АВТОГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2023 года по МПК H03B5/06 

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

Известен генератор хаотических СВЧ импульсов (см. патент РФ №2386204 по кл. МПК Н03В 29/00, опуб. 10.04.2010), который представляет собой последовательно соединенные СВЧ усилитель, направленный ответвитель и нагрузку, а также цепь обратной связи, включенную между другим выходом направленного ответвителя и входом СВЧ усилителя и содержащую резонатор и перестраиваемую магнитным полем дисперсионную линию задержки с ферритовой пленкой при возбуждении в ней магнитостатических волн, являющуюся одновременно нелинейным элементом. Наличие у МСВ, распространяющейся в ферритовой пленке, дисперсии и нелинейности, а также использование в кольце резонатора, способного изменять закон дисперсии и нелинейности всего кольца в целом в узкой полосе частот, приводит к генерации в кольце стационарной последовательности хаотических СВЧ импульсов.

Однако в данном генераторе хаотических СВЧ импульсов не удается осуществить управление скважностью генерируемых импульсов из-за отсутствия синхронизации частот автомодуляции спиновых волн при изменении коэффициента усиления кольца.

Известен также автогенератор хаотических импульсов (см. патент РФ № 2740397 по кл. МПК Н03В 29/00, опуб. 14.01.2021), содержащий последовательно соединённые в кольцо линейный и нелинейный СВЧ усилители, направленный ответвитель, аттенюатор, Г-образный магнитный волновод. Линейный усилитель усиливает СВЧ - сигнал до уровня мощности, при котором нелинейный усилитель работает в режиме насыщения выходной мощности. Таким образом, генерируемый в кольце хаотический СВЧ сигнал формируется за счет трех- и четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий, а нелинейный усилитель ограничивает рост амплитуды хаотического СВЧ сигнала. Это приводит к генерации во временной области на хаотическом амплитудном фоне относительно широких провалов субмикросекундной длительности за счет трехволновых нелинейных процессов, огибающая которых, в свою очередь, является модулированной более быстрыми колебаниями субнаносекундной длительности, возникающими из-за генерации СВЧ сигнала на собственных модах кольцевого автогенератора в результате четырехволновых нелинейных взаимодействий. Наличие нелинейного усилителя также способствует установлению частичной хаотической синхронизации частот автомодуляции спиновых волн с частотами собственных мод кольцевого резонатора и к генерации стационарной последовательности микроволновых импульсов субнаносекундной длительности.

Однако в данном устройстве нелинейная дисперсионная линия задержки на МСВ содержит нерегулярный (Г-образный) магнонный волновод, на поверхности которого нет динамического линейного дефекта, т.е. отсутствует возможность динамического управления скважностью импульсной последовательности.

Наиболее близким к заявляемому является кольцевой автогенератор (см. патент РФ на полезную модель № 135202 по кл. МПК H03B 29/00, 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.

Для генерации хаотических СВЧ импульсов величина внешнего постоянного магнитного поля и намагниченности МК подбираются таким образом, чтобы частота первого Брэгговского резонанса МК совпадала с собственной частотой резонатора, а на частоте первого Брэгговского резонанса МК существовали параметрические процессы первого порядка, приводящие к распаду дипольной поверхностной магнитостатической волны (ПМСВ) на обменные спиновые волны. Кроме того, для генерации хаотического сигнала с практически непрерывным спектром необходимо, чтобы в полосе частот возбуждения ПМСВ осуществлялась задержка сигнала, проходящего через дисперсионную линию задержки. В таком автогенераторе синхронизация частот автомодуляции спиновых волн сохраняется при изменении коэффициента усиления кольца механическим образом с использованием переменного аттенюатора, что обусловливает изменение скважности генерируемой хаотической импульсной последовательности в широких пределах.

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

Технической проблемой заявляемого изобретения является создание автогенератора хаотических импульсов, позволяющего осуществлять возможность динамического управления скважностью импульсной последовательности.

