RU59323U1

RU59323U1 - MICROWAVE GENERATOR OF A CHAOTIC BROADBAND SIGNAL ON VIRTUAL CATHODES

Info

Publication number: RU59323U1
Application number: RU2006133002/22U
Authority: RU
Inventors: Роман Андреевич Филатов; Александр Евгеньевич Храмов; Юрий Александрович Калинин
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2006-12-10

Abstract

Полезная модель относится к нерелятивистской электронике сверхвысоких частот (СВЧ), а именно к устройствам для генерирования широкополосных хаотических СВЧ колебаний среднего и малого уровней мощности и может быть использовано в различных системах радиолокации, радиопротиводействия, системах связи на основе хаотических сигналов, установках промышленного применения, а также в устройствах медицинского назначения. Задачей данного технического решения является создание миниатюрного низковольтного источника управляемых широкополосных (с шириной полосы частот более октавы) шумоподобных колебаний малого уровня мощности сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн на основе встречных нерелятивистских электронных пучков в режимах с формированием виртуальных катодов. СВЧ генератор содержит два источника электронов в виде двух термокатодов, ускоряющий анод и электродинамическую систему с выводом энергии, при этом при этом термокатоды расположены с противоположных сторон от ускоряющего анода с возможностью создания встречных электронных потоков, а ускоряющий анод выполнен в виде диафрагмы. Элементы генератора расположены с возможностью формирования виртуальных катодов в пространстве между ускоряющим анодом и термокатодами. Электродинамическая система может быть выполнена в виде двух отрезков электродинамических систем, расположенных между катодами и ускоряющим анодом. В частности электродинамическая система может быть выполнена в виде двух отрезков спиральной замедляющей системы или двух отрезков коаксиальной линии или в виде двух полосковых линий.The utility model relates to non-relativistic electronics of superhigh frequencies (microwave), and in particular to devices for generating broadband chaotic microwave oscillations of medium and low power levels and can be used in various radar systems, radio countermeasures, communication systems based on chaotic signals, industrial applications, and also in medical devices. The objective of this technical solution is to create a miniature low-voltage source of controlled broadband (with a frequency bandwidth of more than an octave) noise-like oscillations of a small power level of the centimeter and millimeter wavelength ranges based on counter nonrelativistic electron beams in modes with the formation of virtual cathodes. The microwave generator contains two electron sources in the form of two thermal cathodes, an accelerating anode and an electrodynamic system with energy output, while the thermal cathodes are located on opposite sides of the accelerating anode with the possibility of creating opposing electron flows, and the accelerating anode is made in the form of a diaphragm. The elements of the generator are arranged to form virtual cathodes in the space between the accelerating anode and thermal cathodes. The electrodynamic system can be made in the form of two segments of electrodynamic systems located between the cathodes and the accelerating anode. In particular, the electrodynamic system can be made in the form of two segments of a spiral retarding system or two segments of a coaxial line or in the form of two strip lines.

Description

Полезная модель относится к нерелятивистской электронике сверхвысоких частот (СВЧ), а именно к устройствам для генерирования широкополосных хаотических СВЧ колебаний среднего и малого уровней мощности и может быть использована в различных системах радиолокации, радиопротиводействия, системах связи на основе хаотических сигналов, установках промышленного применения, а также в устройствах медицинского назначения.The utility model relates to non-relativistic electronics of superhigh frequencies (microwave), namely, devices for generating broadband chaotic microwave oscillations of medium and low power levels and can be used in various radar systems, radio countermeasures, communication systems based on chaotic signals, industrial installations, and also in medical devices.

