Способ генерирования хаотических высокочастотных и сверхвысокочастотных широкополосных колебаний
Владельцы патента RU 2420825:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к области радиофизики и СВЧ-электроники и предназначено для генерации высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) широкополосных хаотических колебаний разного уровня мощности. Технический результат - получение широкополосных и сверхширокополосных хаотических ВЧ- и СВЧ-сигналов с малой изрезанностью спектральной характеристики и требуемым уровнем выходной мощности в простой схеме без использования внешней цепи обратной связи. Способ генерирования хаотических высокочастотных и сверхвысокочастотных широкополосных колебаний характеризуется тем, что включает формирование ламинарного электронного потока, его преобразование в турбулентный поток путем модуляции за счет воздействия неоднородных электрических и магнитных полей, усиление хаотических широкополосных ВЧ- и СВЧ-колебаний турбулентного электронного потока и их съем через вывод ВЧ- и СВЧ-энергии 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области радиофизики и СВЧ-электроники и предназначено для генерации высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных (СВЧ) широкополосных хаотических колебаний разного уровня мощности.
Известны способы генерации хаотического сигнала, которые основаны на использовании массива независимых импульсных генераторов, логических элементов ИЛИ, массива независимых синусоидальных генераторов и сумматора (см. патент РФ №2298281, МПК Н03В 29/00) или на использовании массива генераторов сигнала треугольной формы (ГСТФ), сумматора сигналов, регулятора амплитуды суммарного сигнала, регулятора среднего значения сигнала, обеспечивающего возможность управления средней частотой, синусоидального генератора, управляемого напряжением (см. патент РФ №2307451, МПК Н03В 29/00).
Описанные выше способы обладают существенным недостатком, заключающимся в использовании для генерирования хаотического сигнала сложной с технической точки зрения многокомпонентной системы.
Известны также другие способы генерации широкополосных хаотических сигналов, описанные в патентах РФ №2327278, МПК Н03В 29/00 и №2185032, МПК Н04К 1/00, H04L 9/00, Н04В 1/02.
Основным недостатком данных способов является их техническая сложность: для генерации широкополосного хаотического сигнала необходимо иметь несколько усилительных каскадов и один ограничительный каскад. Таким образом, устройство, основанное на данных способах, является многокомпонентным, причем на каждый компонент накладываются свои ограничения и условия работы, что увеличивает риск выхода из строя всего устройства при выходе из строя одного из его компонентов.
Известен шумотрон, состоящий из двух ЛБВ, замкнутых в кольцо. В такой схеме имеет место генерация интенсивного широкополосного шума, когда одна из ламп настроена как усилитель мощности, а другая с уменьшенным током электронного пучка перегружена по входу настолько, что ослабляет сигнал с сильными нелинейными искажениями (Залогин И.Н., Кислов В.В. Широкополосные хаотические сигналы в радиотехнических и информационных системах. М.: Радиотехника, 2006).
Однако существенным недостатком данного технического решения является его сложность, которая заключается в особой настройке каждой из ламп ЛБВ, замкнутых в кольцо.
Известен способ генерирования хаотического СВЧ-излучения, который основан на использовании усилителя и цепи обратной связи, соединяющей выход и вход усилителя. При выполнении определенных амплитудных и фазовых условий такая система позволяет генерировать одночастотный, многочастотный или хаотический СВЧ-сигнал (см. патент US №3178655, МПК H01J 25/38; Н03В 29/00). Примером такой системы может служить лампа бегущей волны, выступающая в качестве усилителя СВЧ-сигнала, вход и выход которой соединены коаксиальным проводом, образовав, таким образом, цепь обратной связи.
Однако такая схема обладает существенным недостатком, связанным с тем, что на цепь обратной связи в этом случае накладываются жесткие амплитудные и фазовые условия. Другим недостатком подобной схемы является то, что в широком диапазоне частот невозможно выполнить условия. Вследствие этого амплитуда генерируемого сигнала будет сильно различаться для различных частот, что в свою очередь приводит к сильной изрезанности спектра генерации, особенно в режиме генерации хаоса, а с другой стороны, накладывает ограничения на ширину полосы генерируемых частот.
В последнее время с развитием новых методов и способов передачи информации, с развитием приборной базы информационно-коммуникационных систем и т.д. все более востребованными становятся ВЧ- и СВЧ-приборы, способные генерировать широкополосные хаотические сигналы с малой изрезанностью спектра мощности (т.е. с малым перепадом между максимальным и минимальным значениями мощности в пределах полосы генерации).
Задачей данного технического решения является создание способа генерирования хаотических высокочастотных и сверхвысокочастотных колебаний, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующих аналогов и обеспечить получение широкополосных и сверхширокополосных хаотических ВЧ- и СВЧ-сигналов с малой изрезанностью спектральной характеристики и требуемым уровнем выходной мощности в простой схеме без использования внешней цепи обратной связи.
Технический результат, достигаемый в предложенном способе, состоит в том, что для генерирования широкополосных хаотических ВЧ- и СВЧ-колебаний используют создаваемые особым образом турбулентные электронные потоки, формируемые неоднородными электрическими полями, неоднородными магнитными полями или их комбинацией.
