Un oscilador eléctrico no lineal para generar pulsos que comprende:

al menos un dispositivo activo (101, 151, Q1); una red de polarización (120, 170, 470) para polarizar y alimentar a dicho dispositivo activo (101, 151, Q1); una red de realimentación (110, 160, 460) conectada a al menos un puerto (451b, 451e) de dicho dispositivo activo (101, 151, Q1); una línea de transmisión no lineal (102, 152, 452). La línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) tiene un primer extremo conectado a un puerto (451c) de dicho dispositivo activo (101, 151, Q1) diferente del al menos un puerto (451b, 451e) al que se conecta la red de realimentación (110, 160, 460), siendo el extremo opuesto de dicha línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) la salida del oscilador, estando el oscilador configurado para propagar a lo largo de dicha línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) una forma de onda pulsada.

Oscilador de forma de onda pulsada.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo de los osciladores y, más concretamente, al de los osciladores eléctricos que generan un tren periódico de pulsos de duración corta.

Antecedentes de la invención

En muchas aplicaciones de electrónica se necesitan osciladores que proporcionen a su salida un tren de pulsos de alta velocidad (habitualmente varios gigahercios, GHz). Para conseguirlo, en ocasiones se usan sistemas lineales que utilizan una línea de transmisión lineal sobre la que se propagan las ondas periódicas a la frecuencia de interés. En estos sistemas, se usan amplificadores lineales para compensar las pérdidas producidas en la línea de transmisión lineal, de forma que se mantenga la intensidad de la señal sinusoidal a la salida del sistema y se consiga la deseada oscilación. Estos osciladores lineales se aplican en el área de la electrónica de alta velocidad.

Investigaciones más recientes en el campo de los sistemas no lineales han mostrado que éstos son una alternativa real a los sistemas lineales y han abierto la puerta a posibles aplicaciones que usen formas de onda no sinusoidales en medios no lineales. Así, las líneas de transmisión no lineales (del inglés nonlinear transmission lines, NLTL) pueden usarse para generar un tren de pulsos de corta duración (short-duration pulses) y aplicarse a varios campos, como el de la reflectometría en el dominio temporal, el muestreo a alta velocidad o aplicaciones radar de banda ultra ancha (ultrawideband).

Una línea de transmisión no lineal (NLTL) está compuesta por un cierto número de celdas varactor-bobina (del inglés, inductance-varactor cell). La generación de la forma de onda pulsada se debe a los efectos combinados de la capacitancia no lineal C(v) y de la dispersión de la línea periódica LC. Esto daría lugar a una o más ondas localizadas robustas con perfil permanente, también llamadas solitones (del inglés, solitons). Un pulso de entrada con anchura de pulso medida en un valor de amplitud igual a la mitad de la amplitud máxima (del inglés, full width at half maximum) T_FWHM se descompone en N = 2f_BT_FWHM pulsos individuales o solitones, donde f_B es la frecuencia de Bragg de la NLTL y f_B = 1/(πsqrt(LC_eff)), donde C_eff es la capacitancia del varactor efectiva y L es la inductancia de la celda. Cada uno de los N pulsos o solitones viaja a su propia velocidad y su propagación en este medio cumple unas reglas generales. Para amplitudes de pulso altas, la velocidad de propagación aumenta, mientras que T_FWHM disminuye. Los solitones pasan uno a través de otro sin perder sus características, aunque durante el tiempo de solapamiento sus amplitudes conjuntas decrecen (crecen) cuando viajan en la misma (contraria) dirección. Para la generación de una forma de onda pulsada de ciclo de trabajo corto o pequeño (del inglés, short-duty cycle), el objetivo es obtener un único pulso estrecho, lo que requiere una cuidadosa selección del número de celdas. Despreciando la disipación, la forma de onda de entrada original se recompone después de un cierto número de celdas, en lo que se conoce como fenómeno de recurrencia. El período de recurrencia es menor para una frecuencia de entrada más alta y amplitud más alta. Para evitar la necesidad de una señal de entrada periódica, se han propuesto algunas técnicas de diseño para osciladores de solitones.

En esta línea, David S. Ricketts et al. describen en On the Self-Generatrion of Electrical Soliton Pulses, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 42, Nº 8, August 2007, un oscilador de solitones (o generador de solitones) eléctrico que genera un tren periódico y estable de pulsos de solitones eléctricos. En concreto, en esta publicación se usa una línea de transmisión no lineal (NLTL) de 30 celdas como red de realimentación paralela de un amplificador que incorpora un mecanismo de atenuación de ganancia dependiente del umbral. El objetivo es atenuar los solitones de amplitud más pequeña, a la vez que se amplifica aquellos con amplitud superior a un determinado umbral, y así eliminar el riesgo de inestabilidades producidas por la coexistencia de múltiples modos de oscilación.

Sin embargo, este oscilador presenta una serie de limitaciones: Por una parte, para su funcionamiento, necesita un amplificador muy específico, que además es dependiente de la polarización. Por otra parte, resulta imprescindible realimentar el amplificador usando la línea de transmisión no lineal. Todo ello hace que la implementación real del oscilador sea muy complicada. Debido a que a frecuencias de microondas o en bandas milimétricas, las técnicas de diseño más extendidas son las del dominio de la frecuencia, la aplicación del amplificador propuesto por Ricketts dificulta el trabajo de los ingenieros de diseño, ya que su descripción y funcionamiento deben verificarse en el dominio del tiempo. Por otra parte, los osciladores diseñados según ese método, no pueden utilizarse de manera directa. Requieren de circuitería adicional para la extracción de la señal y su posterior utilización. Además, al trabajar con una topología realimentada, en la cual pulsos a otras frecuencias también podrían generarse, no se puede asegurar que la única solución posible sea la que se ha planteado como objetivo de diseño. Esto involucra que se hacen precisos análisis complementarios sobre la estabilidad y la robustez del diseño con respecto a variaciones en los distintos parámetros del circuito.

