Модуль формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот Российский патент 2023 года по МПК G01S7/38 H04K3/00 

Изобретение относится к области СВЧ техники и может быть использовано в составе систем связи, использующих квазихаотические сигналы, в том числе импульсные, для создания помех средствам радиосвязи и радиолокации, а также может быть использовано для натурного моделирования помеховой обстановки при проведении радиофизических исследований.

Известен «Комплекс полунатурного моделирования помеховой обстановки», RU 190950, заявка 2019100153 от 09.01.2019. Целью полезной модели является создание комплекса полунатурного моделирования помеховой обстановки, обеспечивающего проведение исследований по анализу воздействия различного вида помех на радиолокационные станции и разработку алгоритмов помехозащиты. В отличие от известных средств формирования помеховой обстановки с фиксированными параметрами поляризации электромагнитного поля (линейная или круговая) комплекса полунатурного моделирования помеховой обстановки позволяет также формировать поляризационный шум, поляризационную имитационную и импульсные помехи в классическом и расширенном базисе сигналов (с управляемым вектором поляризации).

Распространены клистронные автогенераторы хаоса (С.В. Гришин, Б.С. Дмитриев, В.Н. Скороходов. Генерация импульсов гигантской амплитуды в клистронном автогенераторе хаоса // Письма в ЖТФ, 2019, том 45, вып. 19. 12 октября. DOI: 10.21883/PJTF.2019.19.48315.17928). Автогенератор собран по схеме шумотрона, которая содержит два последовательно соединенных в кольцо пятирезонаторных пролетных клистрона, один из которых работает в режиме линейного усиления сигнала (линейный клистрон), а другой – в режиме нелинейного усиления сигнала (нелинейный клистрон). Очевидным недостатком генератора хаоса является узкая полоса частот (в приведенной статье от 2700 МГц до 2900 МГц).

Известен генератор шума на лавинно-пролетном диоде миллиметрового диапазона длин волн (Е.А. Мясин. Генерация шума в одночастотном генераторе на лавинно-пролетном диоде миллиметрового диапазона длин волн под воздействием низкочастотного гармонического колебания // Письма в ЖТФ, 2021, том 47, вып. 22. 26 ноября). Возбуждение шумовых колебаний и максимальное расширение спектра высокочастотного шума в генераторе на лавинно-пролетном диоде при увеличении амплитуды низкочастотных колебаний связаны с кратковременным уменьшением тока диода ниже пускового тока генерации.

Известен способ генерации СВЧ шумовых колебаний в генераторах на лавинно-пролетном диоде (RU 2661283, Способ генерации СВЧ шумовых колебаний, опубл. 13.07.2018, бюл. № 20), заключающийся в том, что в цепи электропитания лавинно-пролетного диода устанавливают напряжение выше пробивного, отличающийся тем, что изменяют ширину спектра СВЧ-колебаний, зависящую от добротности электродинамической системы генератора, посредством изменения установленного напряжения воздействием модулирующего шумового низкочастотного напряжения с изменяющейся величиной его уровня и при ширине спектра и граничной частоте не менее 3 МГц. Недостаток способа является узкая полоса частот шума в силу ограниченности режима работы нелинейного элемента – лавинно-пролетного диода. Кроме этого увеличение напряжения выше пробивного снижает надежность генератора шумовых колебаний.

Известен генератор хаотических колебаний, RU 2768369, опубл. 24.03.2022, Бюл. № 9. Схема генератора обеспечивает технический результат, заключающийся в расширении возможностей перестройки характеристик генерируемого хаотического сигнала без изменения параметров энергозапасающих элементов за счет того, что обеспечено видоизменение хаотического аттрактора без изменения номиналов реактивных элементов изменением параметров передаточной характеристики нелинейного преобразователя импеданса. Генератор хаотических колебаний содержит резистор, двухполюсный элемент с емкостным сопротивлением, двухполюсный элемент с отрицательным индуктивным сопротивлением, двухполюсный элемент с индуктивным сопротивлением, нелинейный преобразователь импеданса и линейный преобразователь тока, причем нелинейный преобразователь импеданса содержит первый усилитель напряжения, первый, второй и третий резисторы, первый и второй активные четырехполюсники и первый генератор тока, двухполюсный элемент с отрицательным индуктивным сопротивлением содержит двухполюсный элемент с индуктивным сопротивлением, третий активный четырехполюсник, второй и третий генераторы тока, линейный преобразователь тока содержит транзистор, второй усилитель напряжения, первое и второе токовые зеркала, четвертый, пятый и шестой генераторы тока.

