RU2803456C1 - Module for forming a quasi-random signal of microwave frequencies - Google Patents

Module for forming a quasi-random signal of microwave frequencies Download PDF

Info

Publication number
RU2803456C1
RU2803456C1 RU2022124041A RU2022124041A RU2803456C1 RU 2803456 C1 RU2803456 C1 RU 2803456C1 RU 2022124041 A RU2022124041 A RU 2022124041A RU 2022124041 A RU2022124041 A RU 2022124041A RU 2803456 C1 RU2803456 C1 RU 2803456C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
incident
current
output
coplanar
quasi
Prior art date
Application number
RU2022124041A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Викторович Дворкович
Николай Дмитриевич Малютин
Антон Геннадьевич Лощилов
Артуш Арсеньевич Арутюнян
Леонид Яковлевич Серебренников
Георгий Александрович Малютин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники"
Application granted granted Critical
Publication of RU2803456C1 publication Critical patent/RU2803456C1/en

Links

Abstract

FIELD: microwave engineering.
SUBSTANCE: part of communication systems using quasi-random signals, including pulses, to interfere with radio communications and radar. The module for generating a quasi-random signal of microwave frequencies contains a segment of a coplanar strip line, a lithium niobate crystal, a device for separating incident and reflected waves, a device for adding incident waves, a signal generator with linear frequency modulation of oscillations, a sync pulse generator for starting a signal generator with linear frequency modulation. A segment of a coplanar strip line is made on a dielectric substrate, the lower side of which is metallized, the side screens located on the upper side are connected to the metallization of the lower surface through plated hole. The current-carrying strip is sseparated from the side screens by gaps, on the upper side, on the side of the current-carrying strip and the side screens, there is a lithium niobate crystal, the transverse dimensions of which, facing the current-carrying strip, cover the gaps between the current-carrying strip and the side screens, and the longitudinal dimensions of the crystal do not exceed the length of the current-carrying coplanar stripes. The input of the coplanar strip line receives an incident wave of linear-frequency-modulated oscillations from the first output of the device for the separator of incident and reflected waves, which is the input of the wave reflected from the lithium niobate crystal. The wave reflected from the lithium niobate crystal enters the second output of the device for separating the incident and reflected waves, connected to the first input of the device for combining the incident waves. The output of the coplanar strip line is connected to the second input of the incident wave interference. The output of the module for forming a quasi-random signal of microwave frequencies is the output of the device for adding incident waves.
EFFECT: expansion of the operating frequency range in which a quasi-random signal is formed.
1 cl, 10 dwg

Description

Изобретение относится к области СВЧ техники и может быть использовано в составе систем связи, использующих квазихаотические сигналы, в том числе импульсные, для создания помех средствам радиосвязи и радиолокации, а также может быть использовано для натурного моделирования помеховой обстановки при проведении радиофизических исследований. The invention relates to the field of microwave technology and can be used as part of communication systems that use quasi-chaotic signals, including pulsed ones, to create interference in radio communications and radar, and can also be used for full-scale modeling of the interference environment during radiophysical research.

Известен «Комплекс полунатурного моделирования помеховой обстановки», RU 190950, заявка 2019100153 от 09.01.2019. Целью полезной модели является создание комплекса полунатурного моделирования помеховой обстановки, обеспечивающего проведение исследований по анализу воздействия различного вида помех на радиолокационные станции и разработку алгоритмов помехозащиты. В отличие от известных средств формирования помеховой обстановки с фиксированными параметрами поляризации электромагнитного поля (линейная или круговая) комплекса полунатурного моделирования помеховой обстановки позволяет также формировать поляризационный шум, поляризационную имитационную и импульсные помехи в классическом и расширенном базисе сигналов (с управляемым вектором поляризации).Known for the “Complex for semi-natural modeling of a noise environment”, RU 190950, application 2019100153 dated 01/09/2019. The purpose of the utility model is to create a complex of semi-natural modeling of the interference environment, providing research to analyze the impact of various types of interference on radar stations and the development of noise protection algorithms. In contrast to the known means of generating a noise environment with fixed polarization parameters of the electromagnetic field (linear or circular), the complex of semi-natural modeling of the interference environment also allows you to generate polarization noise, polarization imitation and pulse noise in the classical and extended basis of signals (with a controlled polarization vector).

Распространены клистронные автогенераторы хаоса (С.В. Гришин, Б.С. Дмитриев, В.Н. Скороходов. Генерация импульсов гигантской амплитуды в клистронном автогенераторе хаоса // Письма в ЖТФ, 2019, том 45, вып. 19. 12 октября. DOI: 10.21883/PJTF.2019.19.48315.17928). Автогенератор собран по схеме шумотрона, которая содержит два последовательно соединенных в кольцо пятирезонаторных пролетных клистрона, один из которых работает в режиме линейного усиления сигнала (линейный клистрон), а другой – в режиме нелинейного усиления сигнала (нелинейный клистрон). Очевидным недостатком генератора хаоса является узкая полоса частот (в приведенной статье от 2700 МГц до 2900 МГц). Klystron self-oscillators of chaos are common (S.V. Grishin, B.S. Dmitriev, V.N. Skorokhodov. Generation of giant amplitude pulses in a klystron self-oscillator of chaos // Letters to ZhTP, 2019, volume 45, issue 19. October 12. DOI : 10.21883/PJTF.2019.19.48315.17928). The self-oscillator is assembled according to a noisetron circuit, which contains two five-resonator transient klystrons connected in series in a ring, one of which operates in the mode of linear signal amplification (linear klystron), and the other in the mode of nonlinear signal amplification (nonlinear klystron). The obvious disadvantage of the chaos generator is its narrow frequency band (in the above article from 2700 MHz to 2900 MHz).