В СВЧ электронике существует ряд устройств, используемых для генерации хаотических шумоподобных колебаний, так называемые генераторы хаоса (Афанасьев В.В., Трубецков Д.И. Динамический хаос в электронных сверхвысокочастотных приборах. Ч.I. Вакуумные нерелятивистские приборы. Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. - вып.3 (1614). - 1991 - 40 с. - ч.II. Приборы релятивисткой электроники. - вып.4 (1615) - 1991 - 32 с.), ЛБВ-генераторы с запаздывающей обратной связью - шумотроны (Кислов В.Я., Мясин Е.А., Залогин Е.Н. Исследование стохастических автоколебательных режимов в автогенераторах с запаздыванием // Радиотехника и электроника. - 1979. - т.24. - N 6. - с.1118), нерелятивистские приборы с виртуальным катодом (Калинин Ю.А., Короновский А.А., Храмов А.Е., Егоров Е.Н., Филатов Р.А. Экспериментальное и теоретическое исследование хаотических колебательных явлений в нерелятивистском электронном потоке с виртуальным катодом. Физика плазмы. 31, 11 (2005) 1009-1025; Патент на полезную модель РФ N 48672, МПК: H 01 J 25/68) и твердотельные СВЧ генераторы шума (Кальянов Э.В. Синхронные и стохастические автоколебания в транзисторном генераторе СВЧ с запаздывающей обратной связью при параметрическом воздействии внешней силы // Радиотехника и электроника. - 1987. - т.32. - №4. - с.784).In microwave electronics, there are a number of devices used to generate chaotic noise-like oscillations, the so-called chaos generators (Afanasyev VV, Trubetskov DI Dynamic chaos in electronic microwave devices. Part I. Vacuum non-relativistic devices. Reviews on electronic technology. Series 1. Microwave electronics. - issue 3 (1614). - 1991 - 40 s. - part II. Relativistic electronics devices. - issue 4 (1615) - 1991 - 32 s.), TWT-generators with delayed reverse communication - noise carriers (Kislov V.Ya., Myasin EA, Zalogin E.N. Research of stochastic self-oscillations modes in delayed oscillators // Radio engineering and electronics. - 1979. - V. 24. - N 6. - p. 1118), non-relativistic devices with a virtual cathode (Kalinin Yu.A., Koronovskiy AA, Khramov A .E., Egorov EN, Filatov RA Experimental and theoretical study of chaotic vibrational phenomena in a non-relativistic electron beam with a virtual cathode. Plasma Physics. 31, 11 (2005) 1009-1025; Utility Model Patent of the Russian Federation N 48672 , IPC: H 01 J 25/68) and solid-state microwave noise generators (Kalyanov E.V. Synchronous and stochastic self-oscillations in a microwave transistor generator with delayed feedback under the parametric action of an external force // Radio engineering and electronics. - 1987.- t.32. - No. 4. - p. 784).

Однако все эти источники хаотического СВЧ сигнала характеризуются весьма узкой полосой частот хаотических колебаний, которая не превышает 20%, значительными габаритными размерами и высокими напряжениями, которые требуются для питания генераторов. Все это является серьезными недостатками подобных устройств, т.к. в ряде приложений возникает необходимость создания миниатюрных низковольтных источников хаотических колебаний с шириной полосы частот одна-две октавы, в частности, при However, all these sources of chaotic microwave signal are characterized by a very narrow frequency band of chaotic oscillations, which does not exceed 20%, significant overall dimensions and high voltages that are required to power the generators. All this is a serious disadvantage of such devices, because in a number of applications, the need arises to create miniature low-voltage sources of chaotic oscillations with a frequency band of one or two octaves, in particular, when

использовании подобных источников хаотического сигнала в информационно-телекоммуникационных устройствах и системах.the use of such sources of a chaotic signal in information and telecommunication devices and systems.

Одним из решений данной проблемы является создание наборов генераторов узкополосного шумоподобного сигнала, которые настраиваются на различные частотные диапазоны таким образом, чтобы получить необходимую частотную ширину полосы шумоподобного сигнала. Однако такой подход приводит к усложнению конструкции, увеличению ее габаритных размеров, увеличению мощности источников питания и уменьшению надежности устройств. Кроме того, такие схемы невозможно использовать в режимах, когда необходимо управлять спектральным составом излучения.One of the solutions to this problem is to create sets of narrow-band noise-like signal generators that are tuned to different frequency ranges in such a way as to obtain the necessary frequency bandwidth of the noise-like signal. However, this approach leads to a complication of the design, an increase in its overall dimensions, an increase in the power of power sources and a decrease in the reliability of devices. In addition, such schemes cannot be used in modes when it is necessary to control the spectral composition of radiation.

Таким образом, в настоящее время актуальной является разработка малогабаритных низковольтных устройств широкополосных шумоподобных колебаний с характерной полосой частот одна-две октавы и с возможностью управления спектральным составом излучения.Thus, the development of small-sized low-voltage devices of broadband noise-like oscillations with a characteristic frequency band of one or two octaves and with the ability to control the spectral composition of radiation is currently relevant.

