: 1971-03-12
Filing date: 1972-03-13
Publication date: 1972-09-21
Also published as: JPS55941B1; US3662316A; FR2128804B1; DE2212109C2; GB1377263A; CA957021A; FR2128804A1

Description

Patentanwälte
OlpUng. C. Wallas

Dipl. Ing. G. Kou· 13.Hnz.i97Z

Dr. T. Haibach

8 München 2 ₁₅

Kaufingerair. 8, Tel. 240275

Sperry Rand Corporation, New York / USA

Impulsempfänger

Die Erfindung bezieht sich auf ImpulsempfMnger ssma Empfang kurzer elektromagnetischer Impulssignale ₉ beispielsweise sehr kurzer elektromagnetischer Basisband-Impulssignale mit einer Dauer im Sub-Nanosekundenhereich·

Obwohl Empfänger bekannt sind.» die elektromagnetische Impulse von relativ kurser Dauer und erheblicher Amplitude empfangen und demodulieren können, so Ist dies doch toi diesen Empfängern nur deshalb möglich, well der Spektralgehalt derartiger Impulse extrem breit iat und sieh allgemein vom Gleichstrombereich bis umandliefe erstreckt· Weites»= hin ist es bei bekannten Empfängern erforderlich* daß su« mindest eine oder mehrere benachbarte Linien dee Impuls« spektrums in das relativ sahmale Band d®s Empfänger!; und außerdem eine, vergliehea alt üem £igenrauseh@si

209839/0881

Empfängers« ausreichende Amplitude aufweisen, so daß sich eine erkennbare Dernodulationsantwort am Empfängerausgang ergibt.

In diesem Zusammenhang werden alle bekannten Empfänger richtigerweise als Schmalbandeinrichtungen bezeichnet; sie ermöglichen einen relativ dispersions- oder streuungsfreien Empfang von lediglich einigen wenigen Impulssignal·* Spektralkomponenten zwischen der Frequenz Null und einer unendlichen Frequenz. Beispielsweise sind selbst Verstärker mit verteilten Parametern« wie z.B. Wanderwellenröhrenverstärker von der Wendelbauart in Wirklichkeit relativ schmalbandige Einrichtungen» die lediglich einen kleinen Frequenzbereich in dem Gesamtspektrum eines Basisbandimpulses durchlassen und die eine erhebliche unerwünschte Dispersion oder Streuung des empfangenen Signals» insbesondere in der Nähe der Begrenzungen des Durchlafibandes des Verstärkers hervorrufen. Diese Wirkung 1st eine Eigenschaft der verwendeten Schaltungen für die langsame Wellenausbreitung, die weiterhin durch die schmalbandlgen Signaleingangs- und Ausgangsanordnungen beschränkt werden» die üblicherweise mit derartigen Schaltungen für die langsame Wellenausbreitung verbunden sind. Wenn der Pegel des kurzen Basisbandimpulses verringert wird» so ist dieser Impuls nicht mehr abtrennbar oder erkennbar» wenn seine Spektralkomponenten unter das Eigenrauschen bekannter Empfänger absinken·

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Impulsempfänger zum Empfang kurzer elektromagnetischer Impulssignale umfaßt Breitband-Ubertragungsleltungs-Antennenmittel zum Auffangen und Ausbreiten eines elektromagnetischen Impulssignals in der ΊΕΜ-Ubertragungsmode, Halbleiterdiodenelemente mit ersten und zweiten stabilen Zuständen» die in Energieaus tausch-

./. 209839/0881

bezlehung mit den Antennenmitteln angeordnet sind» erste Schaltungseinrichtungen zur Vorspannung der Halbleiterdiodenelemente in den ersten Zustand, so daß die Halbleiterdiodenelemente im wesentlichen momentan von dem ersten in den zweiten Zustand umgeschaltet werden, wenn an den HaIblelterdiodenelementeß ein elektromagnetischer Impuls in im wesentlichen unverzerrter Form eintrifft, zwelte»mit den ersten Schaltungseinrlchtungen verbundene Schaltungseinrlchtungen zur Erzeugung einer Ausgangsschwingung mit verstärkter Energie und größerer Dauer als der elektromagnetische Impuls und dritte Schaltungseinrichtungen zur Ausnutzung einer Art der Ausgangsschwingung zur Rückführung der Halbleiterdiodenelemente in den ersten Zustand.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Form eines Impulsempfängers für elektromagnetische Sub-Nanosekunden-Energielmpulse zum Empfang eines oder mehrerer sehr kurzer elektromagnetischer Basisbandlmpulse und zur Zuführung eines zum Betrieb üblicher Nutzausrüstungen brauchbaren Ausgangs auf. Das Empfängersystem verwendet ein im wesentlichen dispersionsfreies, sehr breitbandiges Übertragungsleitungs-Antennensystem» das direkt mit der vorgespannten» In der Übertragungsleitung angeordneten Diode zur Demodulation und Erfassung der Gesamtenergie der Basisbandimpulse zusammenwirkt. Eine mit der Diode verbundene und damit zusammenwirkende Schaltung liefert ein entsprechendes Ausgangssignal, das üblichen Nutzschaltungen zugeführt werden kann» und stellt das Empfängersystem zurück» um es für den Empfang eines darauffolgenden kurzen Basisbandimpulses vorzubereiten. Da die gesamte Energie des Basisbandimpulses momentan durch das dispersionsfreie Antennensystem an die Halbleiterdiode angelegt wird» kann der Empfänger mit Impulssignalen betreiben werden» deren Spektralanteile alle nicht durch übliche

209839/0881

relativ schraalbandige Empfänger erfaßbar sind.

