АВТОГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2023 года по МПК H03B29/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в коммуникационных системах связи для передачи информационных сообщений на основе хаотических сверхвысокочастотных (СВЧ) импульсов.

Известен кольцевой автогенератор (см. патент РФ на полезную модель № 135202 по кл. МПК H03B29/00, опуб. 27.11.2013), содержащий последовательно соединенные в кольцо СВЧ усилитель мощности, линейный резонатор и нелинейную дисперсионную линию задержки с магнонным кристаллом (МК), выполненным на основе ферритовой пленки, на одной стороне которой сформирована периодическая структура в виде чередующихся слоев ферритовой пленки разной толщины вдоль направления распространения в пленке поверхностной магнитостатической волны; автогенератор содержит переменный аттенюатор, размещенный между линейным резонатором и нелинейной дисперсионной линией задержки; резонансная частота объемного резонатора настроена на центральную частоту первой запрещенной зоны периодической ферромагнитной структуры.

Недостатком данного генератора хаотических СВЧ импульсов является отсутствие возможности динамического управления скважностью импульсной последовательности.

Известен также СВЧ-генератор мощных сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов, включающий автогенератор на лампе бегущей волны с задерживающей обратной связью, настроенный в режим широкополосного хаотического сигнала, генератор гармонического сигнала, модулированного прямоугольными импульсами, соединенный с входом лампы бегущей волны и настроенный на частоту первой гармоники автогенератора и амплитуду, достаточную для полного подавления хаотического сигнала автогенератора (см. патент РФ на полезную модель № 162361 по кл. МПК H03K3/04, опуб. 10.06.2016). Устройство позволяет регулировать длительность и скважность импульсного сигнала.

Недостатком является использование внешнего генератора гармонического сигнала, модулированного прямоугольными импульсами, для генерации хаотических радиоимпульсов.

Наиболее близким к заявляемому является автогенератор хаотических импульсов, содержащий расположенные в кольце обратной связи нелинейный ЛБВ усилитель, переменный поляризационный аттенюатор, анализатор спектра и осциллограф реального времени для наблюдения временной реализации и гистограмм распределения вероятностей хаотического сигнала (см. Б.С. Дмитриев, Ю.Д. Жарков, С.А. Садовников, В.Н. Скороходов «Генерация хаотических широкополосных импульсов микроволнового диапазоны на основе ЛБВ автогенератора»/ Изв. Вузов «ПНД», т. 23, № 3, 2015. -0 С. 106 - 114).

Недостатком является отсутствие возможности управления скважностью генерируемых хаотических импульсов.

Технической проблемой настоящего изобретения является разработка автогенератора хаотических импульсов на основе только вакуумных нелинейных элементов.

Техническим результатом является осуществление возможности управления периодом следования (скважностью) генерируемых хаотических темных импульсов огибающей за счёт изменения тока пучка пролетного клистрона.

Для достижения технического результата автогенератор хаотических импульсов, содержащий нелинейный СВЧ-усилитель мощности в виде ЛБВ, выход которой соединён со входом направленного ответвителя, подключенного ко входу переменного аттенюатора, согласно изобретению, дополнительно содержит многорезонаторный пролётный клистрон, выполненный с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности, вход клистрона подключен к выходу переменного аттенюатора, а выход - ко входу нелинейного СВЧ усилителя.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 показана блок-схема заявляемого автогенератора хаотических темных импульсов огибающей;

- на фиг. 2 приведены зависимости мощности на выходе (Р_вых) от мощности на входе (Р_вх) нелинейного ЛБВ-усилителя (a) и нелинейного пятирезонаторного пролетного клистрона (б);

- на фиг. 3 - приведены временные ряды хаотических темных микроволновых импульсов, генерируемых в вакуумном автогенераторе при нескольких значениях тока пучка клистрона-усилителя: 0 (а), +320 мА (б) и -200 мА (в).

Позициями на чертежах обозначены:

1 - ЛБВ-усилитель, выполненный с возможностью работы на одном из N-образных участков амплитудной характеристики;

2 - направленный ответвитель;

3 - переменный аттенюатор;

4 - многорезонаторный пролетный клистрона, выполненный с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности;

5 - зависимость мощности СВЧ сигнала на выходе пролетного клистрона P_вых от мощности СВЧ сигнала на входе пролетного клистрона P_вх, измеренная на центральной частоте пролетного клистрона ƒ₀;

6 - зависимость мощности СВЧ сигнала на выходе ЛБВ-усилителя P_вых от мощности СВЧ сигнала на входе ЛБВ-усилителя P_вх, измеренная на центральной частоте пролетного клистрона ƒ₀.

Устройство содержит последовательно соединенные ЛБВ-усилитель 1, направленный ответвитель 2, переменный аттенюатор 3 и многорезонаторный пролетный клистрон 4, выход которого соединен со входом ЛБВ-усилителя 1.

ЛБВ-усилитель выполнен на основе односекционной спиральной замедляющей системы с переменным шагом для диапазона частот 2-4 ГГц. Клистрон представляет собой пятирезонаторный пролетный клистрон средней мощности типа КУ-134Е с центральной частотой ƒ₀=2797 МГц. Вход ЛБВ-усилителя соединён с выходом пролётного клистрона. Вакуумные нелинейные элементы охвачены цепью запаздывающей обратной связи. Уровень тока пучка и ускоряющего напряжения ЛБВ-усилителя выбираются такими, чтобы он работал в сильно нелинейном режиме, на одном из N-образных участков его амплитудной характеристики, что необходимо для хаотизации СВЧ сигнала.

