ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ГЕНЕРАТОР ШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ СВЧ КОЛЕБАНИЙ НА ТУРБУЛЕНТНЫХ ПУЧКАХ

Полезная модель относится к области СВЧ электроники и предназначена для генерации хаотических широкополосных сигналов средней мощности.
Заявляемое устройство может быть использовано в радиолокации, связи, измерительной технике, медицине для обеспечения широкополосного воздействия на биологически активные точки, в химической промышленности и т.п.
В настоящее время перспективным направлением в развитии СВЧ электроники является создание источников СВЧ излучения с малой изрезанностью спектра и широкой полосой генерируемых частот (порядка 1-2 октавы). Такие приборы находят большое применение в связи, радиолокации, измерительной техники, медицине для обеспечения широкополосного воздействия на биологически активные точки. Отличительным свойством некоторых таких генераторов является возможность перестройки режимов генерации от монохроматического до широкополосного хаотического сигнала.
Известны различные способы и устройства, предназначенные для формирования (генерирования) широкополосных СВЧ хаотических сигналов. Так, например, известен электровакуумный прибор СВЧ-диапазона с возможностью генерации как широкополосного шумоподобного сигнала с шириной спектра до 2 октав, так и одночастотного сигнала, с возможностью перестройки частоты генерации (см. патент РФ №2288518, МПК H01J 25/00). Устройство работает таким образом, что электронный пучок формируется источником электронов и проходит через область электродинамической системы, где под действием электромагнитного поля электродинамическая система усилиления (ЭДСУ) группируется, а затем из области ЭДСУ попадает в коллектор-генератор. Далее в коллекторе-генераторе отработанный электронный пучок попадает в область тормозящего поля, образованного разностью потенциалов V2 и V1 и создает виртуальный катод, пространственно-временные колебания которого регистрируются отрезком электродинамической системы коллектора-генератора (ЭДСК) с выводом энергии. Сигнал, снимаемый отрезком ЭДСК, с элемента вывода энергии по цепи связи поступает на вход усилителя, где происходит усиление этого сигнала в ЭДСУ. Далее полученный усиленный сигнал выводится из прибора через элемент вывода энергии ЭДСУ.
Однако эта схема достаточно сложна. Такой генератор имеет большие размеры и не позволяет получить широкополосные сигналы средней и высокой мощности без внешней цепи обратной связи.
Наиболее близким к заявляемому устройству является СВЧ генератор широкополосных шумоподобных колебаний на виртуальном катоде (см. патент РФ №48672, МПК H01J 25/68), содержащий источник электронов, ускоряющий электрод, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, элемент широкополосной электродинамической системы ввода высокочастотной энергии, расположенный между источником электронов и ускоряющей сеткой. Данный прибор способен генерировать сигналы с шириной полосы частот до 2 октав, при этом он способен демонстрировать различные режимы генерации.
Однако прибор имеет ряд недостатков, а именно низкий уровень выходной мощности (200 мВт) и малый КПД (1,5-2%). Поэтому является не эффективными в использовании для ряда приложений, где требуются мощности генерируемых сигналов высокого уровня (порядка 100 Вт).
На основе сказанного можно сделать вывод, что, несмотря на большую ширину полосы генерируемого сигнала и на возможность перестройки режима генерации, низковольтные виркаторы являются не эффективными в использовании для ряда приложений, где требуются мощности генерируемых сигналов высокого уровня (порядка 100 Вт).
Задачей данного технического решения, является создание такого генератора широкополосных СВЧ хаотических сигналов, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующих аналогов и обеспечить получение широкополосных хаотических СВЧ сигналов с малой неравномерностью спектральной характеристики и высоким уровнем выходной мощности в простой схеме без использования внешней цепи обратной связи.
Технический результат, достигаемый в предложенном широкополосном генераторе хаотических СВЧ колебаний, состоит в том, что существует возможность перестройки режима генерации от монохроматического сигнала до хаотического широкополосного сигнала, получение сигналов средней и высокой мощности выходного сигнала без использования внешней цепи обратной связи. Возможность изменения режима генерации и увеличение выходных характеристик в данном генераторе делают его многофункциональным, что позволяет применить его для широкого круга приложений.