Die Erfindung wird Im folgenden anhand eines In der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen: Flg. 1 eine schematische perspektivische Ansicht

eines Nachrichtenübertragungssystems mit dem beschriebenen Empfänger;

Fig· 2 eine bruchstückhafte perspektivische Ansicht des Empfängers des Systems nach Fig. 1;

Fig. 2 ein Schaltbild des Empfängers;

FIg, 4a» graphische Darstellungen von Sohwlngungsformen 4b, 4c, 4d zur Erläuterung der Betriebsweise des Nach- und 4e richtenübertragungssyetems, wobei jeweils die

Spannung auf der Ordinate und die Zeit auf

der Abszisse aufgetragen 1st.

Fig. 1 zeigt das mit kurzen Basisbandimpulsen arbeitende Nachrichtenübertragungssystem 1 mit dem Empfänger 2, der zusammen mit einem Sender 5 für Impulse oder kurze Basis« bandlmpulse arbeitet, der von allgemein üblicher Art sein kann. Beispielswelse 1st eine Vielzahl von Sendersystemen zur Erzeugung einzelner positiver oder negativer Impulse oder gleichmäßiger oder anderer Impulsfolgen mit jeweils sehr kurzer Dauer und zur Abstrahlung dieser Impulse von einer geeigneten Sendeantenne 4 bekannt« Rotierende und andere Funkenstreokensender erzeugen in einfacher Welse, wenn auch mit geringem Wirkungsgrad, kurze elektromagnetische Impulse« Es ist bekannt, daß Verzugerungsleitunge-

209839/0881

Impulsgeneratoren so einstellbar sind« daß sehr kurze elektromagnetische Impulse abgestrahlt werden» Eine Vorrichtung zur Erzeugung kurzer Basisbandimpulse ist in dem U,8 .-Patent 3 402 JTO der gleichen Anmelderin beschrieben·

Obwohl bekannte Sender normalerweise nicht dazu verwendet werden, wirklich kurze Basisband- oder Sub-Nanosekundenimpulse zu erzeugen* ermöglicht eine reine Einstellung der parametrischen Beziehungen die Erzielung eines derartigen Ergebnisses« Weiterhin können die Betriebseigenschaften derartiger Sender zum Aussenden tatsächlicher Basisbandimpulse in den Raum dadurch verbessert werden* daß die Art einer Strahlungsantenne verwendet wird» die in dem deutschen Patent .... (deutsche Patentanmeldung P 21 29 700.7) beschrieben 1st* und die beispielsweise ein elektrisch gleichförmiges Übertragungsleitungssystem mit konstanter Impedanz zur Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen in der TEM-Mode verwendet. Das Übertragungsleitungssystem wird für die zusammenwirkende zyklische Energiespeicherung auf der Übertragungsleitung und für ihre zyklische Freigabe durch Ausbreitung entlang der Übertragungsleitung zur Abstrahlung am Ende eines Abschnittes der Übertragungsleitung verwendet» die als horn- oder trichterförmige gerichtete Antenne ausgebildet ist. Somit wird das Übertragungsleitungssystem gleichzeitig zur Signalerzeugung durch Laden der übertragungsleitung mit einer ersten Ladegeschwindigkeit und außerdem zur Slgnalabstrahlung in den Raum durch Entladung der Leitung in einer Zeit verwendet, die wesentlich kürzer ist, als die, die zur Ladung erforderlich ist· Die Entladung der übertragungsleitung bewirkt die Ausbreitung einer Spannungswelle in Richtung auf das offene Ende oder die Abstrahlungsöffnung der Antenne. Dieser Vorgang bewirkt die Erzeugung eines scharfen Impulses von einer Sub-Nanosekundandauer durch Differentiation, der in den Raum abgestrahlt

WJ Ή9/0881

wird· Die Antenne weist eine große momentane Bandbreite auf, so daß sie sehr scharfe impulsförraige Signale mit geringer Verzerrung oder Störung abstrahlen kann. Weiterhin weist die Antenne eine Energiefokussierungscharakteristik auf, so daß die in einer vorgegebenen Richtung abgestrahlte Energie maximal wird.

Der Empfänger 2 nach Pig» 1 schließt eine Empfängerantenne ein und als weiteres Beispiel kann die Antenne 5 so abgeändert werden, daß sie als abstrahlendes Element 4 in einem derartigen Empfänger verwendet werden kann. Es ist weiterhin zu erkennen, daß das Empfänger-Antennensystem der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden kann, Sub-Nanosekunden-Basisband-Strahlungen zu erfassen, wie sie durch positive oder negative elektrostatische oder andere elektrische Entladungen,unter Einschluß von durch Blitze hervorgerufene Entladungen erzeugt werden, wobei kein von Menschenhand hergestellter Sender für den Betrieb des Empfängers erforderlich ist.

