История создания СВЧ вакуумных генераторов хаоса. Роль В.Я. Кислова и его группы в этих исследованиях

Рубрика : 6 курс, Рефераты

История создания СВЧ вакуумных генераторов хаоса. Роль В.Я. Кислова и его группы в этих исследованияхОдним из основных направлений развития радиоэлектроники всегда было совершенствование методов и средств генерации электромагнитных колебаний. Первые опыты по передаче сообщений по эфиру проводились на хаотических сигналах, создаваемых искровыми разрядниками. С изобретением электровакуумных ламп приоритетное значение приобрели генераторы синусоидальных монохроматических колебаний. Вся теоретическая и практическая радиотехника строилась на том, что в качестве базового переносчика информации по эфиру использовалась высокочастотная синусоидальная несущая.

В то же время дальнейшее развитие радиоэлектроники, в частности военной радиоэлектроники, потребовало наряду с созданием высокостабильных генераторов разработки источников мощных широкополосных шумов [1]. Одним из достоинств генераторов шума является то, что сигнал их многочастотный.

Такие источники нужны были, прежде всего, для целей радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Создаваемые ими шумовые многочастотные сигналы используются для организации помех радиолокационным станциям, средствам связи, навигации, радиотехнической разведки, устройствам дистанционного управления ракетами, летательными аппаратами, транспортными средствами и пр.

В процессе исследований и разработок в области создания мощных источников шумов приходилось учитывать, что в отличие от синусоидальных колебаний, однозначно описываемых амплитудой, частотой и начальной фазой, шумовые колебания имеют и другие характеристики такие, как спектр, автокорреляционная функция, распределения вероятностей мгновенных значений различной размерности, стационарность, эргодичность и так далее.

Появление нового класса генераторов широкополосных шумовых колебаний вызвано необходимостью применения таких генераторов в различных областях техники, связанных с передачей, обработкой, хранением и защитой информации. Генераторы широкополосных шумов находят применение в качестве средств активного противодействия радиоэлектронным системам (РЭС), работающим со сложными широкополосными сигналам. Важным применением широкополосных шумовых сигналов является противодействие радиотехнической разведке.

Радиолокация и звуковая локация с применением непрерывных, широкополосных шумовых зондирующих сигналов представляются весьма перспективными направлениями развития радиоэлектроники. Весьма перспективной представляется также передача информации с помощью широкополосных шумовых сигналов.

Первые автогенераторы шумоподобных СВЧ-колебаний появились, когда еще не проводилось никаких работ по исследованию хаотических колебаний в динамических системах. К ним, в первую очередь, следует отнести шумовые генераторы, в которых электронный поток движется в скрещенных статических электрическом и магнитном полях (генераторы магнетронного типа) [2]. Bo-многом, начало теоретических исследований нелинейных явлений в сверхвысокочастотных системах было положено созданием нестационарной нелинейной теории лампы обратной волны М-типа. Генерацию хаотических колебаний также можно наблюдать в лампе обратной волны – типа О [3].

Возникновение хаотических автоколебаний в генераторе на основе двухрезонаторного пролетного клистрона КБВ, охваченного внешней обратной связью также подробно изучена в работах [3].

Стохастические автоколебания обнаружены и в электронных системах с открытыми резонаторами — генераторах дифракционного излучения или оротронах [3]. Необходимые условия для стохастической генерации в оротроне были реализованы в устройствах с многократным пролетом электронного потока [4], так называемых отражательных оротронах. Экспериментальные исследования энергетических и частотных характеристик таких генераторов показали, что при определенных значениях угла пролета в поле отражателя и в определенных интервалах рабочего тока оротрон работает в режиме генерации шумового сигнала.

Примерно с начала 60-х годов речь зашла о необходимости создания так называемых прямошумовых генераторов — устройств, в которых шумовой сигнал генерируется не путем внешнего воздействия флуктуацнонных или синтезированных каким-либо другим способом широкополосных шумов, а за счет внутренней сложной динамики генератора.

В основу создания вакуумных СВЧ генераторов шума были положены две фундаментальные идеи – использование в генераторах мощных СВЧ колебаний внешней обратной связи или внутренней электронной обратной связи.

