СВЧ ГЕНЕРАТОР ШИРОКОПОЛОСНЫХ ШУМОПОДОБНЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ВИРТУАЛЬНОМ КАТОДЕ

Полезная модель относится к нерелятивистской электронике сверхвысоких частот, а именно к устройствам для генерирования широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний среднего уровня мощности и может быть использовано в различных системах радиолокации, радиопротиводействия, системах связи на основе хаотических сигналов, установках промышленного применения, а также в устройствах медицинского назначения.
В сверхвысокочастотной электронике существует ряд устройств, как усилителей, так и генераторов, в которых возможно управление спектром генерации за счет введения внешних сигналов, в конструкции которых для ввода внешнего сигнала используются электродинамические элементы. Это, в первую очередь, клистроны-усилители, в которых в качестве электродинамического элемента ввода сигнала используется объемный резонатор (Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. T.1. M.: Физматлит, 2003).
Однако данные устройства характеризуются узкой полосой частот. Это является серьезным недостатком, т.к. часто, при практическом применении, возникает необходимость синхронизация колебаний внешним широкополосным шумоподобным сигналом с шириной полосы одна-две октавы (Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. M: Физматлит, 2002).
Известны генераторы СВЧ, базирующиеся на использовании взаимной и внешней синхронизации генераторов на виртуальном катоде, в которых в качестве элемента ввода сигнала используются объемные резонаторы, связанные с другим виркатором или источником внешнего сигнала (Sze H., Price D., Harteneck В. Phase locking of two strongly coupled vircators // J.Appl.Phys. 1990. Vol. 67. №5. P. 2278; Magda I.I., Prokopenko Yu.V., Proc. llth Int. Conf. High Power Particle Beams. Prague, Czech Republic, June 10-14 1996, Vol. 1. Р. 422).
Недостатком данных устройств также является невозможность использования широкополосных сигналов для хаотической синхронизации широкополосного шумоподобного СВЧ излучения.
Наиболее близким к заявляемому устройству является виркатор - мощный СВЧ генератор на виртуальном катоде. Приборы виркаторного типа содержат следующие
основные конструктивные элементы: мощный источник электронов, выполненный в виде металлического диска (конструкция прибора позволяет использовать различную геометрию катода), анод, выполненный в виде либо сетки, либо фольги, прозрачной для электронного потока, электродинамическую систему, выполненную в виде волновода, а также вывод энергии, выполненный в виде рупора. Коллектором в данном случае служат стенки волновода, на которые оседает отработанный электронный пучок. Способ генерации импульсов мощного СВЧ излучения в приборах с виртуальным катодом следующий: в сильноточном вакуумном диоде прибора между катодом и анодом формируется импульсный релятивистский пучок, который инжектируется сквозь анод, выполненный в виде сетки или фольги прозрачной для электронов в эквипотенциальную полость с током (или первеансом) выше предельного. В эквипотенциальной полости образуется нестационарный виртуальный катод, колебания которого являются источником мощного СВЧ-излучения. (Патент США №4345220, МПК: НОЗВ 9/01, Alyokhin B.V., Dubinov A.E., Selemir V.D. et al.. Theoretical and experimental studies of virtual cathode microwave devices //IEEE Trans. Plasma Sc., 1994, v. 22, N 5, p. 945; Диденко А.П., Ращиков В.И. Генерация мощных СВЧ колебаний в системах с виртуальным катодом // Физика плазмы. 1992. Т. 18, №9. С. 1182; Трубецков Д.И., Храмов A.E. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т.2. М.: Физматлит, 2004). Колебания виртуального катода в виркаторе характеризуются широким и сложным спектральным составом излучения, которое не всегда регистрируется внешними приборами из-за узкополосности электродинамической системы.
Существенным недостатком этих приборов является то, что у виркаторов отсутствуют элементы управления спектром широкополосных (с шириной полосы более октавы) шумоподобных колебаний внешним сигналом. В то время как для многих практических применений необходимо управление амплитудой, полосой частот и изрезанностью спектра колебаний.
