ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ШУМА

Полезная модель относится к средствам защиты вычислительной техники и автоматизированных систем управления, обрабатывающих информацию, составляющую государственную и коммерческую тайну, от утечки по каналу побочных электромагнитных излучений и наводок.
Известен генератор шумовых сигналов с запаздывающей обратной связью, содержащий лампу бегущей волны в качестве нелинейного активного элемента, резонансный фильтр и линию задержки (Неймарк Ю.И.Ланда П.С.Стахостические и хаотические колебания. М. 1987). Такой генератор имеет большие габариты и массу. Для его работы необходим специальный источник питания, также имеющий большие габариты и массу. Эти недостатки препятствуют широкому применению генераторов данного типа.
Известен генератор шумовых сигналов, содержащий соединенные в кольцо нелинейный преобразователь, линию задержки и полосовой фильтр, при этом нелинейный преобразователь выполнен в виде многокаскадного усилителя с внутри- и межкаскадными цепями обратной связи через участки линии задержки, которая выполнена многоотводной из LC-звеньев (авторское, свидетельство СССР №292209, Н03В 29/00).
К недостаткам данного генератора шумовых сигналов можно отнести небольшой КПД, неустойчивость режима генерации шумовых сигналов при изменении напряжения питания, неравномерность спектра генерирующего сигнала.
Известен генератор шумовых сигналов, принятый за прототип (патент РФ №38257, H03B 29/00). Генератор шумовых сигналов состоит из системы двух связанных генерирующих элементов с емкостным элементом связи между ними, излучающей антенны, источника низкочастотного шума и разветвителя. Каждый из связанных генерирующих элементов содержит нелинейный усилитель, линию задержки с запаздыванием Т, кроме того, второй генерирующий элемент дополнительно содержит инерционную цепь автосмещения.
К недостаткам прототипа можно отнести неравномерность спектра на высоких частотах, наличие большого числа радиокомпонентов и, как следствие, недостаточную стабильность работы, низкую надежность и высокую себестоимость.
Задачей полезной модели является повышение стабильности работы генератора шума, путем достижения равномерной спектральной плотности мощности и обеспечения устойчивого режима генерации шумового сигнала на сверхвысоких частотах.
Поставленная задача достигается тем, что известный генератор шума, содержащий источник напряжения, генерирующий элемент, в который входят нелинейный усилитель, линия задержки и инерционная цепь автосмещения, активный антенный контур, согласно полезной модели, дополнительно содержит два каскадных усилителя с элементом связи и трехзвенный П-контур на полосковых элементах, при этом выход генерирующего элемента соединен со входом первого каскадного усилителя, два выхода второго каскадного усилителя соединены со входами трехзвенного П-контура на полосковых элементах, а два его выхода соединены с активным антенным контуром, представляющим собой две антенны, причем источник напряжения подключен к фильтру НЧ, выход которого соединен со входом генерирующего элемента.
На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого широкополосного высокочастотного генератора шума.
На фиг.2 изображена спектральная напряженность электромагнитного поля (частоты 400 МГц - 500 МГц).
На фиг.3 - спектральная напряженность электромагнитного поля (частоты 900 МГц - 1000 МГц).
На фиг.4 - спектральная напряженность электромагнитного поля (частоты 1800 МГц - 1900 МГц).
Широкополосный высокочастотный генератор шума (фиг.1) состоит из источника шумового напряжения 1, соединенного со входом фильтра 2 низкой частоты (НЧ) для того, чтобы сигнал не наводился по проводникам к источнику питания на входе устройства. Выход фильтра НЧ соединен со входом генерирующего элемента 3, состоящего из нелинейного усилителя 4, линии задержки 5 и инерционной цепи автосмещения 6. Выход генерирующего элемента 3 соединен со входом двух каскадных усилителей - 7 и 8, между которыми размещен элемент связи 9, а два выхода второго каскадного усилителя 8 соединены со входами трехзвенного П-контура 10 на полосковых элементах. Два выхода трехзвенного П-контура соединены с активным антенным контуром, который представлен двумя антеннами 11, 12. Трехзвенный П-контур на полосковых элементах позволяет уменьшить уровень помех на выходах каскадных усилителей. В каскадных усилителях установлены усилительные элементы с сильной положительной обратной связью, выполненные на базе ВЧ-транзисторов, что позволяет добиться равномерного распределения спектра сигнала на частотах свыше 1230 МГц.
