RU2740397C1 - Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration - Google Patents

Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration Download PDF

Info

Publication number
RU2740397C1
RU2740397C1 RU2020111654A RU2020111654A RU2740397C1 RU 2740397 C1 RU2740397 C1 RU 2740397C1 RU 2020111654 A RU2020111654 A RU 2020111654A RU 2020111654 A RU2020111654 A RU 2020111654A RU 2740397 C1 RU2740397 C1 RU 2740397C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
wave
waveguide
spin
arm
output
Prior art date
Application number
RU2020111654A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анастасия Сергеевна Бир
Сергей Валерьевич Гришин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского"
Priority to RU2020111654A priority Critical patent/RU2740397C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2740397C1 publication Critical patent/RU2740397C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B29/00—Generation of noise currents and voltages
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/18—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance
    • H03B5/1882—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance the frequency-determining element being a magnetic-field sensitive resonator, e.g. a Yttrium Iron Garnet or a magnetostatic surface wave resonator
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B7/00—Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes
    • H03B7/12—Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance
    • H03B7/14—Generation of oscillations using active element having a negative resistance between two of its electrodes with frequency-determining element comprising distributed inductance and capacitance active element being semiconductor device

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used in communication systems for transmitting information messages based on the use of chaotic microwave pulses of subnanosecond duration. Method consists in excitation by means of microstrip converters of surface and reverse bulk magnetostatic spin waves in arms of irregular L-shaped waveguide located in constant magnetic field, included in the feedback circuit of the self-contained generator, having two series-connected active elements, one of which is configured to operate in the mode of linear amplification of the microwave signal connected to the output arm of the waveguide, and the other connected to input arm of waveguide, in mode of saturation of its output power, generation of power level of microwave signal with possibility of formation of three-wave and four-wave nonlinear spin-wave interactions, wherein in the input arm of the waveguide inverse volume magnetostatic spin waves with negative anomalous dispersion are excited, and in the output arm - surface magnetostatic spin waves with positive normal dispersion by direct magnetic field direction perpendicular to input microstrip converter and parallel output microstrip converter, wherein four-wave nonlinear spin-wave interactions are formed in the input arm of the waveguide, and three-wave nonlinear spin-wave interactions are formed in its output arm.
EFFECT: technical result consists in obtaining stationary sequences of microwave pulses in the form of dark solitons enveloping sub-nanosecond duration, which are "embedded" in chaotic microwave pulses in form of dark solitons envelope submicrosecond duration.
1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в коммуникационных системах связи для передачи информационных сообщений на основе использования хаотических сверхвысокочастотных (СВЧ) импульсов субнаносекундной длительности.The invention relates to radio engineering and can be used in communication communication systems for the transmission of information messages based on the use of chaotic ultrahigh-frequency (microwave) pulses of subnanosecond duration.

Известен способ генерирования шумовых колебаний, основанный на использовании в схеме генератора шума охваченных цепью обратной связи линейного и нелинейного усилителей, в качестве которых использовались лампы бегущей волны. Названия усилителей условно соответствуют тем режимам, в которых они работали: линейный усилитель - в режиме почти линейного усиления, нелинейный - в существенно нелинейном режиме на падающем участке амплитудной характеристик. Наличие падающего участка на амплитудной характеристике нелинейного усилителя приводит к тому, что генератор превращается в генератор шума, в котором отсутствуют какие-либо дополнительные внешние источники шумового сигнала, а режим генерации электромагнитных шумовых колебаний осуществляется за счет собственной динамики автоколебательной системы (см. а.с. СССР № 1125735, МПК H03B29/00, опуб. 23.11.1984).A known method for generating noise oscillations, based on the use of linear and nonlinear amplifiers in the noise generator circuit covered by a feedback circuit, which were used as a traveling wave tube. The names of the amplifiers conditionally correspond to the modes in which they worked: a linear amplifier - in an almost linear amplification mode, a nonlinear amplifier - in a substantially nonlinear mode in the falling section of the amplitude characteristics. The presence of a falling section on the amplitude characteristic of a nonlinear amplifier leads to the fact that the generator turns into a noise generator, in which there are no additional external sources of a noise signal, and the mode of generation of electromagnetic noise oscillations is carried out due to the intrinsic dynamics of the self-oscillating system (see A. . USSR No. 1125735, IPC H03B29 / 00, publ. 23.11.1984).

Недостатком указанного выше способа является отсутствие режима генерации хаотических микроволновых импульсов.The disadvantage of the above method is the lack of a mode of generation of chaotic microwave pulses.

Известен также способ генерации хаотических радиоимпульсов большой мощности для прямохаотических систем связи, включающий введение внешнего СВЧ радиоимпульса в цепь обратной связи СВЧ клистронного автогенератора с запаздывающей обратной связью, автогенератор настраивают на максимум хаотической мощности в автономном режиме, внешний СВЧ радиоимпульс выбирают малой мощности, подбирают его амплитуду и частоту до момента резкого падения хаотической мощности в течение длительности радиоимпульса (см. патент на изобретение РФ №2349027, МПК H03K3/84, опуб. 10.03.2009).There is also known a method of generating chaotic high-power radio pulses for direct-chaotic communication systems, including the introduction of an external microwave radio pulse into the feedback circuit of a microwave klystron oscillator with delayed feedback, the auto-oscillator is tuned to the maximum chaotic power in an autonomous mode, the external microwave radio pulse is selected at low power, its amplitude is selected and frequency until a sharp drop in the chaotic power during the duration of the radio pulse (see patent for invention of the Russian Federation No. 2349027, IPC H03K3 / 84, publ. 10.03.2009).

Недостатком указанного способа является введение внешнего СВЧ радиоимпульса для генерации хаотических микроволновых импульсов.The disadvantage of this method is the introduction of an external microwave radio pulse to generate chaotic microwave pulses.

Известен также способ генерации хаотических сверхвысокочастотных импульсов, включающий введение в цепь обратной связи автогенератора хаотических сверхвысокочастотных сигналов нелинейного пассивного элемента, обладающего обратной динамической характеристикой, частотно-избирательного элемента и переменных аттенюаторов; автогенератор настраивают на режим генерации хаотического сверхвысокочастотного сигнала с уровнем мощности выше порогового уровня нелинейного пассивного элемента, ширину полосы частот частотно-избирательного элемента выбирают так, чтобы уровень подавления спектральных компонент сигнала малого уровня мощности относительно спектральных компонент большого уровня мощности был постоянным во всей полосе, а изменением величины ослабления аттенюаторов регулируют период следования хаотических сверхвысокочастотных импульсов (см. патент на способ № 2421876, МПК H03B 29/00, опуб. 20.06.2011).There is also known a method of generating chaotic ultra-high-frequency pulses, including the introduction into the feedback circuit of the auto-generator of chaotic ultra-high frequency signals of a nonlinear passive element with an inverse dynamic characteristic, a frequency selective element and variable attenuators; the oscillator is tuned to the mode of generation of a chaotic microwave signal with a power level higher than the threshold level of the nonlinear passive element, the bandwidth of the frequency selective element is selected so that the level of suppression of spectral components of a low power signal relative to spectral components of a high power level is constant throughout the entire band, and by changing the amount of attenuation of the attenuators regulate the repetition period of chaotic ultra-high-frequency pulses (see patent for method No. 2421876, IPC H03B 29/00, publ. 20.06.2011).

Недостатком указанного способа является отсутствие режимов генерации хаотических микроволновых импульсов субнаносекундной длительности.The disadvantage of this method is the lack of modes of generation of chaotic microwave pulses of subnanosecond duration.

