ГЕНЕРАТОР ХАОТИЧЕСКИХ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
RANDOM MICROWAVE PULSE GENERATOR

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано 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 (см. Гришин С.В., Гришин B.C., Храмов А.Е., Шараевский Ю.П. Генерация широкополосного хаотического сигнала в автоколебательной системе с нелинейной линией передачи на магнитостатических волнах// ЖТФ. 2008. Т.78, №5. С.89-98).
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.
Известен также СВЧ генератор, который может перестраиваться с помощью магнитного поля и содержащий: две связанные полости, выполненные из слоя магнитного материала и образующие первый резонатор, используемый как многомодовый фильтр, и второй резонатор, используемый как одномодовый фильтр, соответственно, причем второй резонатор фильтрует одну из мод, передаваемую из указанного выше первого резонатора; входной преобразователь для возбуждения магнитостатических волн в указанной выше первой полости; выходной преобразователь для извлечения сигнала, передаваемого в указанную выше вторую полость посредством соответствующих волн; усилитель, имеющий вход и выход, соответственно связанные с указанными выше выходным и входным преобразователями; электромагнитные средства для управления указанными выше двумя полостями с помощью внешнего магнитного поля (см. патент FR №2447641, МПК Н03В 5/00). Данный СВЧ генератор является одномодовым генератором, который может работать как на ПМСВ, так и на объемных МСВ (ОМСВ), и предназначен для генерации монохроматического сигнала.
Конструктивным отличием рассматриваемого аналога от предлагаемого изобретения является отсутствие в цепи обратной связи нелинейной дисперсионной линии задержки, наличие которой необходимо для формирования сигнала с непрерывным спектром, в частности хаотического сигнала, и для получения дисперсии в кольце.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является генератор шума СВЧ диапазона, содержащий 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, причем нелинейный элемент выполнен в виде перестраиваемого внешним постоянным магнитным полем нелинейного ферритового резонатора, а в цепь обратной связи дополнительно введена линия задержки (см. А.С. №936373; МПК Н03В 29/00). Нелинейный ферритовый резонатор работает на эффекте нелинейного ферромагнитного резонанса, который наблюдается в полосе частот от единиц до десятков мегагерц при мощности сигнала, превышающей более чем на 10 дБ мощность насыщения феррита. Для реализации в полосе нелинейного ферромагнитного резонанса оптимальных условий стохастизации (зашумления) колебаний кроме указанных требований по мощности необходимо попадание в эту полосу не менее трех собственных частот цепи обратной связи, т.е. Δf×T≥3, где Т - время обхода сигналом цепи обратной связи, Δf - полоса нелинейного ферромагнитного резонанса.
Возбуждение в таком генераторе более одной собственной моды за счет выполнения указанного выше соотношения между полосой частот нелинейного ферромагнитного резонанса и временем обхода сигнала в цепи обратной связи, а также отсутствие дисперсии у линии задержки и определенного закона нелинейности и дисперсии у всего кольца в целом, не дает возможности выполнить условие модуляционной неустойчивости для кольца и сформировать во временной области стационарную последовательность хаотических СВЧ импульсов.
Задачей предлагаемого изобретения является создание автономного СВЧ генератора хаотических СВЧ импульсов.
Технический результат заключается в обеспечении генерации стационарной последовательности хаотических СВЧ импульсов без внешнего воздействия.
Поставленная задача решается тем, генератор хаотических СВЧ импульсов, включающий 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 линию задержки с ферритовой пленкой, согласно решению, что в качестве линии задержки выбрана нелинейная дисперсионная линия задержки на магнитостатических волнах, а резонатор выполнен линейным.
Резонатор может состоять из металлической полости, имеющей входное и выходное отверстие, и двух элементов связи, входного и выходного, находящихся внутри указанных отверстий и осуществляющих связь линейного резонатора с нагрузкой.
пop
пop
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено его схематическое изображение, на фиг.2 - схематическое изображение нелинейной дисперсионной линии задержки с ферритовой пленкой, на фиг.3 - спектр мощности сигнала при G≥G, на фиг.4 - временная реализация сигнала при G≥G, где
1 - СВЧ усилитель мощности;
2 - направленный ответвитель;
3 - нагрузка;
4 - нелинейная дисперсионная линия задержки с ферритовой пленкой;
5 - регулируемая магнитная система;
6 - резонатор;
7, 8 - входная и выходная микрополоска линии задержки, соответственно;
9 - диэлектрическая подложка;
10 - металлический экран;
11 - металлизированное отверстие;
12 - ферритовая пленка.
