RU2803782C1 - Self-oscillator of chaotic pulses - Google Patents
Self-oscillator of chaotic pulses Download PDFInfo
- Publication number
- RU2803782C1 RU2803782C1 RU2023104730A RU2023104730A RU2803782C1 RU 2803782 C1 RU2803782 C1 RU 2803782C1 RU 2023104730 A RU2023104730 A RU 2023104730A RU 2023104730 A RU2023104730 A RU 2023104730A RU 2803782 C1 RU2803782 C1 RU 2803782C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- chaotic
- pulses
- klystron
- input
- output
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в коммуникационных системах связи для передачи информационных сообщений на основе хаотических сверхвысокочастотных (СВЧ) импульсов.The invention relates to radio engineering and can be used in communication systems for transmitting information messages based on chaotic ultra-high frequency (microwave) pulses.
Известен кольцевой автогенератор (см. патент РФ на полезную модель № 135202 по кл. МПК H03B29/00, опуб. 27.11.2013), содержащий последовательно соединенные в кольцо СВЧ усилитель мощности, линейный резонатор и нелинейную дисперсионную линию задержки с магнонным кристаллом (МК), выполненным на основе ферритовой пленки, на одной стороне которой сформирована периодическая структура в виде чередующихся слоев ферритовой пленки разной толщины вдоль направления распространения в пленке поверхностной магнитостатической волны; автогенератор содержит переменный аттенюатор, размещенный между линейным резонатором и нелинейной дисперсионной линией задержки; резонансная частота объемного резонатора настроена на центральную частоту первой запрещенной зоны периодической ферромагнитной структуры.A ring self-oscillator is known (see RF patent for utility model No. 135202 according to class IPC H03B29/00, publ. November 27, 2013), containing a microwave power amplifier, a linear resonator and a nonlinear dispersive delay line with a magnon crystal (MC) connected in series in a ring. , made on the basis of a ferrite film, on one side of which a periodic structure is formed in the form of alternating layers of ferrite film of different thicknesses along the direction of propagation of a surface magnetostatic wave in the film; the self-oscillator contains a variable attenuator placed between the linear resonator and the nonlinear dispersive delay line; the resonant frequency of the cavity resonator is tuned to the central frequency of the first band gap of the periodic ferromagnetic structure.
Недостатком данного генератора хаотических СВЧ импульсов является отсутствие возможности динамического управления скважностью импульсной последовательности.The disadvantage of this generator of chaotic microwave pulses is the lack of the ability to dynamically control the duty cycle of the pulse sequence.
Известен также СВЧ-генератор мощных сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов, включающий автогенератор на лампе бегущей волны с задерживающей обратной связью, настроенный в режим широкополосного хаотического сигнала, генератор гармонического сигнала, модулированного прямоугольными импульсами, соединенный с входом лампы бегущей волны и настроенный на частоту первой гармоники автогенератора и амплитуду, достаточную для полного подавления хаотического сигнала автогенератора (см. патент РФ на полезную модель № 162361 по кл. МПК H03K3/04, опуб. 10.06.2016). Устройство позволяет регулировать длительность и скважность импульсного сигнала.A microwave generator of powerful ultra-wideband chaotic radio pulses is also known, including a self-oscillator on a traveling wave lamp with delayed feedback, configured in the mode of a broadband chaotic signal, a generator of a harmonic signal modulated by rectangular pulses, connected to the input of the traveling wave lamp and tuned to the frequency of the first harmonic of the self-oscillator and an amplitude sufficient to completely suppress the chaotic signal of the self-oscillator (see RF patent for utility model No. 162361 according to IPC class H03K3/04, publ. 06/10/2016). The device allows you to adjust the duration and duty cycle of the pulse signal.
Недостатком является использование внешнего генератора гармонического сигнала, модулированного прямоугольными импульсами, для генерации хаотических радиоимпульсов.The disadvantage is the use of an external square wave modulated harmonic signal generator to generate chaotic radio pulses.
