Генератор коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов Российский патент 2025 года по МПК H03K3/53 

Область техники

Изобретение относится к технике СВЧ (сверхвысоких частот) и может быть использовано для генерации периодической последовательности мощных коррелированных СВЧ-импульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей.

Уровень техники

В сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн широко используются полупроводниковые генераторы радиоимпульсов на основе лавинно-пролетных диодов [Карушкин Н.Ф., Обухов И.А. «Источники излучения на лавинно-пролетных диодах в миллиметровом диапазоне длин волн.» Часть I // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 2022. Вып. 1(552). С. 6-19; Карушкин Н.Ф., Обухов И.А. «Источники излучения на лавинно-пролетных диодах в миллиметровом диапазоне длин волн.» Часть II // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. - 2022. - Вып.2(553). - С. 6-20.], способные формировать импульсы наносекундной длительности с выходной импульсной мощностью 100 Вт и более. Такие генераторы, охваченные петлей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), позволяют достичь стабильности частоты порядка 10-6 с низким уровнем спектральной плотности мощности фазовых шумов. Однако, недостатком диодных генераторов, в том числе и иных твердотельных генераторов, является невозможность обеспечения малых значений скважности ввиду нагрева полупроводниковой структуры в пределах длительности импульса тока питания, что приводит к изменениям импеданса нелинейного элемента и паразитной внутриимпульсной фазовой модуляции.

Существуют формирователи наносекундных СВЧ-импульсов, основанные на методе резонансной СВЧ-компрессии [RU 2166229 С1, Новиков С.А. «Формирователь наносекундных СВЧ-импульсов», опубл. 27.04.2001; RU 56651 U1, Шпунтов Р.В. и др. «Формирователь СВЧ-импульсов с элементом подавления послеимпульсного излучения для наносекундного радиолокатора», опубл. 10.09.2006]. В таких формирователях благодаря резонансному усилению поля импульсов питающего СВЧ-генератора и последующему быстрому выводу энергии возбужденного поля из резонансного объема в нагрузке формируются мощные короткие наносекундные импульсы. Основным недостатком указанного метода формирования является значительное время восстановления запирания коммутатора после вывода энергии из накопительного резонатора, что также не позволяет реализовать периодическую последовательность коротких импульсов с малым значением скважности.

Известен способ генерации СВЧ-импульсов наносекундной длительности [RU 2753420 С1, Романченко И.В. и др. «Способ генерации мощных импульсов СВЧ-излучения наносекундной длительности», опубл. 16.08.2021; French D.M., Hoff B.W. «Spatially Dispersive Ferrite Nonlinear Transmission Line With Axial Bias» // IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 42, no. 10, pp. 3387-3390, Oct. 2014] на основе коаксиальных насыщающихся ферритовых линий, возбуждаемых импульсами тока с наносекундным фронтом. Ферритовые линии позволяют генерировать импульсы гигаваттного уровня мощности, но по своей структуре являются достаточно массивными и протяженными (в ряде случаев их длина может составлять более 1 м) конструкциями, требующими для насыщения феррита создания соленоидального поля напряженностью свыше 10 кА/м. Очевидными недостатками такого способа генерации являются необходимость использования мощного соленоида для создания магнитного поля во всем объеме передающей линии, наличие высоковольтного источника питания для формирования импульсов тока наносекундной длительности и дополнительной дугогасящей среды (трансформаторного масла), внутри которой должен располагаться феррит. Генерация мощных СВЧ-импульсов наносекундной длительности на основе коаксиальных насыщающихся ферритовых линий трудно реализуема с частотами повторения свыше нескольких кГц. Как и в методе резонансной СВЧ-компрессии, огибающая каждого импульса имеет случайные амплитудную модуляцию и начальную фазу, что значительно снижает взаимную корреляцию генерируемых импульсов.

Известны генераторы на лампе бегущей волны (ЛБВ) с внешней запаздывающей обратной связью [Рыскин Н.М. «Исследование нелинейной динамики ЛБВ-генератора с запаздывающей обратной связью» // Изв. вузов. Радиофизика. - 2004. - Т. 47. - №2. - С. 129-142; Емельянов В.В. и др. «Экспериментальное исследование ЛБВ-генератора с внешней запаздывающей обратной связью» // Проблемы СВЧ-электроники. - 2015. - Т. 2. - С.132-134], в которых при определенных амплитудно-фазовых соотношениях в петле положительной обратной связи и соответствующих токах электронного пучка могут возникать режимы самовозбуждения как стационарных колебаний и автомодуляции, так и динамического хаоса. Основным преимуществом генераторов периодических последовательностей с использованием электровакуумных приборов СВЧ-перед твердотельными аналогами является возможность достижения большой импульсной мощности при малых значениях (менее 10) скважности.