Технический результат заключается в обеспечении изменения уровня нелинейных потерь магнитостатической волны (МСВ), распространяющейся в дисперсионной линии задержки с МК, с помощью постоянного электрического тока.

Изменяя локально внутреннее магнитное поле 1D МК за счет приложенного постоянного электрического тока разной полярности, можно управлять скважностью импульсных последовательностей, генерируемых на частоте полосы непропускания 1D МК.

Для достижения технического результата автогенератор хаотических импульсов, содержащий линейный СВЧ-усилитель, направленный ответвитель, переменный аттенюатор, соединённую с линейным СВЧ-усилителем нелинейную линию задержки с магнонным кристаллом, выполненным в виде ферритовой пленки, на поверхности которой сформирована периодическая структура в виде чередующихся слоев ферритовой пленки разной толщины вдоль направления распространения в пленке поверхностной магнитостатической волны источник внешнего магнитного поля, согласно изобретению, дополнительно содержит нелинейный усилитель, вход которого подключен к выходу линейного усилителя, а выход - к направленному ответвителю, нелинейная линия задержки дополнительно содержит металлический проводник, размещённый на поверхности периодической структуры и подключённый к источнику постоянного тока, при этом нелинейный усилитель выполнен с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности, а линейный усилитель представляет собой многорезонаторную систему, резонансная частота которой настроена на центральную частоту полосы непропускания периодической структуры.

Линейный усилитель может быть выполнен в виде многорезонаторного пролётного клистрона.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

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

- на фиг. 2 приведено схематическое изображение линии задержки на основе одномерного магнонного кристалла, вдоль продольной оси симметрии которого расположен проводник с током;

- на фиг. 3 приведены зависимости коэффициента передачи S₂₁ от частоты f линии задержки на основе одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением (а) и линейного СВЧ-усилителя (б) (резонансного активного элемента);

- на фиг. 4 приведены зависимости коэффициента передачи S₂₁ от мощности сигнала на входе (Р_вх) линии задержки на основе одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением, полученные при нескольких значениях постоянного электрического тока I;

- на фиг. 5 приведены зависимости мощности на выходе (Р_вых) от мощности на входе (Р_вх) нелинейного СВЧ-усилителя (a) (нелинейного активного элемента) и резонансного активного элемента (б);

- на фиг. 6 - приведены временные ряды хаотических СВЧ импульсов, генерируемых в автогенераторе на основе одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением при нескольких значениях постоянного электрического тока I: 0 (а), +320 мА (б) и -200 мА (в).

Позициями на чертежах обозначены:

1 - линейный СВЧ-усилитель (активный резонансный элемент, выполненный с возможностью работы в режиме линейного усиления СВЧ сигнала);

2 - нелинейный СВЧ усилитель (активный элемент, выполненный с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности);

3 - направленный ответвитель;

4 - переменный аттенюатор;

5 - нелинейная линия задержки на основе магнонного кристалла с динамическим управлением;

6 - металлический экран;

7 - поликоровая подложка;

8 - пленка железо-иттриевого граната с периодической структурой;

9 - металлический проводник;

10 - подложка из гадолиний-галлиевого граната;

11 - входной микрополосковый преобразователь;

12 - выходной микрополосковый преобразователь;

13 - заземление;

14 - источник постоянного тока;

15 - зависимость коэффициента передачи S₂₁ одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением от входной мощности P_вх, измеренная на центральной частоте первой полосы непропускания при значении постоянного электрического тока I=0;

16 - зависимость коэффициента передачи S₂₁ одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением от входной мощности P_вх, измеренная на центральной частоте первой полосы непропускания при значении постоянного электрического тока I= +500 мА;

17 - зависимость коэффициента передачи S₂₁ одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением от входной мощности P_вх, измеренная на центральной частоте первой полосы непропускания при значении постоянного электрического тока I=-500 мА.