Наиболее близким к заявляемому является автогенератор хаотических импульсов, содержащий расположенные в кольце обратной связи нелинейный ЛБВ усилитель, переменный поляризационный аттенюатор, анализатор спектра и осциллограф реального времени для наблюдения временной реализации и гистограмм распределения вероятностей хаотического сигнала (см. Б.С. Дмитриев, Ю.Д. Жарков, С.А. Садовников, В.Н. Скороходов «Генерация хаотических широкополосных импульсов микроволнового диапазоны на основе ЛБВ автогенератора»/ Изв. Вузов «ПНД», т. 23, № 3, 2015. -0 С. 106 - 114).The closest to the claimed one is a self-oscillator of chaotic pulses, containing a nonlinear TWT amplifier, a variable polarization attenuator, a spectrum analyzer and a real-time oscilloscope located in the feedback ring, a spectrum analyzer and a real-time oscilloscope for observing the temporal implementation and histograms of the probability distribution of the chaotic signal (see B.S. Dmitriev, Yu. D. Zharkov, S.A. Sadovnikov, V.N. Skorokhodov “Generation of chaotic broadband pulses in the microwave range based on a self-oscillator TWT” / Izv. Universities “PND”, vol. 23, No. 3, 2015. -0 P. 106 - 114).
Недостатком является отсутствие возможности управления скважностью генерируемых хаотических импульсов.The disadvantage is the inability to control the duty cycle of the generated chaotic pulses.
Технической проблемой настоящего изобретения является разработка автогенератора хаотических импульсов на основе только вакуумных нелинейных элементов.The technical problem of the present invention is the development of a self-generator of chaotic pulses based only on vacuum nonlinear elements.
Техническим результатом является осуществление возможности управления периодом следования (скважностью) генерируемых хаотических темных импульсов огибающей за счёт изменения тока пучка пролетного клистрона.The technical result is the ability to control the repetition period (duty factor) of the generated chaotic dark envelope pulses by changing the current of the transit klystron beam.
Для достижения технического результата автогенератор хаотических импульсов, содержащий нелинейный СВЧ-усилитель мощности в виде ЛБВ, выход которой соединён со входом направленного ответвителя, подключенного ко входу переменного аттенюатора, согласно изобретению, дополнительно содержит многорезонаторный пролётный клистрон, выполненный с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности, вход клистрона подключен к выходу переменного аттенюатора, а выход - ко входу нелинейного СВЧ усилителя.To achieve a technical result, a self-oscillator of chaotic pulses containing a nonlinear microwave power amplifier in the form of a TWT, the output of which is connected to the input of a directional coupler connected to the input of a variable attenuator, according to the invention , additionally contains a multicavity flight klystron, configured to operate in maximum output power mode , the klystron input is connected to the output of the variable attenuator, and the output is connected to the input of the nonlinear microwave amplifier.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:The present invention is illustrated by drawings, where:
- на фиг. 1 показана блок-схема заявляемого автогенератора хаотических темных импульсов огибающей;- in fig. 1 shows a block diagram of the proposed self-oscillator of chaotic dark envelope pulses;
- на фиг. 2 приведены зависимости мощности на выходе (Р вых) от мощности на входе (Р вх) нелинейного ЛБВ-усилителя (a) и нелинейного пятирезонаторного пролетного клистрона (б);- in fig. Figure 2 shows the dependences of the output power ( Pout ) on the input power (Pin ) of a nonlinear TWT amplifier (a) and a nonlinear five-cavity transit klystron ( b);
- на фиг. 3 - приведены временные ряды хаотических темных микроволновых импульсов, генерируемых в вакуумном автогенераторе при нескольких значениях тока пучка клистрона-усилителя: 0 (а), +320 мА (б) и -200 мА (в).- in fig. 3 - shows the time series of chaotic dark microwave pulses generated in a vacuum self-oscillator at several values of the klystron-amplifier beam current: 0 (a), +320 mA (b) and -200 mA (c).
Позициями на чертежах обозначены:Positions in the drawings indicate:
1 - ЛБВ-усилитель, выполненный с возможностью работы на одном из N-образных участков амплитудной характеристики;1 - TWT amplifier, configured to operate on one of the N-shaped sections of the amplitude characteristic;
2 - направленный ответвитель;2 - directional coupler;
3 - переменный аттенюатор;3 - variable attenuator;
4 - многорезонаторный пролетный клистрона, выполненный с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности;4 - multi-resonator flight klystron, designed to operate in the maximum output power mode;
5 - зависимость мощности СВЧ сигнала на выходе пролетного клистрона P вых от мощности СВЧ сигнала на входе пролетного клистрона P вх, измеренная на центральной частоте пролетного клистрона ƒ0;5 - dependence of the power of the microwave signal at the output of the transit klystron P out on the power of the microwave signal at the input of the transit klystron P in , measured at the center frequency of the transit klystron ƒ 0 ;
6 - зависимость мощности СВЧ сигнала на выходе ЛБВ-усилителя P вых от мощности СВЧ сигнала на входе ЛБВ-усилителя P вх, измеренная на центральной частоте пролетного клистрона ƒ0.6 - dependence of the power of the microwave signal at the output of the TWT amplifier P out on the power of the microwave signal at the input of the TWT amplifier P in , measured at the center frequency of the transit klystron ƒ 0 .