Известен генератор шума на лавинно-пролетном диоде миллиметрового диапазона длин волн (Е.А. Мясин. Генерация шума в одночастотном генераторе на лавинно-пролетном диоде миллиметрового диапазона длин волн под воздействием низкочастотного гармонического колебания // Письма в ЖТФ, 2021, том 47, вып. 22. 26 ноября). Возбуждение шумовых колебаний и максимальное расширение спектра высокочастотного шума в генераторе на лавинно-пролетном диоде при увеличении амплитуды низкочастотных колебаний связаны с кратковременным уменьшением тока диода ниже пускового тока генерации. There is a known noise generator based on an avalanche-transit diode in the millimeter wavelength range (E.A. Myasin. Noise generation in a single-frequency generator based on an avalanche-transit diode in the millimeter wavelength range under the influence of low-frequency harmonic oscillations // Letters to ZhTP, 2021, volume 47, issue November 22, 26). The excitation of noise oscillations and the maximum expansion of the spectrum of high-frequency noise in a generator based on an avalanche-transit diode with an increase in the amplitude of low-frequency oscillations are associated with a short-term decrease in the diode current below the starting generation current.

Известен способ генерации СВЧ шумовых колебаний в генераторах на лавинно-пролетном диоде (RU 2661283, Способ генерации СВЧ шумовых колебаний, опубл. 13.07.2018, бюл. № 20), заключающийся в том, что в цепи электропитания лавинно-пролетного диода устанавливают напряжение выше пробивного, отличающийся тем, что изменяют ширину спектра СВЧ-колебаний, зависящую от добротности электродинамической системы генератора, посредством изменения установленного напряжения воздействием модулирующего шумового низкочастотного напряжения с изменяющейся величиной его уровня и при ширине спектра и граничной частоте не менее 3 МГц. Недостаток способа является узкая полоса частот шума в силу ограниченности режима работы нелинейного элемента – лавинно-пролетного диода. Кроме этого увеличение напряжения выше пробивного снижает надежность генератора шумовых колебаний.There is a known method for generating microwave noise oscillations in generators based on an avalanche-transit diode (RU 2661283, Method for generating microwave noise oscillations, published July 13, 2018, Bulletin No. 20), which consists in setting the voltage higher in the power supply circuit of the avalanche-transit diode disruptive, characterized in that they change the width of the spectrum of microwave oscillations, depending on the quality factor of the electrodynamic system of the generator, by changing the set voltage under the influence of a modulating low-frequency noise voltage with a changing value of its level and with a spectrum width and cutoff frequency of at least 3 MHz. The disadvantage of this method is the narrow noise frequency band due to the limited operating mode of the nonlinear element - the avalanche diode. In addition, an increase in voltage above the breakdown voltage reduces the reliability of the noise generator.

Известен генератор хаотических колебаний, RU 2768369, опубл. 24.03.2022, Бюл. № 9. Схема генератора обеспечивает технический результат, заключающийся в расширении возможностей перестройки характеристик генерируемого хаотического сигнала без изменения параметров энергозапасающих элементов за счет того, что обеспечено видоизменение хаотического аттрактора без изменения номиналов реактивных элементов изменением параметров передаточной характеристики нелинейного преобразователя импеданса. Генератор хаотических колебаний содержит резистор, двухполюсный элемент с емкостным сопротивлением, двухполюсный элемент с отрицательным индуктивным сопротивлением, двухполюсный элемент с индуктивным сопротивлением, нелинейный преобразователь импеданса и линейный преобразователь тока, причем нелинейный преобразователь импеданса содержит первый усилитель напряжения, первый, второй и третий резисторы, первый и второй активные четырехполюсники и первый генератор тока, двухполюсный элемент с отрицательным индуктивным сопротивлением содержит двухполюсный элемент с индуктивным сопротивлением, третий активный четырехполюсник, второй и третий генераторы тока, линейный преобразователь тока содержит транзистор, второй усилитель напряжения, первое и второе токовые зеркала, четвертый, пятый и шестой генераторы тока. A known generator of chaotic oscillations, RU 2768369, publ. 03/24/2022, Bulletin. No. 9. The generator circuit provides a technical result consisting in expanding the possibilities of restructuring the characteristics of the generated chaotic signal without changing the parameters of the energy-storing elements due to the fact that the chaotic attractor is modified without changing the ratings of the reactive elements by changing the parameters of the transfer characteristic of the nonlinear impedance converter. The chaotic oscillation generator contains a resistor, a two-pole element with capacitive reactance, a two-pole element with negative inductive reactance, a two-pole element with inductive reactance, a nonlinear impedance converter and a linear current converter, wherein the nonlinear impedance converter contains a first voltage amplifier, first, second and third resistors, a first and a second active four-terminal network and a first current generator, a two-pole element with negative inductive reactance contains a two-pole element with inductive resistance, a third active four-terminal network, second and third current generators, a linear current converter contains a transistor, a second voltage amplifier, first and second current mirrors, a fourth, fifth and sixth current generators.

