Способ генерации хаотических сверхвысокочастотных импульсов
Владельцы патента RU 2421876:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского" (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в коммуникационных системах связи. Достигаемый технический результат - генерация периодической последовательности хаотических СВЧ-импульсов с управляемой величиной периода их следования. Способ характеризуется тем, что в цепь обратной связи автогенератора хаотических СВЧ-сигналов вводят нелинейный пассивный элемент, обладающий обратной динамической характеристикой, частотно-избирательный элемент и переменные аттенюаторы, автогенератор настраивают на режим генерации хаотического СВЧ-сигнала с уровнем мощности выше порогового уровня нелинейного пассивного элемента, ширину полосы частот частотно-избирательного элемента выбирают так, чтобы уровень подавления спектральных компонент сигнала малого уровня мощности относительно спектральных компонент большого уровня мощности был постоянным во всей полосе, а изменением величины ослабления аттенюаторов регулируют период следования хаотических СВЧ-импульсов. 6 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и передаче информации и может быть использовано в коммуникационных системах связи для передачи информационных сообщений на основе использования хаотических сверхвысокочастотных (СВЧ) сигналов.
Известен способ генерирования электромагнитных шумовых колебаний, основанный на использовании в схеме генератора шума охваченных цепью обратной связи линейного и нелинейного усилителей, представляющих собой лампы бегущей волны и названных так условно в соответствии с тем режимом, в котором они работали: линейный усилитель - в режиме почти линейного усиления, нелинейный усилитель - в существенно нелинейном режиме на падающем участке амплитудной характеристики, т.е. на участке с отрицательной крутизной. Наличие падающего участка на амплитудной характеристике нелинейного усилителя приводит к тому, что генератор превращается в генератор шума, в котором отсутствуют какие-либо дополнительные внешние источники шумового сигнала, а режим генерации электромагнитных шумовых колебаний осуществляется за счет собственной динамики автоколебательной системы (см. А.С. № 1125735, МПК Н03В 29/00).
Известен другой способ генерирования широкополосных СВЧ хаотических сигналов, при котором осуществляют последовательное усиление сигнала по меньшей мере двумя усилительными каскадами, первый из которых работает в режиме малого усиления, а второй - в режиме нелинейного усиления сигналов, ограничивают сигнал после усиления в третьем усилительном каскаде, который работает в режиме ограничения, ответвляют часть сигнала после ограничения в нагрузку, а на первый из усилительных каскадов подают оставшуюся после ответвления часть сигналов. Генератор содержит первый и второй усилительные каскады, каскад ограничения, выполненный в виде третьего усилительного каскада, и микрополосковый ответвитель (см. патент на изобретение РФ № 2327278, МПК Н03В 29/00).
Недостатком указанных выше способов является отсутствие в рассматриваемых устройствах режима генерации хаотических СВЧ-импульсов.
Известен также способ генерации хаотических радиоимпульсов большой мощности для прямохаотических систем связи, включающий введение внешнего СВЧ радиоимпульса в цепь обратной связи СВЧ клистронного автогенератора с запаздывающей обратной связью, автогенератор настраивают на максимум хаотической мощности в автономном режиме, внешний СВЧ радиоимпульс выбирают малой мощности, подбирают его амплитуду и частоту до момента резкого падения хаотической мощности в течение длительности радиоимпульса (см. патент на изобретение РФ № 2349027, МПК H03K 3/84).
Недостатком указанного способа является введение внешнего СВЧ-радиоимпульса для генерации хаотических СВЧ-импульсов.
Задача предлагаемого изобретения заключается в автономной (без внешнего сигнала) генерации периодической последовательности хаотических СВЧ-импульсов с управляемой величиной периода следования импульсов.
Технический результат заключается в подавлении мгновенных значений мощности хаотического СВЧ-сигнала, уровень которых ниже порога нелинейного устройства, обладающего обратной динамической характеристикой, в пропускании этим устройством только пиковых значений мощности хаотического СВЧ-сигнала, уровень которых выше порога, в частотной фильтрации спектральных компонент хаотического СВЧ-сигнала (частот автомодуляции) частотно-избирательным устройством, что приводит к их пассивной синхронизации и к генерации хаотических СВЧ-импульсов, а также в управлении периодом следования хаотических СВЧ-импульсов с помощью изменения мощности сигнала в цепи обратной связи автогенератора.
Поставленная задача решается тем, что в способе генерации хаотических сверхвысокочастотных импульсов, включающем введение в цепь обратной связи автогенератора хаотических сверхвысокочастотных сигналов нелинейного пассивного элемента, обладающего обратной динамической характеристикой, частотно-избирательного элемента и переменных аттенюаторов, согласно решению автогенератор настраивают на режим генерации хаотического сверхвысокочастотного сигнала с уровнем мощности выше порогового уровня нелинейного пассивного элемента, ширину полосы частот частотно-избирательного элемента выбирают так, чтобы уровень подавления спектральных компонент сигнала малого уровня мощности относительно спектральных компонент большого уровня мощности был постоянным во всей полосе, а изменением величины ослабления аттенюаторов регулируют период следования хаотических сверхвысокочастотных импульсов.