Wie es aus den Fig. 1» 2 und 3 zu erkennen 1st, weist die Empfängerantenne 5 einen Aufbau mit einer spiegelbildlichen Symmetrie um eine Hittelebene unter reohten Winkeln zur Richtung des Vektors des elektrischen Feldes E auf, das sich in die Antenne, beispielsweise in der durch den Pfeil 6 angedeuteten Richtung» ausbreitet. Das gleiche ist der Fall für die damit zusammenwirkende übertragungsleitung 7 (Fig. 2), die Signale von der Antenne 5 zu der elektronischen Schaltung des Empfängers 2 führt, und die Paralleldraht-Ubertragungsleitungs-Leiter 8 und 9 umfaßt; die Leiter 8 und 9 sind mit Abstand angeordnete Drahtleiter, die aus einem Material hergestellt sind, das Hochfrequenzströme ohne wesentliche ohm'sche Verluabe leiben kann. Weiterhin

2 Π U 8 3 3 / 0 8 0 1

sind die Leiter-8 und 9 so aufgebaut und angeordnet, daß sie die TEM-Moden-Ausbreitung von hochfrequenter Energie unterstützen, wobei der größere Teil des elektrischen Feldes zwischen den Leitern 8 und 9 liegt.

Die TEM-Empfängerantenne 5 besteht weiterhin aus zwei sich konisch verjüngenden, flachen, elektrisch leitenden ebenen Teilen 10 und 11» Die Teile 10 und 11 weisen beispielsweise eine allgemein dreieckige Form auf, wobei das Teil 10 durch die sich konisch verjüngenden Kanten 12 und 13 und eine frontale Öffnungskante 14 begrenzt ist. In gleicher Weise ist das Teil 11 durch die sich konisch verjüngenden Kanten 16 und 17 und eine frontale Öffnungskante 18 begrenzt. Die frontalen Öffnungskanten Ik und 18 können gerade oder bogenförmig sein. Jedes der im wesentlichen dreieckigen Teile 10 und 11 ist am Scheitel leicht kegelstumpfförmig geformt, wobei die Kegelstümpfe 19 und 20 so aufgebaut und angeordnet sind, daß der Leiter 8 glatt ohne Überlappung an dem Kegelstumpf 19 mit dem Antennenteil 10 und der Leiter 9 glatt ohne Überlappung mit dem Kegelstumpf 20 an dem Antennenteil 11 befestigt ist· Es ist verständlich, daß die jeweiligen Verbindungen an den Kegelstumpfen 19 und 20 unter Verwendung zur Verfügung stehender Techniken zur weltgehenden Verringerung irgendeiner Impedanz-Ungleichförmigkeit an den Verbindungen ausgebildet sind.

Es ist weiterhin verständlich, daß die

Teile 10 und 11 der Antenne 5 au· einem Material hergestellt sind, das eine hohe Leitfähigkeit für Hochfrequenzströme aufweist.

209839/0881

Das innere Volumen der Antenne 5

kann mit einem luftgeschäumtem dielektrischen Material gefüllt sein» das niedrige dielektrische Verluste bei Vorhandensein von Hochfrequenzfeldern aufweist, wobei dieses Material dazu dient, das Teil 10 in fester Beziehung zum Teil 11 zu haltern. Alternativ können die leitenden Elemente der Antenne 5 mit Hilfe von dielektrischen Abstandshaltern mit Abstand befestigt sein und mit diesen zusammenwirken, um Abschlußwände für die Anordnung zu bilden, wodurch die inneren leitenden Oberflächen der Antenne 5 gegen die Wirkungen von Niederschlägen und Korrosion geschützt sind.

Vie es erläutert wurde, sind die ebenen Teile 10 und 11 der Empfängerantenne 5 unter Impedanzanpassung mit der Zweidraht-Übertragungsleitung 7 verbunden, die genauer aus

Pig* 2 zu erkennen 1st. Die Übertragungsleitung 7 ist so

^ ,_ ., , ^u0^ä disperaionejFreien Eigenschaften aufgebaut, daß sie die gleiche Impedanzywie die die Anren nenteile 10 und 11 umfassende übertragungsleitung aufweist. Die Paralleldrahtleiter 8 und 9 der übertragungsleitung 7 können in ein dielektrisches Einkapselungselement 21 eingeformt sein, um genau den Abstand der Leiter 8 und 9 festzulegen, so daß die Übertragungsleitung 7 über ihre Länge eine konstante Impedanz aufweist» Das dielektrische Element 21 kann seinerseits durch eine geflochtene oder andere leitende Abschirmung 22 umgeben sein, die an einer geeigneten Stelle, wie z. B. durch eine Leitung 23, geerdet ist. Die Abschirmung 22 kann ihrerseits durch ein schützendes Kunststof'f-Deckelement 24 von gut bekannter Art umgeben sein. Die Zweidraht-Übertragungeleitung 7 wird somit in einfacher Weise mit der elektronischen Schaltung des Empfängers 2 verbunden, wobei Signale von der Leitung 7