Предлагаемый генератор хаотических сверхвысокочастотных импульсов, изображенный на фиг.1, содержит СВЧ усилитель мощности 1, подключенный к основному каналу направленного ответвителя 2, и последовательно соединенную с ними нагрузку 3, а также цепь обратной связи, включенную между вспомогательным каналом направленного ответвителя 2 и входом СВЧ усилителя 1 и содержащую нелинейную дисперсионную линию задержки с ферритовой пленкой 4 и резонатор 6. При этом нелинейная дисперсионная линия задержки с ферритовой пленкой 4 находится в магнитной системе 5, создающей регулируемое внешнее постоянное магнитное поле.
Нелинейная дисперсионная линия задержки с ферритовой пленкой 4 состоит из двух микрополосковых линий 7 и 8 - экранированной с одной стороны диэлектрической подложки с нанесенными на ее противоположную сторону двумя микрополосками (входной 7 и выходной 8), и ферритовой пленки 12, расположенной над входной 7 и выходной 8 микрополосками и находящейся в непосредственном контакте с ними. 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 12. Направление внешнего постоянного магнитного поля устанавливается таким, чтобы в ферритовой пленке возбуждалась поверхностная магнитостатическая волна (ПМСВ) или объемная МСВ, обладающие нормальным или аномальным законами дисперсии и осуществляющие передачу сигнала от входной 7 микрополоски к выходной 8 и его задержку. При этом в ферритовой пленке 12 должны наблюдаться параметрические процессы первого порядка, обусловливающие формирование узкополосного хаотического сигнала. Наличие у МСВ, распространяющейся в ферритовой пленке 12, дисперсии и нелинейности, а также использование в кольце резонатора 6, способного изменять закон дисперсии и нелинейности всего кольца в целом в узкой полосе частот, должны приводить к возникновению модуляционной неустойчивости, что обусловливает генерацию в кольце стационарной последовательности хаотических СВЧ импульсов.
В качестве резонатора 6 могут использоваться как микрополосковые, так и объемные пассивные резонаторы проходного типа.
Таким образом, для генерации стационарной последовательности хаотических СВЧ импульсов необходимо наличие в кольце, состоящем из СВЧ усилителя и цепи обратной связи, определенного закона дисперсии и нелинейности, а также наличие в ферритовой пленке 12 параметрических процессов первого порядка. Для этого необходимо выполнение следующих условий:
H
3
1. Генерация сигнала должна возникать в полосе частот одной собственной моды кольца. В этом случае, в отличие от прототипа, должно выполняться условие, устанавливающее связь между величиной нагруженной добротности резонатора Q и временем задержки сигнала в цепи обратной связи, которое определяется, в основном, временем задержки сигнала τ в нелинейной дисперсионной линии задержки с ферритовой пленкой:
0
где f - резонансная частота резонатора.
2. Генератор должен работать в области частот, где параметрические процессы первого порядка для МСВ в ферритовой пленке 12 разрешены. В случае возбуждения в ферритовой пленке 12 ПМСВ должно выполняться следующее соотношение (см. А.В.Вашковский, B.C.Стальмахов, Ю.П.Шараевский «Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот». Изд-во Саратовского университета, 1993):
0
0
где Н - величина внешнего постоянного магнитного поля, прикладываемого к ферритовой пленке, М - величина намагниченности ферритовой пленки.
3. В ферритовой пленке 12 должна возбуждаться магнитостатическая волна, обладающая дисперсией. В случае возбуждения ПМСВ в ферритовой пленке 12, не имеющей внешних нагрузок, должно выполняться следующее соотношение, устанавливающее связь между частотой основной моды резонатора и нижней и верхней границами полосы частот существования ПМСВ, имеющей нормальный закон дисперсии (см. А.В.Вашковский, B.C.Стальмахов, Ю.П.Шараевский «Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот». Изд-во Саратовского университета, 1993):
где γ - гиромагнитное отношение, равное 2,8 МГц/Э.
