КОЛЬЦЕВОЙ АВТОГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКИХ СВЧ ИМПУЛЬСОВ РАЗЛИЧНОЙ СКВАЖНОСТИ НА ОСНОВЕ МАГНОННОГО КРИСТАЛЛА

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в качестве источника электромагнитных хаотических импульсов сверхвысоких частот (СВЧ).
Известен широкополосный генератор хаотических сигналов диапазона СВЧ, который представляет собой последовательно соединенные широкополосный СВЧ усилитель, направленный ответвитель и нагрузку, а также цепь обратной связи, включенную между другим выходом направленного ответвителя и входом широкополосного СВЧ усилителя и содержащую нелинейный элемент, выполненный в виде перестраиваемого магнитным полем широкополосного нелинейного полосно-пропускающего фильтра на магнитостатических волнах (МСВ), имеющего падающий участок на амплитудной характеристике и одновременно обеспечивающего задержку сигнала, циркулирующего в цепи обратной связи (см. патент РФ №2332780, МПК Н03В 29/00). Данный генератор обеспечивает одновременное возбуждение большого числа собственных мод, спектр которых является хаотизированным за счет параметрических процессов первого порядка. Перекрытие спектров мод за счет наличия падающего участка на амплитудной характеристике нелинейного полосно-пропускающего фильтра на поверхностной МСВ (ПМСВ) приводит к формированию сигнала с практически непрерывным спектром в широкой полосе частот.
Одновременное возбуждение в таком генераторе большого числа собственных мод не дает возможности сформировать во временной области стационарную последовательность хаотических СВЧ импульсов. Конструктивно это связано с отсутствием у рассматриваемого аналога в цепи обратной связи резонатора, позволяющего выделить одну собственную кольцевую моду и способного изменять закон дисперсии и нелинейности всего кольца в целом в узкой полосе частот.
Наиболее близким к предлагаемому решению является генератор хаотических СВЧ импульсов, который представляет собой последовательно соединенные СВЧ усилитель, направленный ответвитель и нагрузку, а также цепь обратной связи, включенную между другим выходом направленного ответвителя и входом СВЧ усилителя и содержащую резонатор и перестраиваемую магнитным полем дисперсионную линию задержки с ферритовой пленкой при возбуждении в ней магнитостатических волн, являющуюся одновременно нелинейным элементом (см. патент РФ №2386204, МПК Н03В 29/00). Наличие у МСВ, распространяющейся в ферритовой пленке, дисперсии и нелинейности, а также использование в кольце резонатора, способного изменять закон дисперсии и нелинейности всего кольца в целом в узкой полосе частот, приводит к генерацию в кольце стационарной последовательности хаотических СВЧ импульсов.
Однако в данном генераторе хаотических СВЧ импульсов не удается осуществить управление скважностью генерируемых импульсов из-за отсутствия синхронизации частот автомодуляции спиновых волн при изменении коэффициента усиления кольца.
Задачей полезной модели является осуществление управления скважностью СВЧ импульсов за счет изменения коэффициента усиления кольцевого автогенератора.
Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет управления скважностью СВЧ импульсов.
Поставленная задача решается тем, что кольцевой автогенератор, содержащий последовательно соединенных в кольцо СВЧ усилитель мощности, линейный резонатор и нелинейную дисперсионную линию задержки на основе ферритовой пленки, согласно решению на одной стороне ферритовой пленки сформирована периодическая структура в виде чередующихся слоев ферритовой пленки разной толщины вдоль направления распространения в пленке поверхностной магнитостатической волны; автогенератор содержит переменный аттенюатор, размещенный между линейным резонатором и нелинейной дисперсионной линией задержки; резонансная частота объемного резонатора настроена на центральную частоту первой запрещенной зоны периодической ферромагнитной структуры.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено схематическое изображение кольцевого автогенератора на основе магнонного кристалла (МК), на фиг.2 - схематическое изображение нелинейной дисперсионной линии задержки, выполненной на основе одномерного МК, на фиг.3 - схема ферромагнитной структуры с периодическими неоднородностями (магнонный кристалл), на фиг.4 - зависимость уровня выходной мощности от уровня входной мощности СВЧ сигнала, проходящего через МК на центральной частоте первой запрещенной зоны, на фиг.5 - спектры мощности и временные реализации квазипериодических последовательностей хаотических СВЧ импульсов, генерируемых при различных значениях коэффициента усиления кольца. Позициями на чертежах обозначены:
1 - блок усиления мощности;
2 - направленный ответвитель;
3 - нагрузка;
4 - резонатор;
5 - переменный аттенюатор;
6 - нелинейная дисперсионная линия задержки с магнонным кристаллом;
7 - входная микрополоска линии задержки;
8 - выходная микрополоска линии задержки;
9 - диэлектрическая подложка;
10 - металлизированное отверстие;
11 - металлический экран;
12 - магнонный кристалл.
