Optimization of solid-state sub-nanosecond pulse generator for repetitive ultra-wideband electromagnetic radiation

Ultra-wideband (UWB) electromagnetic environment is widely used in electromagnetic compatibility, biological electromagnetics, radar detection, wireless communication and other fields, due to the advantages of wide bandwidth, short rise time, and pulse duration. In the study of intentional electromagnetic interference (EMI), the UWB electromagnetic environment is efficient to couple with electronic communication equipment, which may cause EMI effects, especially for high pulse repetition rate. To meet the requirements of experimental research, new techniques are proposed to optimize the solid-state sub-nanosecond pulse generator, and the UWB electromagnetic radiators are developed for the experimental study on EMI effects with the wireless communication system. Firstly, to improve the performance of the transistor-based sub-nanosecond pulse generator, the traveling-wave Marx circuit with inter-stage transmission lines is studied. Circuit simulation results indicate that the delay time and the impedance of inter-stage transmission lines are the main influencing factors of the pulse waveform. In the frequency domain, the printed circuit board (PCB) structure of Marx circuit can be simplified as a low-pass microstrip filter of the similar geometry with stepped impedance. Through simulations with PCB circuit model, the low-pass filtering effect of this type of Marx circuit is analyzed, which can be used to optimize PCB structure with suitable circuit configuration for better output parameters of the pulse generator. Based on the traveling-wave Marx circuit model, the series connection of modularized Marx circuits is proposed, which has the advantages of adjustable amplitude and bendable circuit layout. In the high-repetition-rate pulse generator design, to realize the impedance matching in the traveling-wave Marx circuit, an heat dissipation design is proposed through optimizing the layout of the metallic sinks and introduction of non-metallic heat-conducting sinks above the microstrip lines. A prototype of a pulse generator is developed with the maximum repetition rate of 300 kHz in stable mode and 600 kHz in burst mode, the amplitude of 1.1 kV and the rise time of 160 ps. Secondly, a portable UWB electromagnetic radiator is developed based on a transistor-based sub-nanosecond pulse generator with the peak power of 1.4 MW, the rise time less than 150 ps, and the repetition rate of 50 kHz. In order to generate high-amplitude pulses, a 100-stage Marx circuit with isolation ferrite beads is proposed for both higher pulse amplitude and faster charging rate. The parallel connection of transistors could increase the peak current for pulse forming and the power capacity for repetitive pulse generation. An effective sharing-current design of paralleled “transistor-capacitor unit” is proposed with uniform current distribution among the paralleled transistors. In order to directionally radiate UWB electromagnetic pulse, a compact combined antenna array is fabricated and connected with the pulse generator via a coaxial feeding module. The effective potential of the UWB electromagnetic radiator reaches 10.5 kV with the band range (-10 dB) from 173 MHz to 2.32 GHz, and its maximum pulse repetition rate is up to 50 kHz also. Finally, based on the developed UWB electromagnetic radiator, the experimental study on the EMI effects of the wireless communication system is carried out in the repetitive UWB electromagnetic environment. In the experimental setup, a wireless communication system operating at 915 MHz is introduced in the UWB electromagnetic radiation environment. In the experimental procedure, the EMI experiments are carried out under the conditions of fixed radiation time and fixed pulse number, respectively. Finally, the experimental results suggest that the energy accumulation effect can be determined by increasing pulse repetition rate, which can increase the probability of EMI effect, e.g. data missing and communication interruption.

