ГЕНЕРАТОР ШУМОПОДОБНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО СВЧ-СИГНАЛА НА ВИРТУАЛЬНОМ КАТОДЕ Российский патент 2006 года по МПК H01J25/68 

Изобретение относится к нерелятивистской электронике сверхвысоких частот, а именно к устройствам для генерирования широкополосных шумоподобных СВЧ-колебаний среднего уровня мощности, и может быть использовано в различных системах радиолокации, радиопротиводействия, системах связи на основе хаотических сигналов, установках промышленного применения, а также в устройствах медицинского назначения.

В сверхвысокочастотной электронике существует ряд устройств, используемых для генерации хаотических шумоподобных колебаний, так называемые генераторы хаоса (Афанасьев В.В., Трубецков Д.И. Динамический хаос в электронных сверхвысокочастотных приборах. Ч.I. Вакуумные нерелятивистские приборы. Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. - вып.3 (1614). - 1991 - 40 с. - ч.II. Приборы релятивисткой электроники. - вып.4(1615) - 1991 - 32 с.). Это, в первую очередь, ЛБВ-генераторы с запаздывающей обратной связью - шумотроны (Кислов В.Я., Мясин Е.А., Залогин Е.Н. Исследование стохастических автоколебательных режимов в автогенераторах с запаздыванием // Радиотехника и электроника. - 1979. - т.24. - N 6. - с.1118) и твердотельные СВЧ-генераторы шума (Кальянов Э.В. Синхронные и стохастические автоколебания в транзисторном генераторе СВЧ с запаздывающей обратной связью при параметрическом воздействии внешней силы // Радиотехника и электроника. - 1987. - т.32. - № 4. - с.784).

Однако все эти источники хаотического СВЧ-сигнала характеризуются весьма узкой полосой частот шумоподобных колебаний, которая не превышает 20%. Это является серьезным недостатком подобных устройств, т.к. в приложениях возникает необходимость создания источников шумоподобных колебаний с шириной полосы частот одна-две октавы.

Одним из решений данной проблемы является создание наборов генераторов узкополосного шумоподобного сигнала, которые настраиваются на различные частотные диапазоны таким образом, чтобы получить необходимую частотную ширину полосы шумоподобного сигнала.

Однако такой подход приводит к усложнению конструкции и уменьшению надежности устройств. Кроме того, такие схемы невозможно использовать в режимах, когда необходимо управлять спектральным составом излучения.

Таким образом, в настоящее время актуальным является разработка устройств широкополосных шумоподобных колебаний с характерной полосой частот одна-две октавы и с возможностью управления спектральным составом излучения.

Наиболее близким к заявляемому является генератор СВЧ на виртуальном катоде - виркатор. Приборы виркаторного типа содержат следующие основные конструктивные элементы: мощный источник электронов, выполненный в виде металлического диска (конструкция прибора позволяет использовать различную геометрию катода), анод, выполненный в виде либо сетки, либо фольги, прозрачной для электронного потока, электродинамическую систему, выполненную в виде волновода, а также вывод энергии, выполненный в виде рупора. Коллектором в данном случае служат стенки волновода, на которые оседает отработанный электронный пучок. Данные приборы относятся к мощной релятивистской СВЧ-электронике, способ генерации которых заключается в том, что в сильноточном вакуумном диоде прибора формируют импульсный релятивистский электронный пучок и инжектируют его с током выше предельного вакуумного в эквипотенциальную полость волновода. В полости образуется нестационарный виртуальный катод, колебания которого являются источником мощного СВЧ-излучения. Такие приборы характеризуются широким сложным спектральным составом излучения, что позволяет рассматривать их как возможные прототипы источников шумоподобного излучения (Патент США № 4345220, МПК: Н 03 В 9/01, Alyokhin B.V., Dubinov A.E., Selemir V.D. et al. Theoretical and experimental studies of virtual cathode microwave devices //IEEE Trans. Plasma Sc., 1994, v.22, N 5, p.945).

Однако для работы виркатора принципиально необходимо использование сильноточных релятивистских электронных пучков, так как стартовые токи подобных приборов весьма велики. Величина стартового тока определяется предельным вакуумным током. Кроме того, данный прибор характеризуется узкой полосой генераций и отсутствием возможности управления шириной полосы выходного излучения.