Устройство содержит последовательно соединенные ЛБВ-усилитель 1, направленный ответвитель 2, переменный аттенюатор 3 и многорезонаторный пролетный клистрон 4, выход которого соединен со входом ЛБВ-усилителя 1.The device contains a series-connected TWT amplifier 1, a directional coupler 2, a variable attenuator 3 and a multicavity fly-by-wire klystron 4, the output of which is connected to the input of the TWT amplifier 1.
ЛБВ-усилитель выполнен на основе односекционной спиральной замедляющей системы с переменным шагом для диапазона частот 2-4 ГГц. Клистрон представляет собой пятирезонаторный пролетный клистрон средней мощности типа КУ-134Е с центральной частотой ƒ0=2797 МГц. Вход ЛБВ-усилителя соединён с выходом пролётного клистрона. Вакуумные нелинейные элементы охвачены цепью запаздывающей обратной связи. Уровень тока пучка и ускоряющего напряжения ЛБВ-усилителя выбираются такими, чтобы он работал в сильно нелинейном режиме, на одном из N-образных участков его амплитудной характеристики, что необходимо для хаотизации СВЧ сигнала.The TWT amplifier is made on the basis of a single-section helical slow-wave system with variable pitch for the frequency range 2-4 GHz. The klystron is a five-cavity mid-power mid-range klystron of the KU-134E type with a central frequency ƒ 0 =2797 MHz. The input of the TWT amplifier is connected to the output of the transit klystron. Vacuum nonlinear elements are covered by a delayed feedback circuit. The level of the beam current and the accelerating voltage of the TWT amplifier are selected such that it operates in a highly nonlinear mode, in one of the N-shaped sections of its amplitude characteristic, which is necessary for chaotization of the microwave signal.
Уровень тока пучка и ускоряющего напряжения пятирезонаторного пролетного клистрона выбираются такими, чтобы клистрон-усилитель работал в слабо нелинейном режиме, где уровень выходной мощности клистрона-усилителя является максимальным, что необходимо для ограничения роста амплитуды хаотического СВЧ сигнала. Уровень мощности сигнала на входе пролетного клистрона регулируется с помощью переменного аттенюатора. Меньшая часть мощности СВЧ сигнала с выхода ЛБВ-усилителя возвращается обратно в кольцо, а большая часть мощности СВЧ сигнала поступает в нагрузку.The level of the beam current and the accelerating voltage of the five-cavity fly-by klystron are selected such that the klystron amplifier operates in a weakly nonlinear mode, where the output power level of the klystron amplifier is maximum, which is necessary to limit the increase in the amplitude of the chaotic microwave signal. The signal power level at the input of the transit klystron is controlled using a variable attenuator. A smaller part of the microwave signal power from the output of the TWT amplifier is returned back to the ring, and most of the microwave signal power goes to the load.
Таким образом, для достижения технического результата необходимо выполнение следующих условий.Thus, to achieve a technical result, the following conditions must be met.
1. Уровень мощности СВЧ сигнала на входе ЛБВ-усилителя устанавливается таким, чтобы он работал в сильно нелинейном режиме, на одном из N-образных участков его амплитудной характеристики.1. The power level of the microwave signal at the input of the TWT amplifier is set so that it operates in a highly nonlinear mode, in one of the N-shaped sections of its amplitude characteristic.
2. Уровень мощности СВЧ сигнала на входе пятирезонаторного пролетного клистрона устанавливается такими, чтобы клистрон-усилитель работал в слабо нелинейном режиме, где уровень выходной мощности клистрона-усилителя является максимальным.2. The power level of the microwave signal at the input of the five-cavity fly-by klystron is set so that the klystron amplifier operates in a weakly nonlinear mode, where the output power level of the klystron amplifier is maximum.
