УПРАВЛЯЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ВИРТУАЛЬНОМ КАТОДЕ
CONTROLLED GENERATOR ON VIRTUAL CATHODE

Изобретение относится к радиотехнике и электронике сверхвысоких частот, а именно к управляемым устройствам для генерации широкополосных хаотических СВЧ-колебаний среднего уровня мощности и может быть использовано в различных системах радиолокации, радиопротиводействия, системах связи на основе хаотических сигналов, установках промышленного применения, а также в устройствах медицинского назначения.
В электронике сверхвысоких частот существует ряд приборов и устройств, используемых для генерации хаотических шумоподобных колебаний СВЧ-диапазона (Залогин Н.Н., Кислов В.В. Широкополосные хаотические сигналы в радиотехнических и информационных системах. М.: Радиотехника. 2006; Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. В 2-х томах. М.: Физматлит. 2003, 2004; Короновский А.А., Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Методы нелинейной динамики и хаоса в задачах электроники сверхвысоких частот. Т.2. Нестационарные и хаотические процессы. М.: Физматлит. 2009). Среди таких устройств в основном исследуются и разрабатываются источники узкополосных хаотических сигналов на основе систем с различными типами обратной связи - клистронные автогенераторы хаоса на основе усилительных многорезонаторных клистронов с внешней обратной связью (Дмитриев Б.С., Жарков Ю.Д., Кижаева К.К., Клокотов Д.В., Рыскин Н.М., Шигаев А.М. Сложная динамика многорезонаторных клистронных автогенераторов с запаздывающей обратной связью. Известия вузов. Прикладная (нелинейная динамика. 10 (5) (2002) 37-46; Дмитриев Б.С., Жарков Ю.Д., Рыскин Н.М., Шигаев А.М. Теоретическое и экспериментальное исследование хаотических колебаний клистронного автогенератора с запаздыванием. Радиотехника и электроника. 46 (5) (2001) 604-610), лампы обратной волны, в которой обратная связь осуществляется с помощью обратной волны в электродинамической системе (Кузнецов С.П. Нелинейная динамика лампы обратной волны: автомодуляция, мультистабильность, контроль. Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 14 (4) (2006) 3-35; Кузнецов С.П., Трубецков Д.И. Хаос и гиперхаос в лампе обратной волны. Изв. вузов. Радиофизика. XLVII (5-6) (2004) 383), твердотельные СВЧ генераторы шума на основе полупроводниковых усилителей с внешней цепью обратной связи (Кальянов Э.В. Синхронные и стохастические автоколебания в транзисторном генераторе СВЧ с запаздывающей обратной связью при параметрическом воздействии внешней силы // Радиотехника и электроника. 1987, т.32, №4, с.784; Гришин С.В., Гришин В.С., Храмов А.Е., Шараевский Ю.П. Генерация широкополосного хаотического сигнала в автоколебательной системе с нелинейной линией передачи на магнитостатических волнах. ЖТФ. 78 (5) (2008) 89), ЛБВ-генераторы с запаздывающей обратной связью - шумотроны (Кислов В.Я., Мясин Е.А., Залогин Е.Н. Исследование стохастических автоколебательных режимов в автогенераторах с запаздыванием // Радиотехника и электроника, 1979, т.24, №6, с.1118; Кислов В.Я., Мясин Е.А., Залогин Н.Н. О нелинейной стохастизации автоколебаний в электронно-волновом генераторе с задержанной обратной связью. Радиотехника и электроника. 25 (10) (1980) 2160; Дмитриев А.С., Кислов В.Я. Стохастические колебания в радиофизике и электронике. М.: Наука. 1989).
Однако все эти источники хаотического СВЧ-сигнала характеризуются весьма узкой полосой частот шумоподобных колебаний, которая не превышает 20%, а также большой величиной изрезанности спектра. Возникают определенные сложности с эффективным управлением характеристиками хаотической генерации подобных устройств, так как обратная связь в основном позволяет управлять переходом от периодической к хаотической динамике, но не позволяет управлять шириной полосы и спектральным составом излучения в режимах широкополосной генерации. Это является серьезным недостатком подобных устройств, т.к. в приложениях возникает необходимость создания управляемых источников шумоподобных колебаний с шириной полосы частот одна-две октавы и малой изрезанностью спектра генерации.
Одним из решений данной проблемы является создание наборов генераторов узкополосного шумоподобного сигнала, которые настраиваются на различные частотные диапазоны таким образом, чтобы получить необходимую частотную ширину полосы шумоподобного сигнала. Однако такой подход приводит к усложнению конструкции, резкому уменьшению КПД и малой надежности таких устройств. Кроме того, такие схемы невозможно использовать в режимах, когда необходимо управлять спектральным составом широкополосного электромагнитного излучения.
Таким образом, в настоящее время актуальной является разработка устройств широкополосных шумоподобных колебаний с характерной полосой частот одна-две октавы и с возможностью управления спектральным составом излучения.