Известны также способы генерации последовательностей микроволновых импульсов наносекундной длительности в форме «светлых» (Kalinikos B.A., Kovshikov N.G., Patton C.E. Self-generation of microwave magnetic envelope soliton trains in yttrium iron garnet thin films// Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 80, No 19. P. 4301-4304) или «темных» (Калиникос Б.А., Ковшиков Н.Г., Паттон К.Е. Наблюдение автогенерации темных солитонов огибающей спиновых волн в ферромагнитных пленках// Письма в ЖЭТФ. 1998. Т. 68, №3. С.229-233) солитонов огибающей спиновых волн, включающий введение в цепь обратной связи автогенератора регулярного ферромагнитного волновода, работающего в условиях существования только четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий спиновых волн, а также усилителя, работающего в режиме линейного усиления СВЧ сигнала и служащего только для компенсации потерь в цепи обратной связи. Если внешнее постоянное магнитное поле приложено вдоль микрополосковых преобразователей, то в регулярном ферромагнитном волноводе возбуждается поверхностная магнитостатическая спиновая волна (ПМСВ) с положительной нормальной дисперсией, на которой формируется последовательность микроволновых импульсов наносекундной длительности, огибающая которых имеет форму темных солитонов («провалы» на амплитудном фоне). Если внешнее постоянное магнитное поле приложено также касательно к поверхности регулярного волновода, но направлено перпендикулярно микрополосковым преобразователям, то в ферромагнитном волноводе возбуждаются обратные объемные магнитостатические спиновые волны (ООМСВ) с отрицательной аномальной дисперсией, на которых формируется последовательность микроволновых импульсов наносекундной длительности, огибающая которых имеет форму светлых солитонов («пики» на шумовом пьедестале).There are also known methods for generating sequences of microwave pulses of nanosecond duration in the form of "light" (Kalinikos BA, Kovshikov NG, Patton CE Self-generation of microwave magnetic envelope soliton trains in yttrium iron garnet thin films // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 80, No. 19. P. 4301-4304) or “dark” (Kalinikos B.A., Kovshikov N.G., Patton K.E. Observation of self-generation of dark envelope solitons of spin waves in ferromagnetic films // JETP Letters. 1998 V. 68, No. 3. P.229-233) spin wave envelope solitons, including the introduction of a regular ferromagnetic waveguide into the feedback loop of an autogenerator operating in the presence of only four-wave nonlinear spin-wave interactions of spin waves, as well as an amplifier operating in the mode of linear amplification of the microwave signal and serves only to compensate for losses in the feedback circuit. If an external constant magnetic field is applied along the microstrip converters, then a surface magnetostatic spin wave (MSSW) with positive normal dispersion is excited in a regular ferromagnetic waveguide, on which a sequence of microwave pulses of nanosecond duration is formed, the envelope of which has the form of dark solitons (“dips” against the amplitude background ). If an external constant magnetic field is also applied tangentially to the surface of a regular waveguide, but is directed perpendicular to the microstrip converters, then reverse bulk magnetostatic spin waves (BMSWs) with negative anomalous dispersion are excited in the ferromagnetic waveguide, on which a sequence of nanosecond microwave pulses is formed, the envelope of which has the form light solitons (“peaks” on the noise pedestal).

Недостатком обоих способов является отсутствие режимов генерации хаотических микроволновых импульсов субнаносекундной длительности.The disadvantage of both methods is the absence of modes of generation of chaotic microwave pulses of subnanosecond duration.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ генерации многосолитонных комплексов наносекундной длительности, включающий введение в цепь обратной связи автогенератора диспергирующего нелинейного пассивного элемента в виде нерегулярного Г-образного ферромагнитного волновода, в котором одновременно происходит трансформация дисперсионных характеристик МСВ от положительной нормальной к отрицательной аномальной и осуществляется конкуренция между трех- и четырехволновыми нелинейными спин-волновыми взаимодействиями на ПМСВ, а также двух активных элементов, один из которых работает в режиме линейного усиления СВЧ сигнала (линейный усилитель), а другой - в режиме насыщения выходной мощности (нелинейный усилитель) (см. Бир А.С., Гришин С.В. Генерация темных многосолитонных комплексов в магнонном кольцевом резонаторе с управлением дисперсией и конкурирующими нелинейными спин-волновыми взаимодействиями// Письма в ЖЭТФ. 2019. Т. 110, вып. 5. С. 348-353). При этом, внешнее постоянное магнитное поле направлено таким образом, что во входном плече Г-образного ферромагнитного волновода возбуждаются ПМСВ с положительной нормальной дисперсией, а в его выходном плече - ООМСВ с отрицательной аномальной дисперсией. Величина внешнего постоянного магнитного поля устанавливается равной Н0=620 Э для того, чтобы для ООМСВ трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия были запрещены, т.к. Н0=Hint2>Hth2 (где Hint2 - внутреннее магнитное поле в выходном плече Г-образного ферромагнитного волновода, в котором распространяются ООМСВ, а Hth2=583 Э – пороговое значение магнитного поля, выше которого трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия на ООМСВ запрещены), а для ПМСВ с учетом поля размагничивания Hd=-17 Э, возникающего из-за конечной ширины входного плеча Г-образного ферромагнитного волновода 950 мкм, Н0=Hint1-Hd <Hth1 (где Hint1 - внутреннее магнитное поле во входном плече Г-образного ферромагнитного волновода, в котором распространяются ПМСВ, а Hth1=875 Э - пороговое значение магнитного поля, выше которого трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия на ПМСВ запрещены). Формулы для расчета порогов трехволновых процессов приведены в монографии Вашковского А.В., Стальмахова В.С., Шараевского Ю.П. (Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Изд-во Саратовского университета, 1993). При выбранном значении поля Н0 для частоты f, находящейся в частотной области спектра ПМСВ f cr≤f≤2f H (где f cr=[f H(f H+f M)]1/2 - нижняя частотная граница существования спектра ПМСВ, f H=γH0 - частота ферромагнитного резонанса, γ - гиромагнитное отношение, равное 2.8 МГц/Э, f M=4πγM0, 4πM0 - намагниченность насыщения ферромагнитного волновода), трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия запрещены, а для частоты f, находящейся в частотной области спектра ПМСВ 2f H<f<f up (где f up=f H+f M/2 - верхняя частотная граница существования спектра ПМСВ в свободной ферромагнитной пленке), трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия разрешены. Уровень мощности СВЧ сигнала на входе Г-образного волновода Р вх=+2 дБмВт устанавливается с помощью переменного аттенюатора таким, что во входном плече волновода в частотной области 2f H<f<f up развиваются трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия на ПМСВ, а в частной области f cr≤f≤2f H развиваются четырехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия на ПМСВ. Это приводит к тому, что в выходном плече волновода (при конвертации ПМСВ в ООМСВ) мощности СВЧ сигнала не хватает для развития на ООМСВ четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий. Трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия отвечают за формирование хаотических микроволновых импульсов в виде темных солитонов огибающей микросекундной длительности, а четырехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия отвечают за формирование стационарной последовательности микроволновых импульсов в виде темных солитонов огибающей наносекундной длительности, которые «вложены» в хаотические микроволновые импульсы субмикросекундной длительности (темный многосолитонный комплекс).The closest to the proposed method is a method for generating multisoliton complexes of nanosecond duration, including the introduction of a dispersive nonlinear passive element in the feedback circuit of the autogenerator in the form of an irregular L-shaped ferromagnetic waveguide, in which the dispersion characteristics of the MSW are simultaneously transformed from positive normal to negative anomalous and competition is carried out between three- and four-wave nonlinear spin-wave interactions on the MSSV, as well as two active elements, one of which operates in the mode of linear amplification of the microwave signal (linear amplifier), and the other in the output power saturation mode (nonlinear amplifier) (see Beer A.S., Grishin S.V. Generation of dark multisoliton complexes in a magnon ring resonator with dispersion control and competing nonlinear spin-wave interactions // JETP Letters. 2019.Vol. 110, issue 5, pp. 348-353) ... In this case, the external constant magnetic field is directed in such a way that MSSWs with positive normal dispersion are excited in the input arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide, and MSSWs with negative anomalous dispersion are excited in its output arm. The magnitude of the external constant magnetic field is set equal to H 0 = 620 Oe in order for three-wave nonlinear spin-wave interactions to be forbidden for MSWS, since H 0 = H int2 > H th2 (where H int2 is the internal magnetic field in the output arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide, in which OMSW propagate, and H th2 = 583 Oe is the threshold value of the magnetic field, above which three-wave nonlinear spin-wave interactions on OMSV are prohibited), and for MSSW, taking into account the demagnetization field H d = -17 Oe, arising from the finite width of the input arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide 950 μm, H 0 = H int1 -H d <H th1 (where H int1 is the internal magnetic field in the input arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide, in which the MSSW propagate, and H th1 = 875 Oe is the threshold value of the magnetic field, above which three-wave nonlinear spin-wave interactions on the MSSW are prohibited). Formulas for calculating the thresholds of three-wave processes are given in the monograph by AV Vashkovsky, VS Stalmakhov, Yu.P. Sharaevsky. (Magnetostatic waves in microwave electronics. Saratov University Press, 1993). If the selected value of the field H 0 to the frequency f, the spectrum being in the frequency domain MSSW f cr ≤ f≤ 2 f H (where f cr = [f H (f H + f M)] 1/2 - the bottom frequency limit of the existence range MSSW , f H = γH 0 is the ferromagnetic resonance frequency, γ is the gyromagnetic ratio equal to 2.8 MHz / Oe, f M = 4πγM 0 , 4πM 0 is the saturation magnetization of the ferromagnetic waveguide), three-wave nonlinear spin-wave interactions are forbidden, and for the frequency f , located in the frequency region of the spectrum of the MSSW 2 f H < f < f up (where f up = f H + f M / 2 is the upper frequency boundary of the existence of the spectrum of the MSSW in a free ferromagnetic film), three-wave nonlinear spin-wave interactions are allowed. The power level of the microwave signal at the input of the L-shaped waveguide P in = + 2 dBm is set using a variable attenuator such that three-wave nonlinear spin-wave interactions on the MSSW develop in the input arm of the waveguide in the frequency region 2 f H < f < f up , and in a private area f cr ≤ f≤ 2 f H develop four-wave nonlinear spin-wave interaction at the surface magnetostatic waves. This leads to the fact that the microwave signal power in the output arm of the waveguide (when converting the MSSW to the MSSW) is not sufficient for the development of four-wave nonlinear spin-wave interactions on the MSSW. Three-wave nonlinear spin-wave interactions are responsible for the formation of chaotic microwave pulses in the form of dark envelope solitons of microsecond duration, and four-wave nonlinear spin-wave interactions are responsible for the formation of a stationary sequence of microwave pulses in the form of dark envelope solitons of nanosecond duration, which are “embedded” in chaotic microwave pulses submicrosecond duration (dark multisoliton complex).