MCB
MCB
В нелинейной дисперсионной линии задержки ферритовая пленка, согласно предлагаемому решению, выполнена в виде одномерного магнонного кристалла (МК), представляющего собой ферритовую пленку, на одной стороне которой сформирована периодическая структура вдоль направления распространения в пленке поверхностной МСВ (ПМСВ). Данный МК обладает полосами режекции (запрещенными зонами) для определенных волновых чисел МСВ k, удовлетворяющих условию Брэгга (k=nπ/L, где L - период структуры, n - целое число). В условиях существования параметрических процессов первого порядка для ПМСВ на частоте первой запрещенной зоны при уровнях мощности входного СВЧ сигнала выше порога параметрических процессов первого порядка наблюдается уменьшение ослабления сигнала большого уровня мощности, проходящего через МК, по сравнению с СВЧ сигналом малого уровня мощности. Данный эффект приводит к пассивной синхронизации частот автомодуляции спиновых волн и к генерации квазипериодических последовательностей хаотических СВЧ импульсов, которые остаются стационарными при изменении коэффициента усиления кольца. В свою очередь, варьируя значение коэффициента усиления, можно управлять длительностью и периодом следования импульсов, а, следовательно, и их скважностью.
Таким образом, в известном генераторе хаотических СВЧ импульсов нелинейная дисперсионная линия задержки выполнена на основе однородной ферритовой пленки. В основе конструкции предлагаемого генератора хаотических СВЧ импульсов лежит нелинейная дисперсионная линия задержки, выполненная на основе одномерного МК.
Предлагаемый автогенератор хаотических СВЧ импульсов, изображенный на фиг.1, содержит блок усиления мощности 1, линейный резонатор 4, переменный аттенюатора 5 и нелинейную дисперсионную линию задержки на основе одномерного МК 6. Необходимо чтобы коэффициент усиления превышал суммарные потери на центральной частоте первой запрещенной зоны, поэтому блок усиления может состоять из одного СВЧ усилителя большой мощности или двух последовательно соединенных усилителей меньшей мощности на GаАs полевых транзисторах. Полоса частот объемного резонатора выбирается таким образом, чтобы она полностью попадала в полосу частот первой запрещенной зоны. Большая часть СВЧ сигнала с выхода блока усиления 1 через направленный ответвитель 2 попадает в нагрузку, а меньшая часть - в кольцо. Уровень мощности сигнала в кольце регулируют переменным аттенюатором 5.
Нелинейная дисперсионная линия задержки (фиг.2), выполненная на основе одномерного МК, состоит из двух микрополосковых линий - экранированной с одной стороны диэлектрической подложки с нанесенными на ее противоположную сторону двумя микрополосками (входной и выходной), и ферритовой пленки, на одной стороне которой сформирована одномерная периодическая структура (фиг.3). Ферритовая пленка расположена над входной и выходной микрополосками и прижата к ним той стороной, на которой сформирована периодическая структура. Свободные концы обеих микрополосок заземлены, т.е. соединены через сквозные металлизированные отверстия с проводящим экраном. Микрополоски параллельны между собой, сдвинуты друг относительно друга и перекрываются пленкой по всей ее ширине, при этом расстояние между микрополосками должно быть не более длины ферритовой пленки. Направление внешнего постоянного магнитного поля устанавливается таким, чтобы в ферритовой пленке возбуждалась ПМСВ, обладающая нормальным законом дисперсии и осуществляющая передачу сигнала от входной микрополоски к выходной и его задержку. При этом в ферритовой пленке должны наблюдаться параметрические процессы первого порядка, обусловливающие формирование узкополосного хаотического сигнала.