На фиг. 2 приведены амплитудные характеристики ЛБВ-усилителя и пятирезонаторного пролетного клистрона, измеренные на частоте ƒ0. Амплитудная характеристика ЛБВ-усилителя получена при токе пучка I 01=50 мА и ускоряющем напряжении U 01=2500 В, а аналогичная характеристика пролетного клистрона - при токе пучка I 02=36 мА и ускоряющем напряжении U 02=2300 В. Из представленных на фиг.2 результатов следует, что на амплитудной характеристике ЛБВ-усилителя наблюдаются два N-образных участка, возникновение которых связано с работой ЛБВ в нелинейном крестатронном режиме при нормированном уровне входной мощности , где P 01=I 01 U 01. Особенностью такого режима является изменение средней скорости электронного потока за счет увеличения амплитуды электромагнитной волны, распространяющейся вдоль замедляющей системы. В этом случае средняя скорость электронного потока то увеличивается, то, наоборот, уменьшается, оставаясь больше фазовой скорости электромагнитной волны. Такое поведение электронного потока является причиной образования минимумов и максимумов на амплитудной характеристике ЛБВ. Кроме того, на фиг.2 штрихпунктирными линиями показаны уровни мощности P вх на входе ЛБВ-усилителя (P 1) и пролетного клистрона (P 2), при которых в автогенераторе с использованием данных СВЧ-усилителей генерируются темные импульсы огибающей. Видно, что при данных уровнях P вх ЛБВ-усилитель работает на участке подъема второго N-образного участка амплитудной характеристики (сильно нелинейный режим), а пролетный клистрон - в режиме максимальной выходной мощности (слабо нелинейный режим).In fig. Figure 2 shows the amplitude characteristics of the TWT amplifier and the five-cavity transit klystron, measured at frequency ƒ 0 . The amplitude characteristic of the TWT amplifier was obtained at beam current I 01 =50 mA and accelerating voltage U 01 =2500 V, and a similar characteristic of the transit klystron was obtained at beam current I 02 =36 mA and accelerating voltage U 02 =2300 V. From those presented in Fig. .2 of the results it follows that the amplitude characteristic of the TWT amplifier shows two N-shaped sections, the occurrence of which is associated with the operation of the TWT in the nonlinear crosstronic mode at a normalized input power level , where P 01 = I 01 U 01 . A feature of this mode is a change in the average speed of the electron flow due to an increase in the amplitude of the electromagnetic wave propagating along the slow-wave system. In this case, the average speed of the electron flow either increases or, on the contrary, decreases, remaining greater than the phase speed of the electromagnetic wave. This behavior of the electron flow is the reason for the formation of minima and maxima in the amplitude characteristic of the TWT. In addition, in Fig. 2, the dash-dot lines show the power levels P in at the input of the TWT amplifier ( P 1 ) and the transit klystron ( P 2 ), at which dark envelope pulses are generated in the self-oscillator using these microwave amplifiers. It can be seen that at these levels P in , the TWT amplifier operates in the rising section of the second N-shaped section of the amplitude characteristic (strongly nonlinear mode), and the transit klystron operates in the mode of maximum output power (weakly nonlinear mode).
Управление режимами генерации сигнала в данном автогенераторе осуществлялось путем изменения тока пучка пролетного клистрона. Остальные параметры СВЧ-усилителей (напряжение клистрона, а также напряжение и ток пучка ЛБВ) оставались постоянными.The signal generation modes in this self-oscillator were controlled by changing the current of the transit klystron beam. The remaining parameters of the microwave amplifiers (klystron voltage, as well as TWT beam voltage and current) remained constant.
На фиг. 3 представлены режимы генерации уединенных узких провалов (темных импульсов огибающей), формирующихся на хаотическом амплитудном фоне. На вставке к фиг. 3а показан увеличенный фрагмент амплитудного и фазового профилей одного из таких провалов. Видно, что данные профили аналогичны амплитудному и фазовому профилям диссипативного темного солитона огибающей (амплитудный профиль является симметричным, а фаза внутри него претерпевает скачок на величину ~π). Полученные темные импульсы имеют длительность T d≅10 ns и усредненный на длине реализации период следования T r≅7.4 μs. При увеличении тока пучка клистрона до I 02=45 мА (см. фиг. 3б) к уменьшению усредненного периода темных импульсов огибающей до T r≅3.1 мкс.In fig. Figure 3 shows the generation modes of solitary narrow dips (dark envelope pulses) formed against a chaotic amplitude background. In the inset to Fig. Figure 3a shows an enlarged fragment of the amplitude and phase profiles of one of these dips. It can be seen that these profiles are similar to the amplitude and phase profiles of a dissipative dark soliton envelope (the amplitude profile is symmetrical, and the phase inside it undergoes a jump by ~π). The resulting dark pulses have a duration T d ≅10 ns and a repetition period averaged over the implementation length T r ≅7.4 μs. When the klystron beam current increases to I 02 =45 mA (see Fig. 3b), the average period of dark envelope pulses decreases to T r ≅3.1 μs.