Устройство содержит (см. фиг. 1) последовательно соединённые в кольцо линейный СВЧ усилитель 1, нелинейный СВЧ-усилитель 2, направленный ответвитель 3, переменный аттенюатор 4, нелинейную линию задержки 5 с одномерным магнонным кристаллом (1D), выполненным в виде пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) 8, выращенную на подложке гадолиний галлиевого граната 10. На поверхности пленки ЖИГ сформирована периодическая структура в виде чередующихся слоев ферритовой пленки разной толщины вдоль направления распространения в пленке ПМСВ. Нелинейная линия задержки 5 содержит металлический проводник 9, размещённый на поверхности периодической структуры и подключённый к источнику постоянного тока 14. Автогенератор содержит входной 11 и выходной 12 микрополосковые преобразователи, которые нанесены на поликоровую подложку 7, экранированную с противоположной стороны с помощью экрана 6.

Одномерный (1D) МК с динамическим управлением (см. фиг. 2) изготовлен из пленки ЖИГ толщиной 10 мкм, шириной 4 мм, длиной 10 мм и с намагниченностью насыщения 1750 Гс. На поверхности пленки ЖИГ с использованием методов травления и литографии сформирована периодическая структура в виде столбиков и канавок с периодом 200 мкм. Столбики и канавки имеют одинаковую ширину - 100 мкм. Канавки характеризуются глубиной травления 1 мкм. Длина периодической структуры 4 мм. Для динамического управления 1D МК используется медная проволока диаметром 100 мкм и длиной 4.5 мм, расположенная вдоль продольной оси симметрии 1D МК и подключенная к источнику постоянного тока. Расстояние между медной проволокой и поверхностью пленки ЖИГ - 100 мкм, что позволяет исключить влияние нагрева на распространение МСВ. В зависимости от полярности тока внутреннее магнитное поле 1D МК в области проволочного проводника может, как увеличиваться, так и уменьшаться. Возбуждение и прием ПМСВ, распространяющейся в 1D МК, осуществляется с помощью входного и выходного микрополосковых преобразователей, которые нанесены на поликоровую подложку толщиной 500 мкм, экранированную с противоположной стороны. Каждый из них имеет ширину 30 мкм и длину 6 мм. Расстояние между ними 6 мм. Внешнее постоянное магнитное поле Н₀ прикладывается касательно к поверхности 1D МК и параллельно микрополосковым преобразователям. Выбор напряженности поля Н₀=356 Э обусловлен необходимостью создания условий для развития трехволнового параметрического распада ПМСВ в 1D МК, который приводит к хаотизации СВЧ сигнала, генерируемого в кольцевом автогенераторе.

Помимо 1D МК с динамическим управлением в цепи обратной связи кольцевого СВЧ автогенератора вводится каскад из двух активных элементов, один из которых является резонансным активным элементом и работает в режиме линейного усиления СВЧ сигнала (линейный усилитель), а другой - в режиме максимальной выходной мощности СВЧ сигнала (нелинейный усилитель). В качестве резонансного активного элемента может быть использован пятирезонаторный пролетный клистрон, а в качестве нелинейного усилителя - транзисторный усилитель. Линейный резонансный усилитель служит для выделения доминантной кольцевой моды и усиления на ней генерируемого хаотического СВЧ сигнала до уровня мощности, при котором нелинейный усилитель работает в режиме максимальной выходной мощности. Нелинейный усилитель ограничивает рост амплитуды хаотического СВЧ сигнала, что приводит к формированию во временной области на огибающей сигнала относительно узких провалов наносекундной длительности, являющихся «темными» импульсами огибающей. Прикладывания постоянного электрического тока разной полярности к проволочному проводнику, находящемуся на поверхности 1D МК, приводит к изменению величины внутреннего магнитного поля в той области пространства 1D МК, которая граничит с проволочным проводником. Это обусловливает частотный сдвиг полосы непропускания МК и, как следствие этого, изменение уровня нелинейных потерь ПМСВ, от которого зависит скважность генерируемых «темных» СВЧ импульсов.

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

Направление внешнего постоянного магнитного поля H₀ выбирается касательным к поверхности 1D МК и параллельным к входному и выходному микрополосковым преобразователям.