Недостатком указанного способа является относительно низкий уровень мощности СВЧ сигнала на входе нерегулярного Г-образного ферромагнитного волновода, при котором не удается получить многосолитонные комплексы, состоящие из стационарных последовательностей микроволновых импульсов в виде темных солитонов огибающей субнаносекундной длительности, которые «вложены» в хаотические микроволновые импульсы в виде темных солитонов огибающей микросекундной длительности.The disadvantage of this method is the relatively low power level of the microwave signal at the input of the irregular L-shaped ferromagnetic waveguide, in which it is not possible to obtain multisoliton complexes consisting of stationary sequences of microwave pulses in the form of dark envelope solitons of subnanosecond duration, which are "embedded" in chaotic microwave pulses in the form of dark envelope solitons of microsecond duration.

Техническая проблема заявляемого изобретения заключается в разработке способа генерации хаотических микроволновых импульсов субнаносекундной длительности.The technical problem of the claimed invention is to develop a method for generating chaotic microwave pulses of subnanosecond duration.

Технический результат заключается в получении стационарных последовательностей микроволновых импульсов в виде темных солитонов огибающей субнаносекундной длительности, которые «вложены» в хаотические микроволновые импульсы в виде темных солитонов огибающей субмикросекундной длительности.The technical result consists in obtaining stationary sequences of microwave pulses in the form of dark envelope solitons of subnanosecond duration, which are “embedded” in chaotic microwave pulses in the form of dark envelope solitons of submicrosecond duration.

Для достижения технической проблемы и заявляемого результата в способе генерации хаотических микроволновых импульсов, заключающемуся в возбуждении с помощью микрополосковых преобразователей поверхностных и обратных объемных магнитостатических спиновых волн в плечах расположенного в постоянном магнитном поле нерегулярного Г-образного волновода, включенного в цепь обратной связи автогенератора, имеющего два последовательно соединенных активных элемента, один из которых выполнен с возможностью работы в режиме линейного усиления СВЧ сигнала, подключенного к выходному плечу волновода, а другой, подключенный к входному плечу волновода, - в режиме насыщения его выходной мощности, формировании уровня мощности СВЧ-сигнала с возможностью образования трехволновых и четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий, согласно изобретению, во входном плече Г-образного ферромагнитного волновода возбуждают обратные объемные магнитостатические спиновые волны с отрицательной аномальной дисперсией, а в выходном плече - поверхностные магнитостатические спиновые волны с положительной нормальной дисперсией за счет направления постоянного магнитного поля перпендикулярно входному микрополосковому преобразователю и параллельно выходному микрополосковому преобразователю, причем четырехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия формируют во входном плече Г-образного волновода, а трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия формируют в его выходном плече.To achieve the technical problem and the claimed result in the method of generating chaotic microwave pulses, which consists in exciting surface and reverse bulk magnetostatic spin waves in the arms of an irregular L-shaped waveguide located in a constant magnetic field, connected to the feedback circuit of an oscillator having two series-connected active elements, one of which is configured to operate in the linear amplification mode of the microwave signal connected to the output arm of the waveguide, and the other, connected to the input arm of the waveguide, in the saturation mode of its output power, forming the microwave signal power level with the ability the formation of three-wave and four-wave nonlinear spin-wave interactions, according to the invention , backward bulk magnetostatic spin waves with negative anomalous dispersion are excited in the input arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide , and in the output arm - surface magnetostatic spin waves with positive normal dispersion due to the direction of the constant magnetic field perpendicular to the input microstrip converter and parallel to the output microstrip converter, and four-wave nonlinear spin-wave interactions form in the input arm of the L-shaped waveguide, and three-wave nonlinear spin -wave interactions form in its output arm.

Предлагаемый способ поясняется чертежами, где:The proposed method is illustrated by drawings, where:

- на фиг.1 показана блок-схема для реализации заявляемого способа; - figure 1 shows a block diagram for implementing the proposed method;

- на фиг.2 приведена линия передачи на основе Г-образного ферромагнитного волновода; - figure 2 shows a transmission line based on an L-shaped ferromagnetic waveguide;

- на фиг.3 приведены дисперсионные характеристики ПМСВ и ООМСВ, распространяющихся в Г-образном ферромагнитном волноводе;- figure 3 shows the dispersion characteristics of the MSSW and OMSV, propagating in the L-shaped ferromagnetic waveguide;

- на фиг.4 приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) Г-образного ферромагнитного волновода; - figure 4 shows the amplitude-frequency characteristic (AFC) of the L-shaped ferromagnetic waveguide;

- на фиг.5 приведены зависимости мощности на выходе (Р вых) от мощности на входе (Р вх) Г-образного ферромагнитного волновода и нелинейного транзисторного усилителя; - figure 5 shows the dependence of the output power ( P out ) on the input power ( P in ) of the L-shaped ferromagnetic waveguide and nonlinear transistor amplifier;

- на фиг.6 - приведены спектрограммы и временные реализации хаотических импульсов субнаносекундной длительности, генерируемых в автогенераторе на основе Г-образного ферромагнитного волновода.- Fig. 6 shows spectrograms and time realizations of chaotic pulses of subnanosecond duration generated in an oscillator based on an L-shaped ferromagnetic waveguide.

