СВЧ ГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА НА ВИРТУАЛЬНЫХ КАТОДАХ

Полезная модель относится к нерелятивистской электронике сверхвысоких частот (СВЧ), а именно к устройствам для генерирования широкополосных хаотических СВЧ колебаний среднего и малого уровней мощности и может быть использована в различных системах радиолокации, радиопротиводействия, системах связи на основе хаотических сигналов, установках промышленного применения, а также в устройствах медицинского назначения.
В СВЧ электронике существует ряд устройств, используемых для генерации хаотических шумоподобных колебаний, так называемые генераторы хаоса (Афанасьев В.В., Трубецков Д.И. Динамический хаос в электронных сверхвысокочастотных приборах. Ч.I. Вакуумные нерелятивистские приборы. Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. - вып.3 (1614). - 1991 - 40 с. - ч.II. Приборы релятивисткой электроники. - вып.4 (1615) - 1991 - 32 с.), 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. - N 6. - с.1118), нерелятивистские приборы с виртуальным катодом (Калинин Ю.А., Короновский А.А., Храмов А.Е., Егоров Е.Н., Филатов Р.А. Экспериментальное и теоретическое исследование хаотических колебательных явлений в нерелятивистском электронном потоке с виртуальным катодом. Физика плазмы. 31, 11 (2005) 1009-1025; Патент на полезную модель РФ N 48672, МПК: H 01 J 25/68) и твердотельные СВЧ генераторы шума (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).
Однако все эти источники хаотического СВЧ сигнала характеризуются весьма узкой полосой частот хаотических колебаний, которая не превышает 20%, значительными габаритными размерами и высокими напряжениями, которые требуются для питания генераторов. Все это является серьезными недостатками подобных устройств, т.к. в ряде приложений возникает необходимость создания миниатюрных низковольтных источников хаотических колебаний с шириной полосы частот одна-две октавы, в частности, при
использовании подобных источников хаотического сигнала в информационно-телекоммуникационных устройствах и системах.
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, увеличению ее габаритных размеров, увеличению мощности источников питания и уменьшению надежности устройств. Кроме того, такие схемы невозможно использовать в режимах, когда необходимо управлять спектральным составом излучения.
Таким образом, в настоящее время актуальной является разработка малогабаритных низковольтных устройств широкополосных шумоподобных колебаний с характерной полосой частот одна-две октавы и с возможностью управления спектральным составом излучения.
0
Наиболее близким к заявляемому является вакуумный нерелятивистский генератор широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний на виртуальном катоде (низковольтный виркатор), в котором в качестве источника аксиально-симметричного нерелятивистского электронного пучка используется электронная пушка, которая включает в себя термокатод, фокусирующий электрод, модулирующую сетку и анод, на который подается ускоряющий потенциал V. После электронной пушки электронный пучок с начальным разбросом электронов по скоростям попадает в пространство взаимодействия между входным электродом являющимся одновременно дополнительным электродом-рекуператором, и коллектором-рекуператором. В пространстве взаимодействия размещается отрезок широкополосном электродинамической системы (ОШЭС), применяемый для вывода генерируемого СВЧ сигнала в широком диапазоне частот. ОШЭС нагружен на поглощающую вставку и вывод энергии. Отработанный электронный пучок осаждается на коллекторе-рекуператоре. В промежутке между входным электродом и коллектором, между которыми подается тормозящая электроны разность потенциалов, образуется нестационарный виртуальный катод, колебания которого являются источником хаотического СВЧ сигнала. Такой прибор характеризуется полосой частот одна-две октавы и возможностью управления спектральным составом излучения (Калинин Ю.А., Храмов А.Е., Трубецков Д.И., Егоров Е.Н. СВЧ генератор на виртуальном катоде: Патент на полезную модель N 46884, МПК: H 01 J 25/68).
Однако, для работы нерелятивистского виркатора необходимо использование больших напряжений питания (в пределах 2-20 кВ). Длина такого прибора, включая длину пространства взаимодействия и протяженность электронной пушки, формирующей
пучок электронов, достаточно велика. Следует так же отметить, что в данном приборе используется источник внешнего фокусирующего электроны магнитного поля, что также значительно увеличивает габаритные размеры устройства.
Задачей данного технического решения является создание миниатюрного низковольтного источника управляемых широкополосных (с шириной полосы частот более октавы) шумоподобных колебаний малого уровня мощности сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн на основе встречных нерелятивистских электронных пучков в режимах с формированием виртуальных катодов.
Технический результат, заключается в создании СВЧ генератора хаотического широкополосного сигнала на виртуальных катодах, характеризующегося значительно меньшими размерами (миниатюризация) прибора, а также снижением требуемых напряжений питания генератора на виртуальном катоде с одновременной возможностью управления шириной полосы генерируемых хаотических колебаний. В реализованном приборе конструкция такова, что нестационарные виртуальные катоды формируются во встречных нерелятивистских пучках, формируемыми двумя катодами, находящимися в пространстве взаимодействия.
