ГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ НА ВИРТУАЛЬНОМ КАТОДЕ
GENERATOR OF CHAOTIC RADIO PULSES ON VIRTUAL CATHODE

Изобретение относится к радиотехнике и электронике сверхвысоких частот, а именно к устройствам для генерации последовательностей импульсов с хаотическим СВЧ заполнением среднего и большого уровня мощности, и может быть использовано в различных системах радиолокации и системах связи на основе хаотических сигналов.
В сверхвысокочастотной 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.). Это, в первую очередь, 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) 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), клистронные генераторы хаоса (Дмитриев Б.С., Жарков Ю.Д., Рыскин Н.М., Шигаев А.М. Теоретическое и экспериментальное исследование хаотических колебаний клистронного генератора с запаздыванием. Радиотехника и электроника. 46 (5) (2001) 604; Shigaev A.М., Dmitriev В.S., Zharkov Y.D., Ryskin N.М. Chaotic dynamics of delayed feedback klystron oscillator and its control by external signal. IEEE Transactions on Electron Devices. 52 (5) (2005) 790-797).
Все эти источники хаотического СВЧ сигнала характеризуются непрерывной генерацией хаотических СВЧ колебаний. В настоящее время вызывает значительный интерес создание генераторов хаотических радиоимпульсов СВЧ диапазона для использования их в системах прямохаотической передачи данных (Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. М.: Физматлит. 2002; Дмитриев А.С., Кузьмин Л.В., Юркин В.Ю. Сверхширокополосные беспроводные сенсорные сети на основе хаотических радиоимпульсов. Изв. ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика, 2009, т.17, №4, с.90-104; Короновский А.А., Москаленко О.И., Храмов А.Е. О применении хаотической синхронизации для скрытой передачи информации. Успехи физических наук. 179 (12) (2009) 1281-1310). Известны генераторы хаотических радиоимпульсов (Атанов Н.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Максимов Н.А. Формирование хаотических радиоимпульсов в генераторе с внешним периодическим воздействием. Письма в ЖТФ. 32 (15) (2006) 1-6; Ефремова Е.В. "Генераторы хаотических колебаний радио и СВЧ диапазона", Успехи современной радиоэлектроники, 2008, №1, С.17-3; Атанов Н.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В. Неавтономный генератор хаотических радиоимпульсов. Радиотехника и электроника, 2006, т.51, №12, с.1454-1464).
Однако все они основаны на использовании неавтономных режимов работы генераторов и модуляции их параметров внешних сигналов, что усложняет их конструкцию и требует дополнительных генераторов в устройствах передачи данных. Одновременно все эти устройства основаны на полупроводниковых элементах, что делает их маломощными источниками последовательности СВЧ хаотических импульсов. Это является серьезным недостатком подобных устройств, т.к. в ряде приложений возникает необходимость создания мощных автономных источников последовательностей хаотических радиоимпульсов.
Таким образом, в настоящее время актуальным является разработка устройств для генерации последовательностей хаотических радиоимпульсов 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 и фокусирующего электрода, анод, выполненный в виде либо сетки, либо фольги, прозрачной для электронного потока, электродинамическую систему, выполненную в виде спирали, одну или две сетки, расположенные внутри электродинамической системы (сеточный зазор), вывод энергии, а также коллектор, выполненный в виде электрода, расположенного на выходе генератора. Данный прибор относится к нерелятивистской СВЧ электронике, способ генерации которого 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 подается тормозящий потенциал, и 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 электродинамической системой. 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).
Однако представленная модификация низковольтного виркатора характеризуется непрерывной генерацией, что не всегда достаточно для практических приложений в области использования таких устройств в прямохаотических системах передачи данных.
Задачей изобретения является создание управляемого источника последовательностей хаотических СВЧ импульсов на основе электронного пучка в режимах с формированием виртуального катода.
Технический результат, достигаемый в предложенном генераторе, состоит в обеспечении подавления и возобновления колебаний виртуального катода в пространстве взаимодействия для получения выходного сигнала в виде последовательности хаотических радиоимпульсов с СВЧ заполнением с одновременной возможностью управления характеристиками импульсной СВЧ генерации.
Поставленная задача решается тем, что генератор хаотических радиоимпульсов на виртуальном катоде, содержит источник электронов, выполненный в виде электронной пушки, электродинамическую систему с выводом энергии, расположенную на траектории электронов, коллектор, первую и вторую сетки, расположенные между источником электронов и коллектором перпендикулярно направлению движения пучка электронов с возможностью формирования виртуального катода в электродинамической системе между первой и второй сетками, при этом электродинамическая система выполнена в виде отрезка спиральной замедляющей системы, вывод энергии выполнен в виде волноводной линии передачи, а коллектор - в виде электрода, расположенного на выходе генератора, согласно решению, источник электронов содержит полый катод, заполненный газом, обеспечивающим возможность поддержания тлеющего электрического разряда, анод плазменного разряда, электрод для поджога электрического разряда в газе и ускоряющий анод, при этом пространство электродинамической системы заполнено нейтральным газом под низким давлением, обеспечивающим возможность вытеснения виртуального катода из пространства взаимодействия пучка и последующего его возникновения.
