RU2804927C1 - Self-oscillator of chaotic pulses - Google Patents

Self-oscillator of chaotic pulses Download PDF

Info

Publication number
RU2804927C1
RU2804927C1 RU2023104714A RU2023104714A RU2804927C1 RU 2804927 C1 RU2804927 C1 RU 2804927C1 RU 2023104714 A RU2023104714 A RU 2023104714A RU 2023104714 A RU2023104714 A RU 2023104714A RU 2804927 C1 RU2804927 C1 RU 2804927C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
amplifier
nonlinear
linear
delay line
chaotic
Prior art date
Application number
RU2023104714A
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"
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"
Application granted granted Critical
Publication of RU2804927C1 publication Critical patent/RU2804927C1/en

Links

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: used in communication systems for transmission of information messages based on chaotic microwave pulses. To achieve the effect, the self-oscillator of chaotic pulses additionally contains a nonlinear amplifier, the input of which is connected to the output of the linear amplifier, and the output to a directional coupler, while the nonlinear delay line additionally contains a metal conductor placed on the surface of the periodic structure and connected to a direct current source. The nonlinear amplifier is designed to operate in the maximum output power mode, and the linear amplifier is a multi-cavity system, the resonant frequency of which is tuned to the central frequency of the stopband of the periodic structure.
EFFECT: ensuring a change in the level of nonlinear losses of a magnetostatic wave propagating in a dispersive delay line with a magnon crystal using a direct electric current.
2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в коммуникационных системах связи для передачи информационных сообщений на основе хаотических сверхвысокочастотных (СВЧ) импульсов различной скважности.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 of various duty cycles.

Известен генератор хаотических СВЧ импульсов (см. патент РФ №2386204 по кл. МПК Н03В 29/00, опуб. 10.04.2010), который представляет собой последовательно соединенные СВЧ усилитель, направленный ответвитель и нагрузку, а также цепь обратной связи, включенную между другим выходом направленного ответвителя и входом СВЧ усилителя и содержащую резонатор и перестраиваемую магнитным полем дисперсионную линию задержки с ферритовой пленкой при возбуждении в ней магнитостатических волн, являющуюся одновременно нелинейным элементом. Наличие у МСВ, распространяющейся в ферритовой пленке, дисперсии и нелинейности, а также использование в кольце резонатора, способного изменять закон дисперсии и нелинейности всего кольца в целом в узкой полосе частот, приводит к генерации в кольце стационарной последовательности хаотических СВЧ импульсов.A generator of chaotic microwave pulses is known (see RF patent No. 2386204 according to class IPC N03V 29/00, publ. 04/10/2010), which is a series-connected microwave amplifier, a directional coupler and a load, as well as a feedback circuit connected between the other the output of a directional coupler and the input of a microwave amplifier and containing a resonator and a dispersive delay line tunable by a magnetic field with a ferrite film when magnetostatic waves are excited in it, which is at the same time a nonlinear element. The presence of dispersion and nonlinearity in the MSW propagating in the ferrite film, as well as the use of a resonator in the ring capable of changing the law of dispersion and nonlinearity of the entire ring as a whole in a narrow frequency band, leads to the generation of a stationary sequence of chaotic microwave pulses in the ring.

Однако в данном генераторе хаотических СВЧ импульсов не удается осуществить управление скважностью генерируемых импульсов из-за отсутствия синхронизации частот автомодуляции спиновых волн при изменении коэффициента усиления кольца.However, in this generator of chaotic microwave pulses it is not possible to control the duty cycle of the generated pulses due to the lack of synchronization of the frequencies of self-modulation of spin waves when the gain of the ring changes.

Известен также автогенератор хаотических импульсов (см. патент РФ № 2740397 по кл. МПК Н03В 29/00, опуб. 14.01.2021), содержащий последовательно соединённые в кольцо линейный и нелинейный СВЧ усилители, направленный ответвитель, аттенюатор, Г-образный магнитный волновод. 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 self-oscillator of chaotic pulses is also known (see RF patent No. 2740397 according to class IPC N03V 29/00, publ. 01/14/2021), containing linear and nonlinear microwave amplifiers connected in series in a ring, a directional coupler, an attenuator, and an L-shaped magnetic waveguide. A linear amplifier amplifies the microwave signal to a power level at which the nonlinear amplifier operates in output power saturation mode. 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 due to the generation of a microwave signal on the eigenmodes of the ring self-oscillator in as a result of four-wave nonlinear interactions. The presence of a nonlinear amplifier also contributes to the establishment of partial chaotic synchronization of the self-modulation frequencies of spin waves with the frequencies of the eigenmodes of the ring resonator and to the generation of a stationary sequence of microwave pulses of subnanosecond duration.

Однако в данном устройстве нелинейная дисперсионная линия задержки на МСВ содержит нерегулярный (Г-образный) магнонный волновод, на поверхности которого нет динамического линейного дефекта, т.е. отсутствует возможность динамического управления скважностью импульсной последовательности.However, in this device, the nonlinear dispersive delay line on the MSW contains an irregular (L-shaped) magnon waveguide, on the surface of which there is no dynamic linear defect, i.e. there is no possibility of dynamic control of the duty cycle of the pulse sequence.