Недостатком генератора хаотических колебаний по патенту RU 2768369 является ограничение диапазона частот по причине ограниченности частотных характеристик элементов в схеме генератора.

Наиболее близким решением является изобретение RU 2740397 «Способ генерации хаотических микроволновых импульсов субнаносекундной длительности», опубл. 14.01.2021, Бюл. № 2. В способе генерации хаотических микроволновых импульсов, заключающемуся в возбуждении с помощью микрополосковых преобразователей поверхностных и обратных объемных магнитостатических спиновых волн в плечах расположенного в постоянном магнитном поле нерегулярного Г-образного волновода, включенного в цепь обратной связи автогенератора, имеющего два последовательно соединенных активных элемента, один из которых выполнен с возможностью работы в режиме линейного усиления СВЧ сигнала, подключенного к выходному плечу волновода, а другой, подключенный к входному плечу волновода, – в режиме насыщения его выходной мощности, формирования уровня мощности СВЧ-сигнала с возможностью образования трехволновых и четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий, согласно изобретению, во входном плече Г-образного ферромагнитного волновода возбуждают обратные объемные магнитостатические спиновые волны с отрицательной аномальной дисперсией, а в выходном плече – поверхностные магнитостатические спиновые волны с положительной нормальной дисперсией за счет направления постоянного магнитного поля перпендикулярно входному микрополосковому преобразователю и параллельно выходному микрополосковому преобразователю, причем четырехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия формируют во входном плече Г-образного волновода, а трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия формируют в его выходном плече.

Недостатком RU 2740397 способа генерации хаотических микроволновых импульсов субнаносекундной длительности и устройства, реализующего его, является неширокая полоса частот спектра – от 2,5 ГГц до 5 ГГц, поскольку волновые процессы ограничены возможностью образования трехволновых и четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий.

Технический результат изобретения заключается в расширении рабочего диапазона частот, в котором формируется квазихаотический сигнал.

Основная техническая задача, решаемая предложенным решением, направлена на расширение рабочего диапазона частот, в котором формируется квазихаотический сигнал вследствие возникновения множества резонансов в конструкции, состоящей из копланарной полосковой линии передачи, в верхней полуплоскости которой расположен объемный кристалл ниобата лития, электромагнитная связь кристалла с копланарной полосковой линией обеспечивается наличием двух зазоров между токонесущей полоской и боковыми экранами.

Поставленная техническая задача решается тем, что модуль формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот, содержащий отрезок копланарной полосковой линии, кристалл ниобата лития, устройство разделения падающих и отраженных волн, устройство сложения падающих волн, генератор сигналов с линейно-частотной модуляцией, генератор синхроимпульсов запуска генератора сигналов с линейно-частотной модуляцией, отличающийся тем, что отрезок копланарной полосковой линии выполнен на диэлектрической подложке, нижняя сторона которой металлизирована, боковые экраны, расположенные на верхней стороне соединены с металлизацией нижней поверхности через металлизированные отверстия, токонесущая полоска отделена от боковых экранов зазорами, на верхней стороне со стороны токонесущей полоски и боковых экранов расположен кристалл из ниобата лития, поперечные размеры которого, обращенные к токонесущей полоске, перекрывает зазоры между токонесущей полоской и боковыми экранами, а продольные размеры кристалла не превышает длину токонесущей полоски копланарной линии, на вход копланарной полосковой линии поступает падающая волна линейно-частотно-модулированных колебаний с первого выхода устройства разделителя падающих и отражённых волн, являющегося входом волны, отраженной от кристалла ниобата лития, отраженная от кристалла ниобата лития волна поступает на второй выход устройства разделения падающих и отраженных волн, соединенным с первым входом устройства сложения падающих волн, выход копланарной полосковой линии соединен со вторым входом устройства сложения падающих волн, выходом модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот служит выход устройства сложения падающих волн.