Таким образом, изменяя ток пучка пролетного клистрона можно управлять периодом следования (скважностью) генерируемых хаотических темных импульсов огибающей.Thus, by changing the beam current of the transit klystron, one can control the repetition period (duty factor) of the generated chaotic dark envelope pulses.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2803782C1 true RU2803782C1 (en) | 2023-09-19 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2607896A (en) * | 1945-09-19 | 1952-08-19 | Torrence H Chambers | Random impulse signal generator |
| US4169249A (en) * | 1977-05-06 | 1979-09-25 | Societe Nationale Industrielle Aerospatiale | Analog noise generator |
| US4173000A (en) * | 1978-08-21 | 1979-10-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Simulated VLF/LF noise generator |
| RU2349027C1 (en) * | 2007-07-25 | 2009-03-10 | ГОУ ВПО "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Method of chaotic radio-frequency pulses of major power generation for direct-random communication systems |
| 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 |
| RU162361U1 (en) * | 2015-05-06 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Microwave Powerful Ultra Wide Band Chaotic Radio Pulse Generator |
| 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 (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2607896A (en) * | 1945-09-19 | 1952-08-19 | Torrence H Chambers | Random impulse signal generator |
| US4169249A (en) * | 1977-05-06 | 1979-09-25 | Societe Nationale Industrielle Aerospatiale | Analog noise generator |
| US4173000A (en) * | 1978-08-21 | 1979-10-30 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Simulated VLF/LF noise generator |
| RU2349027C1 (en) * | 2007-07-25 | 2009-03-10 | ГОУ ВПО "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Method of chaotic radio-frequency pulses of major power generation for direct-random communication systems |
| 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 |
| RU162361U1 (en) * | 2015-05-06 | 2016-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Microwave Powerful Ultra Wide Band Chaotic Radio Pulse Generator |
| 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 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ДМИТРИЕВ Б.С., ЖАРКОВ Ю.Д., САДОВНИКОВ С.А., СКОРОХОДОВ В.Н. Генерация хаотических широкополосных импульсов микроволнового диапазона на основе ЛБВ автогенератора // Изв. вузов "ПНД", т. 23, N 3, 2015. C. 106-114. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chodorow et al. | A high-efficiency klystron with distributed interaction | |
| US2932760A (en) | Backward flow travelling wave devices | |
| Samsonov et al. | Compression of frequency-modulated pulses using helically corrugated waveguides and its potential for generating multigigawatt rf radiation | |
| Grishin et al. | Self-generation of chaotic dissipative multisoliton complexes supported by competing nonlinear spin-wave interactions | |
| Pierce | The wave picture of microwave tubes | |
| RU2803782C1 (en) | Self-oscillator of chaotic pulses | |
| Du et al. | Time-domain multimode analysis of a terahertz gyro-TWT amplifier | |
| CA1133597A (en) | Backward wave oscillator tube for the production of microwaves | |
| Buleyko et al. | Feedback in plasma maser | |
| US4149107A (en) | Backward wave oscillator tube for the production of microwave | |
| RU2804927C1 (en) | Self-oscillator of chaotic pulses | |
| Wu et al. | A long pulse relativistic klystron amplifier driven by low RF power | |
| Wu et al. | An S-band high gain relativistic klystron amplifier with high phase stability | |
| Blank et al. | Design and demonstration of W-band gyrotron amplifiers for radar applications | |
| US7170444B1 (en) | Non-linear dispersive pulse generator | |
| RU2340083C1 (en) | Shf power pulse amplifier | |
| US3101449A (en) | Parametric electron beam devices | |
| US2790928A (en) | Electron discharge devices of the klystron type | |
| RU2740397C1 (en) | Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration | |
| GB687149A (en) | Microwave amplifiers | |
| Xu et al. | Design and experimental study of a broadband U-band TE01 gyrotron traveling wave tube | |
| RU2444081C1 (en) | Controlled generator on virtual cathode | |
| RU2421876C1 (en) | Generation method of chaotic super-high-frequency pulses | |
| Butler et al. | Twin traveling-wave tube amplifiers driven by a relativistic backward-wave oscillator | |
| RU2118041C1 (en) | Device for forming of high-power ultrashort microwave pulses |