Наиболее близким к заявляемому является кольцевой автогенератор (см. патент РФ на полезную модель № 135202 по кл. МПК H03B 29/00, 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.The closest to the claimed one is a ring self-oscillator (see RF patent for utility model No. 135202 according to class IPC H03B 29/00, publ. November 27, 2013), containing a microwave power amplifier, a linear resonator and a nonlinear dispersive delay line connected in series in a ring with a magnon crystal (MC), 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.

Для генерации хаотических СВЧ импульсов величина внешнего постоянного магнитного поля и намагниченности МК подбираются таким образом, чтобы частота первого Брэгговского резонанса МК совпадала с собственной частотой резонатора, а на частоте первого Брэгговского резонанса МК существовали параметрические процессы первого порядка, приводящие к распаду дипольной поверхностной магнитостатической волны (ПМСВ) на обменные спиновые волны. Кроме того, для генерации хаотического сигнала с практически непрерывным спектром необходимо, чтобы в полосе частот возбуждения ПМСВ осуществлялась задержка сигнала, проходящего через дисперсионную линию задержки. В таком автогенераторе синхронизация частот автомодуляции спиновых волн сохраняется при изменении коэффициента усиления кольца механическим образом с использованием переменного аттенюатора, что обусловливает изменение скважности генерируемой хаотической импульсной последовательности в широких пределах.To generate chaotic microwave pulses, the magnitude of the external constant magnetic field and magnetization of the MC are selected in such a way that the frequency of the first Bragg resonance of the MC coincides with the natural frequency of the resonator, and at the frequency of the first Bragg resonance of the MC, parametric processes of the first order exist, leading to the decay of the dipole surface magnetostatic wave ( PMSV) to exchanged spin waves. In addition, to generate a chaotic signal with an almost continuous spectrum, it is necessary that in the MSSW excitation frequency band there is a delay of the signal passing through the dispersion delay line. In such a self-oscillator, synchronization of the self-modulation frequencies of spin waves is maintained when the ring gain is changed mechanically using a variable attenuator, which causes a change in the duty cycle of the generated chaotic pulse sequence over a wide range.

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.

Технической проблемой заявляемого изобретения является создание автогенератора хаотических импульсов, позволяющего осуществлять возможность динамического управления скважностью импульсной последовательности.The technical problem of the claimed invention is the creation of a self-generating chaotic pulse, which allows for dynamic control of the duty cycle of the pulse sequence.

Технический результат заключается в обеспечении изменения уровня нелинейных потерь магнитостатической волны (МСВ), распространяющейся в дисперсионной линии задержки с МК, с помощью постоянного электрического тока.The technical result consists in ensuring a change in the level of nonlinear losses of a magnetostatic wave (MSW) propagating in a dispersive delay line with an MC using a direct electric current.

Изменяя локально внутреннее магнитное поле 1D МК за счет приложенного постоянного электрического тока разной полярности, можно управлять скважностью импульсных последовательностей, генерируемых на частоте полосы непропускания 1D МК.By locally changing the internal magnetic field of the 1D MC due to the applied direct electric current of different polarity, it is possible to control the duty cycle of pulse sequences generated at the frequency of the 1D MC stopband.

Для достижения технического результата автогенератор хаотических импульсов, содержащий линейный СВЧ-усилитель, направленный ответвитель, переменный аттенюатор, соединённую с линейным СВЧ-усилителем нелинейную линию задержки с магнонным кристаллом, выполненным в виде ферритовой пленки, на поверхности которой сформирована периодическая структура в виде чередующихся слоев ферритовой пленки разной толщины вдоль направления распространения в пленке поверхностной магнитостатической волны источник внешнего магнитного поля, согласно изобретению, дополнительно содержит нелинейный усилитель, вход которого подключен к выходу линейного усилителя, а выход - к направленному ответвителю, нелинейная линия задержки дополнительно содержит металлический проводник, размещённый на поверхности периодической структуры и подключённый к источнику постоянного тока, при этом нелинейный усилитель выполнен с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности, а линейный усилитель представляет собой многорезонаторную систему, резонансная частота которой настроена на центральную частоту полосы непропускания периодической структуры.To achieve a technical result, a self-oscillator of chaotic pulses containing a linear microwave amplifier, a directional coupler, a variable attenuator, a nonlinear delay line connected to the linear microwave amplifier with a magnon crystal made in the form of a ferrite film, on the surface of which a periodic structure is formed in the form of alternating layers of ferrite films of different thicknesses along the direction of propagation of a surface magnetostatic wave in the film, the source of an external magnetic field, according to the invention , additionally contains a nonlinear amplifier, the input of which is connected to the output of the linear amplifier, and the output is connected to a directional coupler; the nonlinear delay line additionally contains a metal conductor placed on the surface periodic structure and connected to a direct current source, while the nonlinear amplifier is configured to operate in the maximum output power mode, and the linear amplifier is a multi-cavity system, the resonant frequency of which is tuned to the central frequency of the stopband of the periodic structure.