Поставленная задача решается тем, что перестраиваемый генератор широкополосных хаотических СВЧ колебаний, содержащий электронную пушку, съемник энергии, коллектор, согласно решению в него дополнительно введены секция модуляции электронного пучка, представляющая собой полый цилиндрический проводящий элемент, окруженный магнитными кольцами, и секция усиления с электродинамической системой усилителя, при этом секция модуляции электронного пучка выполнена с возможностью формирования в ней турбулентного электронного пучка за счет подачи тормозящего потенциала К на электродинамическую систему секции усиления:
эдс
0
K=1-U/U.
эдс
0
где U - потенциал на электродинамической системе усилителя, U - ускоряющее напряжение.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок схема генератора широкополосных хаотических СВЧ колебаний, на фиг.2 - схематично представлен заявляемый генератор СВЧ, на фиг.3 изображен спектр шумоподобных СВЧ, колебаний при K=0,4, на фиг.4 представлен спектр шумоподобных СВЧ колебаний при К=0.6, на фиг.5 представлено количество сгустков плотности пространственного заряда при К=0.4, на фиг.6 - количество сгустков плотности пространственного заряда при К=0.4,
где
1 - секция электронной пушки;
2 - секция модуляции электронного пуча;
3 - секция усиления;
4 - коллектор;
5 - катод;
6 - система электродов;
7 - анод;
8 - электронный пучок;
9 - ввод энергии;
10 - поглотитель;
11 - вывод энергии (съемник энергии);
12 - ЭДСУ.
Перестраиваемый генератор широкополосных хаотических СВЧ колебаний на турбулентных пучках состоит из последовательно соединенных секции формирования электронного пучка (электронной пушки) 1, секции модуляции электронного пучка 2, секции усиления модулированного электронного пучка 3 и коллектора 4.
В качестве источника аксиально-симметричного формирования электронного пучка используется электронная пушка 1, которая включает в себя катод 5, фокусирующий электрод 6 и анод 7.
Секция модуляции 2 представляет собой цилиндрическую проводящую трубу с умеренным неоднородным внешним магнитным полем, создаваемым магнитными кольцами, расположенными по длине этой секции, и тормозящим электростатическим полем, создаваемым за счет подачи тормозящего потенциала на ЭДСУ 12.
Секция усиления 3 содержит ЭДСУ 12 нагруженную на поглотитель 10 с вводом 9 и выводом 11 энергии и коллектор 4, при этом элемент вывода ЭДСУ не соединен с элементом ввода.
Принцип работы устройства следующий.
эдс
Электронный пучок 8 формируется электронной пушкой 1. Он инжектируется в секцию модуляции 2. Под действием внешнего умеренного неоднородного магнитного поля и тормозящего электростатического поля электронный пучок 8 становится турбулентным, состоящим по длине из отдельных сгустков пространственного заряда. Тормозящее электростатическое поле создается за счет подачи потенциала U на ЭДСУ 12 через ввод энергии 9. Создаваемый электронный пучок 8 можно назвать промодулированным по плотности и скорости. Промодулированный таким образом электронный пучок 8 попадает в область ЭДСУ 12 и возбуждает ее. Затем из области ЭДСУ 12 отработанный пучок попадает в коллектор 4. Полученный сигнал выводится из прибора через элемент вывода энергии ЭДСУ 11. Режим генерации в приборе, регулируется потенциалом на ЭДСУ. Увеличивая тормозящий потенциал, возможно постепенное увеличение степени модуляции электронного пучка 8, а вместе с тем и изменение спектра генерируемого сигнала от монохроматического до хаотического широкополосного.
эдс.
