Генератор коррелированных терагерцевых радиоимпульсов с управляемым периодом повторения Российский патент 2024 года по МПК H01J25/38 

Устройство относится к СВЧ-технике, к электровакуумным электронным устройствам, представляющим собой разновидность генератора на лампе бегущей волны терагерцевого диапазона с обратной связью, и может быть использовано, например, для спектроскопии, в частности для ДПЯ-ЯМР спектроскопии органических молекул.

Генерация коротких импульсов с высокой пиковой мощностью в СВЧ-диапазоне представляет значительный интерес для ряда приложений. В настоящее время существует несколько методов, с помощью которых можно производить такие импульсы. Самый очевидный заключается в генерации маломощных коротких импульсов и последующем усилении, другой известный метод генерации коротких импульсов - это использовать эффект пассивной блокировки мод, который был реализован в генераторе на основе спиральной ЛБВ с отбеливающим поглотителем в цепи обратной связи. Но особо привлекательным представляется режим автосинхронизации мод, описанный в статье [1] c использованием ЛБВ и обратной связи с низкоуровневой задержкой, поскольку он не требует построения сложных нелинейных элементов в петле обратной связи. Положительная особенность данной схемы заключается в простоте ее реализации.

В статье [1] представлены возможные режимы самосинхронизации мод и объяснены механизмы их возникновения в условиях малоглубинной обратной связи. При этом происходит генерация коррелированных радиоимпульсов с ультракоротким заполнением. Существование этих режимов проверяется в рамках трехмерного моделирования экспериментально реализованной ЛБВ мм-диапазона. Таким образом, показана возможность разработки усилителей с большой пиковой мощностью импульсов в миллиметровом диапазоне волн.

В патенте [2] представлен генератор на основе лампы бегущей волны терагерцевого диапазона с внутренней обратной связью, конструкция которого отличается тем, что на входном порту генератора добавлено устройство настройки, которое представляет собой регулируемое устройство короткого замыкания и выходной порт разработан по специальному методу так, что генератор имеет определенное отражение в рабочем диапазоне частот, а коэффициент отражения составляет около 0,2.

В структуре генератора, предусмотренного изобретением, введен контур обратной связи с возможностью механической подстройки.

Известное из патента устройство обладает рядом недостатков, в частности не гарантируется коррелированность радиоимпульсов, к тому же нет возможности регулировать частоту следования радиоимпульсов, что является существенным условием для реализации многих задач, в частности, в области спектроскопии.

В статье [3], выбранной в качестве прототипа, представлено экспериментальное наблюдение режимов самосинхронизации мод в спиральной ЛБВ с обратной связью, при которых происходит генерация радиоимпульсов с СВЧ-заполнением.

В ЛБВ с цепью обратной связи возможны различные сценарии возникновения автомодуляционных режимов. В том числе и режима, при котором одновременно возбуждается несколько собственных частот. Если при этом фазы различных колебаний связаны определенным соотношением, то имеет место режим синхронизации мод.

В статье-прототипе в качестве источника сигнала была выбрана спиральная ЛБВ СВЧ-диапазона с обратной связью. Для получения нестационарных режимов генерации часть выходного сигнала через регулируемый аттенюатор подавалась на вход лампы. Диапазон изменения глубины обратной связи S = -40…-6 дБ. Форма выходного сигнала регистрировалась цифровым осциллографом с шириной полосы 12 ГГц и частотой дискретизации 50 миллиардов выборок в секунду. Экспериментально был зафиксирован в высокочастотной области режим синхронизации мод. Отфильтрованный сигнал при этом представлял собой последовательность радиоимпульсов с периодом повторения ~2,5 нс. Прототип, как и рассматриваемые выше аналоги предлагаемого устройства, имеет один существенный недостаток: невозможность регулировать в широких пределах частоту следования радиоимпульсов, получаемых в результате в этих устройствах. Например, для использования в ДПЯ-ЯМР спектроскопии органических молекул при подсвечивании молекулы СВЧ-излучением при использовании радиоимпульсов, генерируемых подобными устройствами, радиоимпульсы идут настолько часто, что образец, например живая ткань, состоящая из органических молекул, просто сгорает.

