RU2833906C1 - Устройство генерации стабилизированной последовательности коррелированных импульсов в СВЧ диапазоне - Google Patents
Устройство генерации стабилизированной последовательности коррелированных импульсов в СВЧ диапазоне Download PDFInfo
- Publication number
- RU2833906C1 RU2833906C1 RU2024114376A RU2024114376A RU2833906C1 RU 2833906 C1 RU2833906 C1 RU 2833906C1 RU 2024114376 A RU2024114376 A RU 2024114376A RU 2024114376 A RU2024114376 A RU 2024114376A RU 2833906 C1 RU2833906 C1 RU 2833906C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- twt
- sequence
- resonator
- frequency
- output
- Prior art date
Links
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 claims abstract description 10
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 5
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 4
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000000368 destabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для генерации высоко стабильной последовательности коррелированных импульсов. Технический результат – обеспечение генерации стабилизированной последовательности коррелированных импульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей в СВЧ диапазоне. Такой результат достигается за счет того, что в цепи обратной связи после регулируемого аттенюатора установлен полосовой фильтр, настроенный на выделение полосы частот – расстояние между соседними модами в спектре генерируемой последовательности импульсов, а к выходу основного плеча направленного ответвителя посредством согласующей волноводной линии подключен резонаторный блок, состоящий из N высокодобротных объемных резонаторов, причем частота каждого i-го объемного резонатора f0i настроена на частоту соответствующей моды fi из спектра генерируемой последовательности импульсов , ненагруженная добротность каждого i-го объемного резонатора Qi превышает ненагруженную добротность схемы генератора без резонаторного блока Q0, а фазовый сдвиг между выходом ЛБВ и конкретным i-м объемным резонатором подобран из условия баланса фаз . 2 ил.
Description
Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано для генерации высоко стабильной последовательности коррелированных импульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей.
Известно «Устройство формирования мощных импульсных СВЧ-сигналов» (патент ИМ RU 110885, МПК Н03К 5/04, публ. 27.11.2011 г.), состоящее из автогенератора, устройства временной компрессии, сканирующей фазированной антенной решетки с N элементами и зонированного зеркала. Устройство временной компрессии, вход которого соединен с выходом автогенератора, формирует на своем выходе короткие СВЧ импульсы мощностью до Р=МРГ где М - коэффициент усиления по мощности устройства временной компрессии, РГ мощность автогенератора. Заявлено, что при мощности автогенератора 1 МВт, коэффициенте усиления мощности устройства временной компрессии в районе 100 длительность радиоимпульса на выходе устройства при уровне мощности равной 100 МВт составляет 125 нс. Недостатком данного типа устройств, содержащих устройства временной компрессии, выступающие в качестве накопителей электромагнитной энергии, является трудность осуществления быстрого переключения из режима накачки энергии в резонатор в режим вывода накопленной энергии в полезную нагрузку. Вывод энергии должен осуществляться за промежуток времени меньший, чем постоянная времени резонаторного накопителя, иначе большая часть накопленной энергии будет рассеиваться в его стенках. Это принципиальное ограничение не позволяет реализовать генератор последовательности коротких импульсов с малыми значением скважности.
Известен способ генерации последовательности ультракоротких импульсов с наносекундным периодом следования на основе релятивистской лампы обратной волны (РЛОВ) в режиме сверхизлучения (Тотьменнинов Е.М. и др. «Экспериментальная реализация способа генерации последовательности ультракоротких гигаваттных импульсов черенковского сверхизлучения с наносекундным периодом следования». Письма в ЖЭТФ, 2022, том 115, вып. 8, С. 479-483). Принцип работы РЛОВ в режиме сверхизлучения основан на накопительном отборе энергии у электронов ультракоротким электромагнитным импульсом, распространяющимся навстречу электронному потоку. Наличие цепи обратной связи, реализованной в РЛОВ при помощи волновых отражателей на краях области электронно-волнового взаимодействия, приводит к тому, что каждый сформировавшийся ультракороткий импульс вызывает зарождение следующего импульса. Экспериментально продемонстрировано получение нескольких периодов импульсов СВЧ колебаний с 10 ГГц частотным заполнением с длительностью периода в 5,9 нс при длительности одного импульса по полувысоте около 0,8 нс. Пиковая мощность импульсов составляла от 0,8 до 1,3 ГВт. Достоинством данного способа генерации является возможность получения большой пиковой мощности в каждом импульсе из последовательности, которая даже может превышать мощность электронного пучка, однако реализация указанного способа требует использования сильноточных импульсных генераторов, представляющих собой высоковольтные стационарные установки на базе ускорителей электронов.