0
эдс
0
В генераторе широкополосных хаотических СВЧ колебаний с помощью магнитных колец, расположенных в секции модуляции пучка, создается умеренное неоднородное магнитное поле, на электродинамическую систему подается потенциал U, который меньше чем ускоряющее напряжение U. Введенная дополнительная секция (секция модуляции электронного пучка) 2 выполнена с возможностью формирования в ней турбулентного электронного пучка за счет увеличения тормозящего потенциала K=1-U/U. Турбулентный электронный пучок 8 состоит по длине из отельных сгустков пространственного заряда. Такой пучок можно назвать промодулированным по плотности и скорости. Воздействие тормозящего электрического поля на такой промодулированный пучок приводит к дополнительной турбулизации, что может являться причиной возникновения излучения ВЧ и СВЧ диапазона. Известны работы [Афанасьев В.И., Лукин К.А., Ракитянский В.А., Возбуждение хаотических колебаний в ЛОВО неламинарными электронными пучками // Радиофизика и электроника. Национальная академия Украины, 1997, Т.2, №1. С 115-118], в которых детально показана возможность применения неламинарного электронного пучка для возбуждения шумовых колебаний в ЛОВО миллиметрового диапазона. Надо заметить, что турбулентность в электронном пучке связанна с неустойчивостью и высокой неламинарностью. Устойчивость электронных пучков в магнитном поле удобно характеризовать параметром магнитной фокусировки α [см. Алямовский И.В. // Интенсивные электронные потоки. Уч-изд. М. 1991]:
0
где В - амплитуда магнитного поля, L - период магнитного поля, U - ускоряющее напряжение. Таким образом, если зафиксировать амплитуду и период магнитного поля, но менять потенциал, стоящий в знаменателе, возможна потеря устойчивости электронного пука. При α>>1 пучок становиться существенно неламинарным (турбулентным). Изменение напряжения является эффективным способом получения турбулентного пучка с точки зрения конструктивной реализации, поскольку менять амплитуду и период магнитного поля для имеющийся конструкции прибора очень сложно и это требует зачастую изменения конструкции самого прибора. Изменяя напряжение, подаваемое на ЭДСУ. возможно, тем самым, перестраивать генератор на различные режимы генерации.
Особенностью генератора по настоящей полезной модели является то, что перестройка осуществима достаточно простым и эффективным способом, не требующим принципиальной перестройки имеющейся конструкции прибора. Дополнительной особенностью предложенного генератора является то, что существует возможность также усиления генерируемых колебаний без использования внешней цепи обратной связи, так что уровень выходной мощности достигает значения порядка 20 Вт, при этом технический КПД прибора достигает до значения 23%.
эдс
0
Как показали численное и экспериментальное исследования данной схемы, изменяя величину K=1-U/U в области модуляции электронного пучка, существует возможность управлять шириной полосы генерируемых частот СВЧ колебаний. Представленные на фиг.3 спектры выходного сигнала показывают, что при малом К генерируются колебания близкие к периодическим (фиг.3), а при К=0.6 колебания носят хаотический широкополосный характер (фиг.4). Подобные результаты получены на основе численной схемы данного прибора. На фиг.5 и 6 показано количество сгустков пространственного заряда при различных значениях тормозящего потенциала К. Видно, что при малом торможении K=0.1 (фиг.5) в распределении сгустков пространственного заряда есть выраженный максимум. На фиг.6 К=0.5 распределение сгустков уже имеет более однородный вид, без ярко выраженных максимумов. Приведенные в таблице 1 данные, полученные в результате экспериментального исследования, показывают, что мощность генератора может достигать значения 20 Вт, при этом технический КПД достигает величины 23%, а электронный КПД - величины 17%.
Таблица 1.
К
Р, Вт
η<sub>т</sub>, %
η<sub>э</sub>, %
0,4
3,02
18,1
11
0,6
14,7
23
17
0,8
4,2
11,2
7
т
где η - технический КПД
э
η - электронный КПД.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет генерировать сигналы с широкой полосой частот и достаточно высоким уровнем выходной мощности. При этом перестройка режима генерации возможна при использовании простого и эффективного метода увеличения тормозящего потенциала.
Предложенный генератор может быть реализован практически на обычных промышленных классических лампах бегущей волны (ЛБВ) (см. Трубецков Д.П., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. T.1. М.: Физматлит, 2003), за счет изменения системы магнитной периодической фокусировки и подачи тормозящего потенциала на ЭДСУ через ввод энергии.