Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)

Для цитирования:

Розенталь Р. М., Исаева О. Б., Гинзбург Н. С., Зотова И. В., Сергеев А. С., Рожнев А. Г., Тараканов В. П. Автомодуляционные и хаотические режимы генерации в двухрезонаторном гироклистроне с запаздывающей обратной связью // Известия вузов. ПНД. 2018. Т. 26, вып. 3. С. 78-98. DOI: 10.18500/0869-6632-2018-26-3-78-98

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF 79-99.pdf
(загрузок: 183)
Полный текст в формате PDF(En):
Иконка PDF rozental_engl.pdf
(загрузок: 142)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Новое в прикладной физике
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
621.385.69
DOI: 
10.18500/0869-6632-2018-26-3-78-98

Автомодуляционные и хаотические режимы генерации в двухрезонаторном гироклистроне с запаздывающей обратной связью

Авторы: 
Розенталь Роман Маркович, Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)
Исаева Ольга Борисовна, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Гинзбург Наум Самуилович, Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)
Зотова Ирина Валерьевна, Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)
Сергеев Александр Сергеевич, Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)
Рожнев Андрей Георгиевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Тараканов Владимир Павлович, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ)
Аннотация: 

Тема и цель исследования. Исследована динамика двухрезонаторного гироклистрона диапазона 93 ГГц с запаздывающей обратной связью. Проведен сравнительный анализ динамических режимов, получаемых в численном эксперименте как на основе усредненных уравнений, так и в рамках моделирования методом «крупных частиц» с помощью программного комплекса KARAT. Методы. Для выявления динамических свойств, полученных при моделировании режимов, применен спектр статистических методов теории хаоса: расчет фрактальных размерностей, показателей Ляпунова и др. Для нахождения ляпуновских показателей использован способ оценки их по временным рядам. Этот способ крайне удобен, так как требует лишь одной скалярной временной реализации в фиксированной точке пространственно распределенной системы, например, для амплитуды выходного излучения. Кроме того, способ воспроизводит обработку данных, которые могут быть получены в натурном эксперименте. Результаты. Анализ полученных при численном моделировании временных рядов показал существование гиперхаотических режимов генерации для обоих подходов к моделированию гироклистрона. Таким режимам отвечают аттракторы с высокой корреляционной размерностью и более чем одним положительным ляпуновским показателем. Обнаружено, что указанные гиперхаотические режимы возникают, например, с увеличением коэффициента передачи для цепи обратной связи. Многомодовый «сильный» гиперхаос развивается из хаоса, возникающего в результате последовательности бифуркаций удвоения периода регулярной автомодуляции интенсивности выходного излучения гироклистрона. Обсуждение.Хаотические генераторы и шумотроны СВЧ диапазона крайне ценны для различных технических приложений, например, в радиолокации и широкополосной коммуникации. В связи с этим, получение многомодовых, хаотических и гиперхаотических режимов генерации гироусилителей является приоритетным направлением СВЧ электроники. Предложенные в работе методы моделирования демонстрируют сложные режимы для гироклистрона. Описанные подходы к анализу генераций усилителя могут быть в будущем применены в натурном эксперименте. ?Статья написана по материалам доклада на XVII международной зимней школе-семинаре по радиофизике и электронике СВЧ. Россия, Саратов, 5–10.02.2018