Известен генератор коррелированной последовательности наносекундных импульсов на основе гиро-ЛБВ (лампы бегущей волны) сантиметрового диапазона длин волн в режиме самосинхронизации мод (Rozental R.M. et al. «Self-Mode-Locking Regime in a K-Band Gyro-TWT With External Reflections)). IEEE Electron Device Letters, vol. 44, no. 1, pp. 140-143, 2023), являющийся аналогом к указанному изобретению. Для получения стационарной генерации в гиро-ЛБВ введена внешняя обратная связь, реализованная на двух диэлектрических пластинах толщинами 2,21 и 1,82 мм, применяемых в качестве полупрозрачных отражателей в указанном диапазоне длин волн. В режиме самосинхронизации мод сигнал на выходе генератора имеет эквидистантный спектр, число гармонических составляющих которого определяется выбранным рабочим режимом гиро-ЛБВ, где начинает проявляться устойчивая стационарная генерация последовательности наносекундных импульсов. Достоинством рассмотренного генератора импульсов на основе гиро-ЛБВ является относительная простота реализации режима самосинхронизации мод, высокая степень корреляции генерируемых импульсов при малых значениях скважности. Тем не менее, без создания дополнительных мер по стабилизации, данная схема сильно подвержена влиянию дестабилизирующих факторов, основным из которых является нестабильность параметров высоковольтного источника питания гиро-ЛБВ, приводящая к нестабильности частот возбуждаемых мод и срыву самосинхронизации.
Известен способ стабилизации частоты автогенератора при помощи сверхпроводящего металлического объемного резонатора (AC SU 139343 «Способ стабилизации частоты», МПК Н03В 15/00, публ. 1961 г.). Сигнал автогенератора, реализованного на ЛБВ, пройдя через развязывающий ферритовый вентиль, поступает на резонатор, откуда по цепи обратной связи, содержащей аттенюатор для подбора амплитуды сигнала обратной связи и фазовращатель, дающий возможность подобрать фазу сигнала в цепи обратной связи, удовлетворяющую условию самовозбуждения, снова поступает на вход той же ЛЕВ. Частота генерируемого сигнала определяется настройкой резонатора и может быть выбрана произвольной в диапазоне эффективной работы ЛБВ. Стабильность частоты генератора при использовании описанного способа может достигать порядка 10-9. Существенным недостатком данного способа является необходимость использования криорефрижераторных установок для охлаждения сверхпроводящего резонатора до температур ниже уровня жидкого гелия. Схема устройства, реализующая заявленный способ, является аналогом к указанному изобретению.
Известен способ стабилизации частоты магнетрона с помощью высокодобротного резонатора СВЧ (Грановская Р. А., Телятникова Л.И. «Магнетронные генераторы и импульсные модуляторы: Учебное пособие». М.: МАИ, 1985, 52 с.). Фиксирующая способность системы стабилизации частоты магнетрона определяется величиной нагруженной добротности его анодного блока Q и связана с контурным коэффициентом полезного действия (КПД) этого же блока следующим соотношением:
где Q0 - ненагруженная добротность анодного блока.
С целью повышения стабильности частоты без потери КПД необходимо одновременно увеличивать ненагруженную добротность Q0 и нагруженную добротность Q генератора, что осуществляется введением в цепь магнетрона дополнительного резонатора, настроенного на рабочую частоту генерируемого сигнала, обладающего большой ненагруженной добротностью:
где Wнак - энергия, накопленная в резонаторе на резонансной частоте,
Wpac - энергия, рассеиваемая за период на резонансной частоте.
Фиксирующая способность системы стабилизации повышается при соблюдении условия Указанная реализация способа стабилизации частоты магнетрона с помощью дополнительного высокодобротного резонатора является аналогом предлагаемого изобретения.