Недостатком генератора хаотических колебаний по патенту RU 2768369 является ограничение диапазона частот по причине ограниченности частотных характеристик элементов в схеме генератора. The disadvantage of the generator of chaotic oscillations according to patent RU 2768369 is the limitation of the frequency range due to the limited frequency characteristics of the elements in the generator circuit.

Наиболее близким решением является изобретение RU 2740397 «Способ генерации хаотических микроволновых импульсов субнаносекундной длительности», опубл. 14.01.2021, Бюл. № 2. 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, формирования 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.The closest solution is the invention RU 2740397 “Method for generating chaotic microwave pulses of subnanosecond duration”, publ. 01/14/2021, Bulletin. No. 2. In the method of generating chaotic microwave pulses, which consists in excitation, using microstrip converters, of 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 a self-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 saturating 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, according to the invention, in the input arm of an L-shaped ferromagnetic waveguide, reverse bulk magnetostatic spin waves with negative anomalous dispersion are excited, and in the output arm, surface magnetostatic spin waves with positive normal dispersion are excited due to the direction of a constant magnetic field perpendicular to the input microstrip converter and parallel to the output microstrip converter, wherein 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.

Недостатком RU 2740397 способа генерации хаотических микроволновых импульсов субнаносекундной длительности и устройства, реализующего его, является неширокая полоса частот спектра – от 2,5 ГГц до 5 ГГц, поскольку волновые процессы ограничены возможностью образования трехволновых и четырехволновых нелинейных спин-волновых взаимодействий. The disadvantage of RU 2740397 method for generating chaotic microwave pulses of subnanosecond duration and the device that implements it is the narrow spectral frequency band - from 2.5 GHz to 5 GHz, since wave processes are limited by the possibility of the formation of three-wave and four-wave nonlinear spin-wave interactions.

Технический результат изобретения заключается в расширении рабочего диапазона частот, в котором формируется квазихаотический сигнал. The technical result of the invention is to expand the operating frequency range in which a quasi-chaotic signal is generated.

Основная техническая задача, решаемая предложенным решением, направлена на расширение рабочего диапазона частот, в котором формируется квазихаотический сигнал вследствие возникновения множества резонансов в конструкции, состоящей из копланарной полосковой линии передачи, в верхней полуплоскости которой расположен объемный кристалл ниобата лития, электромагнитная связь кристалла с копланарной полосковой линией обеспечивается наличием двух зазоров между токонесущей полоской и боковыми экранами.The main technical problem solved by the proposed solution is aimed at expanding the operating frequency range in which a quasi-chaotic signal is formed due to the occurrence of many resonances in a structure consisting of a coplanar stripline transmission line, in the upper half-plane of which a bulk lithium niobate crystal is located, electromagnetic coupling of the crystal with the coplanar stripline The line is ensured by the presence of two gaps between the current-carrying strip and the side screens.

Поставленная техническая задача решается тем, что модуль формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот, содержащий отрезок копланарной полосковой линии, кристалл ниобата лития, устройство разделения падающих и отраженных волн, устройство сложения падающих волн, генератор сигналов с линейно-частотной модуляцией, генератор синхроимпульсов запуска генератора сигналов с линейно-частотной модуляцией, отличающийся тем, что отрезок копланарной полосковой линии выполнен на диэлектрической подложке, нижняя сторона которой металлизирована, боковые экраны, расположенные на верхней стороне соединены с металлизацией нижней поверхности через металлизированные отверстия, токонесущая полоска отделена от боковых экранов зазорами, на верхней стороне со стороны токонесущей полоски и боковых экранов расположен кристалл из ниобата лития, поперечные размеры которого, обращенные к токонесущей полоске, перекрывает зазоры между токонесущей полоской и боковыми экранами, а продольные размеры кристалла не превышает длину токонесущей полоски копланарной линии, на вход копланарной полосковой линии поступает падающая волна линейно-частотно-модулированных колебаний с первого выхода устройства разделителя падающих и отражённых волн, являющегося входом волны, отраженной от кристалла ниобата лития, отраженная от кристалла ниобата лития волна поступает на второй выход устройства разделения падающих и отраженных волн, соединенным с первым входом устройства сложения падающих волн, выход копланарной полосковой линии соединен со вторым входом устройства сложения падающих волн, выходом модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот служит выход устройства сложения падающих волн. The stated technical problem is solved by the fact that the module for generating a quasi-chaotic signal of ultra-high frequencies, containing a section of a coplanar strip line, a lithium niobate crystal, a device for separating incident and reflected waves, a device for adding incident waves, a signal generator with linear frequency modulation, a clock pulse generator for starting the signal generator with linear-frequency modulation, characterized in that a section of a coplanar strip line is made on a dielectric substrate, the lower side of which is metallized, the side screens located on the upper side are connected to the metallization of the lower surface through metallized holes, the current-carrying strip is separated from the side screens by gaps on the upper side on the side of the current-carrying strip and the side screens there is a lithium niobate crystal, the transverse dimensions of which, facing the current-carrying strip, cover the gaps between the current-carrying strip and the side screens, and the longitudinal dimensions of the crystal do not exceed the length of the current-carrying strip of the coplanar line; the incident a wave of linearly frequency-modulated oscillations from the first output of the incident and reflected wave separator device, which is the input of the wave reflected from the lithium niobate crystal; the wave reflected from the lithium niobate crystal enters the second output of the incident and reflected wave separator device, connected to the first input of the addition device incident waves, the output of the coplanar strip line is connected to the second input of the incident wave combining device, the output of the module for generating a quasi-chaotic microwave signal is the output of the incident wave combining device.