Величина внешнего постоянного магнитного поля H₀ выбирается таким образом, чтобы для ПМСВ, не граничащей с металлическими экранами, оно определялось как

Н₀< 2πM₀,

где M₀ - намагниченность 1D МК.

Уровень мощности СВЧ сигнала на входе 1D МК устанавливается таким, чтобы он превышал пороговый уровень мощности, соответствующий трехволновым нелинейным спин-волновым взаимодействиям на ПМСВ.

Уровень мощности СВЧ сигнала на входе нелинейного усилителя устанавливается таким, чтобы усилитель работал в режиме максимальной выходной мощности.

На фиг. 3 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) многорезонаторного пролетного клистрона и линии задержки на основе 1D МК с динамическим управлением, измеренные в линейном режиме и в отсутствие постоянного тока в области динамического линейного дефекта. Видно, что АЧХ пролетного клистрона имеет резонансный характер и характеризуется центральной частотой f₀=2797 МГц, на которой коэффициент усиления пролетного клистрона является максимальным. На АЧХ линии задержки с 1D МК наблюдается полоса непропускания, которая при выбранном направлении и напряженности внешнего постоянного магнитного поля находится в спектре ПМСВ и совпадает не только с центральной частотой первого брегговского резонанса f_б1, но и с частотой пролетного клистрона f₀.

На фиг. 4 приведены зависимости коэффициента передачи линии задержки на основе 1D МК с динамическим управлением от мощности сигнала на ее входе, измеренные при нескольких значениях постоянного электрического тока, прикладываемого к проволочному проводнику. Рассматриваются три случая: 1) ток не прикладывается к проводнику (кривая 15); 2) к проводнику прикладывается ток положительной полярности (кривая 16) и 3) к проводнику прикладывается ток отрицательной полярности (кривая 17). Из представленных на фиг. 4 результатов следует, что в отсутствии постоянного электрического тока зависимость S₂₁(P_вх) содержит как линейный, так и нелинейный участки. Порог, при котором линия задержки на основе 1D МК с динамическим управлением переходит в нелинейный режим работы, наблюдается при входной мощности -15 дБмВт, который соответствует началу трехволнового параметрического распада ПМСВ. Если к проволочному проводнику прикладывается постоянный электрический ток положительной полярности, то это приводит к увеличению как линейного уровня потерь, так и нелинейного порога. Данный факт обусловлен увеличением внутреннего магнитного поля 1D МК в области протекания тока. При токе отрицательной полярности уровень линейных потерь ПМСВ и значение нелинейного порога уменьшаются. Это связано с уменьшением внутреннего магнитного поля 1D МК в области протекания тока. Таким образом, прикладывая к проволочному проводнику постоянный электрический ток разной полярности, можно управлять не только уровнем линейных, но и нелинейных потерь ПМСВ на фиксированной частоте за счет сдвига частоты запрещенной зоны 1D MK. Для выбранных значений полярности тока динамический диапазон изменения линейных потерь составляет величину ~4 дБ, а динамический диапазон изменения пороговой мощности - ~2 дБ. Необходимо отметить, что на частотах, находящихся вдали от запрещенной зоны, постоянный электрический ток не оказывает заметного влияния на уровни линейных и нелинейных потерь ПМСВ.

На фиг. 5а приведена зависимость P_вых(P_вх) транзисторного усилителя, измеренная на частоте ƒ₀. Видно, что его выходная мощность отклоняется на 1 дБ от линейной зависимости (точка компрессии) и начинает насыщаться при P_пор2=+5 дБмВт. В кольцевом генераторе транзисторный усилитель работает в режиме насыщения выходной мощности, когда P_вх>P_пор2 на 5 дБ.

На фиг. 5б приведена зависимость P_вых(P_вх) пятирезонаторного пролетного клистрона, измеренная на частоте ƒ₀. Видно, что его выходная мощность отклоняется на 1 дБ от линейной зависимости (точка компрессии) и начинает насыщаться при P_пор3=+16 дБмВт. В кольцевом генераторе выходной усилитель работает в режиме линейного усиления сигнала, когда P_вх>>P_пор3.

