СВЧ ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ

МПК H03K 3/04
СВЧ ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ РАДИОИМПУЛЬСОВ
Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в прямохаотических системах связи для передачи сообщений на основе использования последовательности хаотических радиоимпульсов.
В настоящее время в радиоэлектронике весьма перспективны направления использования информационных технологий на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации (Гуляев Ю.В., Беляев Р.В., Воронцов Г.М., Залогин Н.Н., Калинин В.И., Кальянов Э.В., Кислов В.В., Кислов В.Я., Колесов В.В., Мясин Е.А., Чигин Е.П. Информационные технологии на основе динамического хаоса для передачи, обработки, хранения и защиты информации. Радиотехника и электроника, 2003г., Т.48, № 10. С. 1157-1185.). Активно развиваются сверхширокополосные средства связи в микроволновом диапазоне частот, в частности, для целей радиолокации и радиоэлектронного противодействия (Залогин Н.Н., Кислов В.В. Широкополосные хаотические сигналы в радиотехнических и информационных системах. Радиотехника. 2006. С. 208). Для применения хаотических колебаний в сверхширокополосных средствах связи и радиолокации во многих странах введены стандарты IEEE по использованию соответствующих частот и спектральных плотностей мощности, в соответствии с которыми наибольшее внимание исследователей и разработчиков уделяется диапазону от 3 до 8 ГГц (Дмитриев А.C., Ефремова Е.Ф., Румянцев Н.В. Генератор микроволнового хаоса с плоской огибающей спектра мощности в диапазоне 3-8 GHz. Письма в ЖТФ. 2014. Том 40. №2. С. 1-9.). Предлагаемый генератор хаотических колебаний предназначен именно для этого диапазона частот.
В микроволновом диапазоне получили наибольшее распространение твердотельные генераторы, использующие диоды, полевые транзисторы, интегральные микросхемы и спин-волновые линии передачи (Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Максимов Н.А., Панас А.И. Генерация хаоса. М.: Техносфера, 2012. 424 с.;  Гришин С.В., Дмитриев Б.С., Жарков Ю.Д., Скороходов В.Н., Шараевский Ю.П. Генерация хаотических СВЧ-импульсов в кольцевой системе на основе клистронного усилителя мощности и нелинейной линии задержки на магнитостатических волнах. Письма в ЖТФ, 2010, Т. 36, Вып 2, С. 62.;  Гришин С.В., Гришин В.С., Романенко Д.В., Шараевский Ю.П. Сверхширокополосный спин-волновой генератор хаоса средней мощности на полевых транзисторах. Письма в ЖТФ, 2014, том 40, Вып 19, С. 51-59.) .
Наряду с этими направлениями представляют практический интерес генераторы хаотических колебаний на основе классических электровакуумных приборов - многорезонаторных клистронов и ламп с бегущей волной, представляющих кольцевые радиофизические системы с запаздывающей обратной связью (ЗОС) (Кислов В.Я., Мясин Е.А., Залогин Н.Н. О нелинейной стохастизации автоколебаний в электронно-волновом генераторе с задержанной обратной связью. Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25, № 10. С. 2160-2168.; Shigaev A. M., Dmitriev B. S., Zharkov Yu. D., Ryskin N. M. Chaotic Dynamics of Delayed Feedback Klystron Oscillator and its Control by External Signal. IEEE Transactions On Electron Devices, 2005, Vol. 52, № 5, P. 790.; Дмитриев Б.С., Жарков Ю.Д., Клокотов Д.В., Рыскин Н.М. Экспериментальное исследование сложной динамики в многорезонаторном клистронном автогенераторе с запаздывающей обратной связью. ЖТФ. 2003. Т. 73. Вып. 7. С. 105-110.; Ryskin N.M., Titov V.N. C. Marchewka, P. Larsen, S. Bhattacharjee, J. Booske and S. Sengele Generation of chaotic radiation in a driven traveling wave tube amplifier with time-delayed feedback. Phys. Plasmas. 2006. Vol. 13, No. 1, 013104.).