I campi elettromagnetici a banda ultra larga (in inglese ultra-wideband, UWB) sono largamente utilizzati in diversi campi applicativi dalla compatibilità elettromagnetica, al bio-elettromagnetismo, al rilevamento tramite radar, alla comunicazione wireless ed altri, per via dei vantaggi apportati dall’ampia banda passante, dal veloce tempo di salita e dalla breve durata dell’impulso. Nell’ambito degli studi relativi alle interferenze elettromagnetiche (EMI) intenzionali, i campi elettromagnetici UWB possono essere efficacemente applicati a dispositivi elettronici di comunicazione, per causare degli effetti dovuti alle EMI specialmente quando la frequenza di ripetizione degli impulso è elevata. In questa ricerca, sono presentate nuove tecniche per l’ottimizzazione del funzionamento di un generatore di impulsi allo stato solido, solid-state sub-nanosecond pulse generator (SNPG). In particolare, al fine di investigare gli effetti delle EMI in sistemi di comunicazione wireless, l’attività qui documentata riguarda anche lo studio e realizzazione di radiatori elettromagnetici a UWB. La prima parte dell’analisi è dedicata allo studio del travelling-wave Marx circuit con linee di trasmissione intermedie, al fine di migliorare le prestazioni dello SNPG con transistor. Dai risultati delle simulazioni si evince che i principali fattori che influenzano la forma d’onda dell’impulso sono il tempo di ritardo e l’impedenza delle linee di trasmissioni intermedie. Nel dominio della frequenza, la struttura del circuito stampato (printed circuit board, PCB) del sistema Marx può essere semplificata seguendo una geometria simile a quella di un filtro microstrip passa-basso con impedenza a gradini. Il comportamento del circuito Marx di tipo filtro passa-basso è stato approfondito mediante esperimenti in laboratorio e simulazioni elettromagnetiche full-wave, al fine di ottimizzare la struttura del PCB mediante la selezione delle configurazioni topologiche adatte a fornire i migliori parametri in uscita dal generatore di impulsi. Partendo dal modello del travelling-wave Marx circuit, è stata analizzata la connessione in serie di più moduli del circuito Marx, configurazione che consente di modificare a piacere l’ampiezza dell’impulso e la struttura circuitale. Nella progettazione di un generatore d’impulsi ad alta frequenza di ripetizione, al fine di garantire l’adattamento di impedenza del Marx circuit, la dissipazione del calore è garantita tramite un’ottimizzazione della struttura del dissipatore metallico e l’introduzione di un dissipatore non metallico posto al di sopra delle linee microstrip. Il prototipo di generatore d’impulso garantisce una tensione pari a 1.1 kV, tempo di salita di 160 ps e massima frequenza di ripetizione di 300 kHz durante la modalità stabile, e di 600 kHz durante la modalità burst. Nella seconda parte del lavoro viene studiato un radiatore elettromagnetico portatile a UWB costituito da un SNPG con transistor, caratterizzato da una potenza massima pari a 1.4 MW, un tempo di salita inferiore a 150 ps ed una frequenza di ripetizione di 50 kHz. Al fine di generare degli impulsi di grande intensità, è utilizzato un circuito Marx a 100 stadi con degli anelli di ferrite isolati per poter ottenere sia impulsi con ampiezza maggiore sia tempi di ricarica più rapidi. La connessione in parallelo dei transistor permette di aumentare sia la corrente di picco per la generazione di impulsi sia la capacità di potenza per la generazione di impulsi ripetitivi. In seguito, è proposto un modello che mette in parallelo dei moduli composti da un transistor e una capacità, in quanto questa soluzione è in grado di distribuire equamente la corrente lungo i vari rami. Al fine di irradiare impulsi elettromagnetici UWB in modo direzionale, un sistema compatto di antenne è stato fabbricato e connesso con un generatore di impulsi attraverso un modulo di alimentazione coassiale. Questo ha consentito la generazione di impulsi elettromagnetici UWB di ampiezza fino a 10.5 kV con un intervallo di banda (-10 dB) tra i 173 MHz fino ai 2.32 GHz, e massima frequenza di ripetizione 50 kHz. Infine, sono state effettuate delle prove sperimentali sugli effetti delle EMI dei sistemi di comunicazione wireless che fanno uso di radiatori elettromagnetici UWB, all’interno di ambienti con campi elettromagnetici ripetitivi a UWB. Il setup dei dispositivi prevede un sistema di comunicazione wireless che lavora a 915 MHz e che è immerso in radiazioni elettromagnetiche UWB. Le prove sperimentali sulle interferenze elettromagnetiche sono state condotte con tempo di irraggiamento e numero di impulsi fissati. I risultati degli esperimenti condotti stabiliscono che l’effetto dell’accumulo di energia può essere causato dall’aumento della frequenza di ripetitività degli impulsi, che può indurre, a sua volta, un aumento degli effetti delle EMI, come la mancata trasmissione di dati o l’interruzione della comunicazione.