Ключевые слова: 
гироклистрон
запаздывающая обратная связь
развитый хаос
Список источников: 
  1. Andronov A.A., Flyagin V.A., Gaponov A.V., Gol’denberg A.L., Petelin M.I., Usov V.G., Yulpatov V.K. The gyrotron: High-power source of millimetre and submillimetre waves // Infrared Phys. 1978. Vol. 18, no. 5-6. Pp. 385–393.
  2. Nusinovich G.S. Introduction to the Physics of Gyrotrons. Baltimore: J. Hopkins Univ. Press, 2004. 341 p.
  3. Thumm M. State-of-the-art of high power gyro-devices and free electron masers. Update 2016 // KIT Scientific Reports. 2017. Band-Nr. 7735.
  4. Засыпкин Е.В., Гачев И.Г., Антаков И.И. Экспериментальное исследование гироклистрона с высшим типом колебаний TE021 в резонаторах в коротковолновой части миллиметрового диапазона // Изв. вузов. Радиофизика. 2012. Т. 55, No 5. С. 341–350.
  5. Зайцев Н.И., Гвоздев А.К., Запевалов С.А., Кузиков С.В., Мануилов В.Н., Моисеев М.А., Плоткин М.Е. Экспериментальное исследование мультимегаваттного импульсного гироклистрона // Радиотехника и электроника. 2014. Т. 59, No 2. С. 179–183.
  6. Зайцев Н.И., Абубакиров Э.Б., Гузнов Ю.М., Денисов Г.Г., Завольский Н.А., Запевалов В.Е., Запевалов С.А., Планкин О.П., Розенталь Р.М., Седов А С., Семенов Е.С., Чирков А.В., Шевченко А.С. Разработка компонентов релятивистского гироклистрона 3-мм диапазона // Материалы 25-й международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2015). Севастополь, 6–12 сентября 2015. С. 781–782.
  7. Swati M.V., Chauhan M.S., Jain P.K. Design methodology and beam-wave interaction study of a second-harmonic D-band gyroklystron amplifier // IEEE Trans. Plasma Sci. 2016. Vol. 44, no. 11. Pp. 2844–2851.
  8. Кузнецов С.П., Перельман А.Ю., Трубецков Д.И. Автомодуляция и стохастические режимы в клистроне бегущей волны с внешней обратной связью // ЖТФ. 1983. Т. 53, No 1. С. 163–166.
  9. Гришин С.В., Дмитриев Б.С., Жарков Ю.Д., Скороходов В.Н., Шараевский Ю.П. Генерация хаотических СВЧ-импульсов в кольцевой системе на основе клистронного усилителя мощности и нелинейной линии задержки на магнитостатических волнах // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, вып. 2. С. 62–69.
  10. Emelyanov V.V., Girevoy R.A., Yakovlev A.V., Ryskin N.M. Time-domain particle-in-cell modeling of delayed feedback klystron oscillators // IEEE Trans. Electron. Dev. 2014. Vol. 61, no. 6. Pp. 1842–1847.
  11. Ергаков В.С., Моисеев М.А. Двухрезонаторный генератор с запаздывающей обратной связью // Радиотехника и электроника. 1986. Т. 31, вып. 5. С. 962–967.
  12. Афанасьева В.В., Лазерсон А.Г. Динамический хаос в двухрезонаторных клистронных автогенераторах с запаздывающей обратной связью // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1995. Т. 3, No 5. С. 88–99.
  13. Ginzburg N.S., Rozental R.M., Sergeev A.S., Zotova I.V. Time-domain model of gyroklystrons with diffraction power input and output // Physics of Plasmas. 2016. Vol. 23. 033108–033112.
  14. Zasypkin E.V., Moiseev M.A., Gachev I.G., Antakov I.I. Study of high-power Kaband second-harmonic gyroklystron amplifier // IEEE Trans. Plasma Sci. 1996. Vol. 24, no. 3. Pp. 666–670.
  15. Tolkachev A.A., Levitan B.A., Solovjev G.K., Veytsel V.V., Farber V.E. A megawatt power millimeter-wave phased-array radar // IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine. 2000. Vol. 15. Pp. 25–31.