Известен способ генерации периодической последовательности коррелированных импульсов на основе самосинхронизации мод в спиральной ЛБВ (Сидоров Д.А. и др. «Экспериментальное наблюдение режимов самосинхронизации мод в спиральной ЛБВ с запаздывающей обратной связью». Электронная техника. Сер. I. СВЧ-техника, 2022, Вып. 3(554), С. 55-63). Указанный способ был реализован на основе макета спиральной ЛБВ типа «О» С-диапазона, где для получения режима самосинхронизации мод часть выходного сигнала через регулируемый аттенюатор подавалась на вход ЛБВ, и по мере увеличения глубины положительной обратной связи в системе последовательно происходило самовозбуждение и переход к режимам периодической автомодуляции, где производилась генерация последовательности коротких импульсов длительностью 2,5 нс по полувысоте, что соответствует ширине спектра в 400 МГц по уровню -3 дБ. Однако приведенное значение ширины спектра было получено только после применения цифровой фильтрации зарегистрированного сигнала, в то время как реальный сигнал на выходе ЛБВ в режиме самосинхронизации мод имел ширину спектра в 1,5 ГГц и содержал область паразитных низкочастотных гармонических составляющих, мощность которых может даже превосходить мощность гармонических составляющих полезного сигнала. Следует добавить, что описанная реализация указанного способа имеет схожие недостатки в виде нестабильности параметров высоковольтного источника питания, что и генератор последовательности импульсов на основе гиро-ЛБВ, приводящие к нестабильности частот возбуждаемых мод и срыву самосинхронизации. Устройство на основе макета спиральной ЛБВ типа «О» С-диапазона с положительной обратной связью, реализующее способ генерации периодической последовательности коррелированных импульсов на основе самосинхронизации мод, выбрано в качестве прототипа заявленного изобретения.
Перечисленные выше аналоги и прототип обладают рядом признаков, совокупность которых необходима, но недостаточна для обеспечения генерации высокостабильной последовательности коррелированных СВЧ импульсов наносекундной и субнаносекунд ной длительностей в течение продолжительного времени, в пределе ограниченного только надежностью узлов схемы. Однако внедрение перед нагрузкой дополнительной стабилизирующей цепи с высокодобротными колебательными системами, имеющими сильную электродинамической связь с автогенератором, позволит исключить нарушение баланса фаз, и повысить стабильность генерации возбуждаемых мод в спектре периодической последовательности коррелированных СВЧ импульсов.
Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является генерация стабилизированной последовательности коррелированных импульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей в СВЧ диапазоне.
Технический результат достигается тем, что устройство генерации последовательности коррелированных импульсов в СВЧ диапазоне, также как и устройство-прототип, включает ЛБВ СВЧ диапазона, на выходе которой установлен направленный ответвитель, вторичное плечо которого через регулируемый аттенюатор подключено к входу ЛБВ. При этом ослабление регулируемого аттенюатора, определяющего глубину обратной связи, установлено таким, чтобы обеспечивался режим самосинхронизации N мод в ЛБВ. Новым является то, что в цепи обратной связи перед входом ЛБВ после регулируемого аттенюатора установлен полосовой фильтр, настроенный на выделение полосы частот ΔF=NΔf, где Δf - расстояние между соседними модами в спектре генерируемой последовательности импульсов, а к выходу основного плеча направленного ответвителя посредством согласующей волноводной линии, состоящей из последовательно включенных N волноводных тройников, подключен резонаторный блок, состоящий из N высокодобротных объемных резонаторов. Причем частота каждого i-го объемного резонатора настроена на частоту соответствующей моды f i из спектра генерируемой последовательности импульсов ΔF, ненагруженная добротность каждого i-го объемного резонатора Qi превышает ненагруженную добротность схемы генератора без резонаторного блока Q0, а фазовый сдвиг между выходом ЛБВ и конкретным i-м объемным резонатором подобран из условия баланса фаз ϕi=miπ, где m1=1, 2, …
Разработанное устройство генерации стабилизированной последовательности коррелированных импульсов в СВЧ диапазоне поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 показана блок-схема устройства генерации стабилизированной последовательности коррелированных импульсов в СВЧ диапазоне.