Факторами, определяющими сложную динамику колебаний системы, являются нелинейные свойства активного элемента, инерционность и запаздывание в цепи обратной связи. Имеется область параметров, при которых в системе обеспечивается существование режимов с хаотической динамикой. Хаотическая динамика неавтономной системы источников низкочастотного шума зависит от совокупности параметров системы и, в частности, от соотношения парциальных частот колебаний элементов, величины связи между ними и уровня внешнего воздействия.
Широкополосный высокочастотный генератор шума работает следующим образом. Источник шумового напряжения 1 подает шумовой сигнал через фильтр низкой частоты 2 на генерирующий элемент 3, в котором на основе принятого сигнала формируются многочастотные колебания с максимумами спектральной плотности на собственных частотах. Воздействие внешнего источника шумового напряжения 1 на генерирующий элемент 3 способствует разрушению режима синхронных колебаний и формированию широкополосного шума. Выход генерирующего элемента 3 соединен со входом системы двух усилительных каскадов 7, 8. Фиксированное число транзисторов в каскадных усилителях 7, 8 с высокой верхней частотой в каждом каскаде, позволяет значительно поднять мощность и плотность генерируемого шума. Каскадные усилители 7, 8 соединены друг с другом посредством емкостного элемента связи 9, что обеспечивает подъем уровня шума в верхней части СВЧ-диапазона.
Два расположенных рядом каскадных усилителя 7, 8 с общими элементами нагрузки и емкостным элементом связи 9, обеспечивают спектру размытый, непрерывный и случайный характер, равномерное распределение шума и амплитудно-частотной характеристики. С выхода каскадных усилителей 7, 8 шумовой сигнал поступает на вход трехзвенного П-контура 10 на полосковых элементах, и далее на активный антенный контур, который представляет собой две излучающие антенны 11, 12 телескопического типа. Антенна 12 предназначена для формирования шумового сигнала в диапазоне от 0,01 МГц до 30 МГц. Антенна 11 предназначена для формирования шумового сигнала в диапазоне от 30 МГц вплоть до 1800МГц.
Электропитание генератора шума осуществляется от источника постоянного тока с напряжением 12 В.
Опытный образец высокочастотного широкополосного генератора шума был выполнен на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм с использованием серийных элементов (транзисторов, конденсаторов, резисторов). Несимметричные полосковые линии в виде печатных проводников из меди имели ширину 4 мм, без резких углов, с соблюдением всех требований к изготовлению СВЧ-схем. Корпус-экран изготовлен из металла и имеет габариты 140×150×80 мм.
Спектральная напряженность электромагнитного поля опытного генератора шума (фиг.2, фиг.3, фиг.4) показывает, что предлагаемое устройство обеспечивает стабильное перекрытие в заявленном диапазоне при высокой равномерности спектра на СВЧ-частотах.
Средний уровень сигнала на выходном разъеме генератора шума в различных диапазонах частот составляет не менее 60-80 дБ при установленной полосе пропускания 100 кГц.
В приведенной ниже таблице представлен уровень сигнала на выходном разъеме генератора в различных диапазонах частот.
Уровень сигнала на выходном разъеме генератора в различных диапазонах частот
Диапазон частот
Полоса пропускания
Уровень сигнала, ДБ
10-150 кГц
200 Гц
не менее 65
0,15-30 МГц
9 кГц
не менее 85
30-1000 МГц
120 кГц
не менее 70
1-1,8 ГГц
120 кГц
не менее 60
В сравнении с прототипом заявляемый высокочастотный широкополосный генератор шума обладает большей стабильностью в работе, небольшими габаритами, не требует периодической проверки и подстройки режима работы. Кроме того, он обладает высокой надежностью, низкой стоимостью, благодаря использованию меньшего числа компонентов, простотой изготовления, доступностью материалов.