Линейный усилитель может быть выполнен в виде многорезонаторного пролётного клистрона.The linear amplifier can be made in the form of a multicavity span klystron.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:The present invention is illustrated by drawings, where:

- на фиг. 1 показана блок-схема заявляемого автогенератора хаотических СВЧ импульсов;- in fig. 1 shows a block diagram of the proposed self-oscillator of chaotic microwave pulses;

- на фиг. 2 приведено схематическое изображение линии задержки на основе одномерного магнонного кристалла, вдоль продольной оси симметрии которого расположен проводник с током;- in fig. Figure 2 shows a schematic representation of a delay line based on a one-dimensional magnon crystal, along the longitudinal axis of symmetry of which a current-carrying conductor is located;

- на фиг. 3 приведены зависимости коэффициента передачи S21 от частоты f линии задержки на основе одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением (а) и линейного СВЧ-усилителя (б) (резонансного активного элемента);- in fig. Figure 3 shows the dependence of the transmission coefficient S 21 on the frequency f of a delay line based on a one-dimensional magnon crystal with dynamic control (a) and a linear microwave amplifier (b) (a resonant active element);

- на фиг. 4 приведены зависимости коэффициента передачи S21 от мощности сигнала на входе (Р вх) линии задержки на основе одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением, полученные при нескольких значениях постоянного электрического тока I;- in fig. Figure 4 shows the dependence of the transmission coefficient S 21 on the signal power at the input ( Pin ) of the delay line based on a one-dimensional magnon crystal with dynamic control, obtained at several values of direct electric current I;

- на фиг. 5 приведены зависимости мощности на выходе (Р вых) от мощности на входе (Р вх) нелинейного СВЧ-усилителя (a) (нелинейного активного элемента) и резонансного активного элемента (б);- in fig. Figure 5 shows the dependences of the output power ( Pout ) on the input power ( Pin ) of a nonlinear microwave amplifier (a) (nonlinear active element) and a resonant active element ( b);

- на фиг. 6 - приведены временные ряды хаотических СВЧ импульсов, генерируемых в автогенераторе на основе одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением при нескольких значениях постоянного электрического тока I: 0 (а), +320 мА (б) и -200 мА (в).- in fig. 6 - shows the time series of chaotic microwave pulses generated in a self-oscillator based on a one-dimensional magnon crystal with dynamic control at several values of direct electric current I: 0 (a), +320 mA (b) and -200 mA (c).

Позициями на чертежах обозначены:Positions in the drawings indicate:

1 - линейный СВЧ-усилитель (активный резонансный элемент, выполненный с возможностью работы в режиме линейного усиления СВЧ сигнала); 1 - linear microwave amplifier (an active resonant element capable of operating in linear amplification mode of a microwave signal);

2 - нелинейный СВЧ усилитель (активный элемент, выполненный с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности);2 - nonlinear microwave amplifier (an active element capable of operating in maximum output power mode);

3 - направленный ответвитель;3 - directional coupler;

4 - переменный аттенюатор;4 - variable attenuator;

5 - нелинейная линия задержки на основе магнонного кристалла с динамическим управлением; 5 - nonlinear delay line based on a magnon crystal with dynamic control;

6 - металлический экран;6 - metal screen;

7 - поликоровая подложка;7 - polycor substrate;

8 - пленка железо-иттриевого граната с периодической структурой;8 - yttrium iron garnet film with a periodic structure;

9 - металлический проводник;9 - metal conductor;

10 - подложка из гадолиний-галлиевого граната;10 - gadolinium gallium garnet substrate;

11 - входной микрополосковый преобразователь;11 - input microstrip converter;

12 - выходной микрополосковый преобразователь;12 - output microstrip converter;

13 - заземление;13 - grounding;

14 - источник постоянного тока;14 - direct current source;

15 - зависимость коэффициента передачи S21 одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением от входной мощности P вх, измеренная на центральной частоте первой полосы непропускания при значении постоянного электрического тока I=0;15 - dependence of the transmission coefficient S 21 of a one-dimensional magnonic crystal with dynamic control on the input power Pin , measured at the central frequency of the first stopband at a value of direct electric current I = 0;

16 - зависимость коэффициента передачи S21 одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением от входной мощности P вх, измеренная на центральной частоте первой полосы непропускания при значении постоянного электрического тока I= +500 мА;16 - dependence of the transmission coefficient S 21 of a one-dimensional magnonic crystal with dynamic control on the input power Pin , measured at the central frequency of the first stopband at a constant electric current I = +500 mA;

17 - зависимость коэффициента передачи S21 одномерного магнонного кристалла с динамическим управлением от входной мощности P вх, измеренная на центральной частоте первой полосы непропускания при значении постоянного электрического тока I=-500 мА.17 - dependence of the transmission coefficient S 21 of a one-dimensional magnon crystal with dynamic control on the input power Pin , measured at the central frequency of the first stopband at a constant electric current I = -500 mA.