В работе [Marchewka С.et al. «Generation of chaotic radiation in a driven TWT amplifier with delayed feedback» // Fifth IEEE International Vacuum Electronics Conference (IEEE Cat. No.04EX786), Monterey, CA, USA, 2004, pp. 86-87] представлена схема генератора на ЛЕВ с внешней запаздывающей обратной связью, синхронизированной внешним монохроматическим сигналом, реализующая указанные выше режимы. Устройство содержит ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн, генератор внешнего монохроматического сигнала в рабочем диапазоне частот ЛБВ, цепь обратной связи с направленным ответвителем, полосовым фильтром и перестраиваемым аттенюатором. При подборе параметров обратной связи и частоты внешнего сигнала указанное устройство может служить генератором периодической последовательности коррелированных радиоимпульсов. Данное устройство является аналогом близким уровнем техники для к указанному настоящего изобретению изобретения. Недостатком описанной реализации вышеупомянутого устройства является обязательное наличие дополнительного внешнего источника монохроматического сигнала.

Известен генератор периодической последовательности субнаносекундных импульсов на основе пассивной синхронизации мод в широкополосной гиро-ЛБВ миллиметрового диапазона длин волн с многозаходным винтовым волноводом [Ginzburg NS. et al. «Ka-Band 100-kW Subnanosecond Pulse Generator Mode-Locked by a Nonlinear Cyclotron Resonance Absorber» // Phys. Rev. Appl., v. 16, no.5, art.no.054045]. Данное устройство является близким уровнем техники для настоящего изобретения аналогом к указанному изобретению. Схема вышеупомянутого устройства содержит электронный усилитель, нелинейный поглотитель, обеспечивающий пассивную синхронизацию мод, и цепь обратной связи на внешней квазиоптической линии передачи. Нелинейный поглотитель реализован за счет циклотронно-резонансного поглощения излучения при его взаимодействии с первоначально прямолинейным электронным потоком в регулярном волноводе, что позволяет обеспечить насыщающееся поглощение в микроволновом диапазоне на уровне мощности десятки и сотни киловатт. Экспериментально продемонстрирована последовательность субнаносекундных (0,4 нс) импульсов с пиковой мощностью 100 кВт в диапазоне 30 ГГц с частотой следования 0,4 ГГц и высокой степенью фазовой корреляции. Недостатком указанной схемы кроме необходимости использования мощной гиро-ЛБВ является сложность реализации нелинейного поглотителя, представляющего собой электронную пушку Пирса, формирующую прямолинейный электронный пучок диаметром около 1,5 мм с током 1 А в сходящемся магнитном поле соленоида величиной порядка 1 Тл. Тем не менее однако, на характерных уровнях мощности свыше 100 Вт из-за сильного нагрева кристаллической структуры крайне затруднительно применение полупроводниковых, ферритовых и других кристаллических нелинейных поглотителей, поэтому следовательно такая схема остается почти единственно возможным вариантом.

Известен генератор периодической последовательности наносекундных импульсов на основе самосинхронизации мод в спиральной ЛБВ сантиметрового диапазона длин волн с запаздывающей обратной связью [Сидоров Д.А. и др. «Экспериментальное наблюдение режимов самосинхронизации мод в спиральной ЛБВ с запаздывающей обратной связью» // Электронная техника. Сер. I. СВЧ-техника. - 2022. - Вып.3(554). - С.55-63]. Для получения нестационарного режима генерации часть выходного сигнала через регулируемый аттенюатор подается на вход ЛБВ. Коэффициент усиления ЛБВ составляет -35 дБ, и при достижении глубины обратной связи 30 дБ генератор входит в режим периодической автомодуляции, где проявляется двухполосная нестационарная генерация. Наиболее близким к указанному настоящему изобретению является режим генерации периодической последовательности с наиболее короткой длительностью импульсов, составляющей около 3 нс, однако, за счет вследствие отсутствия селективного фильтра в цепи обратной связи, подавляющего паразитную низкочастотную генерацию, в выходном сигнале наблюдаются существенные искажения огибающей сформированных импульсов. Благодаря применению фильтрации на этапе отложенной цифровой обработки зарегистрированного сигнала было показано, что принципиально возможно получение режима самосинхронизации мод в ЛБВ с запаздывающей обратной связь только в рабочей полосе частот. Рассмотренный генератор периодической последовательности наносекундных импульсов на основе самосинхронизации мод в ЛБВ с запаздывающей обратной связью выбран в качестве прототипа указанного настоящего изобретения.