La topología de oscilador en reflexión (del inglés, reflection oscillator topology) ha sido estudiada por O.O. Yildirim et al. en Reflection Soliton Oscillator, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 57, nº 10, pages 2344-2353, Oct 2009, donde la línea de transmisión no lineal constituye la carga de un amplificador en reflexión con un esquema de alimentación adaptativo, similar al de Ricketts et al. en On the Self-Generatrion of Electrical Soliton Pulses.

La solicitud de patente internacional WO 2007/030485 A2, de la que David S. Ricketts es inventor, también se refiere a un oscilador pulsado no lineal implementado mediante un circuito cerrado (realimentado) formado por una línea de transmisión no lineal y un amplificador no lineal distribuido. Este oscilador presenta los mismos inconvenientes que el anterior.

Resumen de la invención

La presente invención trata de resolver los inconvenientes mencionados anteriormente mediante un oscilador eléctrico pulsado no lineal.

Concretamente, en un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un oscilador eléctrico no lineal para generar pulsos que comprende: al menos un dispositivo activo; una red de polarización para polarizar y alimentar a dicho dispositivo activo; una red de realimentación conectada a al menos un puerto de dicho dispositivo activo; y una línea de transmisión no lineal. La línea de transmisión no lineal tiene un primer extremo conectado a un puerto de dicho dispositivo activo diferente del al menos un puerto al que se conecta la red de realimentación, siendo el extremo opuesto de dicha línea de transmisión no lineal la salida del oscilador, estando el oscilador configurado para propagar a lo largo de dicha línea de transmisión no lineal una forma de onda pulsada.

Preferentemente, el al menos un dispositivo activo se implementa mediante uno o más transistores.

La red de realimentación está configurada para asegurar el arranque de la oscilación en condiciones de pequeña señal y la oscilación estable en régimen permanente.

Preferentemente, la línea de transmisión no lineal comprende una pluralidad de celdas varactor-bobina.

En el caso anterior, cada pulso de salida tiene una duración mínima (T_FWHM) dada por T_FWHM = 1/(2f_B), donde f_B es la frecuencia de Bragg de la línea de transmisión no lineal y f_B = 1/(πsqrt(LC_eff)), donde C_eff es la capacitancia efectiva del varactor de cada celda de la NLTL y L es la inductancia de dicha celda.

El número de celdas varactor bobina de dicha línea de transmisión no lineal se elige teniendo en cuenta el retardo equivalente que produce cada una de ellas y de la relación del retardo total con la frecuencia a la que se desea que el oscilador genere...

1. Un oscilador eléctrico no lineal para generar pulsos que comprende:

- al menos un dispositivo activo (101, 151, Q₁);

- una red de polarización (120, 170, 470) para polarizar y alimentar a dicho dispositivo activo (101, 151, Q₁);

- una red de realimentación (110, 160, 460) conectada a al menos un puerto (451b, 45le) de dicho dispositivo activo (101, 151, Q₁);

- una línea de transmisión no lineal (102, 152, 452);

caracterizado por que dicha línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) tiene un primer extremo conectado a un puerto (451c) de dicho dispositivo activo (101, 151, Q₁) diferente del al menos un puerto (451b, 45le) al que se conecta la red de realimentación (110, 160, 460), siendo el extremo opuesto de dicha línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) la salida del oscilador, estando el oscilador configurado para propagar a lo largo de dicha línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) una forma de onda pulsada.

2. El oscilador de la reivindicación 1, donde dicho al menos un dispositivo activo (101, 151, Q₁) se implementa mediante uno o más transistores.

3. El oscilador de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) comprende una pluralidad de celdas varactor-bobina.

4. El oscilador de la reivindicación 3, donde cada pulso de salida tiene una duración mínima (T_FWHM) dada por T_FWHM = 1/(2f_B), donde f_B es la frecuencia de Bragg de la línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) y f_B = 1/(π\sqrt(LC_eff)), donde C_eff es la capacitancia del varactor efectiva de cada celda varactor-bobina y L es la inductancia de dicha celda.

5. El oscilador de las reivindicaciones 3 ó 4, donde el número de celdas varactor bobina de dicha línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) se elige teniendo en cuenta el retardo equivalente que produce cada una de ellas y de la relación del retardo total con la frecuencia a la que se desea que el oscilador genere los pulsos.

6. El oscilador de cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, donde el número de celdas varactor bobina de dicha línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) es el número de celdas que producen un retardo total aproximado al período de oscilación deseado T₀, donde T₀=1/f₀, siendo f₀ la frecuencia de oscilación.

7. El oscilador de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el valor de los componentes que forman la red de realimentación (110, 160, 460) se eligen de forma que la parte real de la admitancia presentada por el al menos un dispositivo activo (101, 151, Q₁) conectado a la línea de transmisión no lineal (102, 152, 452) sea menor que cero.

8. El oscilador de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, configurado para proporcionar una señal pulsada a una frecuencia de microondas.

9. El oscilador de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, configurado para proporcionar una señal pulsada a una frecuencia que se encuentra en la banda comprendida entre los 300 MHz y los 30 GHz.