Наиболее близким к заявляемому является генератор шумоподобного широкополосного СВЧ-сигнала на виртуальном катоде - низковольтный виркатор. Приборы данного типа содержат следующие основные конструктивные элементы: источник электронов, состоящий из термокатода, модулирующей сетки, фокусирующего электрода и анода, выполненного в виде либо сетки, либо фольги, прозрачной для электронного потока, цилиндрическую трубу дрейфа электронного потока, электродинамическую систему, выполненную в виде спирали, и расположенную снаружи трубы дрейфа, одну или две сетки, расположенные внутри трубы дрейфа (сеточный зазор), вывод энергии, а также коллектор, выполненный в виде электрода, расположенного на выходе генератора. Данные приборы относятся к нерелятивистской СВЧ-электронике, способ генерации которых заключается в том, что в сеточный зазор инжектируется интенсивный электронный пучок, формируемый электронной пушкой. Потенциал первой сетки сеточного зазора равен потенциалу анода, на вторую сетку подают тормозящий потенциал. При некоторых критических значениях потенциала второй сетки и тока пучка в электронном потоке имеет место возникновение осциллирующего виртуального катода. В результате в приборе возникает СВЧ-излучение, снимаемое широкополосной электродинамической системой (обычно спиралью или полосковой линией). Такой генератор характеризуется широким сложным спектральным составом излучения, что позволяет рассматривать его как возможный прототип источников шумоподобного излучения (см. патент РФ №2288519, МПК H01J 25/68).
Существенным недостатком низковольтного виркатора является то, что в нем отсутствуют элементы управления спектром генерируемых широкополосных шумоподобных колебаний СВЧ-диапазона. В то время как для многих практических применений необходимо иметь возможность управления режимом, мощностью, полосой частот и изрезанностью спектра СВЧ-колебаний.
Задачей изобретения является создание легко управляемого источника шумоподобных широкополосных (с шириной полосы более октавы) СВЧ электромагнитных колебаний малого и среднего уровня мощности сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн на основе интенсивного электронного пучка в режимах с формированием виртуального катода.
Поставленная задача решается тем, что генератор на виртуальном катоде, содержащий источник электронов, состоящий из последовательно расположенных термокатода, фокусирующего электрода, модулирующей сетки и анода, цилиндрическую трубу дрейфа электронного пучка для формирования в ней виртуального катода, входную сетку, расположенную на входе в трубу дрейфа, коллектор, согласно решению он дополнительно содержит кольцевой магнит, охватывающий трубу дрейфа, механизм для перемещения кольцевого магнита вдоль трубы дрейфа, при этом коллектор выполнен в виде цилиндрического электрода и расположен внутри выходной части трубы дрейфа соосно с ней, образуя коаксиальный вывод мощности.
Технический результат, достигаемый в предложенном генераторе СВЧ с виртуальным катодом, заключается в обеспечении эффективного управления режимом и спектром генерации прибора за счет формирования нестационарного виртуального катода в пространстве взаимодействия в области сильно неоднородного магнитного поля с помощью перемещающегося кольцевого магнита, при этом коаксиальный вывод мощности обеспечивает широкополосный вывод мощности электромагнитного излучения и компактность, необходимую для размещения системы перемещения кольцевого управляющего магнита в области пространства взаимодействия виркатора.
m
1
2
m
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен заявляемый управляемый генератор СВЧ, на фиг.2 - численно полученная карта режимов колебаний в пучке с виртуальным катодом на плоскости параметров «безразмерная координата магнитного кольца z - величина параметра внешнего магнитного поля, создаваемого магнитным кольцом, B», причем P соответствует регулярному режиму динамики виртуального катода в системе, C - слабохаотическому, a C - развитому хаотическому. На фиг.3 и 4 представлены характерные спектры мощности СВЧ-излучения на выходе коаксиального вывода мощности прибора для периодического (фиг.3) и развитого хаотического (фиг.4) режимов динамики виртуального катода. На фиг.5 приведены зависимости интегральной мощности выходного излучения генератора от безразмерной координаты магнитного кольца z для следующих значений безразмерного параметра тока пучка: α=10 (кривая 1), α=20 (кривая 2) и α=30 (кривая 3).
Позициями на чертежах обозначены:
1 - термокатод;
2 - фокусирующий электрод;
3 - модулирующая сетка;
4 - ускоряющий анод;
5 - формируемый электронный пучок;
6 - цилиндрическая труба дрейфа;
7 - входная сетка;
8 - формирующийся виртуальный катод;
9 - коллектор;
10 - коаксиальный вывод мощности;
11 - выходное широкополосное электромагнитное излучение;
12 - кольцевой магнит с механизмом перемещения вдоль трубы дрейфа.