-5
-4
-4
-4
торм
0
0
торм
0
торм
0
торм
0
торм
0
торм
0
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен заявляемый генератор хаотических радиоимпульсов на виртуальном катоде; на фиг.2 - численно полученная типичная осциллограмма выходного сигнала СВЧ генератора в режиме импульсной генерации, снятого с отрезка электродинамической системы (ОЭС), при следующих параметрах генератора: давление газа 9×10 Торр, тормозящий потенциал на второй сетке V=0.6V, где V - ускоряющее пучок напряжение; на фиг.3 и 4 представлены зависимости длительности отдельного импульса в установившемся режиме от тормозящего потенциала для двух типов газа (водород (фиг.3) и азот (фиг.4)) для различных давлений нейтрального газа, причем линия 1 соответствует давлению газа 10 Торр, линия 2 - 2×10 Торр, линия 3 - 4×10 Торр; на фиг.5 и 6 представлены зависимости длительности отдельного импульса в установившемся режиме от давления нейтрального газа для двух типов газа (водород (фиг.5) и азот (фиг.6)) для различных значений тормозящего потенциала, причем линия 1 соответствует тормозящему потенциалу V=0.6V, линия 2 - V=0.55V, линия 3 - V=0.5V, линия 4 - V=0.45V и линия 5 - V=0.45V.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - полый катод;
2 - однородная плазма;
3 - анод плазменного разряда («катод» источника электронов);
4 - ускоряющая электроны сетка (анод);
5 - электронный пучок;
6 - электрод для поджога электрического разряда в газе;
7 - первая сетка;
8 - вторая сетка;
9 - отрезок электродинамической системы (ОЭС), заполненный нейтральным газом под низким давлением;
10 - поглощающая вставка;
11 - вывод энергии;
12 - коллектор;
13 - формирующийся в электронном пучке виртуальный катод.
0
0
торм
Генератор хаотических радиоимпульсов на виртуальном катоде содержит следующие основные конструктивные элементы (фиг.1). В качестве источника аксиально-симметричного электронного пучка 5 использована электронная пушка, содержащая полый катод 1, заполненный газом низкого давления, анод плазменного разряда 3, ускоряющий анод 4, на который подают ускоряющий потенциал V, и электрод для поджога электрического разряда в газе 6. Тлеющий электрический разряд в газе, протекающий между полым катодом и анодом плазменного разряда, создает однородную плазму 2, плотность которой (а следовательно, и плотность электронного потока) изменяют при необходимости, управляя напряжением разряда, подаваемым на анод плазменного разряда 3. Разряд поджигают путем подачи импульса напряжения на электрод для поджога электрического разряда в газе 6. По направлению распространения электронного пучка 5 с начальным разбросом электронов по скоростям, сформированного электронной пушкой с плазменным анодом, расположен заполненный нейтральным газом сеточный зазор, состоящий из первой (входной) сетки 7 с потенциалом V и второй (выходной) сетки 8 с тормозящим потенциалом V; в нем формируется виртуальный катод 13. Сеточный зазор помещен в отрезок широкополосной электродинамической системы 9 (ОЭС), выполненный в виде спиральной замедляющей системы и применяемый для вывода генерируемой высокочастотной мощности. ОЭС 9 нагружен на поглощающую вставку 10 и вывод энергии 11. Далее по направлению отработанного электронного пучка 5 расположен коллектор 12 для осаждения электронов.
Устройство работает следующим образом.