209839/0881

längs einer Diode 25 (Fig. 3) angelegt werden. Im allgemeinen ist die Länge der Übertragungsleitung 7 zwischen der Antenne 5 und der Diode 25 kurz. ■

Ein zusammenwirkendes Antennen- und Übertragungsleitungssystem 5, 7 der in den Figuren¹} 2 und 3 gezeigten Form

bevorzugt wird teilweise deshalb/", weil die

gewünschte TEM-Modenausbreitung in diesem System in einfacher Weise ausgebildet wirdo Die TEM-Ausbreitungsmode wird bevorzugt, weil sie die im wesentlichen streuungsfreie Ausbreitungsmode ist und ihre Verwendung daher die Verzerrung odar Störung des sich ausbreitenden, zu empfangenden Sub-Nanosekunden-Impulssignal wesentlich ver-

symmetriscne
ringert. Die einfache γ Übertragungsleitungsanordnung ermöglicht außerdem den Aufbau der Antennen-Übertragungs-1eitungs-Anordnung mit minimalen Impedanz-Ungleichförmigkelten. Weiterhin ist es eine Eigenschaft der symmetrischen Art der die Antenne 5 bildenden Übertragungsleitung,, daß Ihre charakteristische Impedanz eine Funktion von b/h ist, wobei b die Breitenabmessung der größeren Oberflächen der Teile 10 und 11 ist und wobei h der Abstand zwischen den Inneren Flächen der Teile 10 und 11 ist. Beispielsweise, ist das Verhältnis b/h im Fall der Antenne 5 konstant gehalten, v/eil das Verhältnis von b zu h konstant gehalten wird.

Die Empfängerantenne 5 wird die

mit der Überfcr&gungsleifcung 7 dadurch kompatibel gemacht, daß der Werfe des Verhältnisaaθ b/h in der Antenne konstant gehalten wird. Mit anderen Worten ist, wenn das Verhältnis b/h entlang der Ausbreiturigsrichtung 6 In der Antenne 5 konstant gehalten wird, die charaktorLa fische Impedanz der

2 U 90!) 9/0081

Antenne 5 entlang ihrer Länge konstant und kann somit in einfacher Weise gleich der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung 7 gemacht werden. Durch Aufrechterhalten einer kontinuierlich konstanten charakteristischen Impedanz und der TEM-Ausbreitung entlang dar Antenne 5 und der Leitung 7 werden frequenzabhängige lioflektionen in diesen verhindert, und die Frequenzstreuung wird beseitigt. Der empfangene Sub-NanoSekunden-Impuls fließt daher ohne wesentliche Reflektion und ohne wesentliche Verschlechterung seiner Form oder Amplitude durch did Antenne 5 und in die Übertragungsleitung 7* Da die vollständige Energie oder Amplitude eines Sub-Nanosekunden-Basisbandimpulsee mit niedrigem Pegel durch das Antennen-Übertragungeleitungssystem an die Diode 25 geliefert wird, ist zu erkennen,

aktive
daß derYEmpfänger auf extrem kurze Baaisbandimpulse mit niedrigem Pegel und einem extrem breiten Spektralinhalt ansprechen kann, wobei irgendein Anteil dieses Spektralinhaltes unter Verwendung üblicher Empfangstechniken für breite Impulse nicht erfaßbar sein würde« Zusätzlich ist es verständlich, daß Arten von streuung&r Oder

dcn&frelen Ankennen mit abweichenden EmpfangsCharakteristiken die dargestellte Antenne ersetzen können« Beispielsweise kann die Allazimuth-Antenne, die in dem US-Patent .·· (US-Patentanmeldung 832 337) beschrieben ist» verwendet werden.

Irgendein von der Antenne 5 aufgefangener Sub-Nanosekundenimpuls wird im wesentlichen ohne Dämpfung oder Störung in der Zweidraht-Übertragungeleitung 7 zur Diode 25 geleitet, die vorzugsweise eine Tunneldiode oder eine andere Hochgeschwindigkeitediode ist, die als

Impulsdetektor dienen kann. Die Diode 25 weist eine Stroin-Spannutigs-Kennlinio mit negativem Vi-

2ÜU039/0881

derstand auf, so daß die Diode 25 bei geeigneter Vorspannung auf von der Sendeantenne h angekommende Impulsausstrahlungen derart anspricht, daß sich ihr Arbeitepunkt abrupt in den instabilen Bereich bewegt, wodurch sie hochleitend wird. Obwohl auch andere Halbleiterdioden verwendet werden können, ist eine geeignete Diode die Germanium-Tunneldiode 1 N 3717.