В отличие от генераторной схемы, предложенной в патенте РФ №2386204, МПК Н03В 29/00, в котором была рассмотрена однородная ферромагнитная пленка, использование МК позволит обеспечить пассивную синхронизацию частот автомодуляции спиновых волн, возникающих за счет параметрических процессов первого порядка, и управление скважностью генерируемых СВЧ импульсов за счет изменения коэффициента усиления кольца. При этом резонансная частота объемного резонатора должна быть настроена на центральную частоту первой запрещенной зоны магнонного кристалла.
вых
вх
вх
вх
пор1
вх
пор1
вх
пор2
вх
пор2
вх
пор3
Для осуществления пассивной синхронизации частот автомодуляции спиновых волн необходимо наличие участка с насыщающимся поглощением на зависимости выходной мощности Р от входной Р нелинейной дисперсионной линии задержки на основе одномерного МК. На фиг.4 этому участку соответствует область III. Всего на этой зависимости можно выделить четыре характерные области в зависимости от уровня Р. Первая область наблюдается при P<P=-19.5 дБмВт и соответствует линейному режиму работы линии задержки. При Р≥Р (область II) в линии возникают дополнительные нелинейные потери, обусловленные параметрическими процессами первого порядка для ПМСВ и достигающие максимального значения при P=P=-2.5 дБмВт. Это приводит к ограничению уровня выходной мощности и к появлению участка с отрицательным наклоном. При Р>Р наблюдается третья область, соответствующая участку с положительным наклоном, на котором уровень ослабления СВЧ сигнала с увеличением его входной мощности уменьшается (эффект насыщающегося поглощения СВЧ сигнала) и при Р>Р=+9.1 дБмВт (область IV) становится постоянным, но остается большим по величине, чем в линейном режиме.
R
R
вх
пор2
R
вх
r
имп
имп
r
имп
вх
имп
к
R
вх
имп
к
R
Мощность сигнала на входе нелинейной дисперсионной линии задержки с магнонным кристаллом должна соответствовать области III на фиг.4. Регулировка мощности сигнала в кольце осуществляется переменным аттенюатором, что приводит к изменению коэффициента усиления кольца G, который представляет собой разницу между коэффициентом усиления усилителя и общим уровнем потерь в кольце. На фиг.5 приведены спектры мощности и временные реализации СВЧ сигнала, измеренные при различных значениях G при Р>Р. При G=14.2 дБ (фиг.5а) при Р=+4.9 дБмВт (см. область III на фиг.4) спектр хаотического СВЧ сигнала расширяется и занимает полосу частот ~40 МГц. В этом случае во временной области наблюдается формирование квазипериодической последовательности СВЧ импульсов с периодом следования τ=1.4÷1.5 мкс. При этом длительность импульсов T, измеренная по половинному уровню от максимального значения СВЧ сигнала, составляет величину T~0.7 мкс, а скважность q=τ/Т~2. С ростом уровня интегральной мощности на входе линии задержки (Р=+5.6 дБмВт, см. фиг.5б) наблюдается увеличение длительности СВЧ импульсов (Е~4 мкс) и периода их следования (τ=5.5÷6 мкс), что указывает на уменьшение скважности до п~1.5. Последующее увеличение G к (P=+8.4 дБмВт, фиг.5в) приводит к увеличению длительности СВЧ импульсов до Е=49.7 мкс и периода их следования до τ=51.4 мкс, что обусловливает уменьшение скважности до q=1.03. При G=17.4 дБ в системе генерируется СВЧ сигнал близкий к монохроматическому.
Таким образом, использование в кольцевом автогенераторе линии задержки на основе МК дает возможность управлять скважностью СВЧ импульсов, изменяя коэффициент усиления автогенератора.