ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИНХРОНИЗАЦИИ АВТОКОЛЕБАНИЙ В ЛАМПЕ ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ

April 21, 2012 by admin Комментировать »

Дмитриев Б. С., Жарков Ю. Д., Короновский А. А., Скороходов В. Н., Храмов А. Е. Саратовский государственный университет Саратов – 410012, Россия Тел.: (8452) 523864; e-mail: aeh@cas.ssu.runnet.ru

Fig. 2. Area boundary of a non-autonomous backward-wave tube (BWT) stationary generation and frequency capture

Исследование явления синхронизации автоколебательных систем различной природы привлекает значительный интерес [1-3]. Однако, влияние внешнего сигнала на процессы, происходящие в автогенераторах, детально изучено только для систем с малым числом степеней свободы. Неавтономные колебания в распределенных активных средах изучены в значительно меньшей степени. Одной из классических распределенных автоколебательных систем является лампа обратной волны (ЛОВ) [4, 5], в которой имеет место генерация СВЧ излучения при взаимодействии электронного потока с синхронной ему обратной ЭМ волной. В работе [6] была экспериментально показана возможность синхронизации ЛОВ внешним сигналом, вводимым по электронному пучку. В работах [7, 8] рассмотрены некоторые особенности синхронизации внешним сигналом гирогенератора со встречной волной в рамках нелинейной нестационарной теории.

Puc. 2. Гоаницы области стационарной генерации и захвата частоты неавтономной ЛОВ (эксперимент (а) и численное моделирование (Ь)).

В представленном докладе экспериментально и теоретически исследуется влияние внешнего гармонического сигнала на автоколебания в распределенной электронно-волновой среде «электронный пучок

–   обратная ЭМ волна».

II.  Основная часть

Экспериментальные исследования влияния внешнего гармонического сигнала на колебания, возбуждаемые при взаимодействии электронного пучка с обратной волной, были проведены на промышленном образце ЛОВ типа ОВ-4, работающей в десятисантиметровом диапазоне. Для осуществления режима синхронизации, внешний сигнал, усиленный с помощью ЛБВ среднего уровня мощности, подавался на вывод энергии ЛОВ через ферритовый циркулятор FC (рис. 1). Падающий сигнал не оказывает влияния на взаимодействие электронного потока с обратной волной. Сигнал, отраженный от локального поглотителя, существенно влияет на выходной сигнал ЛОВ. Отметим, что этот сигнал отделялся от падающей волны ферритовым циркулятором и направлялся на блок измерительных приборов.

Для теоретического анализа влияния внешнего сигнала на колебания в активной среде «электронный пучок – обратная волна» использовалась нестационарная нелинейная теория ЛОВ [4, 5].

На рис. 2 представлены экспериментальная (рис. 2а) и теоретическая (рис. 2Ь) карты режимов колебаний неавтономной ЛОВ на плоскости параметров «частота – мощность внешнего сигнала», построенные при токе пучка /= 1.2/st (/st – пусковое значение тока).

При значительной расстройке частоты Q внешнего сигнала и частоты соо автономной генерации ЛОВ в системе наблюдается режим биений. В этом случае в спектре мощности наблюдается много модуляционных составляющих. При близости частоты внешнего воздействия к частоте автономной генерации ЛОВ демонстрирует режим синхронизации (сплошная линия на рис. 2), в котором частота выходного сигнала определяется частотой внешнего воздействия, а амплитуда выходного сигнала устанавливается постоянной (стационарная генерация). Когда происходит пересечение границы области синхронизации (сплошная линия на рис. 2), то имеет место переход в режим модуляции выходного сигнала ЛОВ. В этом случае амплитуда сигнала начинает периодически изменяться во времени. Однако при этом в системе в определенном диапазоне изменения частоты внешнего воздействия (между сплошной линией и штриховой линией 1) сохранятся режим захвата частоты генерации ЛОВ внешним сигналом. В последнем случае наиболее интенсивная спектральная компонента соответствует частоте Q внешнего воздействия.

Для изучения физических процессов было рассмотрено поведение фазы поля в ЛОВ. На рис. 3 показаны теоретические распределения фазы поля, определяющей частоту колебаний. Как видно из рис. За в асинхронном режиме пространство взаимодействия можно разделить на две области. В первой, примыкающей к коллекторному концу лампы, колебания происходят с частотой внешнего сигнала. Далее в достаточно узкой области пространства взаимодействия происходят резкие изменения фазы поля. Вблизи выхода системы колебания имеют место на частоте со отличной от Q.

Рис. 3. Теоретические распределения фазы ВЧ поля вдоль пространства взаимодействия в режиме асинхронных (а) и синхронных (Ь) колебаний.