ЛБВ-генератор с внешней запаздывающей обратной связью занимает важное место среди систем с хаотическим поведением. Интерес к изучению хаотической динамики ЛБВ-генератора с запаздывающей обратной связью обусловлен прежде всего тем, что в подобной системе наиболее просто реализуются режимы, в которых генератор ведет себя подобно динамической системе как с большим, так и с малым числом степеней свободы [5].

ЛБВ-генератор с внешней обратной связью по праву может считаться одним из самых «старых» автогенераторов шума. Действующий генератор шума на ЛБВ с петлей обратной связи был впервые предложен в США, его мощность составляла 200 Вт в полосе частот свыше 2 ГГц [6].

Группа сотрудников Института радиотехники и электроники АН СССР под руководством В.Я. Кислова независимо создала СВЧ-генератор шума на ЛБВ (шумотрон) и детально изучила его режимы при изменении параметров внешней обратной связи [7-12].

Разработка шумотрона удачно совпала с постановкой в это время ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание средств электронного противодействия радиотехнической разведке.

Однако ЛБВ–генератор СВЧ сигналов обладает существенным недостатком, связанным с тем, что на цепь обратной связи в этом случае накладываются жёсткие фазовые условия и условия согласования волноводов с прибором. Невозможность чёткого выполнения этих условия во всём диапазоне частот приводит к тому, что амплитуда генерируемого сигнала будет сильно различаться для различных частот, что в свою очередь приводит к сильной изрезанности спектра генерации, особенно в режиме генерации шума.

Отдельным классом генераторов шумового СВЧ сигнала являются плазменные генераторы шума [3]. Возникший в 50-х годах интерес к взаимодействию электронного пучка и плазмы плазме был вызван экспериментальным доказательством в Харьковском и Сухумском физико-технических ининститутах, а также за рубежом, высокой эффективности коллективного взаимодействия электронного пучка с плазмой. Пучок электронов весьма эффективно терял свою энергию (более 30 %) и уже на очень малых расстояниях от места инжекции «застревал» в плазме.

Новым классом приборов релятивистской электроники, использующий для генерации импульсов сверхмощного шумового СВЧ-излучения, являются приборы на виртуальном катоде (ВК), в которых реализована внутренняя электронная обратная связь.

К достоинствам СВЧ-приборов на ВК следует отнести их следующие свойства: простота конструкции, большая выходная мощность, возможность работы без магнитного фокусирующего поля, широкая перестройка частоты генерации, возможность управления прибором внешним сигналом. Последнее является важным условием для применения виркаторов в качестве модулей фазированных антенных решеток [3].

Также генераторы на виртуальном катоде характеризуются компактностью, поскольку преобразование энергии электронного потока в энергию СВЧ-излучения происходит непосредственно в области его формирования, и не накладывают жестких требований на качество электронного пучка, предъявляемых обычно в таких приборах вакуумной СВЧ-электроники как релятивистские ЛБВ, карсинотроны, гиротроны, клистроны, ЛСЭ.

В последнее время привлекают внимание исследователей и низковольтные системы с ВК, формирующимся в тормозящем поле (низковольтные виркаторы) [13]. В этих системах используется сложная динамика ВК в тормозящем поле для генерации широкополосного шумового сигнала в диапазоне сверхвысоких частот.

В настоящее время к вакуумным СВЧ генераторам шума предъявляют все более жесткие требования. К таким требованиям относятся малая неравномерность спектральной характеристики шумового сигнала, высокий уровень выходной мощности, простота конструкции генератора, возможность перестройки режима генерации от монохроматического сигнала до хаотического широкополосного сигнала. Исходя из этих условий, предлагаются новые конструкции генераторов шумовых СВЧ колебаний.

В частности, примером подобных СВЧ генераторов шума, которые совмещают в себе все эти требования, является перестраиваемый генератор широкополосных хаотических СВЧ колебаний на турбулентных пучках (Патент на полезную модель No 94762, 2010).

Главная идея этого генератора в том, что в нем используется турбулентный электронный пучок, который состоит по длине из отдельных сгустков пространственного заряда [14]. Мощность движущегося турбулентного интенсивного электронного пучка преобразуется в радиоизлучение в процессе его торможения.

Вакуумные СВЧ генераторы шумоподобных сигналов, в которых используется турбулентный электронный пучок, обладают целым рядом преимуществ над другими вакуумными генераторами шума. К достоинствам этих приборов необходимо отнести относительную простоту конструкции [14], легкость перестройки ширины полосы и изменения спектра генерируемых колебаний, достаточно высокий уровень выходной мощности.