Задачей изобретения является создание источника управляемых широкополосных (с шириной полосы частот более октавы) шумоподобных колебаний малого уровня мощности сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн на основе нерелятивистского электронного пучка в режимах с формированием виртуального катода.

Поставленная задача решается тем, что в генераторе шумоподобного широкополосного СВЧ-сигнала на виртуальном катоде, содержащем источник электронов, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, согласно предлагаемому решению дополнительно содержится, по крайней мере, одна сетка, расположенная между источником электронов и коллектором (перпендикулярно направлению движения пучка электронов) с возможностью формирования виртуального катода в электродинамической системе между сеткой и коллектором, при этом источник электронов выполнен в виде электронной пушки, а коллектор - в виде электрода, расположенного на выходе генератора.

Генератор дополнительно содержит вторую сетку, расположенную между первой сеткой и коллектором, с возможностью формирования виртуального катода между сетками.

При этом электродинамическая система может быть выполнена в виде отрезка спиральной замедляющей системы или в виде отрезка коаксиальной линии, или в виде полосковой линии.

Электронная пушка выполнена с термокатодом, модулирующей сеткой и анодами. Вывод энергии выполнен в виде коаксиальной линии передач.

Технический результат, достигаемый в предложенном нерелятивистском генераторе СВЧ с виртуальным катодом, состоит в том, что существует возможность существенно снизить стартовый ток электронного пучка, при котором формируется виртуальный катод по сравнению с прототипом (виркатором с сильноточным релятивистском пучком) с одновременной возможностью управления шириной полосы генерируемых хаотических колебаний. В реализованном приборе конструкция такова, что нестационарный виртуальный катод формируется в нерелятивистском пучке при дополнительном торможении и существует возможность расширения полосы генерируемых частот до одной - двух октав.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен заявляемый генератор СВЧ, на фиг.2 - экспериментальная зависимость интегральной мощности Р выходного сигнала, снимаемого с отрезка электродинамической системы (ОЭС), от нормированной разности потенциалов между сетками. На фиг.3 - экспериментальная зависимость характерной частоты генерации и ширины полосы широкополосных шумоподобных колебаний в пучке с виртуальным катодом в зависимости от нормированной разности потенциалов между сетками сетки. Позициями на чертежах обозначены: 1 - нерелятивистский электронный пучок, 2 - термокатод, 3 - фокусирующий электрод, 4 - модулирующая сетка, 5 - ускоряющий анод, 6 - первая сетка, 7 - вторая (тормозящая) сетка, 8 - отрезок электродинамической системы (ОЭС), выполненный в виде спирали, 9 - поглощающая вставка, 10 - вывод энергии, 11 - коллектор, 12 - формирующийся в электронном пучке виртуальный катод.

Предложенный вакуумный нерелятивистский СВЧ-генератор широкополосных шумоподобных колебаний содержит следующие основные конструктивные элементы (фиг.1). В качестве источника аксиально-симметричного электронного пучка 1 используется электронная пушка, которая включает в себя термокатод 2, фокусирующий электрод 3, модулирующую сетку 4 и анод 5, на который подается ускоряющий потенциал V₀. После электронной пушки электронный пучок с начальным разбросом электронов по скоростям попадает в сеточный зазор, состоящий из первой (входной) сетки 6 и второй (выходной) сетки 7. Сеточный зазор помещается в широкополосный отрезок электродинамической системы 8 (ОЭС), применяемый для вывода генерируемой высокочастотной мощности. ОЭС нагружен на поглощающую вставку 9 и вывод энергии 10. Далее отработанный электронный пучок осаждался на коллекторе 11.

Устройство работает следующим образом.

В сеточный зазор инжектируется интенсивный электронный пучок, формируемый электронной пушкой с модулирующей сеткой 4 (см. фиг.1), на которую подается потенциал больше естественного. Модулирующая сетка увеличивает разброс электронов по продольным и поперечным скоростям, что способствует созданию наиболее эффективного виртуального катода и повышает выходную мощность, расширяя полосу генерируемых частот. Потенциал первой сетки 6 сеточного зазора равен потенциалу анода V₀, на вторую сетку 7 подается тормозящий потенциал V_торм, который может изменяться от значения V_торм/V₀=1 (отсутствие торможения электронов) до V_торм/V₀=0 (полное торможение электронного потока). При увеличении тормозящего потенциала второй сетки при некотором критическом значении потенциала в электронном пучке имеет место возникновение виртуального катода 12 (см. фиг.1), колебания которого во времени и пространстве модулируют электронный пучок по скорости и плотности, причем часть электронов отражается от виртуального катода обратно к первой сетке. В результате в системе возникали хаотические колебания, ширина полосы и мощность которых зависит от потенциала второй сетки. Для вывода широкополосного хаотического сигнала используется ОЭС 8, который позволяет снять СВЧ-мощность в полосе частот более двух октав.