Die Diode 25 ist mit dem Leiter 8 über einen kleinen Kondensator 26 und mit dem Leiter 9 über einen geerdeten Widerstand 27 verbunden» Der Widerstand 27 erfüllt eine den Potentialpegel einstellende Aufgabe, wodurch die Tunneldiode 25 einen Transistor 33 ansteuern kann, und trägt dazu bei, eine richtige Impedanzanpassung an die Leitung 7 zu erreichen, so daß Reflektionen vermieden werden. Der Kondensator 26 dient außerdem als Kopplungskondensator und vexv hindert Schäden an dem Empfänger/, wenn der Eingang durch einen unglücklichen Zufall kurzgeschlossen wird· Ein· geeignet· (nicht gezeigte) Vorspannungsquelle für die Diode 25 ist mit einem Anschluß 28 verbunden, um einen Stromfluß

29 über einen einstellbaren Widerstandfund einen einen Pegel einstellenden Widerstand an die Diode 25 zu liefern.

Eine zweite, mit dem Vorspannungsanschluß 28 verbundene Reihenschaltung umfaßt einen Widerstand 31, eine Diode 32, die eine übliche 1 N 914-Diode sein kann, und den Transistor 33, der ein üblicher Transistor vom Typ 2 N 3638 sein kann. Eine dritte, mit dem Vorspannungsanschluß 28 verbundene Reihenschaltung umfaßt einen Widerstand 34, einen Avalanche-Transistor 35 (Lawinentransistor), der ein ausgewählter üblicher Transistor vom Typ 2 N 706 sein kann,

209839/0881

sowie einen Widerstand 36. Der Widerstand 36 ist mit einer Anzapfung 39 einer aus einem Potentiometer 37 und einer Batterie 38 bestehenden Spannungequelle verbunden* Eine vierte, mit dem Vorspannungsanschluß 28 verbundene Reihenschaltung umfaßt einen Widerstand kO und einen Kondensator 4i. Ein Kondensator 42, der ebenfalls mit dem Anschluß verbunden ist₉ bildet eine Wechselstrom-Srdverbindung,

Eine Diode 43 ist zwischen Erde und dem Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 29 und 30 eingeschaltete Der letztere Verbindungspunkt ist über eine Diode 44 mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 31 und der Diode 32 verbunden« Die Dioden 43 und 44 können ebenso wie die Diode 32 übliche Dioden vom Typ 1 N 914 sein. Der gemeinsame Verbindungspunkt des Widerstandes 31 und der Diode 32 ist über einen Widerstand 45 mit der Basis des Transistors 35 verbunden. Der Verbindungspunkt 50 zwischen dem Kondensator 26 und der Tunneldiode 25 ist über einen Widerstand 46 mit der Basis des Transistors 33 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors 35 und dem Widerstand 36 ist über eine Leitung 47» die außerdem als ungeerdete Ausgangsleitung für die Schaltung dient, mit einem Anschluß des Kondensators 4i verbunden? Eine zweite nicht geerdete Ausgangsleitung 48 ist an dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 40 und dem Kondensator 41 eingeschaltet.

Obwohl andere Kombinationen von Parametern verwendet werden können, sind typische Werte der verschiedenen Schaltungsbauteile folgendes

2 0 98 39/0881

Widerstand R 27 - 82 Ohm

R 29 - 1 KObo R 30 - 390 Ohm R 31 - 2_f2Ä)hm R 3k - 22 Ohm R 36 - 270 R 40 - 56 R k5 - 330 Ohm R 46 - 390 Ohm

Kondensator C 26 - 1 pF , 100 pP

O iH - 680 pP C k2 - 1 pP

Für die obigen Werte kann die durch die Batterie und das Potentiometer 37 gebildete Leietungsquelle eo eingestallt werden, daß sie ungefähr + 150 V an der Anzapfung 39 liefert. Außerdem kann eine «6 V-Vorspannungsquelle mit dem Vorspannungsanechluß 28 verbunden werden·

Im Betrieb wird die Tunneldiode 25 durch manuell· Einstellung des Widerstände« 29 sehr nahe an ihren Duronbruohspunkt vorgespannt. Beispielsweise sind im Fall dar als Beispiel verwendeten Oermaniua-Tunneldiode 1 H 3713 etwas weniger als 10 MA erforderlieh, um die Diode 25 bis nahe an ihren Durchbruchspunkt vorzuspannen. In diesem Fall sind die an dem Transistor 33 anliegenden Spannungspegel nicht ausreichend, um ihn in den leitenden Zustand zu bringen, so daß dieser Transistor im Ruhezustand verbleibt. Die Dioden 32, >k3 und hk bleiben ebenfalls nichtleitend. Der Lawinentransistor 35 weist daher keine Vorwärts-Vorspannung auf. Das Kollektorpotential dieses Transistors ist aufgrund der Einstellung der

2 u 3 in 0 / 0 ü η ι

Anzapfung 39 des Potentiomatera 37 derart, daß diaaar Transistor keine störenden Sägezahnsehwingungen ausführen kann. Der Lawinentransistor 35 befindet sieh daher ebenfalls im Ruhezustand, und der Empfänger ist für den Empfang eines kurzen Baslsband-Eingangeiapulses bereit»