Изобретение поясняется рисунками фиг. 1 – фиг. 10:

на фиг. 1 показана конструкция модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот;

на фиг. 2 показана картина электрического поля (эквипотенциальные линии) в копланарной полосковой линии с заземляемым основанием, двумя боковыми экранами и заполнением верхней полуплоскости кристаллом;

на фиг. 3 показан отрезок копланарной полосковой линии с установленным на нем кристаллом ниобата лития;

на фиг. 4 показана частотная зависимость модуля коэффициента передачи и частотная зависимость возвратных потерь отрезка копланарной полосковой линии без кристалла ниобата лития;

на фиг. 5 показана частотная зависимость фазового сдвига и отрезка копланарной полосковой линии без установленного на верхней ее поверхности кристалла ниобата лития;

на фиг. 6 показана частотная зависимость модуля коэффициента передачи отрезка копланарной полосковой линии с установленным на верхней ее поверхности кристаллом ниобата лития плоскостью XZ;

на фиг. 7 показана частотная зависимость модуля коэффициента возвратных потерь отрезка копланарной полосковой линии с установленным на верхней ее поверхности кристаллом ниобата лития плоскостью XZ;

на фиг. 8 показана частотная зависимость фазового сдвига отрезка полосковой линии с установленным на верхней ее поверхности кристаллом ниобата лития плоскостью XZ;

на фиг. 9 показана частотная зависимость фазового сдвига отрезка полосковой линии с установленным на ее верхней поверхности кристаллом ниобата лития плоскостью XZ;

на фиг. 10 демонстрируется частотная зависимость напряжения на выходе модуля формирования квазихаотического сигнала СВЧ при условии постоянства амплитуды напряжения линейно-частотного сигнала, поступающего на вход копланарной полосковой.

Модуль формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот (см. фиг.1) содержит: отрезок копланарной полосковой линии с токонесущей полоской 1 на диэлектрической подложке 7; кристалл ниобата лития 2; устройство разделения падающих и отраженных волн 3; устройство сложения падающих волн 4; генератор сигналов линейно-частотной модуляции 5; генератор синхроимпульсов 6; металлизацию нижней стороны подложки 8; боковые экраны 9,10, отделенные от токонесущей полоски зазорами; металлизированные отверстия 11, соединяющие боковые экраны с металлизацией нижней стороны подложки. Входом модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот служит вход генератора синхроимпульсов, а выходом является выход устройства сложения падающих волн.

На вход модуля формирования поступает сигнал, запускающий работу генератора синхроимпульсов 6. С выхода генератора синхроимпульсов сигнал поступает на вход генератора сигнала 5 с линейно-частотной модуляцией, лежащей в пределах, например, от 10 МГц до 25 ГГц. ЛЧМ сигнал через устройство разделения падающих и отраженных волн 3 поступает на вход токонесущей полоски 1 отрезка копланарной полосковой линии, расположенной на диэлектрической подложке 7. На обратной стороне подложки 7 нанесена металлизация 8. В зазорах между токонесущей полоски 1 и планарными экранами 9, 10, соединенными через металлизированные отверстия 11 с металлизацией нижней стороны подложки, образуется электромагнитное поле (ЭМП), картина которого в виде эквипотенциальных линий показана на фиг. 2. Электромагнитное поле в зазорах копланарной линии при наличии боковых экранов и заземляемого основания разделяется на два связанных потока. Первый – в диэлектрической подложке 7, второй – в кристалле 2 (см. фиг. 1 и фиг. 2). Подложка выполнена из однородного и изотропного диэлектрика, а кристалл ниобата лития, будучи одноосным и характеризующимся тригональной кристаллической системой обладает анизотропией диэлектрических свойств (Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир, 1987). Электромагнитное поле возбуждает в кристалле ниобата лития электромагнитные колебания двумя образовавшимися источниками дипольного типа в синфазном режиме. При распространении СВЧ квази Т-волны вдоль токонесущей полоски копланарной полосковой линии и вдоль оси z кристалла электрическое поле имеет две составляющих , по оси x и по оси соответственно (см. фиг. 3). Это вызывает электрооптический эффект для волн, поляризованных в направлениях x’ и y’, причем оси x’ и y’ и повернуты на угол относительно осей x и (фиг. 3) кристаллической структуры (Зюрюкин Ю.А., Павлова М.В., Древко Д.Р. Волновые уравнения для описания эффекта Поккельса в кристаллах и их анализ на примере кристалла ниобата лития // Известия вузов «ПНД», т. 18, № 5, 2010. С. 125-137). Скорости рассматриваемых волн с составляющими и различны, т.к. относительные статические диэлектрические проницаемости: ε₁₁= 84,6, ε₃₃=29,1 (Е. А. Поспелова, И. С. Азанова. Периодическая доменная структура в монокристаллах ниобата лития. https://elis.psu.ru/node/381044). Образуется “медленная” волна со скоростью и “быстрая” со скоростью . По причине знакопеременного процесса изменения полей и ситуация меняется на противоположную с частотой fs сигнала с линейно-частотной модуляцией, воздействующего на отрезок копланарной полосковой линии и кристалл.