Уровень тока пучка и ускоряющего напряжения пятирезонаторного пролетного клистрона выбираются такими, чтобы клистрон-усилитель работал в слабо нелинейном режиме, где уровень выходной мощности клистрона-усилителя является максимальным, что необходимо для ограничения роста амплитуды хаотического СВЧ сигнала. Уровень мощности сигнала на входе пролетного клистрона регулируется с помощью переменного аттенюатора. Меньшая часть мощности СВЧ сигнала с выхода ЛБВ-усилителя возвращается обратно в кольцо, а большая часть мощности СВЧ сигнала поступает в нагрузку.

Таким образом, для достижения технического результата необходимо выполнение следующих условий.

1. Уровень мощности СВЧ сигнала на входе ЛБВ-усилителя устанавливается таким, чтобы он работал в сильно нелинейном режиме, на одном из N-образных участков его амплитудной характеристики.

2. Уровень мощности СВЧ сигнала на входе пятирезонаторного пролетного клистрона устанавливается такими, чтобы клистрон-усилитель работал в слабо нелинейном режиме, где уровень выходной мощности клистрона-усилителя является максимальным.

На фиг. 2 приведены амплитудные характеристики ЛБВ-усилителя и пятирезонаторного пролетного клистрона, измеренные на частоте ƒ₀. Амплитудная характеристика ЛБВ-усилителя получена при токе пучка I₀₁=50 мА и ускоряющем напряжении U₀₁=2500 В, а аналогичная характеристика пролетного клистрона - при токе пучка I₀₂=36 мА и ускоряющем напряжении U₀₂=2300 В. Из представленных на фиг.2 результатов следует, что на амплитудной характеристике ЛБВ-усилителя наблюдаются два N-образных участка, возникновение которых связано с работой ЛБВ в нелинейном крестатронном режиме при нормированном уровне входной мощности , где P₀₁=I₀₁U₀₁. Особенностью такого режима является изменение средней скорости электронного потока за счет увеличения амплитуды электромагнитной волны, распространяющейся вдоль замедляющей системы. В этом случае средняя скорость электронного потока то увеличивается, то, наоборот, уменьшается, оставаясь больше фазовой скорости электромагнитной волны. Такое поведение электронного потока является причиной образования минимумов и максимумов на амплитудной характеристике ЛБВ. Кроме того, на фиг.2 штрихпунктирными линиями показаны уровни мощности P_вх на входе ЛБВ-усилителя (P₁) и пролетного клистрона (P₂), при которых в автогенераторе с использованием данных СВЧ-усилителей генерируются темные импульсы огибающей. Видно, что при данных уровнях P_вх ЛБВ-усилитель работает на участке подъема второго N-образного участка амплитудной характеристики (сильно нелинейный режим), а пролетный клистрон - в режиме максимальной выходной мощности (слабо нелинейный режим).

Управление режимами генерации сигнала в данном автогенераторе осуществлялось путем изменения тока пучка пролетного клистрона. Остальные параметры СВЧ-усилителей (напряжение клистрона, а также напряжение и ток пучка ЛБВ) оставались постоянными.

На фиг. 3 представлены режимы генерации уединенных узких провалов (темных импульсов огибающей), формирующихся на хаотическом амплитудном фоне. На вставке к фиг. 3а показан увеличенный фрагмент амплитудного и фазового профилей одного из таких провалов. Видно, что данные профили аналогичны амплитудному и фазовому профилям диссипативного темного солитона огибающей (амплитудный профиль является симметричным, а фаза внутри него претерпевает скачок на величину ~π). Полученные темные импульсы имеют длительность T_d≅10 ns и усредненный на длине реализации период следования T_r≅7.4 μs. При увеличении тока пучка клистрона до I₀₂=45 мА (см. фиг. 3б) к уменьшению усредненного периода темных импульсов огибающей до T_r≅3.1 мкс.

Таким образом, изменяя ток пучка пролетного клистрона можно управлять периодом следования (скважностью) генерируемых хаотических темных импульсов огибающей.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в коммуникационных системах связи для передачи информационных сообщений на основе хаотических сверхвысокочастотных (СВЧ) импульсов. Техническим результатом изобретения является осуществление возможности управления периодом следования или скважностью генерируемых хаотических темных импульсов огибающей за счёт изменения тока пучка пролетного клистрона. Автогенератор хаотических импульсов дополнительно содержит многорезонаторный пролётный клистрон. Вход клистрона подключен к выходу переменного аттенюатора, а выход - ко входу нелинейного СВЧ усилителя. Многорезонаторный пролётный клистрон выполнен с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности. 3 ил.

Автогенератор хаотических импульсов, содержащий нелинейный СВЧ-усилитель мощности в виде ЛБВ, выход которой соединён со входом направленного ответвителя, подключенного ко входу переменного аттенюатора, отличающийся тем, что дополнительно содержит многорезонаторный пролётный клистрон, выполненный с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности, вход клистрона подключен к выходу переменного аттенюатора, а выход - ко входу нелинейного СВЧ-усилителя.