Изобретение поясняется рисунками фиг. 1 – фиг. 10: The invention is illustrated by drawings in Figs. 1 – fig. 10:

на фиг. 1 показана конструкция модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот;in fig. Figure 1 shows the design of a module for generating a quasi-chaotic microwave signal;

на фиг. 2 показана картина электрического поля (эквипотенциальные линии) в копланарной полосковой линии с заземляемым основанием, двумя боковыми экранами и заполнением верхней полуплоскости кристаллом;in fig. Figure 2 shows the electric field pattern (equipotential lines) in a coplanar strip line with a grounded base, two side screens and filling the upper half-plane with a crystal;

на фиг. 3 показан отрезок копланарной полосковой линии с установленным на нем кристаллом ниобата лития;in fig. Figure 3 shows a section of a coplanar strip line with a lithium niobate crystal installed on it;

на фиг. 4 показана частотная зависимость модуля коэффициента передачи и частотная зависимость возвратных потерь отрезка копланарной полосковой линии без кристалла ниобата лития;in fig. Figure 4 shows the frequency dependence of the transmission coefficient modulus and frequency dependence of return losses a piece of coplanar strip line without a lithium niobate crystal;

на фиг. 5 показана частотная зависимость фазового сдвига и отрезка копланарной полосковой линии без установленного на верхней ее поверхности кристалла ниобата лития;in fig. Figure 5 shows the frequency dependence of the phase shift And a piece of coplanar strip line without a lithium niobate crystal installed on its upper surface;

на фиг. 6 показана частотная зависимость модуля коэффициента передачи отрезка копланарной полосковой линии с установленным на верхней ее поверхности кристаллом ниобата лития плоскостью XZ;in fig. Figure 6 shows the frequency dependence of the transmission coefficient modulus a segment of a coplanar strip line with a lithium niobate crystal mounted on its upper surface with an XZ plane;

на фиг. 7 показана частотная зависимость модуля коэффициента возвратных потерь отрезка копланарной полосковой линии с установленным на верхней ее поверхности кристаллом ниобата лития плоскостью XZ;in fig. Figure 7 shows the frequency dependence of the modulus of the return loss coefficient a segment of a coplanar strip line with a lithium niobate crystal mounted on its upper surface with an XZ plane;

на фиг. 8 показана частотная зависимость фазового сдвига отрезка полосковой линии с установленным на верхней ее поверхности кристаллом ниобата лития плоскостью XZ; in fig. Figure 8 shows the frequency dependence of the phase shift a section of a strip line with a lithium niobate crystal mounted on its upper surface with an XZ plane;

на фиг. 9 показана частотная зависимость фазового сдвига отрезка полосковой линии с установленным на ее верхней поверхности кристаллом ниобата лития плоскостью XZ; in fig. Figure 9 shows the frequency dependence of the phase shift a section of a strip line with a lithium niobate crystal mounted on its upper surface with an XZ plane;

на фиг. 10 демонстрируется частотная зависимость напряжения на выходе модуля формирования квазихаотического сигнала СВЧ при условии постоянства амплитуды напряжения линейно-частотного сигнала, поступающего на вход копланарной полосковой.in fig. Figure 10 demonstrates the frequency dependence of voltage at the output of the module for generating a quasi-chaotic microwave signal, provided that the voltage amplitude of the linear-frequency signal supplied to the input of the coplanar stripline is constant.

Модуль формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот (см. фиг.1) содержит: отрезок копланарной полосковой линии с токонесущей полоской 1 на диэлектрической подложке 7; кристалл ниобата лития 2; устройство разделения падающих и отраженных волн 3; устройство сложения падающих волн 4; генератор сигналов линейно-частотной модуляции 5; генератор синхроимпульсов 6; металлизацию нижней стороны подложки 8; боковые экраны 9,10, отделенные от токонесущей полоски зазорами; металлизированные отверстия 11, соединяющие боковые экраны с металлизацией нижней стороны подложки. Входом модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот служит вход генератора синхроимпульсов, а выходом является выход устройства сложения падающих волн. The module for generating a quasi-chaotic microwave signal (see Fig. 1) contains: a section of a coplanar strip line with a current-carrying strip 1 on a dielectric substrate 7; lithium niobate crystal 2; device for separating incident and reflected waves 3; device for adding incident waves 4; linear frequency modulation signal generator 5; clock generator 6; metallization of the bottom side of the substrate 8; side screens 9,10, separated from the current-carrying strip by gaps; metallized holes 11 connecting the side screens with the metallization of the lower side of the substrate. The input of the module for generating a quasi-chaotic microwave signal is the input of the clock pulse generator, and the output is the output of the incident wave combining device.