Устройство содержит (см. фиг. 1) последовательно соединённые в кольцо линейный СВЧ усилитель 1, нелинейный СВЧ-усилитель 2, направленный ответвитель 3, переменный аттенюатор 4, нелинейную линию задержки 5 с одномерным магнонным кристаллом (1D), выполненным в виде пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ) 8, выращенную на подложке гадолиний галлиевого граната 10. На поверхности пленки ЖИГ сформирована периодическая структура в виде чередующихся слоев ферритовой пленки разной толщины вдоль направления распространения в пленке ПМСВ. Нелинейная линия задержки 5 содержит металлический проводник 9, размещённый на поверхности периодической структуры и подключённый к источнику постоянного тока 14. Автогенератор содержит входной 11 и выходной 12 микрополосковые преобразователи, которые нанесены на поликоровую подложку 7, экранированную с противоположной стороны с помощью экрана 6.The device contains (see Fig. 1) a linear microwave amplifier 1, a nonlinear microwave amplifier 2, a directional coupler 3, a variable attenuator 4, a nonlinear delay line 5 with a one-dimensional magnon crystal (1D) made in the form of an iron film, connected in series in a ring. yttrium garnet (YIG) 8 grown on a gadolinium gallium garnet 10 substrate. A periodic structure is formed on the surface of the YIG film in the form of alternating layers of ferrite film of different thicknesses along the direction of propagation in the PMSW film. The nonlinear delay line 5 contains a metal conductor 9 placed on the surface of the periodic structure and connected to a direct current source 14. The self-oscillator contains input 11 and output 12 microstrip converters, which are deposited on a polycor substrate 7, shielded on the opposite side using screen 6.

Одномерный (1D) МК с динамическим управлением (см. фиг. 2) изготовлен из пленки ЖИГ толщиной 10 мкм, шириной 4 мм, длиной 10 мм и с намагниченностью насыщения 1750 Гс. На поверхности пленки ЖИГ с использованием методов травления и литографии сформирована периодическая структура в виде столбиков и канавок с периодом 200 мкм. Столбики и канавки имеют одинаковую ширину - 100 мкм. Канавки характеризуются глубиной травления 1 мкм. Длина периодической структуры 4 мм. Для динамического управления 1D МК используется медная проволока диаметром 100 мкм и длиной 4.5 мм, расположенная вдоль продольной оси симметрии 1D МК и подключенная к источнику постоянного тока. Расстояние между медной проволокой и поверхностью пленки ЖИГ - 100 мкм, что позволяет исключить влияние нагрева на распространение МСВ. В зависимости от полярности тока внутреннее магнитное поле 1D МК в области проволочного проводника может, как увеличиваться, так и уменьшаться. Возбуждение и прием ПМСВ, распространяющейся в 1D МК, осуществляется с помощью входного и выходного микрополосковых преобразователей, которые нанесены на поликоровую подложку толщиной 500 мкм, экранированную с противоположной стороны. Каждый из них имеет ширину 30 мкм и длину 6 мм. Расстояние между ними 6 мм. Внешнее постоянное магнитное поле Н 0 прикладывается касательно к поверхности 1D МК и параллельно микрополосковым преобразователям. Выбор напряженности поля Н0=356 Э обусловлен необходимостью создания условий для развития трехволнового параметрического распада ПМСВ в 1D МК, который приводит к хаотизации СВЧ сигнала, генерируемого в кольцевом автогенераторе.A one-dimensional (1D) MC with dynamic control (see Fig. 2) is made of YIG film with a thickness of 10 μm, a width of 4 mm, a length of 10 mm and a saturation magnetization of 1750 Gauss. A periodic structure in the form of columns and grooves with a period of 200 μm is formed on the surface of the YIG film using etching and lithography methods. The pillars and grooves have the same width - 100 µm. The grooves are characterized by an etching depth of 1 µm. The length of the periodic structure is 4 mm. For dynamic control of the 1D MK, a copper wire with a diameter of 100 microns and a length of 4.5 mm is used, located along the longitudinal axis of symmetry of the 1D MK and connected to a direct current source. The distance between the copper wire and the surface of the YIG film is 100 μm, which eliminates the influence of heating on the propagation of MSW. Depending on the polarity of the current, the internal magnetic field of the 1D MK in the area of the wire conductor can either increase or decrease. The excitation and reception of MSSW propagating in a 1D MC is carried out using input and output microstrip converters, which are deposited on a polycor substrate 500 μm thick, shielded on the opposite side. Each of them is 30 µm wide and 6 mm long. The distance between them is 6 mm. An external constant magnetic field H 0 is applied tangentially to the surface of the 1D MK and parallel to the microstrip converters. The choice of field strength H 0 =356 Oe is due to the need to create conditions for the development of three-wave parametric decay of MSSW in a 1D MC, which leads to chaotization of the microwave signal generated in the ring self-oscillator.