Задачей данного технического решения, является создание источника управляемых внешним сигналом шумоподобных колебаний сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн на основе виртуального катода с широкой полосой частот (с шириной полосы более октавы).
Поставленная задача решается тем, что в СВЧ генератор широкополосных шумоподобных колебаний на виртуальном катоде, содержащий источник электронов, ускоряющий электрод, электродинамическую систему с выводом энергии и коллектором, согласно предлагаемому решению, введен дополнительный отрезок широкополосной электродинамической системы с вводом высокочастотной энергии, расположенный между
источником электронов и ускоряющим электродом, а коллектор выполнен в виде электрода, расположенного на выходе генератора.
При этом электродинамическая система выполнена в виде спирали.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема заявляемого устройства, на фиг.2 - приведена экспериментальная зависимость базовой частоты хаотического сигнала от частоты внешнего одночастотного сигнала, подаваемого на дополнительный отрезок электродинамической системы.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - нерелятивистский электронный пучок, 2 - термокатод, 3 - фокусирующий электрод, 4 - модулирующая сетка, 5 - ускоряющий анод, 6 - ускоряющая сетка, 7 - электродинамическая система в виде отрезка спиральной замедляющей системы, 8 - поглотитель, 9 - вывод энергии, 10 - коллектор, 11 -дополнительная электродинамическая система в виде отрезка спирали для воздействия на пучок внешнего управляющего сигнала, 12 - элемент ввода внешнего сигнала; 13 - поглотитель.
0
Схема вакуумного нерелятивистского СВЧ генератора на виртуальном катоде с дополнительным элементом ввода сигнала содержит следующие основные конструктивные элементы (см. фиг.1). В качестве источника аксиально-симметричного электронного пучка 1 используется электронная пушка, которая включает в себя термокатод 2, фокусирующий электрод 3, модулирующую сетку 4 и анод 5, на который подается ускоряющий потенциал V. После электронной пушки электронный пучок с начальным разбросом электронов по скоростям проходит сквозь сетку 6. Сетка помещается в широкополосный отрезок электродинамической системы 7 (ОЭС), применяемый для вывода генерируемой высокочастотной мощности. ОЭС нагружен на поглотитель 8 и вывод энергии 9. Далее отработанный электронный пучок осаждался на коллекторе 10.
Для управления внешним СВЧ сигналом, например гармоническим сигналом, узкополосным или широкополосным хаотическим сигналом между электронной пушкой и областью взаимодействия расположен дополнительный элемент 11 для ввода внешнего управляющего сигнала, представляющий собой отрезок широкополосной электродинамической системы нагруженной на ввод энергии 12 и поглотитель 13. Особенностью данной схемы является использование широкоплосного ввода внешнего управляющего сигнала.
При подаче внешнего одночастотного, многочастотного или шумоподобного, СВЧ сигнала на дополнительный ОЭС имеет место модуляция инжектируемого в междусеточное пространство электронного пучка по скорости и по плотности.
Промодулированный электронный пучок оказывает влияние на формирование и нелинейную динамику виртуального катода (Трубецков Д.И., Храмов А.Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т.2. М.: Физматлит, 2004), а следовательно, на спектральный состав излучения виркатора. В результате за счет введения внешнего сигнала существует возможность управления спектральным составом генерации прибора с виртуальным катодом. В частности, в подобной схеме существует возможность достижения режимов хаотической синхронизации, что представляется весьма важным для схем передачи информации с помощью хаотических сигналов (Дмитриев А.С., Панас А.И. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. М: Физматлит, 2002).
На фиг.2 продемонстрирован эффект синхронизации колебаний виртуального катода гармоническим внешним сигналом, на котором представлена экспериментальная зависимость частоты наиболее интенсивной спектральной компоненты в спектре мощности излучения от частоты воздействия. Как следует из фиг.2, внешний сигнал позволяет в определенных пределах управлять частотой генерации, вводя колебания виртуального катода в режим синхронизации.
Таким образом, введение в генератор шумоподобных колебаний дополнительного широкополосного ОЭС решает задачу управления спектром выходной мощности СВЧ генератора.