Sin derartiger kurzer Basisbandimpuls, deaaen Foi und Amplitude in der Antenne 5 und der Übertragungsleitung 7 beibehalten wird» kann beispielsweise eine Dauer Ton 0,5 Nanosekunden aufweisen und kann einen momentanen Spannungsimpuls längs der Tunneldiode 25 »it einer Spitze τοη beispielsweise -0,1 V hervorrufen« Ein derartiges Signal ist in Fig. 4a dargestellt, wobei die Dauer jedoch aus Klarheit »gründen vergrößert wurde. Die Tunneldiode 25 schaltet momentan von ihrem Zustand Bit niedriger Ruhe Spannung und positivem Widerstand durch den unstabilen Zustand alt negativem Widerstand in ihren Zustand mit hoher Spannung und positivem Widerstand. Hierdurch werden die Spannunga- und Strombeziehungen in der verbleibenden Schaltung vorübergehend kurzzeitig gestört· Der Transistor 33 wird aufgrund des Vorhandenseins des Widerstandes 46 in Vorwttrtsriohtung vorgespannt, und die die Diode 32, den Widerstand 31 und den Transistor 33 einschließende Schaltung leitet einen Strom (Fig. 4b), und zwar nach einer dem Transistor und der Diode 32 eigenen Zeitverzögerung, wodurch das positiv verlaufende Signal naoh Fig. 4c durch den Widerstand 45 zur Basis des Lawlnentranaiators 35 weiterläuft. Die Schwingung nach Fig. 4c beginnt für die spezielle vorstehend beschriebene Schaltung ebenfalls im wesentlichen 20 Nanosekundon nach der Zelt t_o# die dem Zeltpunkt dea Spitzenwertes des kurzen Basisbandinpulses nach Fig. 4a ent-

2\r)h ι I/Uf) Π !

spricht, mit einem scharfen Anstieg und fällt dann ab·

Die positive Schwingung nach Fig. 4c in der ,Größenordnung von +10 V an der Basis des Lawinentraneistors 35 bewirkt, daß die In Reihe geschalteten Dioden 43 und 44

einen starken Strom durch den Widerstand 45 ziehen. Das Potential an dem Anschluß 50 der Tunneldiode 25 ändert sich abrupt, wodurch die Tunneldiode 25 zurückgestellt wird und ihr Zustand umgekehrt wird. Nach einer in Fig· 4e dargestellten Zeit kehrt die Tunneldiode in ihren Zustand zurück. Nach einer in Fig. 4e gezeigten Zeit kehrt si* in ihren normalen oder Ruhezustand zurück. Die Leitfähigkeit durch die Diode 32 entfällt, wodurch der Transistor 33 da« vor geschützt wird, durch eine übermäßige positive Vor* spannung belastet zu werden.

Die Schaltung wird dann weiter in ihren ursprünglichen Ruhezustand zurückversetzt· Der Kondensator 41 wird in der Hauptsache durch den den Widerstand 34, den Widerstand 40 und den Lawinentransistor 35 einschließenden Schaltungsweg mit einer exponentialen Entladegeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Zeitkonetante dieser Entladungsschaltung entladen. Andererseits wird der Kondensator hl wesentlich langsamer über den Widerstand 36 wieder aufgeladen.

Wie es weiter oben bemerkt wurde, treten brauchbare Ausgangssignale„ die Impulse mit relativ langer Dauer umfassen, an den Ausgangsleitungen 47 und 48 aufι diese Signale haben die allgemeine in Fig. 4d gezeigte Art und erscheinen gleichzeitig. Der Impuls an der Leitung 47 weist im wesentlichen einen Spitzenwert von -100 V ausgehend von

209839/0881

dem -6 V-Pegel j, und die Dauer d von 63 *f» der Spitzenamplitude beträgt im wesentlichen 200 NanoSekunden. Der an der Leitung 48 auftretende Impuls weist ausgehend von dem -6" V-Pegel einen Spitzenwert von im wesentlichen 30 V auf, und die Dauer von 63 <jL der Spitzenamplitude beträgt im wesentlichen 200 NanoSekunden. Die Verzögerung e des scharfen Anstiegs der Ausgangsimpulse in Fig« 4b beträgt wiederum im wesentlichen 20 Nanosekunden hinter der Spitze bei t des empfangenen kurzen Basisbandimpulses nach Fig. 4a.

Die an den Leitungen 47t 48 auftretenden Ausgangssignale können mit irgendeiner gewünschten Nutzvorrichtung (beispielsweise eine SignalVerarbeitungseinrichtung 51 und eine Kathodenstrahlrohr-Darstellung 52) die bei Empfang von Impulsen von üblicher Dauer, wie sie normaler« weise durch übliche Impulsverarbeitungsschaltungen verarbeitet werden, verbunden sein. Obwohl die tatsächliche Nutζvorrichtung kein notwendiger Teil der vorliegenden Erfindung ist, ist zu erkennen, daß sie eine Vielzahl von Formen annehmen kann. Beispielsweise kann ein einzelner von der Antenne 5 empfangener Sub-Nanoβekunden-Basisbandimpule als eine Informationsübertragung betrachtet werden, und der sich daraus ergebende an den Ausgangsleitungen 47 und 48 auftretende Ausgang kann direkt auf der üblichen Kathodenstrahlröhren-Darstellung dargestellt werden, die von der Art sein kann, in der die Ablenkung der Anzeige entlang einer Koordinate durch den darzustellenden Impuls getriggert wird, wobei der Impuls selbst nach einer kurzen Verzögerung zur Ablenkung des Kathodenstrahls entlang der zweiten Koordinate verwendet wird. Die Signalverarbeitungseinriohtung 51 und die Dar-