Помимо 1D МК с динамическим управлением в цепи обратной связи кольцевого СВЧ автогенератора вводится каскад из двух активных элементов, один из которых является резонансным активным элементом и работает в режиме линейного усиления СВЧ сигнала (линейный усилитель), а другой - в режиме максимальной выходной мощности СВЧ сигнала (нелинейный усилитель). В качестве резонансного активного элемента может быть использован пятирезонаторный пролетный клистрон, а в качестве нелинейного усилителя - транзисторный усилитель. Линейный резонансный усилитель служит для выделения доминантной кольцевой моды и усиления на ней генерируемого хаотического СВЧ сигнала до уровня мощности, при котором нелинейный усилитель работает в режиме максимальной выходной мощности. Нелинейный усилитель ограничивает рост амплитуды хаотического СВЧ сигнала, что приводит к формированию во временной области на огибающей сигнала относительно узких провалов наносекундной длительности, являющихся «темными» импульсами огибающей. Прикладывания постоянного электрического тока разной полярности к проволочному проводнику, находящемуся на поверхности 1D МК, приводит к изменению величины внутреннего магнитного поля в той области пространства 1D МК, которая граничит с проволочным проводником. Это обусловливает частотный сдвиг полосы непропускания МК и, как следствие этого, изменение уровня нелинейных потерь ПМСВ, от которого зависит скважность генерируемых «темных» СВЧ импульсов.In addition to the 1D MK with dynamic control, a cascade of two active elements is introduced into the feedback circuit of the circular microwave oscillator, one of which is a resonant active element and operates in the mode of linear amplification of the microwave signal (linear amplifier), and the other in the mode of maximum output power of the microwave signal (non-linear amplifier). A five-cavity fly-through klystron can be used as a resonant active element, and a transistor amplifier can be used as a nonlinear amplifier. A linear resonant amplifier serves to isolate the dominant ring mode and amplify the generated chaotic microwave signal on it to a power level at which the nonlinear amplifier operates in the maximum output power mode. A nonlinear amplifier limits the growth of the amplitude of a chaotic microwave signal, which leads to the formation of relatively narrow dips of nanosecond duration in the time domain on the signal envelope, which are “dark” pulses of the envelope. Applying a direct electric current of different polarity to a wire conductor located on the surface of a 1D MC leads to a change in the magnitude of the internal magnetic field in that region of 1D MC space that borders the wire conductor. This causes a frequency shift in the MC stopband and, as a consequence, a change in the level of nonlinear losses of MSSW, on which the duty cycle of the generated “dark” microwave pulses depends.

Таким образом, для достижения заявляемого результата необходимо выполнение следующих условий.Thus, to achieve the claimed result, the following conditions must be met.

Направление внешнего постоянного магнитного поля H0 выбирается касательным к поверхности 1D МК и параллельным к входному и выходному микрополосковым преобразователям.The direction of the external constant magnetic field H0 is chosen tangent to the surface of the 1D MK and parallel to the input and output microstrip converters.

Величина внешнего постоянного магнитного поля H0 выбирается таким образом, чтобы для ПМСВ, не граничащей с металлическими экранами, оно определялось какThe magnitude of the external constant magnetic field H 0 is chosen in such a way that for an MSSW not bordering metal screens, it is determined as

Н0< 2πM0,Н 0 < 2πM 0 ,

где M0 - намагниченность 1D МК.where M 0 is the magnetization of the 1D MC.

Уровень мощности СВЧ сигнала на входе 1D МК устанавливается таким, чтобы он превышал пороговый уровень мощности, соответствующий трехволновым нелинейным спин-волновым взаимодействиям на ПМСВ.The power level of the microwave signal at the input of the 1D MC is set so that it exceeds the threshold power level corresponding to three-wave nonlinear spin-wave interactions at the MSSW.

Уровень мощности СВЧ сигнала на входе нелинейного усилителя устанавливается таким, чтобы усилитель работал в режиме максимальной выходной мощности.The power level of the microwave signal at the input of the nonlinear amplifier is set so that the amplifier operates at maximum output power.

На фиг. 3 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) многорезонаторного пролетного клистрона и линии задержки на основе 1D МК с динамическим управлением, измеренные в линейном режиме и в отсутствие постоянного тока в области динамического линейного дефекта. Видно, что АЧХ пролетного клистрона имеет резонансный характер и характеризуется центральной частотой f0=2797 МГц, на которой коэффициент усиления пролетного клистрона является максимальным. На АЧХ линии задержки с 1D МК наблюдается полоса непропускания, которая при выбранном направлении и напряженности внешнего постоянного магнитного поля находится в спектре ПМСВ и совпадает не только с центральной частотой первого брегговского резонанса fб1, но и с частотой пролетного клистрона f0.In fig. Figure 3 shows the amplitude-frequency characteristics (AFC) of a multicavity transit klystron and a delay line based on a 1D MC with dynamic control, measured in linear mode and in the absence of direct current in the region of a dynamic linear defect. It can be seen that the frequency response of the transit klystron is resonant in nature and is characterized by a central frequency f 0 =2797 MHz, at which the gain of the transit klystron is maximum. On the frequency response of the delay line with a 1D MC, a stopband is observed, which, with the selected direction and strength of the external constant magnetic field, is in the MSSW spectrum and coincides not only with the central frequency of the first Bragg resonance f b1 , but also with the frequency of the transit klystron f 0 .