Поставленная задача решается тем, что СВЧ генератор хаотического широкополосного сигнала на виртуальных катодах, содержащий источник электронов в виде термокатода, ускоряющий анод и электродинамическую систему с выводом энергии, согласно техническому решению, дополнительно содержит второй термокатод, расположенный соосно первому с возможностью создания встречных электронных потоков, при этом ускоряющий анод расположен между термокатодами в центральной части и выполнен в виде диафрагмы с возможностью формирования виртуальных катодов в пространстве между ускоряющим анодом и термокатодами. При этом электродинамическая система выполнена в виде двух отрезков электродинамических систем, располагающихся в пространствах между катодами и ускоряющим анодом. При этом электродинамическая система может быть выполнена в виде двух отрезков спиральной замедляющей системы или в виде двух отрезков коаксиальной линии или в виде двух полосковых линий. Выводы энергии на нагрузку выполнены в виде коаксиальной линии передач.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично представлен заявляемый СВЧ генератор. Позициями на чертежах обозначены: 1 - нерелятивистские электронные пучки, 2 - термокатоды, 3 - ускоряющий анод в виде диафрагмы, 4 - отрезки широкополосных электродинамических систем (ОШЭС), 5 - поглощающие вставки на
концах ОШЭС, 6 - выводы энергии, 7 - виртуальные катоды, формирующиеся во встречных электронных пучках.
Предложенный вакуумный нерелятивистский СВЧ генератор широкополосных хаотических колебаний содержит следующие основные конструктивные элементы (фиг.1). В качестве источников аксиально-симметричных электронных пучков 1 используются источники электронов, которые включают в себя термокатоды 2. Устройство содержит также ускоряющий анод 3, выполненный в виде диафрагмы, два широкополосных отрезка электродинамической системы 4 (ОЭС), применяемые для вывода генерируемой высокочастотной мощности. ОЭС нагружены на поглощающую вставку 5 и вывод энергии 6. При этом термокатоды 2 расположены зеркально симметрично относительно ускоряющего анода 3, а широкополосные отрезки электродинамической системы 4 (ОЭС) расположены в пространстве взаимодействия между катодами и анодом с возможностью формирования виртуальных катодов.
Устройство работает следующим образом.
В отверстие диафрагмы инжектируются два встречных электронных пучка 1, формируемых термокатодами 2 и ускоряющим анодом в виде диафрагмы 3 (см. фиг.1), на который подается потенциал больше естественного. Анод увеличивает разброс электронов по продольным и поперечным скоростям, что способствует созданию наиболее эффективного виртуального катода и повышает выходную мощность, расширяя полосу генерируемых частот. При увеличении ускоряющего потенциала анода при некотором критическом значении потенциала в электронном пучке имеет место возникновение виртуальных катодов 7 (см. фиг.1), колебания которых во времени и пространстве модулируют электронный пучок по скорости и плотности, причем часть электронов отражается от виртуального катода обратно к диафрагме. В результате в системе возникают хаотические колебания, ширина полосы и мощность которых зависит от потенциала диафрагмы. Для вывода широкополосного хаотического сигнала используется два ОШЭС 4, которые позволяют снять СВЧ мощность в полосе частот более двух октав. Формирование нестационарных колеблющихся виртуальных катодов в такой двухпотоковой схеме наблюдается при напряжения на порядок меньших, чем в прототипе без использования внешних фокусирующих электроны магнитных полей. Также использование двухпотоковой схемы позволяет значительно уменьшить продольную длину системы за счет формирования виртуальных катодов непосредственно в пространстве источника электронных потоков, исключив из прибора специальное пространство взаимодействия, располагавшееся в прототипе между анодом, входным электродом и коллектором.
Был изготовлен СВЧ генератор хаотического широкополосного сигнала на виртуальных катодах, который характеризовался следующими параметрами
Параметры устройства
Величина
Длина прибора
50 мм
Радиус спирали
25 мм
Радиус отверстия диафрагмы
15 мм
Радиус катода
5 мм
Потенциал диафрагмы
100-2000 В
Ток пучка
40-700 мА
В заявляемом устройстве реализована возможность управления как мощностью хаотических СВЧ колебаний, так и шириной полосы частот путем изменения ускоряющего потенциала диафрагмы.
Таким образом, с помощью предложенного генератора существенно снижено напряжение питания прибора, при котором формируется виртуальный катод, уменьшены габаритные размеры прибора, при этом получено широкополосное шумоподобное СВЧ излучение с шириной полосы более октавы.