Устройство для радиосвязи Советский патент 1986 года по МПК H04B10/105 

1 Изобретение относится к технике связи, в частности к устройствам радиосвязи на основе излучателя синхротронного излучения. Известно устройство для радиосвя зи, содержащее передатчик с несущей на радиочастотах и приемник в диапазЬне радиочастот. Недостатком известного устройства является узкая полоса передаваем частот, ограниченная диапазоном радиочастотч , Наиболее близким по технической сущности к изобретению является уст ройство для радиосвязи, содержащее /передатчик излучения в виде лазера с несущей на оптической частоте, снабженный оптическим модулятором, и приемник в оптическом диапазоне волн. Недостатком этого устройства является отсутствие возможности перестройки несущей частоты в широком диапазоне длин волн, что ограничивает применение устройства в узком диапазоне метеоусловий. Целью изобретения является расширение диапазона частот и функциональных возможностей устройства за счет расширения диапазона метеоусловр-й и возможности связи с космическими объектами при перестройке несущей частоты в широком интервале длин волн. Цель достигается тем, что в устройстве для радиосвязи, содержащем передатчик излучения, снабженный модулятором, и приемник излучения расположенный в зоне действия передатчика, передатчик излучения вьшол нен ввиде накопителя электронов, снабженного вакуумированной камерой с выпускным окном, в которой размещены электромагнит-резонатор с зазором в плоскости электронной орбиты, электромагнит постоянного во времени ведущего магнитного поля с зазором в плоскости электронной орбиты, расположенный соосно с электр магнитом-резонатором кольцевой отра жатель синхронного излучения, выпол ненный в виде поверхности вращения ось которой совмещена с осью электр магнита-резонатора, при этом отражатель расположен с наружной стороны обоих электромагнитов, электромагни резонатор связан высокочастотньш (ВЧ) трактом с генератором ВЧ напря жения, модулятор передатчика излу2чения выполнен в виде модулятора фазы ВЧ напряжения и введен в ВЧ тракт электромагнита-резанатора, за выпускным окном камеры параллельно ему установлен сменный светофильтр а приемник излучения содержит фотокатод, часть приемной поверхности которого экранирована от синхронного излучения, На фиг.1 показана схема линии радиосвязи устройства; на фиг. 2 - прин-. ципиальная схема передающего устройства; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг.1, представляющий собой проекцию и: лучения электронного пучка передатчика на фотокатод приемника излучения; на фиг. 4 - диаграмма излучения без отражателей; на фиг. 5 диаграмма вдоль направления излучения; на фиг. 6 - то же, поперек этого направления. Устройство содержит передатчик излучения 1, приемник излучения 2, вакуумированную камеру 3, выпускное окно 4, электромагнит-резонатор 5, электронную орбиту 6, электромагнит 7, кольцевой отражатель 8, ВЧ тракт 9, модулятор 10, светофильтр 11, вол новую.нагрузку 12, прозрачное окно 13, кольцевой запредельный волновод 14, фотокатод 15, экран 16, На фиг. 3-6 приняты следующие обозначения:17-проекция излучения элктронного пучка . с орбиты 6 на поверхность фотокатода (см.фйг.З)18--орбита пучка, 19-сгусток электронов, 20 - направление вращения пучка; 21 - образующая диаграммы направленности на радиусе R (см. фиг.4), 22 - отражатель;СД- кольцевое сечение диаграммы направленности; С Д - критическое сечение, с Д - сечение начала увеличения интенсивности (см.фиг.5), 23 зайчик на отражателе, 24 - приблизительное очертание диаграммы направленности в сечении область слежения интенсивности; 26 - очертание в сечении СА (см. фиг.6). Приемник 2 излучения расположен Б зоне диаграммы направленности передатчика 1 излучения, ограниченной лучами 3. Передатчик излучения выполнен Б веде накопителя электро- нов, который снабжен вакуумированной камерой 3, (фиг.2) с выпускным окном 4, В камеру 3 размещены электромагнит-резонатор 5 с зазором в плос311

кости электронной орбиты 6, и электромагнит 7 постоянного во времени ведущего магнитного поля с зазором в плоскости электронной орбиты. Электромагнит 7 расположен соосно с электромагнитом-резонатором 5. В камере установлен также кольцевой отражатель 8 синхротронного излучения в виде поверхности вращения, ось которой совмещена с осью электромаг нита-рёзонатора. Кольцевой отражатель расположен с наружной стороны электромагнитов 5 и 7. Электромагнит-резонатор связан ВЧ трактом 9 с генератором ВЧ напряжения (не показан) .