На фиг. 4 приведены зависимости коэффициента передачи линии задержки на основе 1D МК с динамическим управлением от мощности сигнала на ее входе, измеренные при нескольких значениях постоянного электрического тока, прикладываемого к проволочному проводнику. Рассматриваются три случая: 1) ток не прикладывается к проводнику (кривая 15); 2) к проводнику прикладывается ток положительной полярности (кривая 16) и 3) к проводнику прикладывается ток отрицательной полярности (кривая 17). Из представленных на фиг. 4 результатов следует, что в отсутствии постоянного электрического тока зависимость S21(Pвх) содержит как линейный, так и нелинейный участки. Порог, при котором линия задержки на основе 1D МК с динамическим управлением переходит в нелинейный режим работы, наблюдается при входной мощности -15 дБмВт, который соответствует началу трехволнового параметрического распада ПМСВ. Если к проволочному проводнику прикладывается постоянный электрический ток положительной полярности, то это приводит к увеличению как линейного уровня потерь, так и нелинейного порога. Данный факт обусловлен увеличением внутреннего магнитного поля 1D МК в области протекания тока. При токе отрицательной полярности уровень линейных потерь ПМСВ и значение нелинейного порога уменьшаются. Это связано с уменьшением внутреннего магнитного поля 1D МК в области протекания тока. Таким образом, прикладывая к проволочному проводнику постоянный электрический ток разной полярности, можно управлять не только уровнем линейных, но и нелинейных потерь ПМСВ на фиксированной частоте за счет сдвига частоты запрещенной зоны 1D MK. Для выбранных значений полярности тока динамический диапазон изменения линейных потерь составляет величину ~4 дБ, а динамический диапазон изменения пороговой мощности - ~2 дБ. Необходимо отметить, что на частотах, находящихся вдали от запрещенной зоны, постоянный электрический ток не оказывает заметного влияния на уровни линейных и нелинейных потерь ПМСВ.In fig. Figure 4 shows the dependence of the transmission coefficient of a delay line based on a 1D MC with dynamic control on the signal power at its input, measured at several values of direct electric current applied to the wire conductor. Three cases are considered: 1) current is not applied to the conductor (curve 15); 2) a current of positive polarity is applied to the conductor (curve 16) and 3) a current of negative polarity is applied to the conductor (curve 17). From those shown in FIGS. 4 results it follows that in the absence of direct electric current, the dependence S 21 (P in ) contains both linear and nonlinear sections. The threshold at which the delay line based on a 1D MC with dynamic control switches to a nonlinear operating mode is observed at an input power of -15 dBm, which corresponds to the beginning of the three-wave parametric decay of the MSSW. If a direct electric current of positive polarity is applied to a wire conductor, this leads to an increase in both the linear loss level and the nonlinear threshold. This fact is due to an increase in the internal magnetic field of the 1D MC in the area of current flow. With a current of negative polarity, the level of linear losses of the MSSW and the value of the nonlinear threshold decrease. This is due to a decrease in the internal magnetic field of the 1D MC in the area of current flow. Thus, by applying a direct electric current of different polarity to a wire conductor, it is possible to control not only the level of linear, but also nonlinear MSSW losses at a fixed frequency due to the frequency shift of the 1D MK bandgap. For selected values of current polarity, the dynamic range of linear loss changes is ~4 dB, and the dynamic range of threshold power changes is ~2 dB. It should be noted that at frequencies far from the bandgap, direct electric current does not have a noticeable effect on the levels of linear and nonlinear losses of the MSSW.

На фиг. 5а приведена зависимость P вых(P вх) транзисторного усилителя, измеренная на частоте ƒ0. Видно, что его выходная мощность отклоняется на 1 дБ от линейной зависимости (точка компрессии) и начинает насыщаться при P пор2=+5 дБмВт. В кольцевом генераторе транзисторный усилитель работает в режиме насыщения выходной мощности, когда P вх>P пор2 на 5 дБ.In fig. Figure 5a shows the dependence of Pout ( Pin ) of the transistor amplifier, measured at frequency ƒ 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 thor2 =+5 dBmW. In a ring oscillator, the transistor amplifier operates in output power saturation mode when Pin > Ppor2 by 5 dB.