пop
пop
4. Мощность сигнала на входе нелинейной дисперсионной линии задержки с ферритовой пленкой 12 должна быть выше определенного уровня, который регулируется коэффициентом усиления кольца G, причем G≥G, где G - коэффициент усиления кольца, при котором генерируется сигнал практически с непрерывным спектром (хаотический сигнал), на фоне которого присутствует сетка частот, сформированная за счет модуляционной неустойчивости кольца, а во временной области наблюдается стационарная последовательность хаотических СВЧ импульсов. В этом случае должно выполняться следующее соотношение:
вх
0
где - коэффициент усиления усилителя мощности, Р и  - мощность на входе и выходе усилителя мощности, соответственно;  - модуль коэффициента передачи резонатора (Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот.Т. 1. Техника сверхвысоких частот. М.-Л.: Госэнергоиздат.1961), Q - собственная добротность резонатора;  - модуль коэффициента передачи дисперсионной линии задержки,  - мощность на выходе линии задержки, β - коэффициент направленных потерь направленного ответвителя.
пop
пор
Величине G будет соответствовать пороговое значение мощности Р на входе дисперсионной линии задержки, которое, исходя из (4), можно записать в следующем виде:
0
Величина поля Н выбирается как из условия возбуждения ПМСВ на частоте основной моды резонатора (3), так и наличия в ферритовой пленке параметрических процессов первого порядка (2), обусловливающих нелинейность линии задержки.
0
0
0
0
Предлагаемый генератор хаотических СВЧ импульсов работает следующим образом. СВЧ сигнал, циркулирующий в схеме, усиливается СВЧ усилителем мощности 1 и разветвляется в направленном ответвителе 2 на два канала: основной и вспомогательный. Большая часть мощности сигнала через основной канал поступает в нагрузку 3, а меньшая часть мощности сигнала через вспомогательный канал поступает в цепь обратной связи на вход дисперсионной линии задержки 4, а с ее выхода на вход резонатора 6. Использование в кольце резонатора 6 приводит к тому, что амплитудные и фазовые условия, необходимые для генерации сигнала, выполняются только на частоте основного вида колебания f резонатора 6. Величина внешнего постоянного магнитного поля Н и намагниченности М ферритовой пленки 12 подбираются на основе соотношения (3) для попадания полосы частот ПМСВ в полосу частот f резонатора 6 и на основе соотношения (2) для возникновения на этих частотах в ферритовой пленке 12 параметрических процессов первого порядка. Кроме того, для генерации хаотического сигнала с практически непрерывным спектром помимо условий (2) и (3) необходимо, чтобы в полосе частот возбуждения ПМСВ осуществлялась задержка сигнала, проходящего через дисперсионную линию задержки 4. Величина времени задержки сигнала зависит от расстояния между входной и выходной микрополосками 7, 8, т.е. от длины ферритовой пленки, через которую осуществляется передача сигнала со входа на выход дисперсионной линии задержки 4. При этом величина задержки должна удовлетворять соотношению (1), связывающему ее с параметрами резонатора 6.
пop
Возникновение в кольце генерации стационарной последовательности хаотических СВЧ импульсов, помимо перечисленных выше условий, зависит и от уровня мощности сигнала на входе нелинейной дисперсионной линии задержки 4, который определяется соотношением (5). Величина коэффициента передачи нелинейной дисперсионной линии задержки 4 в этом соотношении зависит от расстояния между входной и выходной микрополосками 7, 8, которое определяет также величину времени задержки сигала в кольце. При G≥G мощность сигнала на входе нелинейной дисперсионной линии задержки 4 соответствует порогу модуляционной неустойчивости и находится выше порога параметрических процессов первого порядка. В этом случае в кольце за счет наличия в ферритовой пленке 12 параметрических процессов первого порядка генерируется узкополосный хаотический сигнал практически с непрерывным спектром, а за счет наличия в кольце модуляционной неустойчивости в спектре этого сигнала формируется квазипериодическая сетка частот, что соответствует появлению во временной области стационарной последовательности хаотических СВЧ импульсов (см. фиг.3 и 4).
В настоящем изобретении формирование во временной области стационарной последовательности хаотических СВЧ импульсов происходит за счет наличия двух нелинейных механизмов: 1) параметрических процессов первого порядка в ферритовой пленке, приводящих к генерации сигнала с непрерывным спектром в узкой полосе частот, определяемой полосой частот резонатора; 2) модуляционной неустойчивости в кольце, обусловливающей появление во временной области последовательности нелинейных импульсов, имеющих солитонную природу.
Таким образом, наличие двух нелинейных механизмов приводит к формированию стационарной последовательности хаотических солитоноподобных СВЧ импульсов.