Позициями на чертежах обозначены:Positions in the drawings indicate:

1 - активный элемент, выполненный с возможностью работы в режиме линейного усиления СВЧ сигнала (линейный транзисторный СВЧ усилитель);1 - an active element configured to operate in the linear amplification mode of the microwave signal (linear transistor microwave amplifier);

2 - активный элемент, выполненный с возможностью работы в режиме нелинейного усиления СВЧ сигнала (нелинейный транзисторный СВЧ усилитель);2 - an active element configured to operate in a nonlinear microwave signal amplification mode (nonlinear transistor microwave amplifier);

3 - направленный ответвитель;3 - directional coupler;

4 - переменный аттенюатор;4 - variable attenuator;

5 - Г-образный ферромагнитный волновод;5 - L-shaped ferromagnetic waveguide;

6 - металлический экран;6 - metal screen;

7 - поликоровая подложка;7 - polycore substrate;

8 - пленка железо-иттриевого граната;8 - a film of yttrium iron garnet;

9 - подложка из гадолиний галлиевого граната;9 - gadolinium gallium garnet substrate;

10 - входной микрополосковый преобразователь; 10 - input microstrip converter;

11 - выходной микрополосковый преобразователь; 11 - output microstrip converter;

12 - заземление;12 - grounding;

13 - дисперсионная характеристика ООМСВ при Hint1=627 Э во входном плече Г-образного ферромагнитного волновода, на которой указаны частота генерации одночастотного сигнала f 0 и выделенная частота хаотического сигнала f 1 в автогенераторе;13 - dispersion characteristic of OMSV at H int1 = 627 Oe in the input arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide, which indicates the generation frequency of the single-frequency signal f 0 and the selected frequency of the chaotic signal f 1 in the oscillator;

14 - дисперсионная характеристика ПМСВ при Hint2=610 Э в выходном плече Г-образного ферромагнитного волновода, на которой указаны частота генерации одночастотного сигнала f 0 и выделенная частота хаотического сигнала f 1 в автогенераторе;14 - dispersion characteristic of MSSW at H int2 = 610 Oe in the output arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide, which indicates the frequency of generation of a single-frequency signal f 0 and the selected frequency of the chaotic signal f 1 in the oscillator;

15 - дисперсионная характеристика ООМСВ при Hint2=610 Э - в выходном плече Г-образного ферромагнитного волновода, на которой указаны параметрические частоты f 0/2 и f 1/2, одна из которых (частота f 1/2) участвует в трехволновом нелинейном спин-волновом взаимодействии с ПМСВ; 15 - the dispersion characteristic BVMSW at H int2 = 610 E - in the outlet arm of L-shaped ferromagnetic waveguide on which said parametric frequency f 0/2 and f 1/2, one of which (the frequency f 1/2) is involved in the three-wave nonlinear spin-wave interaction with MSSW;

16 - зависимость коэффициента передачи от частоты Г-образного ферромагнитного волновода;16 - dependence of the transmission coefficient on the frequency of the L-shaped ferromagnetic waveguide;

17 - мощностная характеристика Г-образного ферромагнитного волновода на частоте f 0; 17 - power characteristic of the L-shaped ferromagnetic waveguide at the frequency f 0 ;

18 - мощностная характеристика Г-образного ферромагнитного волновода на частоте f 1; 18 - power characteristic of the L-shaped ferromagnetic waveguide at the frequency f 1 ;

19 - мощностная характеристика нелинейного транзисторного СВЧ усилителя на частоте f 0.19 - power characteristic of a nonlinear transistor microwave amplifier at a frequency f 0 .

Способ был реализован с помощью устройства, изображенного на фиг.1.The method was implemented using the device shown in Fig. 1.

Устройство содержит последовательно соединенные СВЧ усилители 1, 2, направленный ответвитель 3, переменный аттенюатор 4, линию передачи, выполненную на основе Г-образного ферромагнитного волновода 5, выход которой соединен со входом СВЧ усилителя 1.The device contains series-connected microwave amplifiers 1, 2, directional coupler 3, variable attenuator 4, transmission line made on the basis of L-shaped ferromagnetic waveguide 5, the output of which is connected to the input of microwave amplifier 1.

Г-образный ферромагнитный волновод 5 (см. фиг. 2) изготовлен из пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) толщиной 13 мкм с намагниченностью насыщения 4M 0=1750 Гс, выращенной на подложке гадолиний галлиевого граната толщиной 500 мкм с использованием метода жидкофазной эпитаксии. Г-образный ферромагнитный волновод имеет входное плечо и выходное плечо, под которыми размещаются входной и выходной микрополосковые преобразователи, которые нанесены на диэлектрическую подложку, экранированную с противоположной стороны. Микрополосковые преобразователи сформированы на поликоровой подложке толщиной 500 мкм, имеют ширину 30 мкм и длину 1 мм. Они используются для возбуждения и приема МСВ, распространяющихся в Г-образном ферромагнитном волноводе. Оба плеча Г-образного волновода имеют одинаковую ширину и длину. Угол между ними равен 90 градусов. Внешнее постоянное магнитное поле H 0=627 Э приложено касательно к поверхности волновода и направлено перпендикулярно входному микрополосковому преобразователю . Такая конфигурация поля поддерживает распространение ООМСВ во входном плече волновода и ПМСВ в его выходном плече.L-shaped ferromagnetic waveguide 5 (see Fig. 2) is made of a 13 μm thick yttrium iron garnet (YIG) film with a saturation magnetization of 4 M 0 = 1750 G, grown on a 500 μm thick gadolinium gallium garnet substrate using the liquid-phase epitaxy method. ... The L-shaped ferromagnetic waveguide has an input shoulder and an output shoulder, under which the input and output microstrip converters are placed, which are deposited on a dielectric substrate, shielded from the opposite side. Microstrip transducers are formed on a polycor substrate 500 μm thick, 30 μm wide and 1 mm long. They are used to excite and receive MSWs propagating in an L-shaped ferromagnetic waveguide. Both arms of the L-shaped waveguide have the same width and length. The angle between them is 90 degrees. An external constant magnetic field H 0 = 627 Oe is applied tangentially to the waveguide surface and is directed perpendicular to the input microstrip transducer. This configuration of the field supports the propagation of the MSSW in the input arm of the waveguide and the MSSW in its output arm.

Постоянное магнитное поле прикладывается к Г-образному волноводу так, что в его входном плече возбуждаются ООМСВ с отрицательной аномальной дисперсией, а в его выходном плече - ПМСВ с положительной нормальной дисперсией. При этом четырехволновые нелинейные взаимодействия реализуются только на ООМСВ, а трехволновые нелинейные взаимодействия - только на ПМСВ. Величина коэффициента усиления кольцевого СВЧ автогенератора подбирается таким образом, чтобы уровень мощности СВЧ сигнала на входе Г-образного волновода превышал пороги существования как трех-, так и четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий. Помимо Г-образного волновода в цепи обратной связи кольцевого СВЧ автогенератора вводится каскад из двух активных элементов, один из которых работает в режиме линейного усиления СВЧ сигнала (линейный усилитель), а другой - в режиме насыщения выходной мощности СВЧ сигнала (нелинейный усилитель). Линейный усилитель усиливает СВЧ - сигнал до уровня мощности, при котором нелинейный усилитель работает в режиме насыщения выходной мощности. Таким образом, генерируемый в кольце хаотический СВЧ сигнал формируется за счет трех- и четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий, а нелинейный усилитель ограничивает рост амплитуды хаотического СВЧ сигнала. Это приводит к генерации во временной области на хаотическом амплитудном фоне относительно широких провалов субмикросекундной длительности за счет трехволновых нелинейных процессов, огибающая которых, в свою очередь, является модулированной более быстрыми колебаниями субнаносекундной длительности, возникающими из-за генерации СВЧ сигнала на собственных модах кольцевого автогенератора в результате четырехволновых нелинейных взаимодействий. Наличие нелинейного усилителя также способствует установлению частичной хаотической синхронизации частот автомодуляции спиновых волн с частотами собственных мод кольцевого резонатора и к генерации стационарной последовательности микроволновых импульсов субнаносекундной длительности.A constant magnetic field is applied to the L-shaped waveguide so that MSSWs with negative anomalous dispersion are excited in its input arm, and MSSWs with positive normal dispersion are excited in its output arm. In this case, four-wave nonlinear interactions are realized only at the MSSW, and three-wave nonlinear interactions, only at the MSSW. The magnitude of the amplification factor of the ring microwave oscillator is selected so that the power level of the microwave signal at the input of the L-shaped waveguide exceeds the thresholds for the existence of both three- and four-wave nonlinear spin-wave interactions. In addition to the L-shaped waveguide, a cascade of two active elements is introduced in the feedback circuit of the ring microwave oscillator, one of which operates in the mode of linear amplification of the microwave signal (linear amplifier), and the other in the mode of saturation of the output power of the microwave signal (nonlinear amplifier). The linear amplifier amplifies the microwave signal to the power level at which the nonlinear amplifier operates in the saturation mode of the output power. Thus, the chaotic microwave signal generated in the ring is formed due to three- and four-wave nonlinear spin-wave interactions, and the nonlinear amplifier limits the growth of the amplitude of the chaotic microwave signal. This leads to generation in the time domain against a chaotic amplitude background of relatively wide dips of submicrosecond duration due to three-wave nonlinear processes, the envelope of which, in turn, is modulated by faster oscillations of subnanosecond duration, arising from the generation of a microwave signal on the eigenmodes of a ring oscillator in as a result of four-wave nonlinear interactions. The presence of a nonlinear amplifier also contributes to the establishment of a partial chaotic synchronization of the frequencies of self-modulation of spin waves with the frequencies of the eigenmodes of the ring resonator and to the generation of a stationary train of microwave pulses of subnanosecond duration.