На фиг. 5б приведена зависимость P вых(P вх) пятирезонаторного пролетного клистрона, измеренная на частоте ƒ0. Видно, что его выходная мощность отклоняется на 1 дБ от линейной зависимости (точка компрессии) и начинает насыщаться при P пор3=+16 дБмВт. В кольцевом генераторе выходной усилитель работает в режиме линейного усиления сигнала, когда P вх>>P пор3.In fig. Figure 5b shows the dependence of Pout ( Pin ) of a five-cavity fly-by klystron , measured at frequency ƒ 0 . It can be seen that its output power deviates by 1 dB from the linear dependence (compression point) and begins to saturate at Pthr3 = +16 dBm. In a ring oscillator , the output amplifier operates in linear signal amplification mode when Pin >> Pport3 .

На фиг. 6 приведены результаты, полученные при включении линии задержки на основе 1D МК с динамическим линейным дефектом, а также двух СВЧ усилителей (многорезонаторного пролетного клистрона и транзисторного усилителя) в цепь обратной связи активного кольцевого резонатора. Представленные на фиг. 6 временные ряды измерены при коэффициенте усиления кольца G=K-A=31 дБ (где K - усиление усилительного каскада, состоящего из двух усилителей, A - общий уровень потерь в кольце). В этом случае интегральная мощность сигнала на входе линии задержки на основе 1D МК с динамическим управлением имеет значение Pвх=+3 дБмВт, которое превышает нелинейный порог на 18 дБ, а выходной усилитель каскада (транзисторный усилитель) работает в режиме максимальной выходной мощности.In fig. Figure 6 shows the results obtained by including a delay line based on a 1D MC with a dynamic linear defect, as well as two microwave amplifiers (multi-resonator fly-through klystron and transistor amplifier) in the feedback circuit of an active ring resonator. Shown in FIGS. 6, the time series are measured at the ring gain G=KA=31 dB (where K is the gain of the amplifier stage, consisting of two amplifiers, A is the total loss level in the ring). In this case, the integral signal power at the input of the delay line based on a 1D MC with dynamic control has the value Pin = +3 dBm, which exceeds the nonlinear threshold by 18 dB, and the output amplifier of the stage (transistor amplifier) operates in the maximum output power mode.

Из представленных на фиг. 6а результатов следует, что в отсутствии постоянного тока (I=0) формируется хаотическая последовательность импульсных пакетов длительностью ~0.9 мкс, каждый из которых содержит «провалы» в виде темных импульсов огибающей. У одних «темных» импульсов огибающей амплитуда спадает до нуля, а у других - не спадает строго до нуля. Усредненная на длине реализации частота следования хаотических импульсных пакетов имеет значение ~100 кГц и соответствует частоте автомодуляции параметрически возбуждаемых СВ, рожденных в результате трехволнового распада ПМСВ. Скважность такой импульсной последовательности имеет значение q~11.From those shown in FIGS. 6a results show that in the absence of direct current (I=0), a chaotic sequence of pulse packets with a duration of ~0.9 μs is formed, each of which contains “dips” in the form of dark envelope pulses. For some “dark” pulses the envelope amplitude drops to zero, while for others it does not drop strictly to zero. The repetition rate of chaotic pulse packets, averaged over the implementation length, has a value of ~100 kHz and corresponds to the self-modulation frequency of parametrically excited SWs generated as a result of the three-wave decay of MSSWs. The duty cycle of such a pulse sequence has a value of q~11.

На фиг. 6б и фиг. 6в приведены хаотические импульсные последовательности, полученные при подаче на проволочный проводник постоянного электрического тока разной полярности. Из представленных результатов следует, что при положительной полярности тока частота автомодуляции СВ увеличивается до значения ~250 кГц (скважность уменьшается до q~4), а при отрицательной полярности тока она, наоборот, уменьшается до значения ~13 кГц (скважность увеличивается до q~80).In fig. 6b and fig. Figure 6c shows chaotic pulse sequences obtained when a direct electric current of different polarity is applied to a wire conductor. From the presented results it follows that with a positive current polarity, the SW self-modulation frequency increases to a value of ~250 kHz (the duty cycle decreases to q~4), and with a negative current polarity, on the contrary, it decreases to a value of ~13 kHz (the duty cycle increases to q~80 ).

Таким образом, изменяя локально внутреннее магнитное поле 1D МК за счет приложенного постоянного электрического тока разной полярности, можно управлять скважностью импульсных последовательностей, генерируемых на частоте полосы непропускания 1D МК.Thus, by locally changing the internal magnetic field of the 1D MC due to the applied direct electric current of different polarity, it is possible to control the duty cycle of pulse sequences generated at the frequency of the 1D MC stopband.