209839/Q881

stellung 52 können alternativ beispielsweise die Anzahl der von der Verarbeitungeeinrichtung 51 in einer willkürlichen Zeitperiode oder in einem bestimmten Impulsstoß empfangenen Sub-Nanosekundenimpulse zählen und dann die Gesamtzählung auf einer Üblichen numerischen Darstellung anzeigen» die den Platz der Kathodenstrahlröhrendarstellung 52 einnimmt« Eine Folge von von der Antenne 5 empfangenen Sub-Nanoaekundenlmpulsen kann eine Modulation aufweisen» beispielsweise eine Impulsintervallmodulation, die in einfacher Weise in Üblicher Weise durch die Verarbeitungseinrichtung 51 demoduliert und entweder auf einem Anzeiger dargestellt oder, wenn das demodulierte Signal ein Tonfrequenzsignal ist, in üblicher Weise zum Betrieb eines Lautsprechers oder einem anderen Tonfrequenzinstrument verwendet werden kann·

Es ist zu erkennen, dall der Empfänger nach den Figuren 1, 2 und 3 ein Breitband-Detektorelement ist, ein Empfänger, der auf irgendeinen Signalpegel oberhalb des Vorspannungepegels anspricht, der durch die Eigenschaften der bestimmten Tunneldiode 25 festgelegt sein könnte. Die Amplitude des an der Empfangsantenne 5 empfangenen Impulses oder Baslsband-Impulses kann beispielsweise ungefähr 200 mV in einem typischen Betriebefall sein, ein Wert, der mehrere Größenordnungen größer als die Signale ist» die in einer städtisohen Umgebung aufgrund von üblichen Strahlungsquellen vorhanden sind, wobei diese Störsignale normalerweise einen Mikrovoltpegel aufweisen. Entsprechend ist der Empfänger nach Fig. 3» obwohl er im wesentlichen alle Signale über einen sehr breiten Durehlaßbereioh aufnimmt, im wesentlichen immun gegen Störungen von üblichen Strahlungsquellen unter Einschluß von elektrischen Störsignalen, wie a· B.

BAD ORIGINAL

203839/0881

Störungen, die durch die Zündanlage von Verbrennungekraftmaschinen hervorgerufen werden. Der in Fig. 1 gezeigte Sender 2 und die Antenne k können beispielsweise eine regelmäßige Folge oder einen stoßförmigen Impuls von Impulsen mit extrem kurzer Dauer und niedriger Amplitude übertragen. In einem typischen Fall weisen diese impulsförmlfen Signale eine Dauer von im wesentlichen 2OO Pikoaekunden und «In« Impulswiederholfrequenz in der Größenordnung von 10 KHz auf» Die obere Begrenzung der mittleren in den gesamten Kaum abgestrahlten Leistung kann weniger als 1 Mikrowatt sein. Das Spektrum des ausgesandten Signals ist über eine extrem große Bandbreite, typischerweise 100 MRz bis 10 OHz gestreut» Entsprechend ist die in irgendeinem typischen schmalen Nachrichtenübertragungeband abgestrahlte Leistung weit unterhalb des thermischen Rausch-Schwellwertes eines typischen in diesem Band arbeitenden Empfängers· Der ausgesandte Impuls kann daher den Betrieb von üblichen Hochfrequenz-Nachrichtenübertragungeausrüstungen nicht sturen, obwohl er in bemerkenswerter Weise mit dem beschriebenen Empfänger verwendbar ist.

Patentansprücheι 209839/0881 ^β/"

Claims

Patentansprüche:

I₅/ Impulsempfänger zum Empfang kurzer elektromagnetischer Impulssignale, gekennzeichnet durch Breitband-Ütaertragungsleitungs-Antennenmittel (5) zum Auffangen und Ausbreiten eines elektromagnetischen Impulssignals in der TEM-Übertragungsmode.,. Halbleiterdiodenelemente (25) mit ersten und zweiten stabilen Zuständen in Energieaustauschbeziehung mit den Antennenmitteln (5)* erste Schaltungseinrichtungen (27, 28, 29* 30) zur Vorspannung der Halbleiterdiodenelemente (25) in den ersten Zustand, derart, daß der Zustand der Halbleiterdiodenelemente (25) im wesentlichen momentan von dem ersten zum zweiten Zustand bei Auftreten eines elektromagnetischen Impulses in im wesentlichen unverzerrter Form an den Halbleiterdiodeneleraenten (25) änderbar ist* zweite» mit den ersten Schaltungseinrichtungen (27, 28, 29, 30) verbundene Schaltungseinrichtungen (31, 32/ 33) zur Erzeugung einer Ausgangsschwingung mit verstärkter Energie und größerer Dauer als der elektromagnetische Impuls und dritte Schaltungseinrichtungen C34, 35* 36) zur Ausnutzung einer Art der Ausgangs schwingung zur Rückführung der Halbleiterdiodenelemente (25) in den ersten Zustand»