На фиг. 2 показана характерная зависимость нормированной мощности P(t) на выходе генератора коррелированной последовательности коротких СВЧ импульсов от времени t.
Устройство генерации стабилизированной последовательности коррелированных импульсов в СВЧ диапазоне состоит из лампы бегущей волны 1, на выходе которой установлен направленный ответвитель 2, вторичное плечо которого через регулируемый аттенюатор 3 и полосовой фильтр 4 подключено к входу ЛБВ 1, к выходу основного плеча направленного ответвителя 2 через соответствующее количество волноводных тройников из волноводной согласующей линии 5 подключен резонаторный блок 6, состоящий из N высокодобротных объемных резонаторов.
Путем подстройки величины ослабления регулируемого аттенюатора 3 устанавливают глубину обратной связи, приводящую к генерации последовательности коррелированных коротких импульсов в режиме самосинхронизации мод.
Длительность т генерируемого импульса определяется по уровню половинной мощности его огибающей (фиг. 2) как:
где Δf- расстояние между соседними модами в спектре генерируемой последовательности импульсов ΔF,
N - количество синхронизируемых мод в спектре генерируемой последовательности импульсов ΔF.
Период следования Т импульсов (фиг. 2) определяется как:
Полосу пропускания полосового фильтра 4 настраивают на выделение спектра генерируемой последовательности импульсов ΔF.
Сигнал стабилизируется за счет резонаторного блока 6. Резонансная частота f 0i каждого объемного резонатора настроена на частоту соответствующей моды f i из спектра генерируемой последовательности импульсов ΔF, где при n=1, 2, … Таким образом, количество объемных резонаторов Npeз выбирается исходя из ширины спектра частот выходного сигнала и равно количеству синхронизируемых мод:
Фазовый сдвиг между выходом ЛБВ и конкретным i-м объемным резонатором определяется геометрическим расстоянием от выхода ЛБВ щели связи и подбирается из условия баланса фаз: где mi=1, 2, …
Стабилизация выполняется при условии, что ненагруженная добротность каждого резонатора
где Wi нак - энергия, накопленная в i-м объемном резонаторе на резонансной частоте.
Wi pac - энергия, рассеиваемая за период, в i-м объемном резонаторе на резонансной частоте f0i, превышает ненагруженную добротность генератора Q0 без резонаторного блока.
Таким образом, разработанное устройство благодаря использованию полосового фильтра и набору объемных резонаторов, последовательно включенных посредством согласующей волноводной линии перед полезной нагрузкой, позволяет генерировать стабилизированную последовательность коррелированных импульсов наносекундной и субнаносекундной длительностей в СВЧ диапазоне.
Claims (1)
- Устройство генерации последовательности коррелированных импульсов в СВЧ диапазоне, включающее ЛБВ СВЧ диапазона, на выходе которой установлен направленный ответвитель, вторичное плечо которого через регулируемый аттенюатор подключено к входу ЛБВ, а ослабление регулируемого аттенюатора, определяющего глубину обратной связи, установлено таким, чтобы обеспечивался режим самосинхронизации N мод в ЛБВ, отличающееся тем, что в цепи обратной связи перед входом ЛБВ после регулируемого аттенюатора установлен полосовой фильтр, настроенный на выделение полосы частот – расстояние между соседними модами в спектре генерируемой последовательности импульсов, а к выходу основного плеча направленного ответвителя посредством согласующей волноводной линии, состоящей из последовательно включенных N волноводных тройников, подключен резонаторный блок, состоящий из N высокодобротных объемных резонаторов, причем частота каждого i-го объемного резонатора f0i настроена на частоту соответствующей моды fi из спектра генерируемой последовательности импульсов , ненагруженная добротность каждого i-го объемного резонатора Qi превышает ненагруженную добротность схемы генератора без резонаторного блока Q0, а фазовый сдвиг между выходом ЛБВ и конкретным i-м объемным резонатором подобран из условия баланса фаз
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2833906C1 true RU2833906C1 (ru) | 2025-01-30 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2118041C1 (ru) * | 1994-09-20 | 1998-08-20 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Устройство для получения мощных ультракоротких свч импульсов |