  16. Антаков И.И., Гачев И.Г., Засыпкин Е.В. Экспериментальное исследование гироклистрона, работающего в поле постоянного магнита // Изв. вузов. Радиофизика. 2011. Т. 54, No 3. С. 185–194.
  17. Ginzburg N.S., Zavolsky N.A., Nusinovich G.S. Theory of non-stationary processes in gyrotrons with low-Q resonators // Int. J. Electron. 1986. Vol. 61. Pp. 881–894.
  18. Ginzburg N.S., Sergeev A.S., Zotova I.V. Time-domain self-consistent theory of frequency-locking regimes in gyrotrons with low-Q resonators // Phys. Plasmas. 2015. Vol. 22. 033101–033105.
  19. Кац В.А. Возникновение хаоса и его эволюция в распределенном генераторе с запаздыванием (эксперимент) // Изв.вузов. Радиофизика. 1985. Т. 28, No 2. С. 161–176.
  20. Устинов А.Б., Кондрашов А.В., Калиникос Б.А. Радиофотонный генератор хаотического и шумового сигналов // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42, No 8. С. 28–36.
  21. Власов С.Н., Жислин Г.М., Орлова И.М., Петелин М.И., Рогачева Г.Г. Открытые резонаторы в виде волноводов переменного сечения // Изв.вузов. Радиофизика. 1969. Т. 12, No 8. С. 1236–1244.
  22. Рыскин Н.М. Исследование нелинейной динамики ЛБВ-генератора с запаздывающей обратной связью//Изв.вузов. Радиофизика. 2004. Т. 47, No2. С. 129–142.
  23. Кузнецов С.П. Сложная динамика генераторов с запаздывающей обратной связью (обзор) // Изв. вузов. Радиофизика. 1982. Т. 25, No 12. С. 1410–1428.
  24. Дмитриева Т.В., Рыскин Н.М., Титов В.Н., Шигаев А.М. Сложная динамика простых моделей распределенных электронно-волновых систем // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 1999. Т. 7, No 6. С. 66–81.
  25. Тараканов В.П. Универсальный электромагнитный код КАРАТ / в кн.: Математическое Моделирование. Проблемы и Результаты. М.: Наука, 2003. 456 с.
  26. Tarakanov V.P. Code KARAT in simulations of power microwave sources including Cherenkov plasma devices, vircators, orotron, E-fieldsensor, calorimeter etc // EPJ Web of Conferences. 2017. Vol. 149. P. 04024.
  27. Ергаков В.С., Моисеев М.А. Влияние разброса скоростей электронов на КПД двухрезонаторного МЦР-клистрона // Электронная техника. Серия I. Электроника СВЧ. 1977. No 5. С. 9–15.
  28. Ергаков В.С., Моисеев М.А., Эрм Р.Э. Влияние разброса скоростей электронов на характеристики двухрезонаторного МЦР-усилителя // Электронная техника. Серия I. Электроника СВЧ. 1980. No 4. С. 29–37.
  29. Засыпкин Е.В., Моисеев М.А. Повышение КПД в гироклистронах с неоднородным статическим магнитным полем // Изв. вузов. Радиофизика. 1994. Т. 37, No 10. С. 1321–1334.
  30. Кузнецов С.П., Трубецков Д.И. Хаос и гиперхаос в лампе обратной волны // Изв. вузов. Радиофизика. 2004. Т. 47, No 5–6. С. 383–398.
  31. Bezruchko B.P., Smirnov D.A. Extracting Knowledge from Time Series. An Introduction to Nonlinear Empirical Modeling. Heidelberg–Dordrecht–London–New York: Springer, 2010. 420 p.
  32. Bradley E., Kantz H. Nonlinear time-series analysis revisited // Chaos. 2015. Vol. 25. 097610–097619.
  33. Ляпунов А.М. Общая задача об устойчивости движения. М.-Л.: ГИТТЛ, 1950. 472 с.
  34. Eckmann J.-P., Ruelle D. Fundamental limitations for estimating dimensions and Lyapunov exponents in dynamical systems//Physica D. 1992. Vol. 56. Pp. 185–187.
  35. Безручко Б.П., Булгакова Л.В., Кузнецов С.П., Трубецков Д.И. Стохастические автоколебания и неустойчивость в лампе обратной волны // Радиотехника и электроника. 1983. Т. 28, No 6. С. 1136–1139.
  36. Кузнецов С.П., Трубецков Д.И. Хаос и гиперхаос в лампе обратной волны // Изв. вузов. Радиофизика. 2004. Т. 47, No 5. С. 1–17.
  37. Блохина Е.В., Рожнев А.Г. Хаос и гиперхаос в гиротроне // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, No 10. С. 887–899.
  38. Blokhina E.V., Kuznetsov S.P., Rozhnev A.G. High-dimensional chaos in a gyrotron // IEEE Trans. Electron. Dev. 2007. Vol. 54, no. 2. Pp. 188–193.
  39. Балякин А.А., Рыскин Н.М. Особенности расчета спектров показателей Ляпунова в распределенных автоколебательных системах с запаздывающей обратной связью // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2007. Т. 15, No 6. С. 3–21.
  40. Benettin G., Galgani L., Giorgilli A., Strelcyn J.-M. Lyapunov characteristic exponents for smooth dynamical systems and for Hamiltonian systems; A method for computing all of them. Part 1: Theory // Meccanica. 1980. Vol. 15. Pp. 9–20.
  41. Benettin G., Galgani L., Giorgilli A., Strelcyn J.-M. Lyapunov characteristic exponents for smooth dynamical systems and for Hamiltonian systems; A method for computing all of them. Part 2: Numerical application // Meccanica. 1980. Vol. 15. Pp. 21–30.
  42. Wolf A., J.Swift B., Swinney H.L., Vastano J.A. Determining Lyapunov exponents from a time series // Physica D. 1985. Vol. 16. Pp. 285–317.
  43. Eckmann J.-P., Kamphorst S.O., Ruelle D., Gilberto D. Lyapunov exponents from a time series // Phys. Rev. A. 1986. Vol. 34. Pp. 4971–4979.
  44. Brown R., Bryant P., Abarbanel H.D.I. Computing the Lyapunov spectrum of a dynamical system from an observed time series // Phys. Rev. A. 1991. Vol. 43. Pp. 2787–2806.
  45. Sano M., Sawada Y. Measurement of the Lyapunov spectrum from a chaotic time series // Phys. Rev. Lett. 1985. Vol. 55. Pp. 1082–1085.
  46. Zeng X., Eykholt R., Pielke R.A. Estimating the Lyapunov exponent spectrum from short time series of low precision // Phys. Rev. Lett. 1991. Vol. 66. Pp. 3229–3232.
  47. Rozental R.M., Isaeva O.B., Ginzburg N.S., Zotova I.V., Sergeev A.S., Rozhnev A.G. Characteristics of chaotic regimes in a space-distributed gyroklystron model with delayed feedback // Rus. J. Nonlin. Dyn. 2018. No. 2. (in press).
  48. Гинзбург Н.С., Розенталь Р.М., Сергеев А.С., Зотова И.В. Генерация хаотических сигналов миллиметрового диапазона на основе широкополосных гироусилителей с винтовым гофрированным волноводом // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43, вып. 3. С. 50–56.
  49. 49. Frolov N.S., Kurkin S.A., Koronovskii A.A., Hramov A.E. Nonlinear dynamics and bifurcation mechanisms in intense electron beam with virtual cathode // Phys. Lett. A. 2017. Vol. 381, no. 28. Pp. 2250–2255.
  50. 50. Розенталь Р.М., Гинзбург Н.С., Сергеев А.С., Зотова И.В., Федотов А.Э., Тараканов В.П. Генерация широкополосного хаотического излучения в гиротронах в режиме перекрытия высокочастотного и низкочастотного резонансов // ЖТФ. 2017. Т. 87, вып. 10. С. 1555–1561.  
Поступила в редакцию: 
26.03.2018
Принята к публикации: 
30.06.2018
Опубликована: 
30.06.2018
Краткое содержание:
Иконка PDF a2018no3r078.pdf
(загрузок: 207)
  • 2375 просмотров