2c Irapulsempfanger nach Anspruch I₉ dadurch

gekennzeichnet, daß die ersten Schaltungseinrichtungen Vorßpannungs«Spannungsteiler (27, 29, 30) in Reihe mit den Halbleiterdiodenelementen (25) umfassen, daß die zweiten Seh&ltungseinrichtungen TransistcR»verstärkerteile (33)* eine Potentialquelle und Ausgangseinrichtungen umfassen, und daß die dritten Schaltungseinrichtungen (34, 35# 36) unilat.e/ ale Leiterteile zur Kopplung einer Art der Ausgangeschwingung an den Spannungsteiler (27, 29, 30) umfassen.

209839/0881

BAD ORIGINAL

3· Impulsempfanger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet ,daß die Breitband-Übertragungsleitungs-Antennenmittel (5) Doppelleiter-Übertragungsleitungsmittel (10, 11) mit einer im wesentlichen konstanten charakteristischen Impedanz und im wesentlichen dispersionsfreien Eigenschaften umfassen«

4. Impulsempfänger nach Anspruch 3, dadurch

gekennz ei ohne t , daß die Doppelleiter-Übertragungslei tungsmlttel erste und zweite ebene Leiter (10, 11) mit gegenüberliegenden leitenden Hauptoberflächen aufweisen«,

5 ο Impulsempfänger nach Anspruch 4, dadurch

gekennzeichnet, daß die ebenen Leiter (10, 11) eine kegeistumpffönnig abgestumpfte dreieckige Form aufweisen.

6. Impulsempfänger nach Anspruch 5» dadurch

gekennzeichnet» daß die Doppelleiter (8, 9) für die TEM-Mode an den kegeistumpfförmigen Abstumpfungen mit den ebenen Leitern (10, 11) unter weitgehender Impedanzanpassung verbunden sind.

7« Impulsempfänger nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiodenelemente (25) in Energieaustauschbeziehung längs der Doppelleiter (8, 9) angeschaltet sind.

8· Impulsempfänger nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, daduron gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiodenelemente (25) eine Tunneldiode umfassen*

209839/0881

9· Impulsempfänger nach Anspnich 8» dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schaltungseinrichtungen eine Reihenschaltung von einer Vorspannungsquelle (28), einer ersten Impedanz (29), der Tunneldiode (25) und einer zweiten Impedanz; (27) umfassene

ΙΟ* Impulsempfänger nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltungseinrichtungen eine dritte Impedanz (31).» erste Diodeneleraente (32) und einen ersten Transistor (33) umfassen» wobei die Vorspannungs quelle* die dritte Impedanz (33.)» die erste Diode (32) und rter erste Transistor (33) in Reihe geschaltet sind, und daß eine vierte Impedanz (30) zwischen der ersten Impedanz (29) und der Tunneldiode (25) eingeschaltet ist» um den ersten Transistor (33) in Vorwärtsrichtung im wesentlichen in den leitfähigen Zustand vorzuspannen, wenn die Tunneldiode (25) in ihren zweiten Zustand gebracht ist.

Ho Impuls empfänger nach Anspruch .10, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schaltungseinriehtungen eine fünfte Impedanz (34), einen zweiten Transistor (35) und Potentialquellenteile (37, 38, 39) umfassen» wobei die fünfte Impedanz (34), der zweite Transistor (35) und die Potentialquellenteile (37* 38,39) in Reihe geschaltet sind» daß weiterhin eine sechste, zwischen der dritten Impedanz (31) und der ersten Diode (32) eingeschaltete Impedanz (45) zum Erzielen des leltfähigön Zustandes des zweiten Transistors (35) vorgesehen sind, wenn der erste Transistor (33) im leitenden Zustand ist» undoaß siebte und achte Impedanzen (40, 36) vorgesehen sind, die längs der fünften Impedanz (34) und dem zweiten Transistor (35) angeschaltet sind, um eine Ausgangsschwingung längs der achten Impedanz (36) zu liefern«

BAD ORIGINAL ·/·

209839/0881

12. Impulsempfanger naeh Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet » daß die dritten Schaltungseinrichtungen eine zweite., zwischen der ersten Diode (32) und der dritten Impedanz (31) sowie zwischen der ersten Impedanz (29) und der Tunneldiode (25) eingeschaltete Diode (44) so* wie eine dritte* zwischen der ersten Impedanz (29) und der Tunneldiode (25) eingeschaltete und mit den Potentialquellenteilen (28» 29) verbundene Diode (43) umfassen, wobei die erste und zweite Diode (32, 34) so gepolt sind, daß die Rückführung der Tunneldiode (25) in den ersten Zustand nach dem leitenden Zustand des zweiten Transistors (35) hervorgerufen. wird *

209839/0881