Таким образом, для реализации заявляемого способа необходимо выполнение следующих условий.Thus, to implement the proposed method, the following conditions must be met.

1. Направление внешнего постоянного магнитного поля H 0 выбирается касательным к поверхности Г-образного ферромагнитного волновода. При этом оно должно быть направлено перпендикулярно входному микрополосковому преобразователю и параллельно выходному микрополосковому преобразователю. При таком направлении поля H 0 во входном плече Г-образного ферромагнитного волновода распространяются ООМСВ, а в его выходном плече - ПМСВ.1. Direction of the external constant magnetic fieldH 0 is chosen tangent to the surface of the L-shaped ferromagnetic waveguide. In this case, it must be directed perpendicular to the input microstrip converter and parallel to the output microstrip converter. With this direction of the fieldH 0 in the input arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide, OMSWs propagate, and in its output arm, MSSWs.

2. Величина внешнего постоянного магнитного поля H 0 выбирается таким образом, чтобы для ООМСВ, распространяющихся во входном плече Г-образного ферромагнитного волновода, его внутреннее магнитное поле Hint1 определялось следующим выражением:2. The magnitude of the external constant magnetic fieldH 0 is chosen in such a way that for the MSSWs propagating in the input arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide, its internal magnetic field Hint1was determined by the following expression:

Hint1 = Н 0 > 4πM 0/3, H int1 = H 0> 4π M 0/3

а для ПМСВ, распространяющихся в выходном плече Г-образного ферромагнитного волновода, не граничащим с металлическими экранами, его внутреннее магнитное поле определялось как Hint2= Н 0 + H d < 2πM 0,and for MSSWs propagating in the output arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide, not adjacent to metal screens, its internal magnetic field was determined as H int2 = Н 0 + H d <2π M 0 ,

где величина внутреннего магнитного поля Hint2 зависит также от величины поля размагничивания H d, которое, в свою очередь, зависит от ширины волновода, которая для эффективной конвертации ООМСВ в ПМСВ выбирается равной ≤1 мм (Sadovnikov A.V., Davies C.S., Grishin S.V., Kruglyak V.V., Romanenko D.V., Sharaevskii Y.P., and Nikitov S.A. Magnonic beam splitter: The building block of parallel magnonic circuitry // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, 192406).where the magnitude of the internal magnetic field H int2 also depends on the magnitude of the demagnetization field H d , which, in turn, depends on the width of the waveguide, which is chosen equal to ≤1 mm for efficient conversion of OMSW to MSSW (Sadovnikov AV, Davies CS, Grishin SV, Kruglyak VV, Romanenko DV, Sharaevskii YP, and Nikitov SA Magnonic beam splitter: The building block of parallel magnonic circuitry // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, 192406).

3. Уровень мощности СВЧ сигнала на входе Г-образного ферромагнитного волновода устанавливается таким, чтобы он на 15 дБ превышал пороговый уровень мощности, соответствующий четырехволновым нелинейным спин-волновым взаимодействиям на ООМСВ. При этом длина входного плеча Г-образного волновода устанавливается равной не более 4 мм, чтобы в его выходном плече могли развиться трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия на ПМСВ.3. The power level of the microwave signal at the input of the L-shaped ferromagnetic waveguide is set so that it is 15 dB higher than the threshold power level corresponding to four-wave nonlinear spin-wave interactions at the OMSW. In this case, the length of the input arm of the L-shaped waveguide is set equal to no more than 4 mm, so that three-wave nonlinear spin-wave interactions on the MSSW can develop in its output arm.

4. Уровень мощности СВЧ сигнала на входе нелинейного усилителя устанавливается таким, чтобы он был на 5 дБ больше точки компрессии выходной мощности усилителя.4. The power level of the microwave signal at the input of the nonlinear amplifier is set so that it is 5 dB higher than the compression point of the amplifier's output power.

На основе микромагнитного моделирования установлено, что во входном плече Г-образного волновода внутреннее магнитное поле равно H int1=H 0> 4πM0/3, а в его выходном плече - H int2 = H 0 + H d < 2πM 0 (где H d = -17 Э - поле размагничивания).Based micromagnetic simulation revealed that the input arm of L-shaped waveguide internal magnetic field is equal to H int1 = H 0> 4πM 0/3, and its output arm - H int2 = H 0 + H d <2π M 0 (where H d = -17 Oe - demagnetization field).

На фиг.3 приведены дисперсионные характеристики ПМСВ и ООМСВ, рассчитанные для двух значений внутреннего магнитного поля H int1 и H int2 с использованием дисперсионных уравнений, полученных для свободной ферромагнитной пленки. Из представленных на фиг.3 результатов расчета следует, что ПМСВ и ООМСВ могут существовать одновременно в некоторой области частот (выделена серым цветом), ширина которой зависит от разности значений частот отсечек ПМСВ и ООМСВ. Известно, что МСВ, распространяясь в Т- или Г-образном ферромагнитном микроволноводе, конвертируют свою дисперсию из прямой в обратную и наоборот в указанной области частот (Sadovnikov A.V., Davies C.S., Grishin S.V., Kruglyak V.V., Romanenko D.V., Sharaevskii Y.P., and Nikitov S.A. Magnonic beam splitter: The building block of parallel magnonic circuitry // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, 192406; Sadovnikov A.V., Davies C.S., Kruglyak V.V., Romanenko D.V., Grishin S.V., Beginin E.N., Sharaevskii Y.P., Nikitov S.A. Spin wave propagation in a uniformly biased curved magnonic waveguide // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 96, 060401(R)). Предполагая, что дисперсия кольцевого резонатора определяется только волноводной дисперсией МСВ, а длина распространения МСВ с разной дисперсией одинакова, по аналогии с оптикой, можно ввести среднюю дисперсию на пути распространения солитона как D av = (D + + D −)/2 (где D +> 0 - дисперсия групповой скорости (ДГС) ООМСВ, а D − < 0 - ДГС ПМСВ). Если D av<<D ±, то в этом случае можно говорить об управлении дисперсией в системе.Figure 3 shows the dispersion characteristics of the MSSW and OMSV, calculated for two values of the internal magnetic field H int1 and H int2 using the dispersion equations obtained for a free ferromagnetic film. From the calculation results presented in Fig. 3, it follows that the MSSV and OMSV can exist simultaneously in a certain frequency range (highlighted in gray), the width of which depends on the difference in the values of the cutoff frequencies of the MSSV and OMSV. It is known that MSWs, propagating in a T- or L-shaped ferromagnetic microwave, convert their dispersion from direct to reverse and vice versa in the specified frequency range (Sadovnikov AV, Davies CS, Grishin SV, Kruglyak VV, Romanenko DV, Sharaevskii YP, and Nikitov SA Magnonic beam splitter: The building block of parallel magnonic circuitry // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, 192406; Sadovnikov AV, Davies CS, Kruglyak VV, Romanenko DV, Grishin SV, Beginin EN, Sharaevskii YP, Nikitov SA Spin wave propagation in a uniformly biased curved magnonic waveguide // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 96, 060401 (R)). Assuming that the dispersion of the ring resonator is determined only by the waveguide dispersion of the MSW, and the propagation length of the MSW with different dispersions is the same, by analogy with optics, we can introduce the average dispersion along the propagation path of the soliton as D av = ( D + + D - ) / 2 (where D + > 0 is the group velocity dispersion (GVD) of the OMSV, and D - <0 is the GVD of the MSSV). If D av << D ± , then in this case we can talk about variance control in the system.