Перечисленные выше аналоги устройства, известные из уровня техники, и прототип настоящего изобретения обладают рядом признаков, совокупность которых необходима, но недостаточна для обеспечения генерации стационарной коррелированной последовательности коротких СВЧ-радиоимпульсов наносекундной и субнаносекундной длительности в течение длительного времени ввиду отсутствия стабилизации тока пучка ЛБВ (стабилизации высоковольтного источника питания).

Существуют системы ФАПЧ по анодному напряжению ламп обратной волны (ЛОВ), используемых для генерации микроволнового излучения в широком диапазоне частот от единиц гигагерц до единиц терагерц. Высоковольтные источники питания ЛОВ достаточно инерционные, поэтому для увеличения скорости управления частотой может применяться схема, где управляющий сигнал системы ФАПЧ подается на дополнительное сопротивление, последовательно включенное в цепь анода, и тем самым вычитается из высокого напряжения [«Высокоточная резонаторная спектроскопия атмосферных газов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн» / М.Ю. Третьяков, Федер. агентство научн. орг., Федер. исслед. центр «Институт прикладной физики». Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2016. - 320 с.]. Описанная схема ФАПЧ является аналогом к указанному близким уровнем техники для настоящего изобретению изобретения.

Использование системы ФАПЧ по анодному напряжению ЛБВ позволит позволяет стабилизировать ток электронного пучка ЛБВ, а применение полосового фильтра в цепи обратной связи для выделения рабочей полосы частот позволит позволяет устранить паразитную генерацию вне ее пределов.

Краткое описание чертежей

Устройство и работа генератора

Генератор коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов и его работа поясняется поясняются следующими чертежами.

Фигура 1 - Структурная схема генератора коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов.

Фигура 2 - Характерная зависимость мощности на выходе генератора коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов от времени.

Сущность изобретения

В соответствии с одним аспектом примерного варианта осуществления, обеспечен Генератор генератор коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов, состоящий из лампы бегущей волны (ЛБВ), делителя мощности, развязывающего циркулятора, полосового фильтра, направленного ответвителя, перестраиваемого аттенюатора, системы фазовой автоподстройки частоты, отличающийся тем, что с помощью регулировки ослабления перестраиваемого аттенюатора установлена необходимая глубина обратной связи, обеспечивающая вхождение генератора в режим периодической автомодуляци, где появляется многополосная нестационарная генерация, причем полоса пропускания полосового фильтра в цепи обратной связи настроена на выделение основной рабочей полосы генерации с максимальным подавлением генерации в побочных полосах, а и при этом система фазовой автоподстройки частоты выведена на захват и стабилизацию центральной частоты в рабочей полосе частот с последующей подачей усиленного сигнала рассогласования на дополнительное сопротивление, последовательно включенное в цепь анода лампы бегущей волны (ЛБВ), для дополнительной развязки с внешними цепями и защиты выходного тракта установлен Y-циркулятор в вентильном включении с согласованной нагрузкой.

Техническим результатом предложенного настоящего изобретения является возможность генерации высокостабильной коррелированной последовательности коротких СВЧ-радиоимпульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей.

Технический результат достигается тем, что в генераторе коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов, состоящем из лампы бегущей волны(ЛБВ), делителя мощности, развязывающего циркулятора, полосового фильтра, направленного ответвителя, перестраиваемого аттенюатора, системы фазовой автоподстройки частоты, с помощью регулировки ослабления перестраиваемого аттенюатора, установлена необходимая глубина обратной связи, обеспечивающая вхождение генератора в режим периодической автомодуляци, где появляется многополосная нестационарная генерация, полоса пропускания полосового фильтра в цепи обратной связи настроена на выделение основной рабочей полосы генерации с максимальным подавлением генерации в побочных полосах, а система фазовой автоподстройки частоты выведена на захват и стабилизацию центральной частоты в рабочей полосе частот с последующей подачей усиленного сигнала рассогласования на дополнительное сопротивление, последовательно включенное в цепь анода лампы бегущей волны (ЛБВ), для дополнительной развязки с внешними цепями и защиты выходного тракта установлен Y-циркулятор в вентильном включении с согласованной нагрузкой.