Передатчик 1 излучения снабжен модулятором 10, который выполнен в виде модулятора фазы ВЧ напряжения и введен в ВЧ тракт 9 электромагнита-резонаторА, 5. За выпускным окном А камеры 3 по ходу синхротонного излучения (лучи В) установлен сменный светофильтр 1t. ВЧ тракт 9 представляет собой волновод, нагруженный помимо электромагнита-резонатора 5 на волновую нагрузку 12, Прозрачное для ВЧ волны окно 13 отделяет вакуумированную часть ВЧ тракта 9 от его невакуумированной части, находящейся в атмосфере. В плоскости электронной орбиты 6 установлен кольцевой запредельньй волновод 14. Приемник 2 излучения содержит фотокатод 15 (фиг.З), часть приемной поверхности которого экранирована с помощью экрана 16 от синхротронного излучения.

Устройство работает следующим образом.

Включают питание передатчика 1 и приемника 2. Для включения передатчика подают питание от источников тока (не показаны) на электромагнит-резонатор 5 и электромагнит 7 постоянного во времени ведущего магнитного поля, а также подают от генератора ВЧ напряжения СВЧ мощность в ВЧ тракт 9, которая через модулятор 10 фазы ВЧ напряжения поступает в электромагнит-резонатор. При этом в передатчике излучения, который выполнен в виде накопителя электронов, осуществляется ускорение электронов с выводом их на электронную орбиту 6. По завершении ускорения высокочастотная мощность целиком трансформируется в синхротронное излучение пучка

0912

ускоренных частиц. При этом, воздействуя модулятором 10 на фазу ВЧ напряжения электромагнита-резонатора 5, меняют фазу сгустка пучка заряг женных частиц на орбите 6 и соответственно фазу-следования импульсов синхротронного излучения.

Передача информации с помощью синхротронного излучения происходит

JQ за счет следующих физических процессов.

Кольцевой отражатель 8 через сменньй светофильтр. 11, определяющий рабочую длину волны, фокусирует синJC хротронное излучение от циркулирующего электронного сгустка;в нужную для передачи информации область пространства - место расположения приемника. 2, что определяет диаграмму направленности передатчика 1.

20 излучения. При этом в пространстве формируется луч В вращающийся по круговой орбите и образующий коничесую поверхность на вершине которой

,, может находиться приемник 2 излучения (см. фиг. 1 ) . Приемник излучения может быть расположен в любом сечении этого конуса. В любом сечении конуса за исключением вершины приемник излучения, фиксирует пере30даваемый сигнал так же, как если бы он находился на самой орбите пучка. При этом он фиксирует модулированный свет, поскольку модулирован по плотности сам излучающий пучок. Излуче35 ние отсутствует внутри образующей конуса и за ее пределами, т.е. пределами лучей в . Когда приемник 2 излучения расположен в вершине светового конуса излучения и диаметр

40 его фотокатода 15 превышает диаметр проекции 17 излучения электронного пучка с орбиты 6 на поверхность фотокатода 15, для получения модуляции тока фотокатода 15 необходим экран

45 16 для экpaниpoвakия части фотокатода от излучения (см. фиг.З). Этим на поверхности фотокатода 15 создается система отсчета, благодаря которой синхротронное излучение фото50 катод видит не непрерывно,.а периодически.