Как следует из результатов, представленных на фиг.3, частота f 0=3384 МГц находится в выделенной серым цветом частотой области, в которой происходит преобразование низшей ширинной моды ООМСВ в высшею ширинную моду ПМСВ. Данная частота соответствует частоте генерации монохроматического сигнала в кольце, на которой трехволновые процессы распада запрещены как для ООМСВ, так и для ПМСВ. Это обусловлено тем, что частота f 0/2 при H int1=627 Э и H int2=610 Э располагается ниже спектра ООМСВ (сплошная и пунктирная кривые). В то же самое время, частота f 1=3464 МГц, находясь вне выделенной серым цветом области, принадлежит области частот, в которой происходит преобразование высшей ширинной моды ООМСВ в высшие ширинные моды ПМСВ. На этой частоте трехволновые процессы распада разрешены только для ПМСВ при H int2=610 Э, так как частота f 1/2 лежит в спектре параметрически возбуждаемых ООМСВ (пересечение штрихпунктирной линии, соответствующей частоте f 1/2, с пунктирной линией, соответствующей дисперсионной характеристике ООМСВ, отмечено кружком). В тоже самое время, при H int1=627 Э частота f 1/2 находятся вне спектра ООМСВ (сплошная кривая). Таким образом, во входном плече Г-образного волновода могут развиваться только четырехволновые нелинейные взаимодействия, а в его выходном плече - трехволновые нелинейные взаимодействия.As follows from the results presented in Fig. 3, the frequency f 0 = 3384 MHz is located in the frequency-highlighted area, in which the lower width mode of the MSSW is converted into the higher width mode of the MSSW. This frequency corresponds to the frequency of generation of a monochromatic signal in the ring, at which three-wave decay processes are forbidden for both MSSW and MSSW. This is because the frequency f 0/2, with H int1 = 627 Oe and H int2 = 610 e located below BVMSW spectrum (solid and dashed curves). At the same time, the frequency f 1 = 3464 MHz, being outside the area highlighted in gray, belongs to the frequency range, in which the transformation of the highest width mode of the MSSW takes place into the higher width modes of the MSSW. At this frequency, three-wave decay processes are allowed only for MSSWs at H int2 = 610 Oe, since the frequency f 1/2 lies in the spectrum of parametrically excited MSSWs (the intersection of the dash-dotted line corresponding to the frequency f 1/2 with the dashed line corresponding to the dispersion characteristic of the MSSW , circled). At the same time, at H int1 = 627 Oe, the frequency f 1/2 is outside the MSWS spectrum (solid curve). Thus, only four-wave nonlinear interactions can develop in the input arm of the L-shaped waveguide, and three-wave nonlinear interactions can develop in its output arm.

На фиг.4 приведена АЧХ Г-образного ферромагнитного волновода, из которой следует, что на зависимости коэффициента передачи от частоты присутствуют пики, которые образуются вследствие трансформации ширинных мод ООМСВ в ширинные моды ПМСВ. Пики, находящиеся ниже частоты ферромагнитного резонанса f ⊥ = [f Hint2 (f Hint2 + f M)]1/2 (где f Hint2 = γH int2), формируются на высших ширинных модах ПМСВ, а пики, находящиеся выше этой частоты, - на низших ширинных модах ООМСВ. Вблизи частоты f 0 D av=0 и управление дисперсией в кольце будет наиболее ярко выраженным.Figure 4 shows the AFC of the L-shaped ferromagnetic waveguide, from which it follows that the dependence of the transmission coefficient on frequency contains peaks that are formed as a result of the transformation of the width modes of the MSSW into the width modes of the MSSW. The peaks below the ferromagnetic resonance frequency f ⊥ = [ f Hint2 ( f Hint2 + f M )] 1/2 (where f Hint2 = γ H int2 ) are formed at the highest width modes of the MSSW, and the peaks above this frequency are at the lowest width modes of OMSW. Near the frequency f 0 D av = 0 and the control of the dispersion in the ring will be most pronounced.

На фиг.5 (нижняя панель) приведены две зависимости Р вых(Р вх) Г-образного ферромагнитного волновода, измеренные на частотах f 0 и f 1. Видно, что обе зависимости являются нелинейными, причем на частоте f 0 пороговая мощность, при которой зависимость Р вых(Р вх) отклоняется от линейной, на 3 дБ больше, чем на частоте f 1. На обеих частотах пороговые уровни мощности Р пор1=+3 дБмВт (на частоте f 1) и Р пор0=+6 дБмВт (на частоте f 0) соответствуют началу развития во входном плече волновода четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий на ООМСВ. Однако зависимость Р вых(Р вх), измеренная на частоте f 1 при превышении входной мощности порогового уровня Р пор1 (Р вх>Р пор1), ограничивается сильнее, чем аналогичная зависимость, измеренная на частоте f 0, что обусловлено развитием на частоте f 1 трехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий на ПМСВ в выходном плече волновода при указанных уровнях мощности. На фиг.5 (верхняя панель) приведена зависимость Р вых(Р вх) выходного усилителя каскада, измеренная на частоте f 0. Видно, что его выходная мощность отклоняется на 1 дБ от линейной зависимости (точка компрессии) и начинает насыщается при Р пор2=+5 дБмВт. В кольцевом генераторе выходной усилитель работает в режиме насыщения выходной мощности, когда Р вх>Р пор2 на 5 дБ.Figure 5 (bottom panel) shows two dependences P out ( P in ) L-shaped ferromagnetic waveguide, measured at frequencies f 0 and f 1 . It can be seen that both dependences are nonlinear, and at the frequency f 0 the threshold power at which the dependence P out ( P in ) deviates from the linear one is 3 dB more than at the frequency f 1 . At both frequencies, the threshold power levels P pore1 = + 3 dBmW (at frequency f 1 ) and P pore0 = + 6 dBm (at frequency f 0 ) correspond to the beginning of the development of four-wave nonlinear spin-wave interactions in the input arm of the waveguide at the MSWS. However, the dependence P out ( P in ), measured at frequency f 1 when the input power exceeds the threshold level P pore1 ( P in > P pore1 ), is more limited than a similar dependence measured at frequency f 0 , which is due to the development at frequency f 1 three-wave nonlinear spin-wave interactions on the MSSW in the output arm of the waveguide at the indicated power levels. Figure 5 (top panel) shows the dependence of P out ( P in ) the output amplifier of the stage, measured at a frequency f 0 . It can be seen that its output power deviates by 1 dB from the linear dependence (compression point) and begins to saturate at P por2 = + 5 dBm. In a ring generator, the output amplifier operates in the output power saturation mode, when P in > P por2 by 5 dB.