На фиг. 6 приведены результаты, полученные при включении линии задержки на основе 1D МК с динамическим линейным дефектом, а также двух СВЧ усилителей (многорезонаторного пролетного клистрона и транзисторного усилителя) в цепь обратной связи активного кольцевого резонатора. Представленные на фиг. 6 временные ряды измерены при коэффициенте усиления кольца G=K-A=31 дБ (где K - усиление усилительного каскада, состоящего из двух усилителей, A - общий уровень потерь в кольце). В этом случае интегральная мощность сигнала на входе линии задержки на основе 1D МК с динамическим управлением имеет значение P_вх=+3 дБмВт, которое превышает нелинейный порог на 18 дБ, а выходной усилитель каскада (транзисторный усилитель) работает в режиме максимальной выходной мощности.

Из представленных на фиг. 6а результатов следует, что в отсутствии постоянного тока (I=0) формируется хаотическая последовательность импульсных пакетов длительностью ~0.9 мкс, каждый из которых содержит «провалы» в виде темных импульсов огибающей. У одних «темных» импульсов огибающей амплитуда спадает до нуля, а у других - не спадает строго до нуля. Усредненная на длине реализации частота следования хаотических импульсных пакетов имеет значение ~100 кГц и соответствует частоте автомодуляции параметрически возбуждаемых СВ, рожденных в результате трехволнового распада ПМСВ. Скважность такой импульсной последовательности имеет значение q~11.

На фиг. 6б и фиг. 6в приведены хаотические импульсные последовательности, полученные при подаче на проволочный проводник постоянного электрического тока разной полярности. Из представленных результатов следует, что при положительной полярности тока частота автомодуляции СВ увеличивается до значения ~250 кГц (скважность уменьшается до q~4), а при отрицательной полярности тока она, наоборот, уменьшается до значения ~13 кГц (скважность увеличивается до q~80).

Таким образом, изменяя локально внутреннее магнитное поле 1D МК за счет приложенного постоянного электрического тока разной полярности, можно управлять скважностью импульсных последовательностей, генерируемых на частоте полосы непропускания 1D МК.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в коммуникационных системах связи для передачи информационных сообщений на основе хаотических сверхвысокочастотных импульсов. Технический результат заключается в обеспечении изменения уровня нелинейных потерь магнитостатической волны, распространяющейся в дисперсионной линии задержки с магнонным кристаллом, с помощью постоянного электрического тока. Для достижения технического результата автогенератор хаотических импульсов дополнительно содержит нелинейный усилитель, вход которого подключен к выходу линейного усилителя, а выход – к направленному ответвителю, при этом нелинейная линия задержки дополнительно содержит металлический проводник, размещённый на поверхности периодической структуры и подключённый к источнику постоянного тока, при этом нелинейный усилитель выполнен с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности, а линейный усилитель представляет собой многорезонаторную систему, резонансная частота которой настроена на центральную частоту полосы непропускания периодической структуры. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Автогенератор хаотических импульсов, содержащий линейный СВЧ-усилитель, направленный ответвитель, переменный аттенюатор, соединённую с линейным СВЧ-усилителем нелинейную линию задержки с магнонным кристаллом, выполненным в виде ферритовой пленки, на поверхности которой сформирована периодическая структура в виде чередующихся слоев ферритовой пленки разной толщины вдоль направления распространения в пленке поверхностной магнитостатической волны, источник внешнего магнитного поля, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нелинейный усилитель, вход которого подключен к выходу линейного усилителя, а выход – к направленному ответвителю, нелинейная линия задержки дополнительно содержит металлический проводник, размещённый на поверхности периодической структуры и подключённый к источнику постоянного тока, при этом нелинейный усилитель выполнен с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности, а линейный усилитель представляет собой многорезонаторную систему, резонансная частота которой настроена на центральную частоту полосы непропускания периодической структуры.

2. Автогенератор по п.1, отличающийся тем, что линейный усилитель выполнен в виде многорезонаторного пролётного клистрона.