На вход модуля формирования поступает сигнал, запускающий работу генератора синхроимпульсов 6. С выхода генератора синхроимпульсов сигнал поступает на вход генератора сигнала 5 с линейно-частотной модуляцией, лежащей в пределах, например, от 10 МГц до 25 ГГц. ЛЧМ сигнал через устройство разделения падающих и отраженных волн 3 поступает на вход токонесущей полоски 1 отрезка копланарной полосковой линии, расположенной на диэлектрической подложке 7. На обратной стороне подложки 7 нанесена металлизация 8. В зазорах между токонесущей полоски 1 и планарными экранами 9, 10, соединенными через металлизированные отверстия 11 с металлизацией нижней стороны подложки, образуется электромагнитное поле (ЭМП), картина которого в виде эквипотенциальных линий показана на фиг. 2. Электромагнитное поле в зазорах копланарной линии при наличии боковых экранов и заземляемого основания разделяется на два связанных потока. Первый – в диэлектрической подложке 7, второй – в кристалле 2 (см. фиг. 1 и фиг. 2). Подложка выполнена из однородного и изотропного диэлектрика, а кристалл ниобата лития, будучи одноосным и характеризующимся тригональной кристаллической системой обладает анизотропией диэлектрических свойств (Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир, 1987). Электромагнитное поле возбуждает в кристалле ниобата лития электромагнитные колебания двумя образовавшимися источниками дипольного типа в синфазном режиме. При распространении СВЧ квази Т-волны вдоль токонесущей полоски копланарной полосковой линии и вдоль оси z кристалла электрическое поле имеет две составляющих , по оси x и по оси соответственно (см. фиг. 3). Это вызывает электрооптический эффект для волн, поляризованных в направлениях x’ и y’, причем оси x’ и y’ и повернуты на угол относительно осей x и (фиг. 3) кристаллической структуры (Зюрюкин Ю.А., Павлова М.В., Древко Д.Р. Волновые уравнения для описания эффекта Поккельса в кристаллах и их анализ на примере кристалла ниобата лития // Известия вузов «ПНД», т. 18, № 5, 2010. С. 125-137). Скорости рассматриваемых волн с составляющими и различны, т.к. относительные статические диэлектрические проницаемости: ε11= 84,6, ε33=29,1 (Е. А. Поспелова, И. С. Азанова. Периодическая доменная структура в монокристаллах ниобата лития. https://elis.psu.ru/node/381044). Образуется “медленная” волна со скоростью и “быстрая” со скоростью . По причине знакопеременного процесса изменения полей и ситуация меняется на противоположную с частотой fs сигнала с линейно-частотной модуляцией, воздействующего на отрезок копланарной полосковой линии и кристалл. The input of the generation module receives a signal that triggers the operation of the clock pulse generator 6. From the output of the clock pulse generator, the signal is fed to the input of the signal generator 5 with linear frequency modulation, which lies in the range, for example, from 10 MHz to 25 GHz. The chirp signal, through a device for separating the incident and reflected waves 3, is supplied to the input of the current-carrying strip 1 of a piece of coplanar strip line located on the dielectric substrate 7. On the back side of the substrate 7, metallization 8 is applied. In the gaps between the current-carrying strip 1 and planar screens 9, 10, connected through metallized holes 11 with metallization of the lower side of the substrate, an electromagnetic field (EMF) is formed, the picture of which in the form of equipotential lines is shown in Fig. 2. The electromagnetic field in the gaps of the coplanar line in the presence of side screens and a grounded base is divided into two connected flows. The first is in the dielectric substrate 7, the second is in the crystal 2 (see Fig. 1 and Fig. 2). The substrate is made of a homogeneous and isotropic dielectric, and the lithium niobate crystal, being uniaxial and characterized by a trigonal crystal system, has anisotropy of dielectric properties (Yariv A., Yukh P. Optical waves in crystals. M.: Mir, 1987). The electromagnetic field excites electromagnetic oscillations in the lithium niobate crystal by two resulting dipole-type sources in in-phase mode. When a microwave quasi-T wave propagates along a current-carrying strip of a coplanar strip line and along the axisz crystal electric field has two components, along the axisx and along the axis respectively (see Fig. 3). This causes an electro-optical effect for waves polarized in the directionsx’ and y’, with the axesx’ and y’ and turned at an angle relative to the axesx And (Fig. 3) crystal structure (Zyuryukin Yu.A., Pavlova M.V., Drevko D.R. Wave equations for describing the Pockels effect in crystals and their analysis using the example of a lithium niobate crystal // News of universities "PND", t. 18, No. 5, 2010, pp. 125-137). Velocities of the considered waves with components And are different, because relative static dielectric constants: εeleven= 84.6, ε33=29.1 (E. A. Pospelova, I. S. Azanova. Periodic domain structure in lithium niobate single crystals. https://elis.psu.ru/node/381044). A “slow” wave is formed with a speed and “fast” with speed. Due to the alternating process of changing fields And the situation reverses with frequencyfs a linear frequency modulated signal acting on a piece of coplanar strip line and a crystal.