Поставленная задача решается тем, что в способе генерирования хаотических высокочастотных и сверхвысокочастотных широкополосных колебаний, характеризующемся тем, что включает формирование ламинарного электронного потока, его преобразование в турбулентный поток путем модуляции за счет воздействия неоднородных электрических и магнитных полей, усиление хаотических широкополосных ВЧ- и СВЧ-колебаний турбулентного электронного потока и их съем через вывод ВЧ- и СВЧ-энергии.
Турбулентный электронный поток модулируют с использованием электростатических полей и полей пространственного заряда.
Турбулентный электронный поток модулируют с использованием магнитных полей и полей пространственного заряда.
Турбулентный электронный поток модулируют с использованием комбинированных электростатических, магнитных полей и полей пространственного заряда.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена принципиальная схема создания турбулентных электронных потоков за счет неоднородных электростатических полей и полей пространственного заряда с целью генерации широкополосных хаотических ВЧ- и СВЧ-колебаний, на фиг.2 представлена принципиальная схема создания турбулентных электронных потоков за счет неоднородных магнитных полей и полей пространственного заряда с целью генерации широкополосных хаотических ВЧ- и СВЧ-колебаний, на фиг.3 представлена принципиальная схема формирования турбулентных электронных потоков за счет комбинации неоднородных магнитных полей, электростатических полей и полей пространственного заряда, на фиг.4 схематически изображен ламинарный и турбулентный электронный поток с направлением действия сил на электронный сгусток, на фиг.5 представлены траектории электронов, на фиг.6 представлено распределение плотности пространственного заряда,
где:
О.С. - ось симметрии;
1 - катод;
2 - фокусирующий электрод;
3 - анод (U=U0);
4 - электродинамическая система усиления;
5 - вывод ВЧ- и СВЧ-энергии;
6 - коллектор-отражатель;
7 - область формирования ламинарного электронного потока;
8 - область модуляции электронного потока (формирование сгустков пространственного заряда);
9 - область усиления хаотических ВЧ- и СВЧ-колебаний;
10 - электроды электростатической фокусировки;
11 - возможные типы переменного магнитного поля;
12 - вид распределения неоднородного электрического поля между анодом и электродинамической системой усиления UЭДСУ<U0.
Способ осуществляется следующим образом.
Электронная пушка, состоящая из катода 1, фокусирующего электрода 2 и анода (U=U0) 3, формирует в области 7 ламинарный электронный поток, который далее поступает в область модуляции электронного потока 8, где за счет действия неоднородных электрических полей, формируемых системой электродов электростатической фокусировки 10, или различными типами неоднородных магнитных полей 11, или комбинацией неоднородных электрических полей 12 и неоднородных магнитных полей 11, создается турбулентный электронный поток, который потом поступает в область усиления хаотических ВЧ- и СВЧ-колебаний 9, где полученные хаотические широкополосные ВЧ- и СВЧ-колебания усиливаются электродинамической системой 4. Сигнал снимается через вывод ВЧ- и СВЧ-энергии 5, а отработанный электронный поток после области усиления 9 попадает на коллектор-отражатель 6.
Воздействуя на электронный поток неоднородным магнитным полем, изменяя при этом либо амплитуду магнитного поля, либо период, либо одновременно и амплитуду и период, или неоднородным электрическим полем, или комбинацией неоднородного магнитного поля и неоднородного электрического поля, электронный поток становится турбулентным, при этом в потоке возникают сгустки электронов, колеблющиеся в пространстве и во времени и являющиеся источниками широкополосного и сверхширокополосного ВЧ- и СВЧ-излучения. Причем электроны внутри таких сгустков подвержены сильному воздействию кулоновских сил отталкивания, что приводит к выходу электронов из сгустков, образуя, таким образом, внутреннюю электронную обратную связь.
При турбулентном движении электроны совершают неустановившиеся беспорядочные движения по сложным траекториям, при этом скорость и плотность в каждой точке интенсивного пучка хаотически изменяются. В отличие от ламинарного при турбулентном движении происходит интенсивное перемешивание слоев электронного потока. Известно, что в гидродинамических потоках турбулентное движение возникает в результате потери устойчивости ламинарного движения, при этом в таких потоках образуются многочисленные вихри различных размеров, вследствие чего характеристики (плотность и скорость) испытывают хаотические флуктуации, изменяющиеся во времени и/или в пространстве. В пучках заряженных частиц турбулентность имеет специфический характер из-за взаимодействия частиц, связанного с дальнодействующими кулоновскими связями. Турбулентность в этом случае представляет сложное движение в системе заряженные частицы-электромагнитное поле и, таким образом, служит проявлением коллективной природы взаимодействия заряженных частиц между собой. Поток в этом случае представляет собой совокупность электронных сгустков (групп электронов - см. фиг.4), при этом в отличие от ламинарного потока, где доминирует только радиальная сила пространственного заряда, здесь имеется и радиальная и продольная компоненты силы пространственного заряда, расширяющие электронный сгусток во всех направлениях, причем внутри самого сгустка скорости электронов имеют всевозможные направления. В процессе торможения мощность таких интенсивных турбулентных электронных потоков тем или иным методом может быть превращена в радиоизлучение.