Следовательно, поля в зазорах между токонесущей полоской и боковыми экранами КПЛ изменяют состояние поляризации падающей электромагнитной волны в объеме кристалла. Поскольку кристалл имеет существенно значимые размеры, его нижний слой, лежащий на токонесущей полоске и боковых экранах КПЛ, подвергается взаимодействию и , изменяющемуся от нижней поверхности к верхней поверхности по оси x и от центров зазоров к боковым поверхностям по оси y. При этом в токонесущей полоске происходит трансформация квази Т волны, свойственной полосковым линиям передачи с поперечными размерами намного меньшими длины волны. Эта трансформация вызывается влиянием компонент поля, возникающего внутри кристалла вследствие поляризации и “расщепления” квазиТ-волны полосковой структуры на: во-первых, собственные волны кристалла как объемного диэлектрического резонатора со спектром собственных волн; во-вторых, на связанные с основной квазиТ-волной волн, фазовые скорости которых существенно отличаются. Возникновение комбинированных волн вследствие трансформации квази Т-волны приводит к их интерференции, т.к. фазовые скорости разные. Как показали экспериментальные исследования частотных характеристик отрезка копланарной линии без кристалла и с расположенным на ней кристаллом (см. фиг. 3) на векторном анализаторе цепей Р426 производства АО «НПФ «Микран», указанные выше процессы приводят к амплитудным и фазовым квазихаотическим колебаниям, которые иллюстрируются графиками фиг. 4 – фиг. 10. На фиг.4 и фиг.5 показаны частотные характеристики отрезка копланарной полосковой линии без кристалла: модуля коэффициента передачи , возвратных потерь , фазы коэффициента передачи , фазы коэффициента обратного рассеяния . Из приведенных зависимостей (фиг. 4) видно, что до частоты примерно 20 ГГц характеристики отрезка копланарной линии имеют вид, свойственный линиям передачи с умеренными потерями и почти линейной фазочастотной характеристикой коэффициента передачи (фиг. 5). Установка кристалла ниобата лития приводит к появлению множества резонансов в характеристике полосковой структуры в полосе частот примерно от 4 ГГц до 20 ГГц, что иллюстрируется фиг. 6. При этом, поскольку входной импеданс устройства изменяется при возникновении резонансных колебаний в кристалле и копланарной полосковой линии, частотная зависимость возвратных потерь также характеризуется множеством резонансов (фиг. 7). Возникающие резонансные явления в системе копланарная полосковая линия-кристалл ниобата вследствие интерференции волн с разными фазовыми скоростями приводят к квазихаотическим изменениям фазы коэффициента передачи , что показано на фиг. 8, а также к изменениям – фиг. 9. Анализ частотных зависимостей |S₁₁(f)|, |S₂₁(f)| (фиг. 6, фиг. 7) показывает разное положение максимумов динамического диапазона квазихаотических сигналов на частотной оси. Так наибольший уровень разницы между max(|S₂₁(f)|) и min(|S₂₁(f)|) наблюдается в полосе 10,0–17,5 ГГц, а диапазон изменения между max(|S₁₁(f)|) и min(|S₁₁(f)|) максимален в полосе 4,0 – 10,0 ГГц. Примерно такая же зависимость характерна для квазихаотичного изменения фазы arg(S₂₁(f)) и arg(S₁₁(f)) (фиг. 8 и фиг. 9). Выравнивание спектральной плотности квазихаотического сигнала осуществляется следующим образом. Между генератором линейно-частотного-модулированного сигнала 5 (фиг. 1) и входом копланарной полосковой линии устанавливается устройство разделения падающей и отраженной волн 3. Падающая волна поступает на входной порт устройства 3, отраженная приходит на выходной порт этого устройства и всилу направленных его свойств ответвляется в порт отраженного сигнала. Затем отраженный от входного порта копланарной полосковой линии подается на первый входной порт устройства сложения сигналов 4. Сигнал, прошедший через копланарную полосковую линию с размещенным на ней кристаллом ниобата лития с ее выходного порта подается на второй входной порт устройства сложения 4. На выходе устройста сложения сигналов 4 получается векторная сумма сигнала, отраженного от входного порта, и сигнала с выходного порта копланарной полосковой линии. Обозначим следующим образом напряжения распространяющихся в модуле волн:

– напряжение падающей на вход копланарной линии волны после прохождения сигнала с выхода генератора 5 сигнала с линейно-частотной модуляцией через устройство разделения падающей и отраженной волн 3;

– напряжение отраженной от входа копланаоной линии волны, подаваемой на первый вход устройства сложения волн 4;

– напряжение на выходе отрезка копланарной полоской линии волны, попадающей на второй вход устройства сложения волн 4.