Claims (2)

1. Автогенератор хаотических импульсов, содержащий линейный СВЧ-усилитель, направленный ответвитель, переменный аттенюатор, соединённую с линейным СВЧ-усилителем нелинейную линию задержки с магнонным кристаллом, выполненным в виде ферритовой пленки, на поверхности которой сформирована периодическая структура в виде чередующихся слоев ферритовой пленки разной толщины вдоль направления распространения в пленке поверхностной магнитостатической волны, источник внешнего магнитного поля, отличающийся тем, что он дополнительно содержит нелинейный усилитель, вход которого подключен к выходу линейного усилителя, а выход – к направленному ответвителю, нелинейная линия задержки дополнительно содержит металлический проводник, размещённый на поверхности периодической структуры и подключённый к источнику постоянного тока, при этом нелинейный усилитель выполнен с возможностью работы в режиме максимальной выходной мощности, а линейный усилитель представляет собой многорезонаторную систему, резонансная частота которой настроена на центральную частоту полосы непропускания периодической структуры. 1. Autogenerator of chaotic pulses containing a linear microwave amplifier, a directional coupler, a variable attenuator, a nonlinear delay line connected to the linear microwave amplifier with a magnon crystal made in the form of a ferrite film, on the surface of which a periodic structure is formed in the form of alternating layers of ferrite film of different thickness along the direction of propagation of a surface magnetostatic wave in the film, a source of external magnetic field, characterized in that it additionally contains a nonlinear amplifier, the input of which is connected to the output of the linear amplifier, and the output is connected to a directional coupler; the nonlinear delay line additionally contains a metal conductor placed on surface of the periodic structure and connected to a direct current source, while the nonlinear amplifier is configured to operate in the maximum output power mode, and the linear amplifier is a multi-cavity system, the resonant frequency of which is tuned to the central frequency of the stopband of the periodic structure. 2. Автогенератор по п.1, отличающийся тем, что линейный усилитель выполнен в виде многорезонаторного пролётного клистрона. 2. Self-oscillator according to claim 1, characterized in that the linear amplifier is made in the form of a multi-resonator flight klystron.
RU2023104714A 2023-03-02 Self-oscillator of chaotic pulses RU2804927C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2804927C1 true RU2804927C1 (en) 2023-10-09

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6946835B1 (en) * 2002-02-09 2005-09-20 Intematix Corporation Spatially resolved spin resonance detection
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
CN104883161A (en) * 2015-05-05 2015-09-02 顺德职业技术学院 Chaotic pulse width modulation and chaotic impulse position modulation circuit
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
US11243276B2 (en) * 2018-09-06 2022-02-08 The Regents Of The University Of California Magnetometer based on spin wave interferometer

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6946835B1 (en) * 2002-02-09 2005-09-20 Intematix Corporation Spatially resolved spin resonance detection
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
CN104883161A (en) * 2015-05-05 2015-09-02 顺德职业技术学院 Chaotic pulse width modulation and chaotic impulse position modulation circuit
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
US11243276B2 (en) * 2018-09-06 2022-02-08 The Regents Of The University Of California Magnetometer based on spin wave interferometer
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
Adam et al. Frequency selective limiters for high dynamic range microwave receivers
Grishin et al. Self-generation of chaotic dissipative soliton trains in active ring resonator with 1-D magnonic crystal
Grishin et al. Self-generation of chaotic dissipative multisoliton complexes supported by competing nonlinear spin-wave interactions
Grishin et al. Generation of chaotic microwave pulses in ferromagnetic film ring oscillators under external influence
Scott et al. Self-generation of bright microwave magnetic envelope soliton trains in ferrite films through frequency filtering
Fetisov et al. Microwave bistability in a magnetostatic wave interferometer with external feedback
Fetisov et al. Active magnetostatic wave delay line
RU2804927C1 (en) Self-oscillator of chaotic pulses
Kondrashov et al. Self-generation of Möbius solitons and chaotic waveforms in magnonic-optoelectronic oscillators under simultaneous action of optic and magnonic nonlinearities
Wang et al. Permanent magnet-based guided-wave magnetooptic Bragg cell modules
Serga et al. Phase control of nonadiabatic parametric amplification of spin wave packets
Grishin et al. Dissipative soliton oscillator with a nonlinear spin wave transmission line and a signal-to-noise enhancer in the feedback loop
RU2740397C1 (en) Method for generation of chaotic microwave pulses of sub-nanosecond duration
RU2803782C1 (en) Self-oscillator of chaotic pulses
Grishin et al. Wideband chaotic oscillation in a self-oscillatory system with a nonlinear transmission line on magnetostatic waves
Kobljanskyj et al. Effective microwave ferrite convolver using a dielectric resonator
RU135202U1 (en) RING AUTO GENERATOR OF CHAOTIC MICROWAVE PULSES OF DIFFERENT DIFFERENCE BASED ON MAGNETIC CRYSTAL
RU2803456C1 (en) Module for forming a quasi-random signal of microwave frequencies
Kondrashov et al. Influence of the operating regime of the magnonic active ring oscillator on the performance of the magnonic reservoir computer based on it
RU210122U1 (en) SPACE-FREQUENCY FILTER ON MAGNETOSTATIC WAVES
Serga et al. Parametric generation of solitonlike spin-wave pulses in ring resonators based on ferromagnetic films
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
RU2332780C1 (en) Superhigh frequency wide band random signal generator
RU2421876C1 (en) Generation method of chaotic super-high-frequency pulses
RU2809348C1 (en) Magnonic tunable microwave generator