Этот и другие аспекты станут более очевидными и более понятными из нижеследующего описания примерных вариантов осуществления, в сочетании с прилагаемыми чертежами.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 представлена схема устройства предлагаемого генератора коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов, где пунктиром выделены основные функциональные блоки: лампа бегущей волны с системой питания (блок «ЛБВ» на фиг.1), цепь обратной связи (блок «Цепь ОС» на фиг.1) и цепь системы фазовой автоподстройки частоты (блок «ФАПЧ» на фиг.1).

СВЧ-выход лампы 1 бегущей волны 1 подключен к входу делителя 2 мощности 2, на первом выходе которого установлен Y-циркулятор 3 в вентильном включении с согласованной нагрузкой 4. Выход Y-циркулятора 3 является выходным разъемом предлагаемого генератора коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов.

Ко второму выходу делителя 2 мощности 2 подключен, через полосовой СВЧ-фильтр 5, вход первичного плеча направленного ответвителя 6, выход которого подключен, через перестраиваемый аттенюатор 7, к СВЧ-входу лампы 1 бегущей волны 1.

Рабочий выход вторичного плеча направленного ответвителя 6 подключен к сигнальному входу смесителя 8, к гетеродинному входу смесителя 8 подключен выход СВЧ гетеродина 9, к входу внешней синхронизации которого подключен стандарт 10 частоты 10. Выход промежуточной частоты (ПЧ) смесителя 8, через полосовой фильтр ПЧ 11, подключен к входу усилителя ПЧ 12, выход которого подключен, через делитель 13 частоты 13, к первому входу частотно-фазового детектора 14. Ко второму входу частотно-фазового детектора 14 подключен выход ВЧ генератора 15 опорного сигнала 15, к входу внешней синхронизации которого подключен стандарт 10 частоты 10. Выход частотно-фазового детектора 14, через фильтр 16 нижних частот, 16 подключен к входу усилителя 17 постоянного тока 17, выход которого подключен к цепи анодного напряжения высоковольтного источника 18 питания ЛБВ 18 через активное сопротивление 19.

Генератор коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов реализуется следующим образом. С помощью перестраиваемого аттенюатора 7 путем регулировки величины его ослабления устанавливают глубину обратной связи, приводящую к самовозбуждению генератора в режиме периодической автомодуляции с интересующей длительностью следования СВЧ-импульсов.

Длительность СВЧ-импульса по уровню 0,5 мощности Р0 его огибающей ("T на фиг.2) определяется как:

где Δƒ - расстояние между соседними спектральными составляющими, n=1, 2, … - коэффициент, определяющий количество синхронизируемых мод в рабочей полосе частот ΔF=(2n+1)Δƒ.

Центральную частоту полосы пропускания полосового СВЧ-фильтра 5 настраивают на несущую частоту ƒ₀ (частоту центральной моды), а ширину полосы пропускания реализуют максимально гладкой в диапазоне ±ΔF/2 относительно ƒ₀ с подавлением сигнала вне полосы пропускания не менее 20 дБ.

Частоту СВЧ-гетеродина 9 устанавливают из условия ƒ_LO=ƒ₀-ΔF/2, центральную частоту полосы пропускания полосового фильтра ПЧ 11 настраивают на выделение одной гармоники ПЧ ƒ_IF=ƒ₀-ƒ_LO, соответствующей несущей частоте ƒ₀, а ширину полосы пропускания реализуют не более Δƒ с максимальным подавлением сигнала вне полосы пропускания. С помощью усилителя 12 ПЧ уровень сигнала после фильтрации поднимают до рабочего уровня делителя 13 частоты, коэффициент деления частоты N которого выбирают из условия:

где ƒ_REF - частота генерации синусоидального сигнала ВЧ генератора 15 опорного сигнала.

Сигнал на выходе частотно-фазового детектора 14 пропорционален разности фаз между опорным сигналом ƒ_REF и сигналом ƒ_IF. Для подавления паразитных высокочастотных составляющих и выделения только низкочастотной составляющей на выходе частотно-фазового детектора 14 установлен фильтр 16 нижних частот, выступающий в качестве пропорционально-интегрирующего звена. Для расширения диапазона регулируемого анодного напряжения установлен усилитель 17 постоянного тока.

Дополнительное активное сопротивление 19 номиналом 100 Ом включается непосредственно в цепь анода высоковольтного источника 18 питания ЛБВ, и тем самым вычитается из высокого напряжения.

Для повышения долговременной стабильности генерации сигналов СВЧ-гетеродином 9 и ВЧ генератором 15 опорного сигнала и поддержания высокой когерентности, в схеме используется стандарт 10 частоты 10, генерирующий монохроматический синусоидальный сигнал со стабильностью не хуже δƒ_OSC=10^-10.