2
торм
Источник электронного потока (электронная пушка с плазменным анодом) формирует аксиально-симметричный интенсивный электронный пучок 5. Электронная пушка с плазменным анодом в отличие от электронных пушек с термокатодом позволяет получать мощные пучки с большими плотностями тока порядка 50 А/см и длинными импульсами тока. Электронный поток попадает в заполненный нейтральным газом сеточный зазор (пространство взаимодействия), образованный сетками 7 и 8 (см. фиг.1), где при критических значениях тока пучка и тормозящего потенциала V имеет место возникновение виртуального катода 13 (см. фиг.1), пространственно-временные осцилляции которого приводят к появлению хаотического СВЧ излучения в системе. Для вывода широкополосного хаотического сигнала используется ОЭС 9, который позволяет снять СВЧ мощность в полосе частот более двух октав. Электронный поток, проходя через сеточный зазор, осуществляет ударную ионизацию молекул газа, приводя к возникновению вторичных электронов и тяжелых положительно заряженных ионов. На начальном этапе, пока плотность ионов мала, в системе образуется виртуальный катод (ВК). ВК не является стационарным, он колеблется в пространстве и во времени, в результате чего в системе происходит генерация высокочастотного сигнала U(t), снимаемого с выхода электродинамической системы 9. После образования ВК в его области начинается интенсивная ионизация нейтрального газа (т.к. энергии электронов в этой области малы и соответствуют максимуму сечения ионизации). Положительные ионы вызывают зарядовую компенсацию и нейтрализуют пространственный заряд ВК. Как следствие, ВК начинает смещаться по направлению движения пролетных электронов ко второй сетке 8. Ионизация в области ВК по-прежнему происходит весьма интенсивно, что приводит к увеличению полного положительного заряда ионов. Как следствие, амплитуда выходного СВЧ сигнала с течением времени уменьшается. Процесс смещения положения ВК в результате компенсации его пространственного заряда положительными ионами завершается вытеснением ВК из пространства взаимодействия пучка и, как следствие, срывом генерации в системе. После вытеснения ВК область движения электронного потока оказывается полностью заполнена положительными ионами, которые полностью компенсируют пространственный заряд пучка.
В этом режиме электронный поток практически полностью переходит в ламинарное состояние, и, как результат, наблюдается его полная транспортировка через пространство взаимодействия. В дальнейшем ионизация газа продолжается менее интенсивно, из-за относительно высоких скоростей электронов, однако этого достаточно для поддержания плотности ионов, необходимой для полной зарядовой компенсации электронного потока. Выходной СВЧ сигнал после вытеснения ВК определяется флуктуациями тока электронного пучка и самосогласованным движением ионов и представляет собой случайные колебания малой амплитуды. Спектр данных колебаний в режиме полного вытеснения ВК из пространства дрейфа располагается в низкочастотной (НЧ) части спектра и близок к шумовому. Затем, под действием внешнего электростатического поля, обусловленного потенциалом второй сетки 8, ионы начинают медленный дрейф из пространства взаимодействия, уменьшая тем самым положительный пространственный заряд в системе. В результате этих процессов в сеточном зазоре создаются условия для повторного возникновения виртуального катода.
Далее процесс регулярно повторяется, в результате чего выходной сигнал представляет собой последовательность импульсов хаотического СВЧ излучения. Изменение давления нейтрального газа и величины тормозящего потенциала позволяют эффективно управлять характеристиками импульсной генерации.
Представленные на фиг.2-6 численные результаты подтверждают возможность и эффективность генерации широкополосных хаотических сигналов с помощью предлагаемого генератора, а также возможность управления характеристиками импульсной генерации. На фиг.2 показана численно полученная характерная осциллограмма выходного сигнала СВЧ генератора в режиме импульсной генерации, снятая с выхода отрезка электродинамической системы. Хорошо видно, что сигнал представляет собой последовательность импульсов генерации с хаотическим заполнением. На фиг.3 и 4 представлены зависимости длительности импульсов (времени жизни виртуального катода) СВЧ хаотической генерации в зависимости от тормозящего потенциала для водорода (фиг.3) и азота (фиг.4) для различных значений давления. На фиг.5 и 6 показаны зависимости длительности хаотических импульсов в зависимости от давления газа для водорода (фиг.5) и азота (фиг.6) для различных значений тормозящего потенциала. Хорошо видно, что, меняя параметры СВЧ генератора с виртуальным катодом, возможно перестраивать в широких пределах длительность генерируемых хаотических радиоимпульсов, что важно на практике.
Таким образом, можно говорить об эффективном управлении параметрами импульсной хаотической генерации в СВЧ генераторе с виртуальным катодом. С помощью изменения давления нейтрального газа в рабочей камере низковольтного виркатора и величины тормозящего потенциала существует возможность изменений длительности импульсов хаотических СВЧ колебаний от 10 нс до 1 мкс.
Обобщая вышесказанное, можно заключить, что с помощью предложенного генератора существует возможность получения последовательностей хаотических радиоимпульсов с различной длительностью и частотой повторения, чем достигается решение поставленной задачи. В реализованном приборе электронный поток создается источником электронов с плазменным анодом, при этом нестационарный виртуальный катод в электронном пучке формируется в сеточном зазоре электродинамической системы, которая заполнена нейтральным газом (водород, азот и т.д.) с давлением, обеспечивающим возможность подавления и последующего возникновения колебаний нестационарного виртуального катода в пространстве взаимодействия. За счет этого существует возможность получения импульсной генерации в автономном СВЧ генераторе с виртуальным катодом.