ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 74-77
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.382.27
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАЗВИТИЯ РЕЖИМА ХАОТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ДЕТЕРМИНИРОВАННОЙ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОЙ С.В.Ч.-СИСТЕМЕ
© 2014 г. Ю. И. Алексеев, А. В. Демьяненко, М. В. Орда-Жигулина, И. В. Семерник
Южный федеральный университет Россия, 344006, Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105/42 E-mail: demalex@inbox.ru, yialekseev@sfedu.ru, ione7nick@yandex.ru Поступила в редакцию 27.02.2013 г. После доработки 05.04.2013 г.
Рассматривается возможность получения экспериментальным путем шумового генератора повышенной выходной мощности в трехсантиметровом диапазоне длин волн. Шумовой генератор получен путем перевода автогенератора на лавинно-пролетном диоде в режим хаотической генерации при помощи воздействия внешнего с.в.ч.-сигнала. Представлены спектры полученных хаотических колебаний генератора при различных параметрах как самого генератора, так и внешнего сигнала. Приводится статистическая оценка качества генерируемого шума.
DOI: 10.7868/S003281621402013X
Технические вопросы, связанные с разработкой эффективных шумовых источников, достаточно часто обсуждаются [1—3], однако добиться высокого уровня мощности в устройствах на естественных шумах активного элемента (диода, транзистора) не удается. Не дала желаемого результата также и работа по созданию лавинно-пролетных диодов (л.п.д.) со специальной структурой [3].
Существенно повысить мощность шумовой генерации стало возможным только при разработке генераторов шума на основе детерминированных автоколебательных систем в специальных режимах их работы [4, 5].
В данной работе рассматривается возможность получения эффективного генератора шума на основе автогенератора на л.п.д., переведенного в режим хаотической генерации под воздействием внешней гармонической силы. Показано, что в исследуемом генераторе на л.п.д. уровень выходной мощности почти на три порядка превосходит аналогичный параметр в традиционных генераторах шума [1—3].
Исследуемый генератор является хорошо отработанной автоколебательной системой в режиме детерминированной генерации [6] и представляет собой двухрезонаторную камеру (рис. 1). Генератор содержит короткозамкнутый отрезок волновода уменьшенной (по сравнению с волноводом стандартного сечения этого диапазона) высоты с расположенными в нем по оси широкой стенки двумя одинаковыми л.п.д. Один л.п.д. — генераторный, второй выполняет роль варикапа, т.е. работает в докритическом режиме по питанию, ко-
гда л.п.д. является управляемой емкостью, позволяющей осуществлять перестройку частоты генерации в небольших пределах.
В исследуемом автогенераторе реализован устойчивый режим детерминированной генерации, при котором спектр выходного сигнала имеет основную гармонику на частоте 12.98 ГГц (/) с выходной мощностью 320 мкВт и субгармонику на частоте 6.49 ГГц (/1/2) мощностью ~0.33 мкВт.
(a)
(б)
3 / 4
Рис. 1. Эскиз генераторной камеры (а) и блок-схема экспериментальной установки (б). 1 — л.п.д.-генера-тор; 2 — л.п.д.-варикап; 3 — штырь регулировки связи с нагрузкой; 4 — штырь регулировки межрезонатор-ной связи; 5 — питание л.п.д.-генератора; 6 — питание л.п.д.-варикапа; 7 — исследуемый генератор на л.п.д.; 8 — генератор — источник сигнала внешнего воздействия; 9 — циркулятор; 10 — выход генератора шума.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ
75
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
н В 10-5
2 102
а,
101
10°
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
(а)
(в)
10 = 54 мА Рвн = 51 мВт /вн = 7.44 ГГц
Ы
10 = 52 мА Рвн = 51 мВт /вн = 7.44 ГГц
J_1_
(б) К
10 = 52.5 мА 0.8 \
Рвн = 51 мВт 0.6 -
/вн = 7.44 ГГц к 0.4 -
- Г 0.2 "(Алл,
V V 0 10 20 т, нс
| 1 чл 1 1 1
(г)
«^Цнм)
10 = 51 мА Рвн = 51 мВт /вн = 7.44 ГГц
_1_I
/, ГГц
Рис. 2. Влияние тока л.п.д. на режим хаотической генерации.
Такой режим генерации достигается с помощью всех органов регулировки (рис. 1) и питания л.п.д.-варикапа. Внешнее гармоническое воздействие, необходимое для срыва устойчивой генерации и перевода системы в режим детерминированного хаоса (шумовой генерации), осуществлялось через циркулятор.
Согласно теоретическому обоснованию перехода от устойчивой детерминированной генерации к детерминированному хаосу, система, имеющая вторую субгармонику /1/2, может быть переведена в хаос через бифуркацию типа удвоения периода [4, 5].