Как показали экспериментальные исследования и численное моделирование подобной схемы, изменяя тормозящий потенциал, существует возможность управлять как амплитудой хаотических СВЧ-колебаний, так и шириной полосы частот (от узкополосных, близких к одночастотным колебаниям, так и до широкополосных шумоподобных колебаний с шириной полосы более октавы).

Представленные на фиг.2 и 3 экспериментальные зависимости подтверждают возможность и эффективность генерации широкополосных хаотических сигналов с помощью предлагаемого генератора. На фиг.2 показана зависимость интегральной мощности колебаний от нормированной разности потенциалов между сетками, из которой видно, что существует оптимальное значение тормозящего потенциала, при котором интегральная мощность колебаний в пучке с виртуальным катодом максимальна. На фиг.3 представлены зависимости нормированной ширины полосы генерации системы, измеренные по спектрам мощности колебаний, снимаемых ОЭС. Также на фиг.3 приведена зависимость характерной (наиболее интенсивной в спектре мощности) частоты генерации в системе от величины тормозящей разности потенциалов между сетками. Видно, что нормированная ширина полосы генерации в предлагаемом генераторе увеличивается с ростом тормозящей разности потенциалов. Таким образом, можно говорить о двух характерных режимах работы предлагаемого генератора широкополосных шумоподобных колебаний на виртуальном катоде: режиме узкополосных близких к регулярным колебаний, который реализуется при малых превышениях первеанса пучка критического значения (малом торможении пучка в сеточном промежутке) и режиме развитой хаотической генерации с широкополосным спектром (последний реализуется при больших первеансах электронного потока, т.е. при значительном торможении потока).

Таким образом, с помощью предложенного генератора существует возможность существенно снизить стартовый ток электронного пучка, при котором формируется виртуальный катод, с одновременной возможностью получения широкополосного шумодобного СВЧ-излучения с шириной полосы более октавы, чем достигается решение поставленной задачи.

Изобретение относится к электронике сверхвысоких частот, а именно к устройствам для генерирования широкополосных шумоподобных СВЧ-колебаний среднего уровня мощности и может быть использовано в различных системах радиолокации, радиопротиводействия, системах связи на основе хаотических сигналов, установках промышленного применения, а также в устройствах медицинского назначения. Техническим результатом является создание источника управляемых широкополосных шумоподобных колебаний малого уровня мощности сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн на основе нерелятивистского электронного пучка в режимах с формированием виртуального катода. Генератор содержит источник электронов, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, а также, по крайней мере, одну сетку, расположенную между источником электронов и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью формирования виртуального катода в электродинамической системе между сеткой и коллектором. Источник электронов выполнен в виде электронной пушки, а коллектор - в виде электрода, расположенного на выходе генератора. Генератор дополнительно содержит вторую сетку, расположенную между первой сеткой и коллектором, с возможностью формирования виртуального катода между сетками. При этом электродинамическая система может быть выполнена в виде отрезка спиральной замедляющей системы. Электронная пушка выполнена с термокатодом, модулирующей сеткой и анодами. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор шумоподобного широкополосного СВЧ-сигнала на виртуальном катоде, содержащий источник электронов, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, отличающийся тем, что он содержит, по крайней мере, одну сетку, расположенную между источником электронов и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью формирования виртуального катода в электродинамической системе между сеткой и коллектором, при этом электродинамическая система выполнена в виде отрезка спиральной замедляющей системы, вывод энергии выполнен в виде волноводной линии передачи, источник электронов выполнен в виде электронной пушки, а коллектор - в виде электрода, расположенного на выходе генератора.2. Генератор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вторую сетку, расположенную между первой сеткой и коллектором, с возможностью формирования виртуального катода между сетками.2. Генератор СВЧ по п.1, отличающийся тем, что электронная пушка выполнена с термокатодом, модулирующей сеткой и анодами.