Принимаем, что функция известна. Тогда на выходе устройства сложения 4 получаем суммарное напряжение

. (1)

Предположим, что амплитуда равна 1. При определении суммарного напряжения из выражения (1) берутся за исходные экспериментально полученные частотные зависимости модуля коэффициента передачи (фиг. 6), модуля коэффициента отражения (возвратных потерь) (фиг. 7), фазы коэффициента отражения (фиг. 8), фазы коэффициента отражения (фиг. 9). Переходя к комплексной форме записи и получаем и .

Частотная зависимость показана ра фиг. 10. Из сравнения фиг. 6 и фиг. 10 видим, что сложение энергии волны, отраженной от отрезка копланарной линии с кристаллом ниобата лития и энергии волны, прошедешей через копланарную линию и кристалл, увеличивает средний уровень и выравнивает частотную зависимость .

Таким образом на основе проведенных экспериментальных характеристик показана работоспособность заявляемого модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот.

Изобретение относится к области СВЧ техники и может быть использовано в составе систем связи, использующих квазихаотические сигналы, в том числе импульсные, для создания помех средствам радиосвязи и радиолокации. Технический результат - расширение рабочего диапазона частот, в котором формируется квазихаотический сигнал. Технический результат достигается тем, что модуль формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот содержит отрезок копланарной полосковой линии, кристалл ниобата лития, устройство разделения падающих и отраженных волн, устройство сложения падающих волн, генератор сигналов с линейно-частотной модуляцией колебаний, генератор синхроимпульсов запуска генератора сигналов с линейно-частотной модуляцией. Отрезок копланарной полосковой линии выполнен на диэлектрической подложке, нижняя сторона которой металлизирована, боковые экраны, расположенные на верхней стороне соединены с металлизацией нижней поверхности через металлизированные отверстия. Токонесущая полоска отделена от боковых экранов зазорами, на верхней стороне со стороны токонесущей полоски и боковых экранов расположен кристалл из ниобата лития, поперечные размеры которого, обращенные к токонесущей полоске, перекрывают зазоры между токонесущей полоской и боковыми экранами, а продольные размеры кристалла не превышают длину токонесущей полоски копланарной линии. На вход копланарной полосковой линии поступает падающая волна линейно-частотно-модулированных колебаний с первого выхода устройства разделителя падающих и отражённых волн, являющегося входом волны, отраженной от кристалла ниобата лития. Отраженная от кристалла ниобата лития волна поступает на второй выход устройства разделения падающих и отраженных волн, соединенный с первым входом устройства сложения падающих волн. Выход копланарной полосковой линии соединен со вторым входом устройства сложения падающих волн. Выходом модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот служит выход устройства сложения падающих волн. 10 ил.

Модуль формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот, содержащий отрезок копланарной полосковой линии, кристалл ниобата лития, устройство разделения падающих и отраженных волн, устройство сложения падающих волн, генератор сигналов с линейно-частотной модуляцией колебаний, генератор синхроимпульсов запуска генератора сигналов с линейно-частотной модуляцией, отличающийся тем, что отрезок копланарной полосковой линии выполнен на диэлектрической подложке, нижняя сторона которой металлизирована, боковые экраны, расположенные на верхней стороне, соединены с металлизацией нижней поверхности через металлизированные отверстия, токонесущая полоска отделена от боковых экранов зазорами, на верхней стороне со стороны токонесущей полоски и боковых экранов расположен кристалл из ниобата лития, поперечные размеры которого, обращенные к токонесущей полоске, перекрывают зазоры между токонесущей полоской и боковыми экранами, а продольные размеры кристалла не превышают длину токонесущей полоски копланарной линии, на вход копланарной полосковой линии поступает падающая волна линейно-частотно-модулированных колебаний с первого выхода устройства разделителя падающих и отражённых волн, являющегося входом волны, отраженной от кристалла ниобата лития, отраженная от кристалла ниобата лития волна поступает на второй выход устройства разделения падающих и отраженных волн, соединенный с первым входом устройства сложения падающих волн, выход копланарной полосковой линии соединен со вторым входом устройства сложения падающих волн, выходом модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот служит выход устройства сложения падающих волн.