Следовательно, поля в зазорах между токонесущей полоской и боковыми экранами КПЛ изменяют состояние поляризации падающей электромагнитной волны в объеме кристалла. Поскольку кристалл имеет существенно значимые размеры, его нижний слой, лежащий на токонесущей полоске и боковых экранах КПЛ, подвергается взаимодействию и , изменяющемуся от нижней поверхности к верхней поверхности по оси x и от центров зазоров к боковым поверхностям по оси y. При этом в токонесущей полоске происходит трансформация квази Т волны, свойственной полосковым линиям передачи с поперечными размерами намного меньшими длины волны. Эта трансформация вызывается влиянием компонент поля, возникающего внутри кристалла вследствие поляризации и “расщепления” квазиТ-волны полосковой структуры на: во-первых, собственные волны кристалла как объемного диэлектрического резонатора со спектром собственных волн; во-вторых, на связанные с основной квазиТ-волной волн, фазовые скорости которых существенно отличаются. Возникновение комбинированных волн вследствие трансформации квази Т-волны приводит к их интерференции, т.к. фазовые скорости разные. Как показали экспериментальные исследования частотных характеристик отрезка копланарной линии без кристалла и с расположенным на ней кристаллом (см. фиг. 3) на векторном анализаторе цепей Р426 производства АО «НПФ «Микран», указанные выше процессы приводят к амплитудным и фазовым квазихаотическим колебаниям, которые иллюстрируются графиками фиг. 4 – фиг. 10. На фиг.4 и фиг.5 показаны частотные характеристики отрезка копланарной полосковой линии без кристалла: модуля коэффициента передачи , возвратных потерь , фазы коэффициента передачи , фазы коэффициента обратного рассеяния . Из приведенных зависимостей (фиг. 4) видно, что до частоты примерно 20 ГГц характеристики отрезка копланарной линии имеют вид, свойственный линиям передачи с умеренными потерями и почти линейной фазочастотной характеристикой коэффициента передачи (фиг. 5). Установка кристалла ниобата лития приводит к появлению множества резонансов в характеристике полосковой структуры в полосе частот примерно от 4 ГГц до 20 ГГц, что иллюстрируется фиг. 6. При этом, поскольку входной импеданс устройства изменяется при возникновении резонансных колебаний в кристалле и копланарной полосковой линии, частотная зависимость возвратных потерь также характеризуется множеством резонансов (фиг. 7). Возникающие резонансные явления в системе копланарная полосковая линия-кристалл ниобата вследствие интерференции волн с разными фазовыми скоростями приводят к квазихаотическим изменениям фазы коэффициента передачи , что показано на фиг. 8, а также к изменениям – фиг. 9. Анализ частотных зависимостей |S 11(f)|, |S 21(f)| (фиг. 6, фиг. 7) показывает разное положение максимумов динамического диапазона квазихаотических сигналов на частотной оси. Так наибольший уровень разницы между max(|S 21(f)|) и min(|S 21(f)|) наблюдается в полосе 10,0–17,5 ГГц, а диапазон изменения между max(|S 11(f)|) и min(|S 11(f)|) максимален в полосе 4,0 – 10,0 ГГц. Примерно такая же зависимость характерна для квазихаотичного изменения фазы arg(S 21(f)) и arg(S 11(f)) (фиг. 8 и фиг. 9). Выравнивание спектральной плотности квазихаотического сигнала осуществляется следующим образом. Между генератором линейно-частотного-модулированного сигнала 5 (фиг. 1) и входом копланарной полосковой линии устанавливается устройство разделения падающей и отраженной волн 3. Падающая волна поступает на входной порт устройства 3, отраженная приходит на выходной порт этого устройства и всилу направленных его свойств ответвляется в порт отраженного сигнала. Затем отраженный от входного порта копланарной полосковой линии подается на первый входной порт устройства сложения сигналов 4. Сигнал, прошедший через копланарную полосковую линию с размещенным на ней кристаллом ниобата лития с ее выходного порта подается на второй входной порт устройства сложения 4. На выходе устройста сложения сигналов 4 получается векторная сумма сигнала, отраженного от входного порта, и сигнала с выходного порта копланарной полосковой линии. Обозначим следующим образом напряжения распространяющихся в модуле волн:Consequently, the fields in the gaps between the current-carrying strip and the side screens of the CPL change the polarization state of the incident electromagnetic wave in the bulk of the crystal. Since the crystal has significantly significant dimensions, its bottom layer, lying on the current-carrying strip and the side screens of the CPL, is subject to interaction And , varying from the bottom surface to the top surface along the x- axis and from the centers of the gaps to the side surfaces along the y -axis. In this case, a transformation of a quasi-T wave occurs in the current-carrying strip, characteristic of strip transmission lines with transverse dimensions much smaller than the wavelength. This transformation is caused by the influence of the field components arising inside the crystal due to polarization and “splitting” of the quasi-T wave of the strip structure into: firstly, the natural waves of the crystal as a volumetric dielectric resonator with a spectrum of natural waves; secondly, to waves associated with the main quasi-T wave, the phase velocities of which are significantly different. The emergence of combined waves due to the transformation of the quasi T-wave leads to their interference, because phase velocities are different. As shown by experimental studies of the frequency characteristics of a coplanar line segment without a crystal and with a crystal located on it (see Fig. 3) on a P426 vector network analyzer produced by JSC NPF Mikran, the above processes lead to amplitude and phase quasi-chaotic oscillations, which are illustrated graphs of Fig. 4 – fig. 10. Figure 4 and Figure 5 show the frequency characteristics of a section of a coplanar strip line without a crystal: transmission coefficient modulus , return losses , phase gain , phases of the backscattering coefficient . From the given dependencies (Fig. 4) it is clear that up to a frequency of approximately 20 GHz, the characteristics of a coplanar line segment have the form characteristic of transmission lines with moderate losses and an almost linear phase-frequency characteristic of the transmission coefficient (Fig. 5). Installation of a lithium niobate crystal leads to the appearance of many resonances in the characteristic strip structure in the frequency band from about 4 GHz to 20 GHz, as illustrated in FIG. 6. Moreover, since the input impedance of the device changes when resonant oscillations occur in the crystal and coplanar strip line, the frequency dependence of the return losses is also characterized by many resonances (Fig. 7). Emerging resonance phenomena in the coplanar strip line-niobate crystal system due to the interference of waves with different phase velocities lead to quasi-chaotic changes in the phase of the transmission coefficient , which is shown in Fig. 8, as well as to changes – fig. 9. Analysis of frequency dependences | S 11 ( f )|, | S 21 ( f )| (Fig. 6, Fig. 7) shows different positions of the maxima of the dynamic range of quasi-chaotic signals on the frequency axis. Thus, the greatest level of difference between max(| S 21 ( f )|) and min(| S 21 ( f )|) is observed in the band 10.0–17.5 GHz, and the range of changes between max(| S 11 ( f ) |) and min(| S 11 ( f )|) is maximum in the band 4.0 – 10.0 GHz. Approximately the same dependence is typical for quasi-chaotic changes in the phases arg( S21 ( f )) and arg( S11 ( f )) (Fig . 8 and Fig. 9). The spectral density of a quasi-chaotic signal is equalized as follows. A device for separating the incident and reflected waves 3 is installed between the linear frequency modulated signal generator 5 (Fig. 1) and the input of the coplanar strip line. The incident wave arrives at the input port of device 3, the reflected wave arrives at the output port of this device and, due to its directional properties, branches off to the reflected signal port. Then reflected from the input port of the coplanar strip line is fed to the first input port of the signal adding device 4. The signal passed through the coplanar strip line with a lithium niobate crystal placed on it from its output port is fed to the second input port of the adding device 4. At the output of the signal adding device 4, the vector sum of the signal reflected from the input port and the signal from the output port of the coplanar strip line is obtained. Let us denote the voltages of the waves propagating in the module as follows:

– напряжение падающей на вход копланарной линии волны после прохождения сигнала с выхода генератора 5 сигнала с линейно-частотной модуляцией через устройство разделения падающей и отраженной волн 3; – the voltage of the wave incident at the input of the coplanar line after the signal passes from the output of the signal generator 5 with linear frequency modulation through the device for separating the incident and reflected waves 3;

– напряжение отраженной от входа копланаоной линии волны, подаваемой на первый вход устройства сложения волн 4; – voltage of the wave line reflected from the input of the coplanar wave line supplied to the first input of the wave combining device 4;

– напряжение на выходе отрезка копланарной полоской линии волны, попадающей на второй вход устройства сложения волн 4. – voltage at the output of a segment of a coplanar strip of a wave line falling on the second input of the wave combining device 4.

Принимаем, что функция известна. Тогда на выходе устройства сложения 4 получаем суммарное напряжение We assume that the function known. Then at the output of addition device 4 we obtain the total voltage

. (1) . (1)

Предположим, что амплитуда равна 1. При определении суммарного напряжения из выражения (1) берутся за исходные экспериментально полученные частотные зависимости модуля коэффициента передачи (фиг. 6), модуля коэффициента отражения (возвратных потерь) (фиг. 7), фазы коэффициента отражения (фиг. 8), фазы коэффициента отражения (фиг. 9). Переходя к комплексной форме записи и получаем и .Let us assume that the amplitude is equal to 1. When determining the total voltage from expression (1), the initial experimentally obtained frequency dependences of the modulus of the transmission coefficient are taken as (Fig. 6), reflection coefficient module (return loss) (Fig. 7), reflection coefficient phases (Fig. 8), reflection coefficient phases (Fig. 9). Moving on to the complex recording form And we get And .

Частотная зависимость показана ра фиг. 10. Из сравнения фиг. 6 и фиг. 10 видим, что сложение энергии волны, отраженной от отрезка копланарной линии с кристаллом ниобата лития и энергии волны, прошедешей через копланарную линию и кристалл, увеличивает средний уровень и выравнивает частотную зависимость . Frequency dependence shown in Fig. 10. From a comparison of Figs. 6 and fig. 10 we see that the addition of the wave energy reflected from a segment of a coplanar line with a lithium niobate crystal and the wave energy passing through the coplanar line and crystal increases the average level and equalizes the frequency dependence .

Таким образом на основе проведенных экспериментальных характеристик показана работоспособность заявляемого модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот.Thus, based on the experimental characteristics carried out, the performance of the proposed module for generating a quasi-chaotic microwave signal is shown.

Claims (1)

Модуль формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот, содержащий отрезок копланарной полосковой линии, кристалл ниобата лития, устройство разделения падающих и отраженных волн, устройство сложения падающих волн, генератор сигналов с линейно-частотной модуляцией колебаний, генератор синхроимпульсов запуска генератора сигналов с линейно-частотной модуляцией, отличающийся тем, что отрезок копланарной полосковой линии выполнен на диэлектрической подложке, нижняя сторона которой металлизирована, боковые экраны, расположенные на верхней стороне, соединены с металлизацией нижней поверхности через металлизированные отверстия, токонесущая полоска отделена от боковых экранов зазорами, на верхней стороне со стороны токонесущей полоски и боковых экранов расположен кристалл из ниобата лития, поперечные размеры которого, обращенные к токонесущей полоске, перекрывают зазоры между токонесущей полоской и боковыми экранами, а продольные размеры кристалла не превышают длину токонесущей полоски копланарной линии, на вход копланарной полосковой линии поступает падающая волна линейно-частотно-модулированных колебаний с первого выхода устройства разделителя падающих и отражённых волн, являющегося входом волны, отраженной от кристалла ниобата лития, отраженная от кристалла ниобата лития волна поступает на второй выход устройства разделения падающих и отраженных волн, соединенный с первым входом устройства сложения падающих волн, выход копланарной полосковой линии соединен со вторым входом устройства сложения падающих волн, выходом модуля формирования квазихаотического сигнала сверхвысоких частот служит выход устройства сложения падающих волн. A module for generating a quasi-chaotic signal of ultra-high frequencies, containing a section of a coplanar strip line, a lithium niobate crystal, a device for separating incident and reflected waves, a device for adding incident waves, a signal generator with linear frequency modulation of oscillations, a clock pulse generator for starting a signal generator with linear frequency modulation, characterized in that a section of a coplanar strip line is made on a dielectric substrate, the lower side of which is metallized, the side screens located on the upper side are connected to the metallization of the lower surface through metallized holes, the current-carrying strip is separated from the side screens by gaps, on the upper side from the side of the current-carrying strip and side screens there is a crystal made of lithium niobate, the transverse dimensions of which, facing the current-carrying strip, cover the gaps between the current-carrying strip and the side screens, and the longitudinal dimensions of the crystal do not exceed the length of the current-carrying strip of the coplanar line; an incident wave of linear frequency is received at the input of the coplanar strip line. modulated oscillations from the first output of the device for separating incident and reflected waves, which is the input of the wave reflected from the lithium niobate crystal, the wave reflected from the lithium niobate crystal enters the second output of the device for separating incident and reflected waves, connected to the first input of the device for adding incident waves, the output is coplanar The strip line is connected to the second input of the incident wave combining device; the output of the module for generating a quasi-chaotic microwave signal is the output of the incident wave combining device.
RU2022124041A 2022-09-12 Module for forming a quasi-random signal of microwave frequencies RU2803456C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2803456C1 true RU2803456C1 (en) 2023-09-13