0
Предложенный вакуумный СВЧ-генератор широкополосных шумоподобных колебаний содержит следующие основные конструктивные элементы (фиг.1). В качестве источника аксиально-симметричного электронного пучка (электронного потока) использована электронная пушка, которая включает в себя термокатод 1, фокусирующий электрод 2, модулирующую сетку 3 и анод 4, на который подают ускоряющий потенциал V. После электронной пушки по направлению распространения формируемого ей электронного пучка 5 с начальным разбросом электронов по скоростям расположено пространство взаимодействия, образованное полостью цилиндрической трубы дрейфа 6. На входном и в выходном концах трубы дрейфа расположены соответственно входная сетка 7 и коллектор 9, выполненный в виде цилиндрического электрода, расположенного соосно с трубой дрейфа, образуя совместно с ней коаксиальный вывод мощности 10. Коллектор 9 подключен к источнику тормозящего потенциала для торможения электронного потока в целях формирования нестационарного колеблющегося виртуального катода 8, предназначенного для генерации широкополосных хаотических колебаний. Коллектор 9 предназначен для осаждения на нем отработанного электронного пучка. Вывод генерируемой электромагнитной мощности 11 осуществляется с помощью коаксиального вывода мощности 10. С внешней стороны трубы дрейфа расположен подвижный кольцевой магнит 12, предназначенный для формирования сильно неоднородного магнитного поля в области формирования виртуального катода в пространстве взаимодействия. Положение магнита относительно трубы дрейфа влияет на конфигурацию статического магнитного поля в области формирования виртуального катода.
Устройство работает следующим образом.
торм
Электронная пушка формирует аксиально-симметричный интенсивный электронный пучок, причем модулирующая сетка 3 (см. фиг.1) увеличивает разброс электронов формируемого потока по продольным и поперечным скоростям, что способствует созданию наиболее эффективного виртуального катода и повышает выходную мощность, расширяя полосу генерируемых частот. Далее электронный поток попадает в пространство взаимодействия, образованное цилиндрической трубой дрейфа 6, входной сеткой 7 и коллектором 9, где при определенных (критических) значениях тока пучка и тормозящего потенциала V имеет место возникновение виртуального катода 8, пространственно-временные осцилляции которого приводят к появлению хаотического СВЧ-излучения в системе. В пространстве взаимодействия в области формирования виртуального катода кольцевой магнит 12 создает сильно неоднородное магнитное поле, форма распределения которого влияет на динамику электронного потока с виртуальным катодом и на характеристики выходного излучения. Магнитное кольцо в приборе возможно перемещать вдоль пространства взаимодействия, что позволяет изменять распределение магнитного поля в области виртуального катода и, следовательно, эффективно управлять характеристиками выходного излучения системы: режимом генерации, спектром, выходной мощностью и др. Генерируемый широкополосный хаотический сигнал выходит через бездисперсный коаксиальный вывод мощности 10, который позволяет снять СВЧ-мощность в широкой полосе частот.
m
Как показало численное моделирование подобной схемы, изменение положения магнитного кольца в системе (величины z), приводит к изменению динамики электронного потока с виртуальным катодом в приборе при различных параметрах внешнего магнитного поля кольца В, что позволяет эффективно управлять характеристиками генерации прибора.
m
m
m
Представленные на фиг.2-5 результаты численного моделирования подтверждают возможность и эффективность управления характеристиками излучения в предлагаемом широкополосном хаотическом генераторе. На фиг.2 представлена карта режимов колебаний в пучке с виртуальным катодом на плоскости параметров «безразмерная координата магнитного кольца z - величина параметра внешнего магнитного поля, создаваемого магнитным кольцом, B». Анализируя фиг.2, можно заключить, что изменение амплитуды и конфигурации (за счет изменения характера неоднородности поля в области виртуального катода путем варьирования координаты z кольца) внешнего магнитного поля в области виртуального катода приводит к перестройке режимов колебаний в системе, которые характеризуются различным спектральным составом излучения. Общая тенденция такова, что смещение магнитного кольца в область формирования виртуального катода, то есть реализация в области виртуального катода неоднородного, увеличивающегося с радиусом магнитного поля с большой величиной B увеличивает хаотичность поведения выходного излучения. Это приводит к расширению спектра выходного излучения и уменьшению степени его изрезанности. При положениях z~0.1 магнитного кольца прибор переходит в область регулярной генерации, который наблюдается даже при больших величинах B параметра магнитного поля. Спектр становится узкополосным с ярко выраженной основной гармоникой, соответствующей осцилляциям виртуального катода в системе. На фиг.3 и фиг.4 приведены характерные спектры мощности СВЧ-излучения на выходе коаксиального вывода мощности прибора для периодического и развитого хаотического режимов динамики виртуального катода соответственно.
m
На фиг.5 приведены зависимости интегральной мощности выходного излучения генератора от безразмерной координаты магнитного кольца z для различных значений безразмерного параметра тока пучка. Из данных зависимостей следует, что величина выходной мощности сильно зависит от положения магнитного кольца в системе, и существует оптимальная позиция магнитного кольца, при которой выходная мощность максимальна. Данный эффект позволяет эффективно управлять мощностью выходного излучения в приборе путем перемещения магнитного кольца.
Таким образом, с помощью предложенного генератора существует возможность получения СВЧ-излучения с управляемыми характеристиками: от широкополосного шумодобного сигнала с шириной полосы более октавы и малой степенью изрезанностью спектра до узкополосного СВЧ излучения, чем достигается решение поставленной задачи.