Способ может быть реализован на основе кольцевого автогенератора хаоса и нелинейного элемента с обратной динамической характеристикой, имеющего разное конструктивное исполнение. В качестве генератора хаоса в диапазоне СВЧ могут быть использованы кольцевые автогенераторы на основе как вакуумных, так и твердотельных усилителей мощности, в которых хаотизация СВЧ-сигнала осуществляется либо за счет нелинейности активного элемента, либо за счет нелинейности пассивного элемента. В качестве нелинейного элемента с обратной динамической характеристикой в диапазоне СВЧ может быть использована нелинейная линия передачи на магнитостатических волнах или система на ее основе, получившие в литературе название «усилитель отношения сигнал/шум» или «шумоподавитель» (см. патент США № 4283692, МПК Н01Р 1/23; А.С. СССР № 1434515, МПК Н01Р 1/23; патент на полезную модель РФ № 41550, МПК Н01Р 1/23; патент США № 5307516, МПК Н04В 001/26; патент на изобретение РФ № 2281587, МПК Н01Р 1/23). Особенностью нелинейного элемента с обратной динамической характеристикой является подавление спектральных компонент хаотического сигнала, уровень мощности которых ниже порога начала нелинейного режима работы элемента, и пропускание спектральных компонент хаотического сигнала, уровень мощности которых выше порога (Шараевский Ю.П., Гришин B.C., Гурзо В.В., Дерунов А.В., Шахат А.А. Взаимодействие регулярных и шумовых сигналов в нелинейной линии передачи на магнитостатических волнах. // Радиотехника и электроника. 1995. Т. 40, № 7. С.1064-1068).
Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг.1 показана блок-схема кольцевого автогенератора хаоса с шумоподавителем на МСВ, на фиг.2 приведены зависимости выходной мощности (Рвых) от входной мощности (Рвх) нелинейной линии задержки на МСВ и шумоподавителя на МСВ, на фиг.3 - шумоподавители на МСВ различного типа: а) «микрополосковая линия передачи - ферромагнитная пленка»; б) «резонансная линия передачи - ферромагнитная пленка»; на фиг.4 - спектрограммы и временные реализации хаотических СВЧ-сигналов на выходе автономного генератора хаоса на основе транзисторных (твердотельных) усилителей мощности с шумоподавителем на ПМСВ типа «микрополосковая линия передачи - ферромагнитная пленка», на фиг.5 - спектрограммы и временные реализации хаотических СВЧ-импульсов на выходе автономного генератора хаоса на основе клистронных (вакуумных) усилителей мощности с шумоподавителем на ПМСВ типа «микрополосковая линия передачи - ферромагнитная пленка», на фиг.6 - спектрограммы и временные реализации хаотических СВЧ-импульсов на выходе автономного генератора хаоса на основе транзисторных (твердотельных) усилителей мощности с шумоподавителем на обратных объемных МСВ (ООМСВ) типа «резонансная линия передачи - ферромагнитная пленка».
Позициями на чертежах обозначены:
1, 6 - СВЧ-усилители мощности;
2 - частотно-избирательный элемент;
3 - направленный ответвитель;
4, 7 - переменные аттенюаторы;
5 - нелинейная линия задержки на МСВ;
8 - шумоподавитель на МСВ;
9 - динамическая характеристика нелинейной линии задержки на МСВ;
10 - динамическая характеристика шумоподавителя на МСВ;
11 - металлический экран;
12 - поликоровая подложка;
13 - ферритовая пленка;
14 - микрополоска;
15, 16 - входной и выходной микрополосковые элементы связи резонатора с трактом;
17 - микрополосковый резонатор.