В режиме захвата частоты системой ФАПЧ на выходе предлагаемого генератора коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов наблюдается сигнал, характерная зависимость мощности от времени которого представлена на фиг.2. Данный сигнал является амплитудно-модулированным сигналом с эквидистантным спектром, а форма огибающей его мощности с высокой степенью точности описывается гауссовой (колоколообразной) функцией.

Таким образом обеспечивается возможность генерации высокостабильной коррелированной последовательности коротких СВЧ-радиоимпульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей.

Хотя эта заявка описана со ссылкой на конкретные варианты осуществления, очевидно, что в них могут быть внесены различные модификации и комбинации, не выходящие за рамки сущности и объема этой заявки. Соответственно, описание и сопроводительные чертежи представляют собой просто примерное описание этой заявки, определяемой прилагаемой формулой изобретения, и рассматриваются как любые или все модификации, вариации, комбинации или эквиваленты, которые охватывают объем этой заявки. Ясно, что специалист в данной области техники может внести различные модификации и изменения в эту заявку, не выходя за рамки этой заявки. Эта заявка предназначена для охвата этих модификаций и вариантов этой заявки при условии, что они подпадают под объем защиты, определенный следующей формулой изобретения и их эквивалентными технологиями.

Будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено точной конструкцией, которая была описана выше и проиллюстрирована на сопровождающих чертежах, и, что различные модификации и изменения могут быть сделаны, не выходя за рамки его объема. Подразумевается, что рамки объема изобретения ограничены только прилагаемой формулой изобретения.

Описание чертежей

Фиг. 1 цифрами обозначены:

1 - лампа бегущей волны;

2 - делитель мощности;

3 - Y-циркулятор;

4 - согласованная нагрузка;

5 - полосовой СВЧ-фильтр;

6 - направленный ответвитель;

7 - перестраиваемый аттенюатор;

8 - смеситель;

9 - СВЧ-гетеродин;

10 - стандарт частоты;

11 - полосовой фильтр ПЧ;

12 - усилитель ПЧ;

13 - делитель частоты;

14 - частотно-фазовый детектор;

15 - ВЧ генератор опорного сигнала;

16 - фильтр нижних частот;

17 - усилитель постоянного тока;

18 - высоковольтный источник питания ЛБВ;

19 - активное сопротивление.

На Фиг.2 буквами обозначены:

τ - длительность импульса;

Т - период следования импульсов;

Р0 - пиковая мощность.

Изобретение относится к генератору коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов. Техническим результатом является возможность генерации высокостабильной коррелированной последовательности коротких СВЧ-радиоимпульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей. Он достигается тем, что предложен генератор коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов, содержащий лампу бегущей волны (ЛБВ), делитель мощности, Y-циркулятор, полосовой фильтр, направленный ответвитель, перестраиваемый аттенюатор, систему фазовой автоподстройки частоты. 2 ил.

Генератор коррелированной последовательности коротких СВЧ импульсов, содержащий лампу бегущей волны (ЛБВ), делитель мощности, Y-циркулятор, полосовой фильтр, направленный ответвитель, перестраиваемый аттенюатор, систему фазовой авто подстройки частоты, при этом СВЧ выход лампы бегущей волны подключен к входу делителя мощности, на первом выходе которого установлен Y-циркулятор в вентильном включении с согласованной нагрузкой, выход Y-циркулятора является выходным разъемом генератора коррелированной последовательности коротких СВЧ импульсов, ко второму выходу делителя мощности подключен, через полосовой СВЧ фильтр, вход первичного плеча направленного ответвителя, выход которого подключен, через перестраиваемый аттенюатор, к СВЧ входу лампы бегущей волны, рабочий выход вторичного плеча направленного ответвителя подключен к сигнальному входу смесителя, к гетеродинному входу смесителя подключен выход СВЧ гетеродина, к входу внешней синхронизации которого подключен стандарт частоты, выход промежуточной частоты (ПЧ) смесителя, через полосовой фильтр ПЧ, подключен к входу усилителя ПЧ, выход которого подключен, через делитель частоты, к первому входу частотно-фазового детектора, к второму входу частотно-фазового детектора подключен выход ВЧ генератора опорного сигнала, к входу внешней синхронизации которого подключен стандарт частоты, выход частотно-фазового детектора, через фильтр нижних частот, подключен к входу усилителя постоянного тока, выход которого подключен к цепи анодного напряжения высоковольтного источника питания ЛБВ через активное сопротивление.