Формирование турбулентных электронных потоков может быть проведено с использованием:
- электростатических полей и полей пространственного заряда (см. фиг.1);
- магнитных полей и полей пространственного заряда (см. фиг.2);
- комбинированных электростатических, магнитных полей и полей пространственного заряда (см. фиг.3).
Принципиальные схемы перечисленных методов формирования турбулентных электронных потоков изображены на фиг.1-3. Результаты предварительного численного моделирования действия сильного фокусирующего периодического магнитного поля приведены на фиг.5-6. На фиг.5 представлены результаты расчета электронных траекторий, на фиг.6 приведены распределения плотности пространственного заряда в турбулентном электронном потоке. Из представленных фигур видно, что сильное периодическое магнитное поле приводит к дополнительной турбулизации потока, вследствие чего в потоке образуются сгустки пространственного заряда, локализованные в пространстве. Эти сгустки неустойчивы, их положение меняется как в пространстве, так и во времени, и они могут являться причиной возникновения колебаний шумоподобного характера в электронном потоке. В ряде случаев (например, когда предъявляются жесткие требования к весу устройства) для увеличения параметра магнитной фокусировки увеличение амплитуды магнитного поля может вызывать затруднения. В данном случае эффективным способом получения хаотических колебаний с малым перепадом (1-2 дБ) мощности в спектре выходного сигнала является применение совместно с магнитным полем тормозящего электростатического поля в области анод - замедляющая система (см. фиг.3). Вышеуказанный способ позволяет добиваться увеличения параметра магнитной фокусировки при неизменном значении (или его небольшом увеличении) амплитуды магнитного поля. Более того, в данном случае регулировка параметра магнитной фокусировки может происходить значительно легче, посредством изменения только лишь величины потенциала на замедляющей системе.
Таким образом, в сформированных турбулентных электронных потоках наблюдаются локальные уплотнения (сгустки) электронов, цепочки из которых неустойчивы и могут являться источниками широкополосных хаотических колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн малого и среднего уровня мощности.
Заявленный способ может быть применен при создании источников широкополосного и сверхширокополосного хаотического микроволнового излучения, которые могут быть использованы в системах передачи информации, в том числе скрытой (Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. М.: Физматлит, 2002), системах шумовой радиолокации (Залогин Н.В., Кислов В.В. Широкополосные хаотические сигналы в радиотехнических и информационных системах. М.: Радиотехника, 2006), системах защиты информации и радиоэлектронной борьбы, измерительной технике, в промышленности и т.п.
Особенностью предложенного способа генерации хаотических СВЧ-колебаний является то, что предложенный способ может быть легко реализован на стандартных промышленно выпускаемых классических лампах бегущей волны (ЛБВ) за счет изменения системы магнитной периодической фокусировки и/или подачи тормозящего потенциала на электродинамическую систему усиления (ЭДСУ) через ввод энергии. Таким образом, переделывания и изменения внутренней конструкции прибора не происходит.
Ниже приведено пояснение способа реализации генераторов хаотических колебаний (ГХК) на турбулентных потоках с использованием промышленно выпускаемых ЛБВ-усилителей (таблица 1).
| Таблица 1 | |||
| Различные варианты создания генераторов хаоса на основе промышленно выпускаемых ЛБВ | |||
| Тип прибора | Амплитуда магнитного поля | Период магнитного поля | Потенциал замедляющей системы |
| ЛБВ-усилитель | В0 | L0 | U0 |
| ГХК №1 |
|
|
|
| ГХК №2 |
|
|
|
| * ГХК №3 |
|
|
|
| * ГХК №4 |
|
|
|
Где В0, U0, L0 - заводские амплитуда, период МПФС и потенциал замедляющей системы ЛБВ-усилителя соответственно.
В1, U1, L1 - амплитуда, период МПФС и потенциал замедляющей системы генераторов хаотических колебаний.
Варианты, отмеченные символом "*", обладают преимуществом перед другими, так как в этих случаях наблюдается уменьшение токооседания электронного потока на стенки замедляющей системы на 10-15%, что приводит к увеличению выходной мощности.
1. Способ генерирования хаотических высокочастотных и сверхвысокочастотных широкополосных колебаний, характеризующийся тем, что включает формирование ламинарного электронного потока, его преобразование в турбулентный поток путем модуляции за счет воздействия неоднородных электрических и магнитных полей, усиление хаотических широкополосных ВЧ- и СВЧ-колебаний турбулентного электронного потока и их съем через вывод ВЧ- и СВЧ-энергии.
2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что турбулентный электронный поток модулируют с использованием электростатических полей и полей пространственного заряда.
3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что турбулентный электронный поток модулируют с использованием магнитных полей и полей пространственного заряда.
4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что турбулентный электронный поток модулируют с использованием комбинированных электростатических, магнитных полей и полей пространственного заряда.