Суть способа заключается в том, что в цепь обратной связи кольцевого СВЧ-автогенератора, работающего в режиме автономной генерации хаотического СВЧ-сигнала, вводится дополнительный нелинейный элемент, обладающий обратной динамической характеристикой 10. Подбирая коэффициент усиления кольцевого СВЧ-автогенератора таким, чтобы уровень мощности генерируемого хаотического СВЧ-сигнала был выше порогового уровня нелинейного пассивного элемента с обратной динамической характеристикой 10, осуществляем подавление мгновенных значений мощности хаотического СВЧ-сигнала, уровень которых ниже порога нелинейного устройства, и выделяем только пиковые значения мощности хаотического СВЧ-сигнала, уровень которых выше порога. Это приводит к генерации во временной области хаотических СВЧ-импульсов. Одновременно с этим подбираем ширину полосы частот частотно-избирательного элемента 2 такую, чтобы выделить в частотной области определенное число спектральных компонент, соответствующих частотам автомодуляции хаотического СВЧ-сигнала, для которых отношение «большой сигнал/малый сигнал» является постоянным в данной полосе частот. В этом случае нелинейный фазовый сдвиг, соответствующий пиковым значениям мощности хаотического СВЧ-сигнала, является практически одинаковым для каждого из выделенных пиковых значений. В частотной области это приводит к установлению постоянного фазового сдвига между спектральными компонентами сигнала, частотный интервал между которыми есть величина, обратная периоду следования импульсов. Возникновение во временной области СВЧ-импульсов и периодичность их следования есть результат совместного действия обратной динамической характеристики нелинейного пассивного элемента 10 и частотной фильтрации частотно-избирательного элемента 2, приводящих к пассивной синхронизации фаз спектральных компонент хаотического СВЧ-сигнала. Значение частот автомодуляции зависит от уровня мощности хаотического СВЧ-сигнала, поэтому изменение величины ослабления в цепи обратной связи с помощью аттенюаторов 4, 7 приводит к изменению уровня мощности хаотического СВЧ-сигнала и, как следствие этого, к изменению периода следования хаотических СВЧ-импульсов. Управление периодом следования хаотических СВЧ-импульсов может быть осуществлено в определенных пределах изменения уровня мощности хаотического СВЧ-сигнала, соответствующего границам области синхронизации фаз его спектральных компонент (частот автомодуляции).
Способ был реализован с помощью устройства, изображенного на фиг.1.
Устройство содержит последовательно соединенные СВЧ-усилитель мощности 1, частотно-избирательное устройство 2, направленный ответвитель 3, переменный аттенюатор 4, нелинейную линию задержки на МСВ 5, СВЧ усилитель мощности 6, переменный аттенюатор 7 и шумоподавитель на МСВ 8, соединенный с входом СВЧ усилителя мощности 1.
Для демонстрации генерации периодической последовательности хаотических СВЧ-импульсов в качестве генератора хаоса был выбран кольцевой СВЧ-автогенератор, в цепи обратной связи которого использовалась нелинейная линия задержки на МСВ 9. Хаотическая динамика данного автогенератора обусловлена стохастической автомодуляцией тепловыми спиновыми волнами магнитостатической волны, возбуждаемой на частоте сигнала генерации (Демидов В.Е., Ковшиков Н.Г. Механизм возникновения и стохастизации автомодуляции интенсивных спиновых волн. // ЖТФ. 1999. Т. 69, № 8. С.100-103). Данный механизм хаотизации сигнала связан с параметрическим возбуждением магнитостатической волной тепловых спиновых волн (параметрические процессы первого порядка) и с обратным влиянием последних на МСВ. При этом хаотизация СВЧ-сигнала может наблюдаться с линией задержки как на поверхностной МСВ, так и на объемных МСВ (Гришин С.В., Гришин B.C., Храмов А.Е., Шараевский Ю.П. Генерация широкополосного хаотического сигнала в автоколебательной системе с нелинейной линией передачи на магнитостатических волнах. // ЖТФ. 2008. Т. 78, № 5. С.89-98). Для наиболее часто используемых на практике ферритовых пленок с намагниченностью насыщения ~1760 Гс параметрические процессы первого порядка наблюдаются в диапазоне частот до 4,9 ГГц - в случае возбуждения ПМСВ, до 3,2 ГГц - в случае возбуждения ОМСВ, а при металлизации одной из сторон пленки в диапазоне частот до 9,8 ГГц в случае возбуждения ПМСВ (см. А.В.Вашковский, B.C.Стальмахов, Ю.П.Шараевский «Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот». Изд-во Саратовского университета, 1993). В качестве СВЧ-усилителей мощности 1, 6 в кольцевом автогенераторе использовались как транзисторные, так и клистронные усилители мощности, работающие в малосигнальном режиме и служащие, в основном, для компенсации потерь СВЧ-сигнала в цепи обратной связи. При этом параметры обоих усилителей выбирались таким образом, чтобы рабочая полоса частот усилителей приходилась на диапазон частот существования параметрических процессов первого порядка МСВ в ферритовой пленке 13 и совпадала с полосой частот частотно-избирательного элемента 2 автогенератора, а уровень мощности насыщения каждого из СВЧ-усилителей 1, 6 был выше порога возникновения нелинейного участка на динамических характеристиках линии задержки 9 и шумоподавителя на МСВ 10.