Таким образом, технической задачей данного изобретения является возможность регулирования в широких пределах частоты следования радиоимпульсов с заполнением в СВЧ, субтерагерцевом и терагерцевом диапазонах частот.

Технический результат обеспечивается тем, что, как и в прототипе, источником СВЧ-сигнала предлагаемого генератора является лампа бегущей волны (ЛБВ), работающая в режиме автомодуляции, включенная по схеме с обратной связью.

Новым в изобретении является то, что схема генератора включает в себя волноводный полупроводниковый переключатель, соединенный с эталонным генератором и детектором, управляемый оптическим импульсом с помощью компаратора, сравнивающего сигнал огибающей радиоимпульсов с детектора с сигналом эталонного генератора, что позволяет получить последовательность коррелированных радиоимпульсов с периодом повторения, равной произвольному целому числу периода повторения радиоимпульсов на выходе лампы бегущей волны.

Схема устройства представлена на фиг. 1.

Устройство включает в себя лампу бегущей волны (ЛБВ) 1, которая работает в режиме автомодуляции, т.е. генерирует последовательность радиоимпульсов с СВЧ (вплоть до субтерагерцевых и терагерцевых частот) заполнением, с периодом повторения порядка длительности радиоимпульса, включенная по схеме с обратной связью, которая состоит из делителя мощности 2, полосового фильтра 3 для подавления шумовой генерации и аттеньюатора 4, с выхода которого поступает на вход ЛБВ 1, замыкая цепь обратной связи. Наличие обратной связи позволяет получить коррелированную последовательность радиоимпульсов с СВЧ (субтерагерцевым, терагерцевым) заполнением с высокой пиковой мощностью. В устройстве лампа бегущей волны 1 соединена последовательно с делителем мощности 2 (часть сигнала с которого поступает в цепь обратной связи) и направленным ответвителем 5, большая часть сигнала с которого поступает в Y-циркулятор 6, соединенной с согласованной холостой нагрузкой 7 и входом оптически управляемого переключателя 8 таким образом, что любой отраженный от переключателя 8 сигнал поступает в согласованную нагрузку 7. Выход вторичного плеча направленного ответвителя 5 нагружается детектором 9, преобразующим импульсный сигнал в сигнал электрического напряжения, совпадающий по форме с огибающей последовательности радиоимпульсов. Детектор 9 соединен последовательно с входом компаратора 10, сравнивающего его с сигналом эталонного генератора 11. В случае отличия от нуля сигналов на обоих входах компаратора 10 на его выходе формируется сигнал запуска источника управляющего оптического излучения - лазера 12. Волноводный полупроводниковый переключатель 8 пропускает всю мощность с выхода рециркулятора 6 при наличии управляющего оптического импульса лазера 12 и закрывается практически сразу после окончания оптического импульса. Таким образом, управление периодом повторения радиоимпульсов в схеме устройства достигается с помощью управляемого переключателя 8, превращая последовательность радиоимпульсов ЛБВ с фиксированным (минимальным) периодом повторения порядка длительности радиоимпульса в последовательность радиоимпульсов с периодом повторения, равным произвольному целому числу периода повторения радиоимпульсов на выходе ЛБВ.

Обозначения на фиг. 1:

1 - лампа бегущей волны (ЛБВ);

2 - делитель мощности;

3 - полосовой фильтр;

4 - аттеньюатор;

5 - направленный ответвитель;

6 - Y-циркулятор;

7 - согласованная холостая нагрузка;

8 - управляемый переключатель;

9 - детектор;

10 - компаратор;

11 - эталонный генератор;

12 - лазер, управляющий переключателем.

Конструкция управляемого переключателя 8 представлена на фиг. 2.