Fig. 3. Theoretical distribution of microwave field phase in the interaction space for non-synchronous (a) and synchronous (b) oscillations

В режиме захвата частоты колебания во всем пространстве взаимодействия ЛОВ происходят на частоте внешнего воздействия Q. При этом с течением времени наблюдается регулярная картина изменения фазы поля (рис. ЗЬ), период которой соответствует частоте внешнего воздействия.

III.  Заключение

В работе экспериментально и теоретически исследовано влияние внешнего сигнала на автоколебания в ЛОВ. Рассмотрены характеристики синхронного и асинхронного режима работы, изучены физические процессы в неавтономной активной среде.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (проекты 03-02-16269 и 02-02- 16351), научной программы «Университеты России» и программы поддержки Ведущих научных школ России. Один из авторов (А. Е. Храмов) благодарит Фонд некоммерческих программ «Династия» за финансовую поддержку.

IV.  Список литературы

[1]  Pikovsky A. Synchronization. A Universal Concept in Nonlinear Sciences. Cambridge University Press, 2001.

[2]  Блехман И. И. Синхронизация в природе и технике.

М.: Наука, 1981.

[3] Дмитриев А. С. Динамический хаос: новые носители информации для систем связи. М.: Физматлит, 2002.

[4]  Электроника ламп с обратной волной. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1975.

[5]  Трубецков Д. И., Храмов А. Е. Лекции по СВЧ электронике для физиков. М.: Физматлит, Т. 1, 2003.

[6]  КанавецВ. И. Вестник МГУ. Сер. Ill, 1961, № 2, С. 32.

[7]  Koronovskii A. A., Trubetskov D. /., Hramov А. Е. Radiophysics and Quantum Electron. 2002, V. XLV, pp. 773.

[8]  Trubetskov D. /., Hramov A. E. J. of Commun. Techn. and Electron. 2003, Vol. 48, pp. 116.

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL RESEARCH OF THE SYNCHRONIZATION OF OSCILLATIONS IN THE BACKWARD WAVE OSCILLATOR

Dmitriev B. S., Hramov A. E., KoronovskiT A. A.

Skorokhodov V. N., ZharkovYu. D.

Saratov State University Saratov – 410012, Russia

Tel.: (8452) 523864, e-mail: aeh@cas.ssu.runnet.ru

Abstract – Synchronization of the oscillations in the system «electron-beam with backward electromagnetic wave» (BWO) is investigated theoretically and experimentally. The characteristics of non-autonomous oscillations are examined; physical processes in the distributed auto-oscillation system transiting to synchronization regime are analysed.

I.  Introduction

Recently investigations of the phenomenon of synchronization in self-oscillating systems of different nature attract great attention. However, the problems of the influence of the external signal upon the processes in auto-generators have been explored in detail only for the low-dimensional systems. The non-autonomous oscillations of distributed auto-oscillation systems are much less investigated. One of the classical distributed microwave systems is the backward-wave oscillator. In the present report we discuss the experimental and numerical investigation of the influence of external harmonic signal upon the auto-oscillations in distributed electron-wave medium “electron beam – backward electromagnetic wave”.

II.  Main part

The experimental investigations of the influence of external signal upon the oscillations generated by electron beam interacting with backward electromagnetic wave have been made upon the industrial exemplar of BWO OV-4, working in 10-sm diapason (see Fig. 1). For the theoretical study of the influence of external harmonic signal on the auto-oscillations in distributed active medium “electron beam – backward electromagnetic wave” the equations of non-stationary non-linear BWO theory are taken.

In Fig. 2 the experimental (2a) and numerically derived (2b) regime maps of the non-autonomous BWO on the plane of the control parameters frequency-power of the external signal. For the analysis of physical processes in the synchronized BWO the behaviour of the field amplitude and phase in non- autonomous regime is examined. In Fig. 3 one can see the distribution of the field phase arg F, derived from numerical modeling, which determines the frequency of oscillations in BWO. As it can be seen on the Fig. 3a, in non-synchronous regime the interaction space can be divided into two regions. In the region connecting with the collector edge of the system, we can see that the frequency of the oscillations of the phase is equal to the external signal frequency. In the region near the tube output the frequency of phase oscillations differs from the external signal frequency. In the regime of frequency capture the oscillations frequency is equal to the external signal frequency in the whole interaction space. On the projection of the field phase distribution (Fig. 5b) the regular picture of the phase modulation can be observed, and the period of the modulation is equal to the period of external influence.

III.  Conclusion

In this work the influence of the external harmonic signal upon the auto-oscillations in BWO is investigated theoretically and experimentally. The characteristics of synchronous and non-synchronous regimes of the non-autonomous work of the device are considered. The physical processes in non- autonomous active medium are investigated.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты