СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ТРИГГЕР Советский патент 1994 года по МПК H01J25/34 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в специализированных системах обработки СВЧ-сигнала, а также для создания элементов ЭВМ с частотным представлением информации.

Цель изобретения - повышение быстродействия при увеличении надежности СВЧ-триггера.

На фиг. 1 изображена структурная схема сверхвысокочастотного триггера; на фиг. 2-9 показаны графики работы триггера.

Сверхвысокочастотный триггер содержит две двухкаскадные лампы обратной волны (ЛОВ), состоящие из электронной пушки 1, коллектора 2, замедляющих систем 3, на секциях которых указаны их рабочие частоты (f₁ или f₂). Фокусирующая система и источники питания не показаны. Триггер также содержит делитель 4, сумматор 5 и линии 6 передачи СВЧ-энергии, выход второй секции каждой лампы соединен с входом первой секции другой лампы, геометрические размеры и потенциалы секций, которые соединены, обеспечивают совпадение их рабочих частот. Первые секции имеют длину меньше стартовой, вторые секции имеют длину больше стартовой в отсутствие начальной модуляции электронного пучка. Соотношение геометрических размеров и потенциалов вторых секций определяют различие и некратность их рабочих частот. Входная линия передачи СВЧ-энергии подключена через делитель 4 к входам вторых секций, а выходная - через сумматор 5 - к выходам первых секций ламп обратной волны.

Триггер работает следующим образом.

При достаточной величине коэффициентов передачи линий, соединяющих выход примыкающих к коллектору секций (назовем их коллекторными) с входом секций, примыкающих к пушке (назовем их пушечными), в триггере реализуются, как минимум, два устойчивых состояния генерации СВЧ-колебаний различной частоты. Переход из одного состояния в другое осуществляется при подаче на вход системы радиоимпульса с частотой, близкой к частоте генерации в конечном состоянии. Отсутствие многочастотной генерации, т. е. генерации одновременно частот (f₁ и f₂) в автономном режиме достигается благодаря эффекту подавления автоколебаний на частоте f₁ (или f₂) в коллекторной секции при предварительной модуляции электронного пучка в пушечной секции СВЧ-сигналом частоты f₂ (или f₁). Это подтверждается результатами теоретических и экспериментальных исследований. Так, в оптимальном режиме работы полное подавление генерируемого коллекторной секцией сигнала частоты f₁ (или f₂) наблюдается уже при мощности управляющего сигнала частоты f₂ (или f₁) на входе пушечной секции на 20 дБ меньше генерируемого. Расстройка частот между секциями слабо влияет на соотношение мощностей генерируемого и подавляющего сигнала, что позволяет осуществить в широких пределах электрическую перестройку рабочих частот триггера (см. фиг. 2 и 3). Полоса подавления при изменении частоты подавляющего сигнала определяет допустимый разброс частот секций ламп триггера (см. фиг. 4 и 5, имеются в виду пушечные и коллекторные секции различных ламп триггера, рабочие частоты которых должны совпадать). Как видно, при мощности управляющего сигнала, сравнимой с мощностью автоколебаний, можно достичь полосы подавления, сравнимой с полосой усиления ЛОВ усилителя.

Теоретический анализ работы триггера в стационарном автономном режиме показал наличие нескольких стартовых условий с различными частотами. Часть из них ведут свое происхождение от стандартных условий коллекторных секций ламп (см. фиг. 6 и 7, б, г). Другие являются оригинальными для триггера и возникают благодаря резонансным эффектам (см. фиг. 6 и 7, а, в, д). Для различных значений тока пучка имеют место несколько отличных по частоте и мощности состояний, часть из которых обусловлена гистерезисной зависимостью от тока пучка (см. фиг. 6 и 7, г, д).

Происхождение гистерезисных решений имеет общую природу с гистерезисными характеристиками ЛОВ со скачком фазы поля в пространстве взаимодействия и связано с процессами перегруппировки электронного потока. Для практического использования можно ограничиться двумя основными состояниями, избавившись от всех остальных. Простейший путь к этому - увеличение расстройки рабочих частот секций замедляющих систем и их избирательности. В этом случае стартовые токи двух основных состояний сближаются (см. фиг. 8 и 9, а, г), мощности их выравниваются, а прочие состояния характеризуются малой амплитудой СВЧ-колебаний и "уходят" в область больших значений тока пучка (см. фиг. 8 и 9, б, в). Возможно использование и большего числа состояний, однако для этого необходимо оптимизировать их по выходной мощности и выяснить условия устойчивости мультистабильного режима.

Поскольку в предлагаемом устройстве отсутствует линия цепи обратной связи, принципиально необходимая в прототипе для получения мультистабильных состояний, его время переключения может быть существенно меньше, достигая 2-3 пс (порядка 10 периодов СВЧ-колебаний). Входной сигнал поступил через делитель 4 на вход вторых от пушки секций ламп триггера. Выходной сигнал снимается через сумматор 5 с выхода первых секций ламп триггера. Линии 6 передачи СВЧ соединяют элементы схемы триггера.

На фиг. 2 и 3 показан эффект подавления генерации и двухкаскадной ЛОВ;
Р_вых - мощность сигнала частоты f₂ на выходе второй секции;
Р_упр - мощность управляющего сигнала частоты f₁ на выходе первой секции;
Р_авт - мощность автономной генерации на выходе второй секции. Теоретические кривые построены для случая:
G_p = 1,91 - электрическая длина на синхронной частоте для первой секции;
G_v = 2,075 - электрическая длина на синхронной частоте для второй секции;
N = 40 - число периодов замедляющей системы для 1-й и 2-й секций;
с = 0 - параметр Пирса;
g = 0 - параметр пространственного заряда;
d = 0 - параметр затухания.

Частота управляющего сигнала соответствует максимуму усиления в первой секции. Соотношение частот
а) f₁/f₂ = 100/101; б) f₁/f₂ = 10/11; в) f₁/f₂ = 50/51.

Экспериментальная кривая построена для случая:
N = 16; f₁ = 3288 МГц; f₂ = 3229 МГц;
I₁ = 0,9 - ток первой секции, отнесенный к стартовому;
I₂ = 1,19 - ток второй секции, отнесенный к стартовому;
I_p = 1,86 мА - рабочий ток,
U₁ = 55,9 В - потенциал первой секции;
U₂ = 51 В - потенциал второй секции;
Р_авт = 691 мкВт - мощность автономной генерации.

На фиг. 4 и 5 показана зависимость относительной ширины полосы подавления генерации ( Δf/f) от мощности управляющего сигнала.

Теоретические кривые построены для случая:
G_p = 1,91; G_v = 2,075; N = 16; c = 0; d = 0;
а) f₁/f₂ = 20/21; б) f₁/f₂ = 22/21, где f₁ - частота управляющего сигнала;
f₂ - частота генерируемого сигнала.

Экспериментальная кривая построена для случая:
N = 16; f₁ = 3193 МГц; f₂ = 3405 МГц; I₁ = = 0,95; I₂ = 1,19;
U₁ = 5 В; U₂ = 60 В; Р_авт = 664 мкВт.

На фиг. 6 и 7 приведены выходные характеристики триггера
х = x= (f°2

-f°1)/f°1= 0,05- расстройка частоты от синхронной (f_o) для коллекторной секции верхней лампы (см. фиг. 1);
Р - нормированная мощность на выходе триггера (см. фиг. 1);
I - нормированный ток пучка (одинаков для обеих ламп триггера Кривые построены для случая
х = (f°2-f°1)/f°1= 0,1 = 0,05 - расстройка синхронных частот секций ламп триггера;
N = 16 - число периодов замедляющей системы (одинаково для всех секций); Предварительные секции: G = 1,474. Коллекторные секции:
G = 1,9232 - электрические длины на собственных синхронных частотах при I= 1;
R = 1; F₁ = π- модуль и фаза коэффициента передачи с коллекторных секций на предварительные при частоте f_o;
а, б, в, г, д - различные решения, обнаруженные при численном расчете триггера.

На фиг. 8 и 9 показаны выходные характеристики триггера (см. фиг. 1). Теоретические кривые построены для случая:
(f₂^o - f₁^o)/f₁^o = 0,1
G = 1,4865; N_p = 30 для первых секций;
G = 1,982; N_p = 40 для вторых секций ламп;
R = 1, F₁ = π
а, б, в, г - различные решения, обнаруженные при численном расчете триггера.

Увеличенное на порядок быстродействие позволяет поднять скорость обработки информации, а повышенная надежность, достигаемая благодаря высокой нагрузочной способности и стойкости к колебаниям питающих напряжений, уменьшает количество возникающих сбоев. (56) Авторское свидетельство СССР N 477461, кл. G 11 C 11/26, 1973.

Met. V. On multumode oscillators with constant time delay II Proc. IRE. - 1957. - N 8.

Авторское свидетельство СССР N 1148544, кл. Н 03 К 19/06, 1984.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в специализированных системах обработки СВЧ - сигнала, а также для создания элементов ЭВМ с частотным представлением информации. Цель изобретения - повышение быстродействия и надежности триггера. Цель достигается тем, что в СВЧ - триггере, содержащем две двухсекционные лампы обратной волны (ЛОВ), устройства ввода вывода и линии передачи энергии, выход второй секции каждой лампы соединяется с входом первой секции другой, геометрические размеры и потенциалы соединенных секций обеспечивают совпадение их рабочих частот. Первые секции имеют длину меньше стартовой, вторые секции обладают длиной больше стартовой в отсутствии начальной модуляции электронного пучка. Соотношение геометрических размеров и потенциалов вторых секций определяет различие и некратность их рабочих частот, выходной сигнал снимается через сумматор, а управляющий подается через делитель. 9 ил.

СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ТРИГГЕР, содержащий двухсекционную лампу обратной волны, сумматор, делитель и линии передачи СВЧ-энергии, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия при увеличении надежности, он дополнительно содержит вторую двухпозиционную лампу обратной волны, выход второй секции каждой лампы соединен с входом первой секции другой лампы, геометрические размеры и потенциалы соединенных секций обеспечивают совпадение их рабочих частот, первые секции имеют длину меньше стартовой, вторые секции имеют длину больше стартовой в отсутствии начальной модуляции электронного пучка, соотношение геометрических размеров и потенциалов вторых секций определяет различие и некратность их рабочих частот, входная линия передачи СВЧ-энергии подключена через делитель к входам вторых секций, а выходная - через сумматор - к выходам первых секций.