Переключатель 8 представляет собой наносекундный волноводный полупроводниковый переключатель СВЧ (субтерагерцевого, терагерцевого) излучения и образован пересечением одномодового волновода 13 с закритическим волноводом 14, включающим полупроводниковую пластину 15, закрепленную точно на границе пересечения одномодового волновода 13 с закритическим волноводом 14 с помощью клеевых вставок 16 и винта механической перестройки частоты 17. Переключатель управляется с помощью оптического лазерного импульса 18 с лазера 12 (фиг. 1). Как было сказано выше, переключатель работает так, что он пропускает сигнал при наличии управляющего оптического лазерного импульса 18 и отражает сигнал в случае его отсутствия, что позволяет менять в широких пределах частоту следования радиоимпульсов, то есть получить на выходе последовательность радиоимпульсов с периодом повторения, равным произвольному целому числу периодов повторения радиоимпульсов ЛБВ.

Обозначения на фиг. 2:

13 - одномодовый волновод переключателя;

14 - закритический волновод переключателя;

15 - полупроводниковая пластина;

16 - клеевые вставки;

17 - винт механической перестройки частоты переключателя;

18 - оптический лазерный импульс.

На фиг. 3 изображена последовательность радиоимпульсов с СВЧ (субтерагерцевым, терагерцевым) заполнением, генерируемая устройством на выходе, то есть зависимость мощности выходного сигнала P от времени t, где P₀ - максимальная мощность сигнала, τ - длительность радиоимпульса, Т - период следования радиоимпульсов на выходе ЛБВ, Т₁ -период следования радиоимпульсов на выходе устройства.

Т₁ = TN (1),

где N - произвольное целое число.

Список источников

1. R. M. Rozental, A. A. Ivanov, D. A. Sidorov, M. N. Vilkov. Self-Mode-Locking Operation Regimes in a TWT With Low-Level Delayed Feedback/ IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, Vol. 70, no. 11, November 2023.

2. Патент № CN 103021770, МПК H01J 23/16; H01J 23/40, Internal-feedback-type terahertz traveling wave tube oscillator, WANG ZICHENG; ZHAO JIANDONG; LI HAIQIANG; XU ANYU; DONG FANG; LIU WEI; HUANG MINGGUANG; HAO BAOLIANG, публ. 03.04.2013.

3. Д.А. Сидоров, А.А. Иванов, Р.М. Розенталь. Экспериментальное наблюдение режимов самосинхронизации мод в спиральной ЛБВ с запаздывающей обратной связью/ Электронная техника, 3 (554), 13.04.2022.

Устройство относится к СВЧ-технике, к электровакуумным электронным устройствам, представляющим собой разновидность генератора на лампе бегущей волны терагерцевого типа с обратной связью. Технический результат - возможность регулирования в широких пределах частоты следования радиоимпульсов с заполнением в СВЧ, субтерагерцевом и терагерцевом диапазонах частот. Устройство включает в себя лампу бегущей волны (ЛБВ), которая работает в режиме автомодуляции, т.е. генерирует последовательность радиоимпульсов с СВЧ (вплоть до субтерагерцевых и терагерцевых частот) заполнением, с периодом повторения порядка длительности радиоимпульса, включена по схеме с обратной связью. Управление периодом повторения радиоимпульсов в схеме устройства достигается с помощью переключателя, управляемого лазерным импульсом, превращающим последовательность радиоимпульсов ЛБВ с фиксированным минимальным периодом повторения порядка длительности радиоимпульса в последовательность коррелированнных радиоимпульсов с периодом повторения равным произвольному целому числу периода повторения радиоимпульсов на выходе ЛБВ. 3 ил.

Генератор коррелированных терагерцевых радиоимпульсов с управляемым периодом повторения, включающий в себя лампу бегущей волны, работающую в режиме автомодуляции, включенную по схеме с обратной связью, отличающийся тем, что включает в себя волноводный полупроводниковый переключатель, соединенный с эталонным генератором и детектором, управляемый оптическим импульсом с помощью компаратора, сравнивающего сигнал огибающей радиоимпульсов детектора с сигналом эталонного генератора, что позволяет получить последовательность коррелированных терагерцевых радиоимпульсов с периодом повторения, равным произвольному целому числу периода повторения радиоимпульсов на выходе лампы бегущей волны.