Наиболее близким к заявляемому является вакуумный нерелятивистский генератор широкополосных шумоподобных СВЧ колебаний на виртуальном катоде (низковольтный виркатор), в котором в качестве источника аксиально-симметричного нерелятивистского электронного пучка используется электронная пушка, которая включает в себя термокатод, фокусирующий электрод, модулирующую сетку и анод, на который подается ускоряющий потенциал V₀. После электронной пушки электронный пучок с начальным разбросом электронов по скоростям попадает в пространство взаимодействия между входным электродом являющимся одновременно дополнительным электродом-рекуператором, и коллектором-рекуператором. В пространстве взаимодействия размещается отрезок широкополосном электродинамической системы (ОШЭС), применяемый для вывода генерируемого СВЧ сигнала в широком диапазоне частот. ОШЭС нагружен на поглощающую вставку и вывод энергии. Отработанный электронный пучок осаждается на коллекторе-рекуператоре. В промежутке между входным электродом и коллектором, между которыми подается тормозящая электроны разность потенциалов, образуется нестационарный виртуальный катод, колебания которого являются источником хаотического СВЧ сигнала. Такой прибор характеризуется полосой частот одна-две октавы и возможностью управления спектральным составом излучения (Калинин Ю.А., Храмов А.Е., Трубецков Д.И., Егоров Е.Н. СВЧ генератор на виртуальном катоде: Патент на полезную модель N 46884, МПК: H 01 J 25/68).Closest to the claimed one is a vacuum non-relativistic generator of broadband noise-like microwave oscillations on a virtual cathode (low-voltage vircator), in which an electron gun is used as a source of an axially-symmetric non-relativistic electron beam, which includes a thermal cathode, a focusing electrode, a modulating grid and an anode, which accelerating potential V ₀ is supplied. After the electron gun, an electron beam with an initial velocity dispersion of electrons falls into the interaction space between the input electrode, which is also an additional electrode-recuperator, and a collector-recuperator. In the interaction space is located a segment of a broadband electrodynamic system (OSHES), used to output the generated microwave signal in a wide frequency range. OSHES is loaded on an absorbing insert and energy output. The spent electron beam is deposited on the collector-recuperator. In the gap between the input electrode and the collector, between which a potential difference that inhibits the electrons is supplied, an unsteady virtual cathode is formed, the oscillations of which are the source of a chaotic microwave signal. Such a device is characterized by a frequency band of one or two octaves and the ability to control the spectral composition of the radiation (Kalinin Yu.A., Hramov A.E., Trubetskov DI, Egorov E.N. Microwave cathode generator: Patent for utility model N 46884, IPC: H 01 J 25/68).

Однако, для работы нерелятивистского виркатора необходимо использование больших напряжений питания (в пределах 2-20 кВ). Длина такого прибора, включая длину пространства взаимодействия и протяженность электронной пушки, формирующей However, for the operation of a non-relativistic vircator it is necessary to use large supply voltages (within 2-20 kV). The length of such a device, including the length of the interaction space and the length of the electron gun forming

пучок электронов, достаточно велика. Следует так же отметить, что в данном приборе используется источник внешнего фокусирующего электроны магнитного поля, что также значительно увеличивает габаритные размеры устройства.the electron beam is large enough. It should also be noted that this device uses a source of external focusing electrons of the magnetic field, which also significantly increases the overall dimensions of the device.

Задачей данного технического решения является создание миниатюрного низковольтного источника управляемых широкополосных (с шириной полосы частот более октавы) шумоподобных колебаний малого уровня мощности сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн на основе встречных нерелятивистских электронных пучков в режимах с формированием виртуальных катодов.The objective of this technical solution is to create a miniature low-voltage source of controlled broadband (with a frequency bandwidth of more than an octave) noise-like oscillations of a small power level of the centimeter and millimeter wavelength ranges based on counter nonrelativistic electron beams in modes with the formation of virtual cathodes.

Технический результат, заключается в создании СВЧ генератора хаотического широкополосного сигнала на виртуальных катодах, характеризующегося значительно меньшими размерами (миниатюризация) прибора, а также снижением требуемых напряжений питания генератора на виртуальном катоде с одновременной возможностью управления шириной полосы генерируемых хаотических колебаний. В реализованном приборе конструкция такова, что нестационарные виртуальные катоды формируются во встречных нерелятивистских пучках, формируемыми двумя катодами, находящимися в пространстве взаимодействия.The technical result consists in creating a microwave generator of a chaotic broadband signal on virtual cathodes, characterized by significantly smaller dimensions (miniaturization) of the device, as well as reducing the required supply voltage of the generator on the virtual cathode with the simultaneous ability to control the bandwidth of the generated chaotic oscillations. In the implemented device, the design is such that non-stationary virtual cathodes are formed in opposing nonrelativistic beams formed by two cathodes located in the interaction space.

Поставленная задача решается тем, что СВЧ генератор хаотического широкополосного сигнала на виртуальных катодах, содержащий источник электронов в виде термокатода, ускоряющий анод и электродинамическую систему с выводом энергии, согласно техническому решению, дополнительно содержит второй термокатод, расположенный соосно первому с возможностью создания встречных электронных потоков, при этом ускоряющий анод расположен между термокатодами в центральной части и выполнен в виде диафрагмы с возможностью формирования виртуальных катодов в пространстве между ускоряющим анодом и термокатодами. При этом электродинамическая система выполнена в виде двух отрезков электродинамических систем, располагающихся в пространствах между катодами и ускоряющим анодом. При этом электродинамическая система может быть выполнена в виде двух отрезков спиральной замедляющей системы или в виде двух отрезков коаксиальной линии или в виде двух полосковых линий. Выводы энергии на нагрузку выполнены в виде коаксиальной линии передач.The problem is solved in that the microwave generator of a chaotic broadband signal on virtual cathodes, containing an electron source in the form of a thermal cathode, accelerating the anode and an electrodynamic system with energy output, according to the technical solution, additionally contains a second thermal cathode located coaxially with the first one with the possibility of creating opposing electron flows, wherein the accelerating anode is located between the thermal cathodes in the central part and is made in the form of a diaphragm with the possibility of forming virtual cathodes s in the space between the anode and the thermionic accelerating. In this case, the electrodynamic system is made in the form of two segments of electrodynamic systems located in the spaces between the cathodes and the accelerating anode. In this case, the electrodynamic system can be made in the form of two segments of a spiral decelerating system or in the form of two segments of a coaxial line or in the form of two strip lines. The energy outputs to the load are made in the form of a coaxial transmission line.

Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 схематично представлен заявляемый СВЧ генератор. Позициями на чертежах обозначены: 1 - нерелятивистские электронные пучки, 2 - термокатоды, 3 - ускоряющий анод в виде диафрагмы, 4 - отрезки широкополосных электродинамических систем (ОШЭС), 5 - поглощающие вставки на The utility model is illustrated by the drawing, where figure 1 schematically shows the inventive microwave generator. The positions in the drawings indicate: 1 - non-relativistic electron beams, 2 - thermal cathodes, 3 - accelerating anode in the form of a diaphragm, 4 - segments of broadband electrodynamic systems (OSHES), 5 - absorbing inserts on

концах ОШЭС, 6 - выводы энергии, 7 - виртуальные катоды, формирующиеся во встречных электронных пучках.the ends of OSHES, 6 - energy leads, 7 - virtual cathodes formed in colliding electron beams.

Предложенный вакуумный нерелятивистский СВЧ генератор широкополосных хаотических колебаний содержит следующие основные конструктивные элементы (фиг.1). В качестве источников аксиально-симметричных электронных пучков 1 используются источники электронов, которые включают в себя термокатоды 2. Устройство содержит также ускоряющий анод 3, выполненный в виде диафрагмы, два широкополосных отрезка электродинамической системы 4 (ОЭС), применяемые для вывода генерируемой высокочастотной мощности. ОЭС нагружены на поглощающую вставку 5 и вывод энергии 6. При этом термокатоды 2 расположены зеркально симметрично относительно ускоряющего анода 3, а широкополосные отрезки электродинамической системы 4 (ОЭС) расположены в пространстве взаимодействия между катодами и анодом с возможностью формирования виртуальных катодов.The proposed vacuum non-relativistic microwave generator of broadband chaotic oscillations contains the following main structural elements (figure 1). As sources of axially symmetric electron beams 1, electron sources are used, which include thermal cathodes 2. The device also contains an accelerating anode 3, made in the form of a diaphragm, two broadband segments of the electrodynamic system 4 (OES), used to output the generated high-frequency power. OES are loaded onto the absorbing insert 5 and energy output 6. In this case, the thermal cathodes 2 are located mirror symmetrically relative to the accelerating anode 3, and the broadband segments of the electrodynamic system 4 (OES) are located in the interaction space between the cathodes and the anode with the possibility of forming virtual cathodes.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В отверстие диафрагмы инжектируются два встречных электронных пучка 1, формируемых термокатодами 2 и ускоряющим анодом в виде диафрагмы 3 (см. фиг.1), на который подается потенциал больше естественного. Анод увеличивает разброс электронов по продольным и поперечным скоростям, что способствует созданию наиболее эффективного виртуального катода и повышает выходную мощность, расширяя полосу генерируемых частот. При увеличении ускоряющего потенциала анода при некотором критическом значении потенциала в электронном пучке имеет место возникновение виртуальных катодов 7 (см. фиг.1), колебания которых во времени и пространстве модулируют электронный пучок по скорости и плотности, причем часть электронов отражается от виртуального катода обратно к диафрагме. В результате в системе возникают хаотические колебания, ширина полосы и мощность которых зависит от потенциала диафрагмы. Для вывода широкополосного хаотического сигнала используется два ОШЭС 4, которые позволяют снять СВЧ мощность в полосе частот более двух октав. Формирование нестационарных колеблющихся виртуальных катодов в такой двухпотоковой схеме наблюдается при напряжения на порядок меньших, чем в прототипе без использования внешних фокусирующих электроны магнитных полей. Также использование двухпотоковой схемы позволяет значительно уменьшить продольную длину системы за счет формирования виртуальных катодов непосредственно в пространстве источника электронных потоков, исключив из прибора специальное пространство взаимодействия, располагавшееся в прототипе между анодом, входным электродом и коллектором.Two opposing electron beams 1 are injected into the aperture of the diaphragm, formed by thermal cathodes 2 and an accelerating anode in the form of a diaphragm 3 (see Fig. 1), to which the potential is more natural. The anode increases the spread of electrons along the longitudinal and transverse speeds, which contributes to the creation of the most efficient virtual cathode and increases the output power, expanding the band of generated frequencies. With an increase in the accelerating potential of the anode at a certain critical value of the potential in the electron beam, virtual cathodes 7 appear (see Fig. 1), the oscillations of which in time and space modulate the electron beam in speed and density, and some of the electrons are reflected back from the virtual cathode back to aperture. As a result, chaotic oscillations arise in the system, the bandwidth and power of which depends on the potential of the diaphragm. To output a broadband chaotic signal, two OSHES 4 are used, which make it possible to remove microwave power in a frequency band of more than two octaves. The formation of non-stationary oscillating virtual cathodes in such a two-stream circuit is observed at voltages an order of magnitude lower than in the prototype without the use of external focusing electrons of magnetic fields. Also, the use of a two-stream scheme can significantly reduce the longitudinal length of the system due to the formation of virtual cathodes directly in the space of the source of electronic flows, eliminating from the device a special interaction space located in the prototype between the anode, input electrode and collector.

Был изготовлен СВЧ генератор хаотического широкополосного сигнала на виртуальных катодах, который характеризовался следующими параметрамиA microwave generator of a chaotic broadband signal at virtual cathodes was manufactured, which was characterized by the following parameters

Параметры устройстваDevice Parameters ВеличинаValue Длина прибораAppliance length 50 мм50 mm Радиус спиралиSpiral radius 25 мм25 mm Радиус отверстия диафрагмыAperture Radius 15 мм15 mm Радиус катодаCathode radius 5 мм5 mm Потенциал диафрагмыDiaphragm potential 100-2000 В100-2000 V Ток пучкаBeam current 40-700 мА40-700 mA

В заявляемом устройстве реализована возможность управления как мощностью хаотических СВЧ колебаний, так и шириной полосы частот путем изменения ускоряющего потенциала диафрагмы.The claimed device implements the ability to control both the power of chaotic microwave oscillations and the frequency bandwidth by changing the accelerating potential of the diaphragm.

Таким образом, с помощью предложенного генератора существенно снижено напряжение питания прибора, при котором формируется виртуальный катод, уменьшены габаритные размеры прибора, при этом получено широкополосное шумоподобное СВЧ излучение с шириной полосы более октавы.Thus, using the proposed generator, the supply voltage of the device, at which a virtual cathode is formed, is significantly reduced, the overall dimensions of the device are reduced, and a broadband noise-like microwave radiation with a bandwidth of more than an octave is obtained.

Claims

1. The microwave generator of a chaotic broadband signal on virtual cathodes, containing an electron source in the form of a thermal cathode, accelerating the anode and an electrodynamic system with energy output, characterized in that it further comprises a second thermal cathode, while the accelerating anode is located between the thermal cathodes in the central part and is made in in the form of a diaphragm providing the possibility of forming virtual cathodes in the space between the accelerating anode and thermal cathodes.

2. The microwave generator according to claim 1, characterized in that the electrodynamic system is made in the form of two segments of electrodynamic systems located between the cathodes and the accelerating anode.

3. The microwave generator according to claim 2, characterized in that each segment of the electrodynamic system is a segment of a spiral moderator.

4. The microwave generator according to claim 2, characterized in that each segment of the electrodynamic system is a segment of a coaxial line.

5. The microwave generator according to claim 2, characterized in that each segment of the electrodynamic system is made in the form of a strip line.