На фиг.6 приведены спектральные и временные характеристики стационарной последовательности хаотических импульсов, генерируемой при коэффициенте усиления кольца G=9.85 дБ (где G = K - A, K - коэффициент усиления усилительного каскада, A - общие потери сигнала в кольце). В этом случае средняя мощность сигнала на входе Г-образного ферромагнитного волновода достигает значения P av=+18 дБмВт, при котором в его входном плече развиваются только четырехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия на ООМСВ, а в выходном плече, при конвертации ООМСВ в ПМСВ, мощности сигнала хватает для развития только трехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий на ПМСВ в частотном диапазоне 2f H≤f<f H+f M/2. Спектр мощности СВЧ сигнала (см. фиг.6а) является широкополосным (~1 ГГц) и содержит гребенку частот, которая генерируется на частотах, находящихся вблизи пиков АЧХ Г-образного волновода. Во временной области (см. фиг.6б) на амплитудном пьедестале огибающей СВЧ сигнала формируются четыре широких провала длительностью T d1≅200 нс, которые имеют квазипериод следования T r0≅2 мкс. Четыре провала (см. фиг. 6д ) отстоят друг относительно друга на величину T r1≅410 нс, T r2≅540 нс и T r3≅400 нс. Данные квазипериоды соответствуют частотам автомодуляции спиновых волн f am0≅500 кГц, f am1≅2.4 МГц, f am2≅1.8 МГц и f am3≅2.5 МГц, возникающим в спектре сигнала за счет трехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий. Длительность широких провалов на профиле огибающей СВЧ сигнала определяет ширину спектра Δf 1≅5 МГц на каждой частоте гребенки, в котором присутствуют частоты f am0, f am1, f am2 и f am3. Как следует из результатов, представленных на фиг.6г- и фиг.6е, каждый из четырех характерных широких провалов обладает тонкой структурой, состоящей из провалов меньшей длительности, которые формируются в результате четырехволновых взаимодействий. Относительная фаза между соседними провалами тонкой структуры ~π/2, что указывает на циркуляцию в кольце четырех импульсов, которые, повторяясь через 2π, формируют стационарные последовательности. Так как относительная фаза между соседними провалами тонкой структуры не равна в точности π/2, то генерируемые импульсы являются некогерентными. Кроме того, сильно “замазанная” структура фазового портрета (см. фиг.6в) указывает на то, что стационарная последовательность импульсов является хаотической. Для обеих тонких структур, изображенных на фиг.6г и фиг.6е , период следования узких провалов является T r4~=15 нс. Он определяет частотный интервал Δf 2≅65 МГц между основными частотами гребенки, появление которых обусловлено нелинейными взаимодействиями спиновых волн и нелинейностью выходного усилителя каскада. На фиг.6ж и фиг.6и приведены увеличенные фрагменты амплитудных и фазовых профилей центральных провалов обеих тонких структур, которые качественно соответствуют амплитудному и фазовому профилю темного солитона огибающей. Длительность обоих провалов меняется от 630 пс до 830 пс и определяет ширину спектра генерируемого широкополосного хаотического СВЧ сигнала. На фиг.6з приведены временные зависимости двух характерных частот автомодуляции спиновых волн f am0 и Δf 2, демонстрирующие наличие в системе частичной хаотической синхронизации данных частот.Figure 6 shows the spectral and temporal characteristics of a stationary sequence of chaotic pulses generated at a ring gain G = 9.85 dB (where G = K - A , K is the gain of the amplifier stage, A is the total signal loss in the ring). In this case, the average signal power at the input of the L-shaped ferromagnetic waveguide reaches the value P av = + 18 dBm, at which only four-wave nonlinear spin-wave interactions develop in its input arm at the OMSW, and in the output arm, when the OMSW is converted to MSSW, the signal power is sufficient for the development of only three-wave nonlinear spin-wave interactions on the MSSW in the frequency range 2 f H ≤ f < f H + f M / 2. The power spectrum of the microwave signal (see Fig. 6a) is broadband (~ 1 GHz) and contains a frequency comb that is generated at frequencies near the peaks of the frequency response of the L-shaped waveguide. In the time domain (see Fig. 6b), on the amplitude pedestal of the microwave signal envelope, four wide dips of duration T d1 ≅200 ns are formed, which have a quasi-repetition period T r0 ≅2 μs. Four dips (see Fig. 6e) are spaced relative to each other by T r1 ≅410 ns, T r2 ≅540 ns, and T r3 ≅400 ns. These quasi- periods correspond to the frequencies of self-modulation of spin waves f am0 ≅500 kHz, f am1 ≅2.4 MHz, f am2 ≅1.8 MHz, and f am3 ≅2.5 MHz, arising in the signal spectrum due to three-wave nonlinear spin-wave interactions. The duration of wide dips in the microwave signal envelope profile determines the spectral width Δ f 1 ≅5 MHz at each comb frequency, in which the frequencies f am0 , f am1 , f am2 and f am3 are present . As follows from the results shown in Figs. 6d and 6e, each of the four characteristic wide dips has a fine structure consisting of dips of shorter duration, which are formed as a result of four-wave interactions. The relative phase between adjacent dips of the fine structure is ~ π / 2, which indicates the circulation in the ring of four pulses, which, repeating every 2π, form stationary sequences. Since the relative phase between adjacent dips of the fine structure is not exactly equal to π / 2, the generated pulses are incoherent. In addition, the strongly “blurred” structure of the phase portrait (see Fig. 6c) indicates that the stationary sequence of pulses is chaotic. For both fine structures shown in Fig. 6d and Fig. 6e, the repetition period of narrow dips is T r4 ~ = 15 ns. It determines the frequency interval Δ f 2 ≅65 MHz between the main frequencies of the comb, the appearance of which is due to nonlinear interactions of spin waves and the nonlinearity of the output amplifier of the stage. Figures 6g and 6i show enlarged fragments of the amplitude and phase profiles of the central dips of both fine structures, which qualitatively correspond to the amplitude and phase profiles of the dark envelope soliton. The duration of both dips varies from 630 ps to 830 ps and determines the spectrum width of the generated broadband chaotic microwave signal. Figure 6h shows the time dependences of two characteristic frequencies of self-modulation of spin waves f am0 and Δ f 2 , demonstrating the presence of a partial chaotic synchronization of these frequencies in the system.

Таким образом, при выбранном направлении постоянного магнитного поля, его значении, а также значении усиления кольца, которое определяет уровень мощности сигнала на входе Г-образного ферромагнитного волновода, генерируется стационарная последовательность хаотических микроволновых импульсов, которые состоят из широких провалов в виде «темных» импульсов субмикросекундной длительности (формируются за счет трехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий), в которые «вложены» более узкие провалы, в виде «темных» импульсов, обладающих субнаносекундной длительностью (формируются за счет четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий).Thus, for the chosen direction of the constant magnetic field, its value, as well as the value of the ring gain, which determines the signal power level at the input of the L-shaped ferromagnetic waveguide, a stationary sequence of chaotic microwave pulses is generated, which consist of wide dips in the form of "dark" pulses submicrosecond duration (formed due to three-wave nonlinear spin-wave interactions), in which narrower dips are embedded in the form of “dark” pulses with subnanosecond duration (formed due to four-wave nonlinear spin-wave interactions).