В качестве шумоподавителя на МСВ 8 были выбраны шумоподавители двух типов: 1) шумоподавитель типа «микрополосковая линия передачи - ферромагнитная пленка», содержащий экранированную подложку 11, 12 с нанесенной на нее микрополоской 14, поверх которой наложена ферритовая пленка 13, в которой при определенной ориентации и величине внешнего постоянного магнитного поля возбуждается ПМСВ (фиг.3а); 2) шумоподавитель типа «резонансная линия передачи - ферромагнитная пленка», содержащий ферритовую пленку 13 и микрополосковую линию - экранированную с одной стороны диэлектрическую подложку 11, 12 с нанесенной на ее противоположную сторону микрополоской. Микрополоска выполнена с двумя разрывами по ее длине и образует резонансную систему, состоящую из микрополоскового полуволнового резонатора 17 и двух микрополосковых элементов связи (входного 15 и выходного 16), при этом ферритовая пленка 13 расположена вдоль поперечной оси симметрии микрополоскового резонатора 17. При определенной ориентации и величине внешнего постоянного магнитного поля в ферритовой пленке 13 возбуждается ООМСВ (фиг.3б). В обоих случаях параметры шумоподавителей на МСВ 8 (величина внешнего постоянного магнитного поля, резонансная частота микрополоскового резонатора и др.) выбираются таким образом, чтобы параметрические процессы первого порядка МСВ были разрешены, рабочая полоса частот шумоподавителя 8 совпадала с полосой частот частотно-избирательного элемента 2 автогенератора и уровень подавления спектральных компонент сигнала малого уровня мощности относительно спектральных компонент большого уровня мощности был постоянным во всей полосе.
В качестве частотно-избирательного элемента 2 использовались пассивные либо активные фильтрующие элементы твердотельной либо вакуумной природы.
На фиг.4а, б приведены спектрограммы и временные реализации хаотических СВЧ-импульсов, генерируемых автогенератором с твердотельными усилителями мощности на основе GaAs полевых транзисторов с барьером Шоттки, с частотно-избирательным элементом на основе объемного СВЧ-резонатора и с шумоподавителем на ПМСВ типа «микрополосковая линия передачи - ферромагнитная пленка». С помощью изменения ослабления на аттенюаторах осуществлялось управление периодом следования хаотических СВЧ-импульсов (фиг.4а, б). Так, на фиг.4а период следования хаотических СВЧ-импульсов был равен T>50 мкс, а на фиг.4б в результате уменьшения величины ослабления в кольце T=10.4 мкс. На фиг.4в приведены результаты, демонстрирующие отсутствие генерации периодической последовательности хаотических СВЧ-импульсов в отсутствие в цепи обратной связи СВЧ-автогенератора хаоса шумоподавителя на МСВ. В этом случае генерируется широкополосный хаотический СВЧ-сигнал, однако во временной области не наблюдается периодической последовательности хаотических СВЧ-импульсов.
На фиг.5 приведены спектрограммы и временные реализации хаотических СВЧ-импульсов, генерируемых автогенератором с вакуумными усилителями мощности на основе пятирезонаторных пролетных клистронов, являющимися одновременно частотно-избирательными элементами, и шумоподавителем аналогичного типа. Из представленных результатов следует, что использование в качестве активных элементов усилителей мощности вакуумной природы не приводит к исчезновению эффекта автономной генерации хаотических СВЧ-импульсов, периодом следования которых также можно было управлять с помощью переменных аттенюаторов.
На фиг.6 приведены спектрограммы и временные реализации хаотических СВЧ-импульсов, генерируемых автогенератором с твердотельными усилителями мощности на основе GaAs полевых транзисторов с барьером Шоттки, с частотно-избирательным элементом на основе объемного СВЧ-резонатора и с шумоподавителем на ООМСВ типа «резонансная линия передачи - ферромагнитная пленка». Данный шумоподавитель на ООМСВ работает в более низкочастотном диапазоне, где, однако, параметрические процессы первого порядка ООМСВ разрешены. Из представленных результатов следует, что использование в цепи обратной связи СВЧ-автогенератора хаоса шумоподавителя на МСВ другого типа не приводит к исчезновению эффекта автономной генерации хаотических СВЧ-импульсов, периодом следования которых также можно было управлять с помощью переменных аттенюаторов.
Способ генерации хаотических сверхвысокочастотных импульсов, включающий введение в цепь обратной связи автогенератора хаотических сверхвысокочастотных сигналов нелинейного пассивного элемента, обладающего обратной динамической характеристикой, частотно-избирательного элемента и переменных аттенюаторов, отличающийся тем, что автогенератор настраивают на режим генерации хаотического сверхвысокочастотного сигнала с уровнем мощности выше порогового уровня нелинейного пассивного элемента, ширину полосы частот частотно-избирательного элемента выбирают так, чтобы уровень подавления спектральных компонент сигнала малого уровня мощности относительно спектральных компонент большого уровня мощности был постоянным во всей полосе, а изменением величины ослабления аттенюаторов регулируют период следования хаотических сверхвысокочастотных импульсов.
