Дмитрієв Б. С., Жарков Ю. Д., Куренівський А. А., Скороходов В. Н., Храмов А. Е. Саратовський державний університет Саратов – 410012, Росія 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

Дослідження явища синхронізації автоколивальних систем різної природи привертає значний інтерес [1-3]. Однак, вплив зовнішнього сигналу на процеси, що відбуваються в автогенераторах, детально вивчено тільки для систем з малим числом ступенів свободи. Неавтономні коливання в розподілених активних середовищах вивчені в значно меншому ступені. Однією з класичних розподілених автоколивальних систем є лампа зворотної хвилі (ЛОВ) [4, 5], в якій має місце генерація СВЧ випромінювання при взаємодії електронного потоку з синхронної йому зворотної ЕМ хвилею. В роботі [6] була експериментально показана можливість синхронізації ЛОВ зовнішнім сигналом, що вводиться за електронною пучку. В роботах [7, 8] розглянуті деякі особливості синхронізації зовнішнім сигналом гірогенератора із зустрічною хвилею в рамках нелінійної нестаціонарної теорії.

Puc. 2. Гоаніци області стаціонарної генерації і захоплення частоти неавтономної ЛОВ (експеримент (а) і чисельне моделювання (Ь)).

У представленій доповіді експериментально і теоретично досліджується вплив зовнішнього гармонійного сигналу на автоколивання в розподіленої електронно-хвильової середовищі «електронний пучок

– зворотна ЕМ хвиля ».

II. Основна частина

Експериментальні дослідження впливу зовнішнього гармонійного сигналу на коливання, порушувані при взаємодії електронного пучка з зворотної хвилею, були проведені на промисловому зразку ЛОВ типу ОВ-4, що працює в десятисантиметрові діапазоні. Для здійснення режиму синхронізації, зовнішній сигнал, посилений за допомогою ЛБВ середнього рівня потужності, подавався на висновок енергії ЛОВ через феритове циркулятор FC (рис. 1). Падаючий сигнал не впливає на взаємодію електронного потоку зі зворотним хвилею. Сигнал, відбитий від локального поглинача, істотно впливає на вихідний сигнал ЛОВ. Зазначимо, що цей сигнал відокремлювався від падаючої хвилі феритовим циркуляторов і прямував на блок вимірювальних приладів.

Для теоретичного аналізу впливу зовнішнього сигналу на коливання в активному середовищі «електронний пучок – зворотна хвиля» використовувалася нестаціонарна нелінійна теорія ЛОВ [4, 5].

На рис. 2 представлені експериментальна (рис. 2а) і теоретична (рис. 2Ь) карти режимів коливань неавтономної ЛОВ на площині параметрів «частота – потужність зовнішнього сигналу», побудовані при струмі пучка / = 1.2 /st (/st – пусковий значення струму).

При значній розладі частоти Q зовнішнього сигналу і частоти соо автономної генерації ЛОВ в системі спостерігається режим биття. В цьому випадку в спектрі потужності спостерігається багато модуляційних складових. При близькості частоти зовнішнього впливу до частоти автономної генерації ЛОВ демонструє режим синхронізації (суцільна лінія на рис. 2), в якому частота вихідного сигналу визначається частотою зовнішнього впливу, а амплітуда вихідного сигналу встановлюється постійної (стаціонарна генерація). Коли відбувається перетин кордону області синхронізації (суцільна лінія на рис. 2), то має місце перехід в режим модуляції вихідного сигналу ЛОВ. В цьому випадку амплітуда сигналу починає періодично змінюватися в часі. Однак при цьому в системі в певному діапазоні зміни частоти зовнішнього впливу (Між суцільною лінією і штриховою лінією 1) збережуться режим захоплення частоти генерації ЛОВ зовнішнім сигналом. В останньому випадку найбільш інтенсивна спектральна компонента відповідає частоті Q зовнішнього впливу.

Для вивчення фізичних процесів було розглянуто поведінку фази поля в ЛОВ. На рис. 3 показані теоретичні розподілу фази поля, що визначає частоту коливань. Як видно з рис. За в асинхронному режимі простір взаємодії можна розділити на дві області. У першій, що примикає до колекторному кінця лампи, коливання відбуваються з частотою зовнішнього сигналу. Далі в досить вузькій області простору взаємодії відбуваються різкі зміни фази поля. Поблизу виходу системи коливання мають місце на частоті з відмінною від Q.

Рис. 3. Теоретичні розподілу фази ВЧ поля вздовж простору взаємодії в режимі асинхронних (а) і синхронних (Ь) коливань.

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

У режимі захоплення частоти коливання в усьому просторі взаємодії ЛОВ відбуваються на частоті зовнішнього впливу Q. При цьому з часом спостерігається регулярна картина зміни фази поля (Рис. зь), період якої відповідає частоті зовнішнього впливу.

III. Висновок

У роботі експериментально і теоретично досліджено вплив зовнішнього сигналу на автоколивання в ЛОВ. Розглянуто характеристики синхронного і асинхронного режиму роботи, вивчені фізичні процеси в неавтономної активному середовищі.

Робота виконана за фінансової підтримки гранту РФФМ (проекти 03-02-16269 та 02-02 – 16 351), наукової програми «Університети Росії» і програми підтримки провідних наукових шкіл Росії. Один з авторів (А. Е. Храмов) дякує Фонд некомерційних програм «Династія» за фінансову підтримку.

IV. Список літератури

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

[2] Блехман І. І. Синхронізація в природі і техніці.

М.: Наука, 1981.

[3] Дмитрієв А. С. Динамічний хаос: нові носії інформації для систем зв’язку. М.: Физматлит, 2002.

[4] Електроніка ламп зі зворотним хвилею. Саратов: Изд-во Сарат. ун-ту, 1975.

[5] Трубецкой Д. І., Храмов А. Е. Лекции по НВЧ електроніці для фізиків. М.: Физматлит, Т. 1, 2003.

[6] КанавецВ. І. Вісник 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»