Family

ID=

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4291283A (en) * 1978-05-03 1981-09-22 Thomson-Csf Single-mode tunable oscillator using magnetostatic waves
EP0556819B1 (en) * 1992-02-21 2001-01-17 Takeshi Yamakawa Apparatus and method for generating chaotic signals
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
RU135202U1 (en) * 2013-04-22 2013-11-27 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" RING AUTO GENERATOR OF CHAOTIC MICROWAVE PULSES OF DIFFERENT DIFFERENCE BASED ON MAGNETIC CRYSTAL
RU2529732C1 (en) * 2013-04-09 2014-09-27 Открытое акционерное общество "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" System for detecting objects
RU2706441C1 (en) * 2019-05-07 2019-11-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Controlled multichannel filter for microwave signal based on magnonic crystal
RU2740397C1 (en) * 2020-03-20 2021-01-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4291283A (en) * 1978-05-03 1981-09-22 Thomson-Csf Single-mode tunable oscillator using magnetostatic waves
EP0556819B1 (en) * 1992-02-21 2001-01-17 Takeshi Yamakawa Apparatus and method for generating chaotic signals
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
RU2529732C1 (en) * 2013-04-09 2014-09-27 Открытое акционерное общество "Национальный центр лазерных систем и комплексов "Астрофизика" System for detecting objects
RU135202U1 (en) * 2013-04-22 2013-11-27 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" RING AUTO GENERATOR OF CHAOTIC MICROWAVE PULSES OF DIFFERENT DIFFERENCE BASED ON MAGNETIC CRYSTAL
RU2706441C1 (en) * 2019-05-07 2019-11-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук Controlled multichannel filter for microwave signal based on magnonic crystal
RU2740397C1 (en) * 2020-03-20 2021-01-14 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Taravati Giant linear nonreciprocity, zero reflection, and zero band gap in equilibrated space-time-varying media
US6690247B2 (en) Nonlinear transmission line waveform generator having an input voltage matched to the C/V characteristic of the transmission line
Kozyrev et al. Nonlinear left-handed transmission line metamaterials
Mekawy et al. Parametric enhancement of radiation from electrically small antennas
RU2803456C1 (en) Module for forming a quasi-random signal of microwave frequencies
KR100759940B1 (en) A ring-type resonant cell and an microwave oscillator utilizing the ring-type resonant cell and efficiency enhancement method of it
Gupta et al. Analog Signal Processing in Transmission Line Metamaterial Structures.
RU2473166C1 (en) Microwave mixer
US3858123A (en) Negative resistance oscillator
Liang et al. D-band surface-wave modulator and signal source with 40 dB extinction ratio and 3.7 mW output power in 65 nm CMOS
D’Alessandro Electrically small matched antennas with time-periodic and space-uniform modulation
CN110311628B (en) Graphene even harmonic frequency multiplier based on direct current bias and design method
US20110248797A1 (en) Tunable delay system and corresponding method
RU2804927C1 (en) Self-oscillator of chaotic pulses
US7236293B2 (en) Frequency converter using optical excitation surface plasma and its method
Ghatge et al. Exploiting elastic anharmonicity in aluminum nitride matrix for phase-synchronous frequency reference generation
Serga et al. Parametric generation of solitonlike spin-wave pulses in ring resonators based on ferromagnetic films
Grishin et al. Dissipative soliton oscillator with a nonlinear spin wave transmission line and a signal-to-noise enhancer in the feedback loop
RU2239938C1 (en) Microwave transistor oscillator
Baum Compression of sinusoidal pulses for high-power microwaves
RU2727277C1 (en) Transistor microwave generator with electronic frequency tuning
Booth et al. Frequency tuning of microstrip TRAPATT oscillators
Grishin et al. Generation of dissipative structures in self-oscillating ring systems upon parametric interaction of spin waves
Tanaka et al. A novel K-band push-push oscillator using Gunn diodes
Nikitin et al. Microwave magnonic micro-oscillator based on a nm-thick YIG film