Важным преимуществом электровакуумных устройств является высокий уровень высокочастотной мощности и возможность работы в условиях электромагнитного и радиационного излучений.
Наиболее близким к предлагаемому в настоящей заявке решению является СВЧ генератор мощных сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов, включающий автогенератор на лампе бегущей волны с задерживающей обратной связью, настроенный в режим широкополосного хаотического сигнала (Дмитриев Б.C., Жарков Ю.Д., Садовников С.А., Скороходов В.Н. Сверхвысокочастотные электронные генераторы хаотических радиоимпульсов. Журнал радиоэлектроники. 2012. №12. С. 1-13.). В этом генераторе периодическая последовательность хаотических радиоимпульсов создавалась за счет подачи высокого импульсного напряжения на замедляющую систему и коллектор ЛБВ от импульсного модулятора. Таким образом, осуществлялся режим внутренней модуляции, который применяется по существу и в схемах с полупроводниковыми элементами.
В отличие от устройств с применением полупроводниковых элементов, где используются низковольтные модуляторы напряжения, в вакуумном автогенераторе хаотических радиоимпульсов на основе ЛБВ, как уже отмечалось, необходимо применять для модуляции электронного пучка высоковольтные импульсы от специальных модуляторов. Высоковольтные импульсы от таких модуляторов характеризуются некоторыми специфическими параметрами, ограничивающими их применение. Прежде всего, можно отметить нестабильность уровня напряжения высоковольтного импульса, которая приводит к некоторым изменениям характера хаотических колебаний. Длительность высоковольтных импульсов имеет значения, как правило, в несколько десятков микросекунд, что не позволяет получать короткие высокочастотные хаотические импульсы (например, порядка 1 мкс и даже менее), что является одной из важных особенностей для применения хаотических радиоимпульсов в сверхширокополосных линиях передачи. Кроме этого можно отметить искажения фронтов высоковольтного импульса, что также затрудняет получение коротких хаотических импульсов.
Задача заключается в создании СВЧ генератора мощных сверхширокополосных хаотических импульсов регулируемой длительности и скважности.
Технический результат заключается в улучшении качества формы прямоугольного импульса и уменьшении длительности радиоимпульса.
Указанный технический результат достигается тем, что СВЧ генератор мощных сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов, включающий автогенератор на лампе бегущей волны с задерживающей обратной связью, настроенный в режим широкополосного хаотического сигнала, согласно решению дополнительно содержит генератор гармонического сигнала, модулированного прямоугольными импульсами, подключенный к входу лампы бегущей волны и настроенный на частоту первой гармоники автогенератора с амплитудой, достаточной для полного подавления хаотического сигнала автогенератора. СВЧ генератор дополнительно содержит усилитель, расположенный между генератором гармонического сигнала и входом ЛБВ.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого устройства, на фиг. 2 - спектр хаотического сигнала автогенератора на ЛБВ, на фиг. 3 - дискретный спектр сигнала автогенератора на ЛБВ, на фиг. 4 - осциллограмма последовательности хаотических радиоимпульсов.
Позициями на чертежах обозначены:
1 -  нелинейный ЛБВ - усилитель;
2 -  генератор стандартных сигналов;
3 -  анализатор спектра;
4 -  высокочастотный осциллограф реального времени;
5 -  переменный поляризационный аттенюатор;
6 -  транзисторный усилитель;
7 -  направленный ответвитель;
8 -  ферритовый вентиль.