| US6768266B2 (en) * | 1999-12-30 | 2004-07-27 | Thales Electron Devices S.A. | Microwave pulse generator incorporating a pulse compressor |
| RU2421876C1 (ru) * | 2010-02-10 | 2011-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Способ генерации хаотических сверхвысокочастотных импульсов |
| CN109150118A (zh) * | 2018-08-30 | 2019-01-04 | 电子科技大学 | 一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器 |
| RU2717337C1 (ru) * | 2019-09-06 | 2020-03-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Плазмаинформ" | Устройство питания лампы бегущей волны |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2118041C1 (ru) * | 1994-09-20 | 1998-08-20 | Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете | Устройство для получения мощных ультракоротких свч импульсов |
| US6768266B2 (en) * | 1999-12-30 | 2004-07-27 | Thales Electron Devices S.A. | Microwave pulse generator incorporating a pulse compressor |
| RU2421876C1 (ru) * | 2010-02-10 | 2011-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" | Способ генерации хаотических сверхвысокочастотных импульсов |
| CN109150118A (zh) * | 2018-08-30 | 2019-01-04 | 电子科技大学 | 一种用于行波管功率放大器预失真的线性化器 |
| RU2717337C1 (ru) * | 2019-09-06 | 2020-03-23 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Плазмаинформ" | Устройство питания лампы бегущей волны |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| R.M. Rozental, S.V. Samsonov, A.A. Bogdashov, I.G. Gachev, A.A. Ivanov, M.V. Kamenskiy "Self-mode-locking regime in a K-band gyro-TWT with external reflections", 2022 г. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Cutler | The regenerative pulse generator | |
| Samsonov et al. | Compression of Frequency-Modulated Pulses using Helically Corrugated Waveguides<? format?> and Its Potential for Generating Multigigawatt rf Radiation | |
| Jiang et al. | Demonstration of a cavity-based pulse compression system for pulse shape correction | |
| McCurdy et al. | Improved oscillator phase locking by use of a modulated electron beam in a gyrotron | |
| US5148129A (en) | Microwave pulse compression from a storage cavity with laser-induced switching | |
| RU2833906C1 (ru) | Устройство генерации стабилизированной последовательности коррелированных импульсов в СВЧ диапазоне | |
| US3919666A (en) | Solid state microwave cavity oscillator operating below cavity cutoff frequency | |
| RU2118041C1 (ru) | Устройство для получения мощных ультракоротких свч импульсов | |
| Churyumov et al. | A magnetron with two RF energy outputs for advanced radar systems | |
| US2591696A (en) | High-frequency electron tube structure | |
| McCurdy et al. | Operation and theory of a driven single-mode electron cyclotron maser | |
| Petelin et al. | High-power microwave pulse compressors: passive, active, and combined | |
| RU2833320C1 (ru) | Генератор коррелированной последовательности коротких СВЧ-импульсов | |
| RU2014661C1 (ru) | Ламповый генератор-формирователь наносекундных радиоимпульсов | |
| US2487800A (en) | Frequency multiplier and stabilization cavity resonator apparatus | |
| US3571750A (en) | Negative resistance avalanche diode oscillator circuits | |
| Yuan et al. | Microwave Switch in a Circular Waveguide with Gas Microwave Discharge in a High-power Microwave Pulse Compression System For a Solar Space | |
| RU2843970C1 (ru) | Генератор периодической последовательности мощных СВЧ-импульсов | |
| Vikharev et al. | Multipactor discharge in crossed fields in a cylindrical cavity for the 3-cm wavelength band | |
| EA052059B1 (ru) | Генератор коррелированной последовательности коротких свч импульсов | |
| RU2486641C1 (ru) | Способ формирования субнаносекундных свч импульсов и устройство для его осуществления | |
| Gilden et al. | The mode-locked SAW oscillator | |
| Shee et al. | Parametric analysis of reltron modulation cavity and Q-factor calculation from S-parameter | |
| Jerby et al. | Cyclotron resonance maser experiment in a nondispersive waveguide | |
| Ruetz | Resonant circuit oscillations in travelling-wave tubes |