В настоящее время является актуальной задача изучения состава сигнала, который создают современные генераторы шумовых СВЧ колебаний. А именно важен вопрос, является ли генерируемый сигнал хаотическим или шумовым? Зачастую генераторы шумовых СВЧ колебаний безосновательно называют генераторами хаотических СВЧ колебаний, и, наоборот, о генераторах хаотических СВЧ колебаний говорят как о генераторах шумовых колебаний. Это неправильно, поскольку хаотический и шумовой сигнал разные сигналы по своей структуре. Необходимость анализа хаотических сигналов с целью выделения и прогноза детерминированной составляющей существует. И связана она, прежде всего, с возможностями использования генераторов динамического хаоса как источников помех радиотехническим средствам различного назначения.

Одним из возможных подходов изучения сигнала СВЧ генератора, является энтропия Колмогорова [1]. Это параметр показывает степень хаотичности динамической системы. Величина энтропии Колмогорова определяется как средняя скорость потери информации о системе. По определению энтропия Колмогорова для детерминированного сигнала равна нулю, для «белого» шума – бесконечна.

Существует также и ряд классических подходов для исследования неизвестного хаотического сигнала, которые подробно описаны в работах [1].

И на по следок: работа в москве

Список литературы.

1.       Н. Н. Залогин, В. В. Кислов. Широкополосные хаотические сигналы в радиотехнических и информационных системах. – М.: Радиотехника, 2006.

2.       Arnaud J. Bruit anormal dans les canons electroniques a champs electriques et magnetique croises // Ann. Radioelct. 1964. V. 19, No 75. P. 3.

3.       Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Лекции по сверхвысокочастотной электронике для физиков. Т. 1. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003.

4.       Дорнеенков В.К., Мирошниченко B.C., Цвык А.И., Шестопалов В.П. О возбуждении стохастических колебаний в генераторе дифракционного излучения — лазере на свободных электронах // Доклады АН УССР. Сер. А. 1982. № 5. С. 59.

5.       Кузнецов СП. Сложная динамика генератора с запаздывающей обратной связью // Изв. вузов. Радиофизика. 1982. Т. 25. С. 1410.

6.       Пат. 3178655 (США). Кл. 331-78. High power source employing a feedback path around a travelling wave tube / C.A. Ries, Y.E. Zellers. No 152883; Заявл. 16.11.61; Опубл.

7.       Дихтяр В.Б., Кислов В.Я. Расчет колебаний автогенератора с внешней запаздывающей обратной связью временным методом // Радиотехника и электроника. 1977. Т. 22, № 10. С. 2141.

8.       Кислов В.Я., Млсин Е.А., Залогин Е.Н. Исследование стохастических автоколебательных режимов в автогенераторах с запаздыванием II Радиотехника и электроника. 1979. Т. 24, № 6. С. 1118.

9.       Кислов В.Я., Мясин Е.А., Залогин П.П. О нелинейной стохастизации автоколебаний в электронно-волновом генераторе с задержанной обратной связью // Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25, № 10. С. 2160.

10.  Кислов В.Я. Теоретический анализ щумоподобных колебаний в электронно-волновых системах и автогенераторах с запаздыванием и сильной нелинейностью // Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25, № 8. С. 1683. 638 Лекция 9 B4).

11.  Калинин В.И., Залогин Н.Н., Кислов В.Я. Нелинейный резонанс и стохастичность в автоколебательной системе с запаздыванием // Радиотехника и электроника. 1983. Т. 28, № 10. С. 2001.

12.  Кислов В.Я. Теоретический анализ щумоподобных колебаний в электронно-волновых системах и автогенераторах с запаздыванием II Лекции по электронике GB4 и радиофизике. 5-я зимняя школа-семинар инженеров) Кн. 5. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1981. 78.

13.  Калинин Ю.А., Короновский А.А., Храмов А.Е., Егоров Е.Н., Филатов Р.А.// Физика плазмы. 2005. Т. 31. № 11. с. 1009—1025.

14.  Калинин Ю.А., Стародубов А.В., Волкова Л.Н.,// Письма в ЖТФ., 2010, том 36, вып. 19


Хотите получать материалы на e-mail?