Claims (1)

Способ генерации хаотических микроволновых импульсов, заключающийся в возбуждении с помощью микрополосковых преобразователей поверхностных и обратных объёмных магнитостатических спиновых волн в плечах расположенного в постоянном магнитном поле нерегулярного Г-образного волновода, включенного в цепь обратной связи автогенератора, имеющего два последовательно соединенных активных элемента, один из которых выполнен с возможностью работы в режиме линейного усиления СВЧ-сигнала, подключенного к выходному плечу волновода, а другой, подключенный к входному плечу волновода, - в режиме насыщения его выходной мощности, формировании уровня мощности СВЧ-сигнала с возможностью образования трёхволновых и четырёхволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий, отличающийся тем, что во входном плече Г-образного ферромагнитного волновода возбуждают обратные объемные магнитостатические спиновые волны с отрицательной аномальной дисперсией, а в выходном плече - поверхностные магнитостатические спиновые волны с положительной нормальной дисперсией за счет направления постоянного магнитного поля перпендикулярно входному микрополосковому преобразователю и параллельно выходному микрополосковому преобразователю, причем четырехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия формируют во входном плече Г-образного волновода, а трехволновые нелинейные спин-волновые взаимодействия формируют в его выходном плече.A method for generating chaotic microwave pulses, which consists in exciting, using microstrip transducers, surface and reverse bulk magnetostatic spin waves in the arms of an irregular L-shaped waveguide located in a constant magnetic field connected to the feedback circuit of an oscillator having two series-connected active elements, one of which is designed to operate in the mode of linear amplification of the microwave signal connected to the output arm of the waveguide, and the other, connected to the input arm of the waveguide, in the mode of saturation of its output power, forming the power level of the microwave signal with the possibility of forming three-wave and four-wave nonlinear spin- wave interactions, characterized in that reverse bulk magnetostatic spin waves with negative anomalous dispersion are excited in the input arm of the L-shaped ferromagnetic waveguide, and surface magnetostatic spin waves are excited in the output arm. waves with positive normal dispersion due to the direction of the constant magnetic field perpendicular to the input microstrip converter and parallel to the output microstrip converter, and four-wave nonlinear spin-wave interactions are formed in the input arm of the L-shaped waveguide, and three-wave nonlinear spin-wave interactions are formed in its output arm.
RU2020111654A 2020-03-20 2020-03-20 Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration RU2740397C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020111654A RU2740397C1 (en) 2020-03-20 2020-03-20 Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020111654A RU2740397C1 (en) 2020-03-20 2020-03-20 Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2740397C1 true RU2740397C1 (en) 2021-01-14

Family

ID=74184113

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020111654A RU2740397C1 (en) 2020-03-20 2020-03-20 Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2740397C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2803456C1 (en) * 2022-09-12 2023-09-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Module for forming a quasi-random signal of microwave frequencies

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2425173B1 (en) * 1978-05-03 1981-12-11 Thomson Csf
FR2447641B1 (en) * 1979-01-26 1982-02-26 Thomson Csf
SU1698947A1 (en) * 1989-03-20 1991-12-15 Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Generator
SU1734187A1 (en) * 1990-07-09 1992-05-15 Киевский политехнический институт Returnable ultra-high frequency generator
US5307516A (en) * 1990-09-14 1994-04-26 Nippon Hoso Kyokai Magnetostatic wave S/N enhancer and receiving apparatus of FM or PM signal using the same
US6127899A (en) * 1999-05-29 2000-10-03 The Aerospace Corporation High frequency anharmonic oscillator for the generation of broadband deterministic noise
EP0556819B1 (en) * 1992-02-21 2001-01-17 Takeshi Yamakawa Apparatus and method for generating chaotic signals
US6414558B1 (en) * 1999-05-12 2002-07-02 Parthus Ireland Limited Method and apparatus for random sequence generator
RU2327278C2 (en) * 2005-04-12 2008-06-20 Александр Сергеевич Дмитриев Method of generation of wide-band shf chaotic signals and generator of wide-band shf chaotic signals
RU2332780C1 (en) * 2006-11-08 2008-08-27 ГОУ ВПО "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Superhigh frequency wide band random signal generator
RU2421876C1 (en) * 2010-02-10 2011-06-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" Generation method of chaotic super-high-frequency pulses

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2425173B1 (en) * 1978-05-03 1981-12-11 Thomson Csf
FR2447641B1 (en) * 1979-01-26 1982-02-26 Thomson Csf
SU1698947A1 (en) * 1989-03-20 1991-12-15 Ленинградский Политехнический Институт Им.М.И.Калинина Generator
SU1734187A1 (en) * 1990-07-09 1992-05-15 Киевский политехнический институт Returnable ultra-high frequency generator
US5307516A (en) * 1990-09-14 1994-04-26 Nippon Hoso Kyokai Magnetostatic wave S/N enhancer and receiving apparatus of FM or PM signal using the same
EP0556819B1 (en) * 1992-02-21 2001-01-17 Takeshi Yamakawa Apparatus and method for generating chaotic signals
US6414558B1 (en) * 1999-05-12 2002-07-02 Parthus Ireland Limited Method and apparatus for random sequence generator
US6127899A (en) * 1999-05-29 2000-10-03 The Aerospace Corporation High frequency anharmonic oscillator for the generation of broadband deterministic noise
RU2327278C2 (en) * 2005-04-12 2008-06-20 Александр Сергеевич Дмитриев Method of generation of wide-band shf chaotic signals and generator of wide-band shf chaotic signals
RU2332780C1 (en) * 2006-11-08 2008-08-27 ГОУ ВПО "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Superhigh frequency wide band random signal generator
RU2421876C1 (en) * 2010-02-10 2011-06-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" Generation method of chaotic super-high-frequency pulses

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Бир А.С., Гришин С.В. Генерация темных многосолитонных комплексов в магнонном кольцевом резонаторе с управлением дисперсией и конкурирующими нелинейными спин-волновыми взаимодействиями// Письма в ЖЭТФ. 2019. Т. 110, вып. 5. С. 348-353. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2803456C1 (en) * 2022-09-12 2023-09-13 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" Module for forming a quasi-random signal of microwave frequencies
RU2803782C1 (en) * 2023-03-02 2023-09-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Self-oscillator of chaotic pulses
RU2804927C1 (en) * 2023-03-02 2023-10-09 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Self-oscillator of chaotic pulses

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kalinikos et al. Self-generation of microwave magnetic envelope soliton trains in yttrium iron garnet thin films
Fetisov et al. Nonlinear ferromagnetic resonance and foldover in yttrium iron garnet thin films-inadequacy of the classical model
Wu et al. Self-generation of chaotic solitary spin wave pulses in magnetic film active feedback rings
Grishin et al. Self-generation of chaotic dissipative multisoliton complexes supported by competing nonlinear spin-wave interactions
Grishin et al. Self-generation of chaotic dissipative soliton trains in active ring resonator with 1-D magnonic crystal
Melkov et al. Parametric interaction of magnetostatic waves with a nonstationary local pump
Grishin et al. Generation of chaotic microwave pulses in ferromagnetic film ring oscillators under external influence
Bir et al. Experimental observation of ultrashort hyperchaotic dark multisoliton complexes in a magnonic active ring resonator
Fetisov et al. Active magnetostatic wave delay line
RU2740397C1 (en) Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration
Schäfer et al. Variable damping and coherence in a high-density magnon gas
Grishin et al. Dissipative soliton oscillator with a nonlinear spin wave transmission line and a signal-to-noise enhancer in the feedback loop
RU2804927C1 (en) Self-oscillator of chaotic pulses
Kaplan et al. Amplified ferrimagnetic echoes
Grishin et al. Wideband chaotic oscillation in a self-oscillatory system with a nonlinear transmission line on magnetostatic waves
RU2803782C1 (en) Self-oscillator of chaotic pulses
Grishin et al. Generation of chaotic microwave pulses in a ring system based on a klystron power amplifier and a nonlinear delay line on magnetostatic waves
Serga et al. Parametric generation of solitonlike spin-wave pulses in ring resonators based on ferromagnetic films
RU2421876C1 (en) Generation method of chaotic super-high-frequency pulses
Romanenko et al. Spatial and temporal dynamics of dissipative parametric solitons in a ferromagnetic film active ring resonator
Kobljanskyj et al. Active magnetostatic wave delay line for microwave signals
Fetisov et al. Envelope solitons in a medium with strong nonlinear damping
Beginin et al. Generation of chaotic microwave pulses with the help of passive synchronization of spin wave self-modulation frequencies in self-oscillatory ring systems
Grishin et al. Generation of the Pulse Signals, Which are Analogs of Temporal Solitons, in an Active Ring Resonator with a Klystron Amplifier and a Spin-Wave Transmission Line
RU135202U1 (en) RING AUTO GENERATOR OF CHAOTIC MICROWAVE PULSES OF DIFFERENT DIFFERENCE BASED ON MAGNETIC CRYSTAL