Динамику развития хаотической генерации удобно проследить по реакции исследуемой системы на изменение первичных параметров, каковым является ток питания 10 генераторного л.п.д., и на изменение параметров сигнала внешнего воздействия в качестве возмущающего фактора системы.
Влияние тока питания 10 л.п.д. показано на рис. 2. Устойчивая хаотическая генерация наблюдалась в диапазоне токов 10 = 53—54 мА (рис. 2а). При изменении тока 10 в пределах 51—52 мА возникала неустойчивая хаотическая генерация, постепенно переходящая в режим многочастотной генерации. Следует заметить, что в упомянутом диапазоне токов 10 реализовалась широкополос-
ная шумовая генерация, занимающая диапазон 6.6—7.6 ГГц с перепадом мощности примерно на 30 дБ (1 мВт—1 мкВт). Неравномерность уровня мощности генерируемого шума снижалась органами регулировки исследуемого генератора до 20-15 дБ.
Автокорреляционная функция, показанная на вставке к рис. 2б, свидетельствует о высоком качестве шума, приближающегося к "белому шуму".
При исследовании реакции системы на изменение мощности Рвн сигнала внешнего воздействия (рис. 3) ток питания л.п.д. и частота этого сигнала поддерживались постоянными. Шумовые спектры представлены на рис. 3. Устойчивая хаотическая генерация наблюдалась при Рвн = = 57.1 мВт. Последовательное уменьшение мощности сигнала внешнего воздействия сначала до 9.3 мВт (рис. 3б), а затем до 3.6 мВт (рис. 3в) приводит к постепенному изменению спектра шумовой генерации и увеличению неравномерности уровня шума в полосе частот 6.5-7.8 ГГц. При дальнейшем уменьшении Рвн (рис. 3г) генератор переходит в режим многочастотной генерации, который всегда является промежуточным между детерминированным и хаотическим режимами.
На рис. 4 просматривается динамика изменения спектра шумовой генерации от устойчивого хаоса (рис. 4а, 4б) в широкой полосе частот через
76
н «
2
102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5
(а)
(в)
АЛЕКСЕЕВ и др.
101
10 = 53 мА Рвн = 57.1 мВт /вн = 7.44 ГГц
10 = 53 мА Рвн = 3.6 мВт /вн = 7.44 ГГц
10° 10-1
10
-2
10
-3
10-4 10-5 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5
(б)
(г)
10 = 53 мА Рвн = 9.3 мВт /вн = 7.44 ГГц
И1
10 = 53 мА Рвн = 340 мкВт /вн = 7.44 ГГц
№
6
7
8
/, ГГц /, ГГц
Рис. 3. Влияние мощности сигнала внешнего воздействия на режим хаотической генерации.
н
В
101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5
10 = 54 мА Рвн = 57.1 мВт /вн = 6.59 ГГц
101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5
(б)
(ч/Чу
(г)
10 = 54 мА Рвн = 57.1 мВт /вн = 6.77 ГГц
и
и/
и
10 = 54 мА Рвн = 57.1 мВт /вн = 7.02 ГГц
6
/, ГГц
7
/, ГГц
Рис. 4. Динамика изменения спектра шумовой генерации в зависимости от частоты сигнала внешнего воздействия.
8
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ
77
изменение шумового спектра к многочастотной генерации (рис. 4в, 4г).
В порядке обсуждения полученных результатов необходимо отметить следующее. Эффективный генератор шума в сантиметровом диапазоне длин волн может быть получен переводом детерминированной автоколебательной системы в режим хаотических колебаний. Мощность такого шумового источника на 3-4 порядка превышает мощность генераторов шума, полученных традиционным способом. Генерация шума, возникающая в режиме хаотических колебаний, происходит в широкой полосе частот и в пределе может занимать рабочую полосу л.п.д., на основе которого разработан детерминированный автогенератор (в данном случае применен л.п.д. типа 3А707А).
Полученный шумовой генератор поддается управлению как всеми органами регулировки (см. рис. 1), так и путем изменения тока л.п.д. и параметров сигнала внешнего воздействия. Последнее позволяет надеяться на возможность
снижения неравномерности мощности шума по диапазону, что позволит получить шумовой источник с равномерной генерацией по всему частотному диапазону.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев Ю.И., Демьяненко А.В. //Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2008. № 4. С. 74.
2. Алексеев Ю.И. // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. № 6. С. 760.
3. Лошицкий П.П., Павлюченко А.В. // Радиотехника и информатика. 2006. № 4. С. 4.
4. Дмитриев А.С., Кислое В.Я. Стохастические колебания в радиофизике и электронике. М.: Наука, 1989.
5. Максимов Н.А., Кислов В.Я. // Радиотехника и электроника. 1997. Т. 42. № 12. С. 1487.
6. Тагер А.С., Вальд-Перлов В.М. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. М.: Советское радио, 1968.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.