При необходимости смены длины волны несущей частоты заменяют сменный светофильтр-11. Следует отме55 тить, что установление фазы сгустка пучка заряженных частиц на орбите 6 происходит в течение времени, равного по крайней ;4ере одному периоду 5 радиально-фазовых колебаний частиц в ускорителе, частоты которых приблизительно составляют 10 -10 от частоты обращения частиц по орбите. Таким образом, ширина полосы передаваемого устройством сигнала определяется при прочих равных условиях периодом радиально-фазовых колебани Пусть, например, частота обращения сгустка по орбите 6 (частота ВЧ усKopHrotuero поля) составляет 3.10 Гц (типичная частота импульсных магнетронов, применяемых для возбуждения ускоряющего поля). Тогда для худшего случая, соответствующего отличию частоты радиально-фазовых коле- баний в 10- раз от частоты обращения частиц по орбите, ширина полосы частот передаваемого сигнала составляет 3.10 Гц. Модуляционная характеристика описываемого устройства с большой точностью линейна. Для иллюстрации целесообразности (по не принципиальной необходимости применения кольцевого отражателя для диапазона частот синхротронного излучения включая диапазо вакуумного ультрафиолета в предлагаемом радиопередающем устройстве, рассмот рим сначала работу передатчика без кольцевого отражателя. На фиг..4 , изображена (не в масштабе) диаграмма излучения передатчика без кольцевого отражателя.Зададимся парамет рами излучения. Пусть радиус орбиты пучка 1,7 см, что соответствует длине волны 10 см (мощные магне троны, освоенные промьшшенностью) и энергия частиц составляет 50 мЭв. Тогда угловая расходимость пучка -4(г-- )f. « л11-р с - скорость скорость частиц. света) при принятой здесь jf Ю , V. 10 рад. Сечение пучка считаем точечным. Примем расстояние от передатчика до приемника R tO км Диаграмма направленности в этом случае представляет собой диск высотой У 10 .2.10 20 км.Излучение происходит только из той части сгустка, которая видна из приемника по R . Другие части сгус ка в точку гфиемника не излучают. Рассмотрим далее влияние на- диаг рамму направленности и интенсивность излучения кольцевого отражателя. Диаметр его следует выбирать мини)2,6 мальным, так как появление его аналогично Соответствующему увеличению диаметра орбиты пучка. Действительно, поскольку V Q- Г const С (to - уг- ловая скорость), со уменьшается длина зайчика от сгустка увеличивается пропорционально радиусу отражателя, что в свонз очередь, уменьшает частому следования импульсов излучения. Последнее обстоятельство уменьшает спектр передаваемых частот. Таким образом, вследствие малого диаметра отражателя ширина плоскости зайчика на нем мала и аберрацией отражтеля по сравнению с естествен ной расходимостью пучка можно пренебречь. Отражатель можно в таком случае рассматривать как устройство меняющее направление излучения и не вносящее в естественную аберрацию излучения заметного изменения. На фиг.5 схематически изображена диаграмма направленности излучения вдоль направлении излучения. В зоне выше сечения CD плотность излучения определяется суперпозицией от излучения с полной орбиты пучка, а диаграмма направленности имеет форму сплющенной окружности, Ниже сечения CD плотность излучения соответст йует случаю без отражателя, а диаграмма направленности имеет форму кольца. Выше сечения CD теряется модуляция, пучка, так как здесь присутствует излучение со всех участков сгустка на каком бы азимуте ни находился пучок, (см. фиг.6). Для введения ее отражатель необходимо делать неполным, например в форме полукольца. В этом случае модуляция достигается за-счет потери интенсивности соответственно вдвое. Ниже сечения . си модуляция сохраняется в любом случае (подразумевается, что сгусток занимает часть орбиты). В самом сечении СО модуляцию можно осуществлять как указанным тте способом, так и экраном на фотокатоде приемника. Если угол расходимости , диаметр отражателя, например сечение CJ) будет на расстоянии от плоскости орбиты пучка равным 5.10 см. Диаметр диаграммы направленности на расстоянии 10 км составляет 20 км. Фокусирующее действие отражателя уменьшается по мере перехода к диапаэонам волн вакуумного ультрафиолета, и рентгеновскому.В последнем диапазоне можно работать только без

отражателя при диаграмме направленности изображенной на фиг.4.

Предлгаемое устройство для радиосвязи способно работать на несущей в диапазоне волн от инфракрасного до рентгеновского диапазона. Поэтому в детектировании сигнала обязательно участие прибора типа фотоэлемента или фотоумножителя.Верхняя граница .диапазона определяется энергией электронов и радиусом орби ты пучка. Отметим,что сколько-нибудь мощных излучателей с узкой диаграммой направленности, подобной синхротронному излучению в диапазоне волн вакуумного ультрафиолета и рентгена, в настоящее время не существует. Квантовые генераторы в этих диапазонах дают ничтожную мощность Для диапазона волн рентгеновского излучения понадобятся специальные рентгеновские фотоэлементы.

Прямая модуляция сигнала по час тоте или амплитуде в этом диапазойе волн в настоящее время представляется крайне сложной задачей. Единственной легко осуществимой модуляцией является модуляция не самой несущей, а частоты импульсов несущей, определяемой частотой вращения электронов по орбите.Разумеется это резко уменьшает спектр передаваемых частот, но делает возможным в принципе. дальнкно радиосвязь на ультрафиолетовом или рентгеновском изЛучении.Таким образом, в рассматрцзаемом радиопередатчике на основе накопителя электронов имеют место две несущих. Одна - определяющая распространение радиоволн в различных средах и условиях и непосредственно связанная с чувствительностью радиоприемника (само синхротронное излучение) и несущая для сигнала частота- обращения электронов по орбите. Соответственно необходимо двойное детектирование. Первое детектирование как уже говорилось производится фотоумножителем автоматически: импульсы тока фотоумножителя определяются импульсами синхротронного излучения. Далее импульсы подаются на частотно-фазовый дискр.иминатор. Известны разные схемы последних.По одному способу из следующих с опреде5 ленной частотой и скважностью им- пульсов фотоумножителя можно выделять первую гармонику -с помощьк) резонансного контура. Сам контур настраивается на частоте немодулирован10 ,ного сигнала. Фаза синусоиды (первой гармоники) строго следует за фазой импульса.Такая схема наиболее целесообразна, так как не требует передачи высших гармонических составля15 ющих импульса. В другом способе необходим собственный генератор импульсов в радиоприемнике, частота которого сравнивается с частотой следования импульсов сйнхротронного из0 лучения без модуляции сигналом. Тогда легко измерять сдвиг по фазе принимаемых модулированных импульсов относительно местного генератора. Сами по себе, радиосхемы, реализующие

5- эти принципы, очень просты и описаны широко в литературе по радиоприемным устройствам.

Из описанного видно, что для увеличения спектра передаваемых частот

0 в предлагаемом устройстве для радиосвязи следует увеличивать частоту вращения электронов по орбите, т.е. применять для питания пучка возможно более высокочастотные генераторы (в

- сантиметровом диапазоне радиоволн) и создавать режим, при котором период радиально-фазовых колебаний электронов,т.е. время установления фазы при модуляции, минимально.

Преимуществом описанного устройства является возможность его ра.боты в диапазоне от инфракрасных волн до мягкого рентгена, в то время как обычные устройства для радиосвя, зи работают ли1пь в диапазоне радиоволн или фиксированных световых волн. При этом имеется врзможность простой перестройки несущей частоты во всем указанном интервале длин волн, что обеспечивает применение устройства в широком диапазоне метеоусло ; ВИЙ и с космическими объектами

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИОСВЯЗИ, содержащее передатчик излучения, снабженный модулятором и приемник излучения, .расположенный в зоне действия передатчика, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона частот и функциональных возможностей, передатчик излучения выполнен в виде накопителя электронов, снабженного вакууиированной камерой с выпускным окном, в которой размещены электромаг нит-резонатор с зазором в плоскости электронной орбиты электромагнит постоянного во времени ведущего магнитного поля с зазором в плоскости электронной орбиты, расположенный соосно с электромагнитом-резонатором, кольцевой от,ражатель синхротронного излучения, выполненный в виде поверхности вращения, ось которой совмещена с осью электромагнита-резонатора, при этом отражатель расположен с наружной стороны обоих электромагнитов, электромагнит-резонатор связан ВЧ трактом с генератором ВЧ напряжения, модулятор передатчика излучения выполнен § в виде модулятора фазы ВЧ напряжения и введен ВЧ тракт электромагнита-ре(Л зонатора, причем за выпускным окном камеры параллельно ему установлен сменный светофильтр, а приемник излучения содержит фотокатод, часть приемной поверхности которого экранирована от синхронного излучения.

19

hK

ФшМ

Фиг.З