В настоящей заявке предлагается для получения хаотических радиоимпульсов использовать метод внешнего управления хаотическим сигналом, основанный на эффекте полного подавления хаоса внешним гармоническим сигналом при определенных значениях уровня и частоты сигнала, который успешно применялся в клистронных автогенераторах хаотических радиоимпульсов (Дмитриев Б.С., Жарков Ю.Д., Скороходов В.Н. Способ генерации хаотических радиоимпульсов большой мощности для прямохаотических систем связи. Патент на изобретение РФ № 2349027.2009, Бюллетень №7). Способ генерации сверхширокополосных хаотических импульсов основан на явлении синхронизации путем полного подавления мощного хаотического сигнала автогенератора. Используемый автогенератор на ЛБВ подбором параметров настраивается в режим хаотических колебаний, а в цепь обратной связи вводится модулированный прямоугольными импульсами гармонический сигнал с генератора стандартных сигналов необходимой частоты и мощности, обеспечивающий в течение импульса подавление хаоса, а настройкой параметров модуляции обеспечивается необходимая длительность и скважность хаотических импульсов.
Схема предлагаемого мощного микроволнового генератора сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов, построенного на основе ЛБВ - автогенератора с ЗОС, представлена на фиг. 1. В кольце обратной связи автогенератора расположены нелинейный ЛБВ - усилитель 1, переменный поляризационный аттенюатор Д3-30 5 для регулировки глубины обратной связи в кольце, направленные ответвители 7 для подключения измерительных и анализирующих приборов: широкополосного анализатора спектра Agilent E4408B 3, высокочастотного осциллографа реального времени Agilent DSO81004B 4. Через направленный ответвитель 7 и ферритовый вентиль 8 в кольцо обратной связи подается внешний управляющий сигнал от генератора гармонического сигнала, в качестве которого был выбран генератор стандартных сигналов Agilent MGX N5181A 2 с внутренней модуляцией прямоугольными импульсами с регулируемой длительностью. Управляющий сигнал может дополнительно усиливаться, например транзисторным усилителем A301-04 6, установленным между генератором 2 и входом ЛБВ.
Предлагаемый генератор сверхширокополосных СВЧ хаотических импульсов создан на основе промышленной ЛБВ среднего уровня мощности с фокусировкой пучка периодическим магнитным полем. Основные параметры ЛБВ усилителя следующие: ускоряющее напряжение до 3000 В, ток электронного пучка до 80 мА, коэффициент усиления 30 дБ. Укажем еще один характерный параметр применяемой кольцевой системы, включающей ЛБВ-усилитель и цепь обратной связи в соответствии с фиг. 1. - это время запаздывания сигнала. Например, на частоте 3000 МГц для выбранных параметров ЛБВ и кольца эта величина составляет 60 нс.
Возбуждение хаотических колебаний
в предлагаемой модели для тока I=80 мА, напряжения U=2740В и L=3 дБ показано на спектре, приведенном на фиг. 2. Полоса хаоса, как видно из фиг. 2., наблюдается в широком диапазоне частот (0,5-6 ГГц.). Интегральная мощность этого сигнала составляет 3 Вт. Спектральная плотность мощности составляет 0,6 мВт/МГц.
Для выбора условий подавления полученного широкополосного хаотического сигнала обратимся к  фиг. 3., на которой приведена картина спектра сигнала при другом режиме работы автогенератора (I=12 мА, U=2530 В, L=3 дБ), при котором наблюдается три гармоники сигнала на фиксированных частотах 3 ГГц, 6 ГГц и 9 ГГц.
Наиболее высокий уровень сигнала характерен для первой гармоники. Как показали проведенные экспериментальные исследования, для полного подавления широкополосного хаотического сигнала необходимо от генератора стандартных сигналов (фиг. 1.) подавать в цепь обратной связи гармонический сигнал именно на частоте первой гармоники с подобранной мощностью (порядка 100 мВт), промодулированный серией прямоугольных импульсов. Полученная таким образом последовательность хаотических сверхширокополосных импульсов, наблюдаемая на высокочастотном осциллографе реального времени показана на фиг. 4 для коротких импульсов длительностью 1 мкс, получаемых при модуляции гармонического сигнала в генераторе стандартных сигналов прямоугольными импульсами длительностью 1 мкс. Изучение характера сигнала внутри такого короткого импульса подтвердило его хаотический характер, что и свидетельствует о возможности применения такого автогенератора в информационных технологиях.