МИКРОВОЛНОВОЙ ГЕНЕРАТОР СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ ХАОТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Настоящая полезная модель относится к области радиотехники, а именно к источникам сверхширокополосных хаотических колебаний СВЧ-диапазона.
Из предшествующего уровня техники известен генератор Колпитца (US Patent 1137384 A, 1915), состоящий из усилительного элемента в виде вакуумной триодной лампы, двух емкостей (конденсаторов) и индуктивности. Указанные реактивные элементы вместе с лампой образуют классическую трехточечную автоколебательную систему, в которой эти элементы включены между электродами лампы (катод, сетка, анод) и выполняют функцию элементов обратной связи генератора. Генератор Колпитца обеспечивал получение гармонических колебаний в низкочастотном диапазоне и использовался в радиотелефонии.
Странный аттрактор в генераторе Колпитца впервые наблюдал M.P. Kennedy (M.P. Kennedy "Chaos in the Colpitts oscillator", IEEE Transactions on Circuits and Systems, 41(11), 771-774, 1994). Характеризующие аттрактор хаотические колебания отличались узкой зоной генерации (в пространстве параметров генератора) и достаточно узкополосным, изрезанным спектром мощности выходного сигнала.
Возможность реализации упомянутого генератора в микроволновом диапазоне, как и генерация сверхширокополосных хаотических колебаний, продемонстрирована в работе - Максимов Н.А. «Сверхширокополосный генератор хаоса СВЧ-диапазона на сосредоточенных элементах», Труды Всероссийской конференции «Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике», 2006, Муром, Россия, С. 154-157. В ней экспериментально подтверждена генерация хаотических колебаний с полосой частот 4 ГГц (с центральной частотой 4 ГГц) при энергоэффективности (к.п.д.) генератора ≈1%.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении энергоэффективности генератора и расширении полосы частот генерируемых им хаотических СВЧ-колебаний.
Данная задача достигается за счет того, что микроволновой генератор сверхширокополосных хаотических колебаний содержит биполярный СВЧ-транзистор, коллекторная цепь которого через последовательно соединенные индуктивность, первое сопротивление и источник коллекторного питания подключена к базовой цепи упомянутого транзистора и, одновременно, через первый конденсатор подключена к эмиттерной цепи упомянутого транзистора, которая, в свою очередь, через последовательно соединенные второе сопротивление и эмиттерный источник питания и, одновременно, через второй конденсатор подключена к базовой цепи упомянутого транзистора, при этом первым и вторым упомянутыми конденсаторами являются соответственно внутренние емкости переходов коллектор-эмиттер и эмиттер-база упомянутого транзистора. Причем в микроволновом генераторе сверхширокополосных хаотических колебаний упомянутые первое и второе сопротивления могут быть выполнены как фиксированными, так и переменными.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является расширение почти в два раза полосы частот генерируемого хаотического сигнала (до 7 ГГц) и увеличение энергоэффективности генератора до 7%. На сегодняшний день указанные характеристики не имеют аналогов среди известных микроволновых твердотельных генераторов хаоса.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - общая (а) и модифицированная (б) схема СВЧ-генераторов хаоса;
На фиг. 2 - спектры мощности выходного хаотического сигнала для генератора с общей схемой (а) и модифицированного генератора (б).
Микроволновой генератор сверхширокополосных хаотических колебаний содержит биполярный СВЧ-транзистор 1, коллекторная цепь которого через последовательно соединенные индуктивность 2, первое сопротивление 3 и источник коллекторного питания 4 подключена к базовой цепи упомянутого транзистора и, одновременно, через первый конденсатор 5 подключена к эмиттерной цепи упомянутого транзистора, которая, в свою очередь, через последовательно соединенные второе сопротивление 6 и эмиттерный источник питания 7 и, одновременно, через второй конденсатор 8 подключена к базовой цепи упомянутого транзистора, при этом первым 5 и вторым 8 упомянутыми конденсаторами являются соответственно внутренние емкости переходов коллектор-эмиттер и эмиттер-база упомянутого транзистора 1. В микроволновом генераторе сверхширокополосных хаотических колебаний упомянутые первое 2 и второе 6 сопротивления могут быть выполнены как фиксированными, так и переменными.
Устройство работает следующим образом. На фиг. 1,а изображена схема генератора Колпитца, работающего в СВЧ-диапазоне и впервые описанная в указанной выше работе Н.А. Максимова (2006). В качестве активного элемента в генераторе использовался кремний-германиевый n-p-n биполярный транзистор BFP 620F. Генератор был собран с использованием стандартных чип-элементов на подложке из материала FR-4. На схеме указаны реальные номиналы элементов. Питание генератора осуществлялось от двух источников напряжения. Основные режимы работы генератора наблюдались при напряжении Uc~12 В и относительно небольших напряжениях Ue~0.75-1.5 В. В этом случае хаос в системе возникал практически сразу при открывании перехода эмиттер-база транзистора и сохранялся при изменении напряжения на переходе в указанных пределах. Типичный пример спектральной характеристики для данного типа режимов приведен на фиг. 2,а. В этом случае, ширина спектра мощности хаотического сигнала достигала 4 ГГц (при средней частоте 4 ГГц) по уровню неравномерности 10 дБ, более чем удовлетворяя определению сверхширокополосного сигнала. Энергоэффективность исследуемого генератора определяется соотношением уровней выходной мощности хаотического сигнала и мощности, потребляемой источниками питания. Максимальная выходная мощность хаотического сигнала на согласованной нагрузке в рассматриваемом случае достигала 4.5 мВт, что соответствовало к.п.д. генератора ~2%.
Специфика микроволнового диапазона заключается в том, что значения используемых в схеме генератора индуктивности и емкостей измеряются единицами нГн и пФ. Другими словами, они начинают быть соизмеримыми с емкостями p-n переходов и паразитными индуктивностями применяемого в генераторе транзистора. Влияние межэлектродных емкостей может привести к тому, что генерация колебаний в схеме будет происходить и при отсутствии емкостей C1, C2 (поз. 5,8 на фиг. 1,а). В этом случае, необходимая для генерации колебаний обратная связь может осуществляться за счет внутренних емкостей р-n переходов транзистора. Так, для используемого в работе кремний-германиевого транзистора BFP 620F, емкость перехода коллектор-эмиттер составляет ~0.2 пФ. Соответственно, емкости других переходов (коллектор-база и эмиттер-база) измеряются величинами 0.12 пФ и 0.45 пФ. При исключении из схемы генератора двух внешних емкостей C1, C2 его структура упрощается. В схеме генератора остается только один внешний реактивный элемент (индуктивность L (поз 2 на фиг. 1,а)), который в совокупности с емкостями р-n переходов транзистора формирует необходимую для генерации частотно-избирательную цепь генератора, фиг. 1,б.
При изменении напряжений питания в экспериментальном макете модифицированного генератора (фиг. 1,б), реализованном на подложке из материала FR-4 с внешними чип-элементами, наблюдались различные колебательные режимы. При фиксированном напряжении питания Ve=0.75 В функцию управляющего параметра выполняло напряжение Vc, изменяемое в пределах 0-12 В. При увеличении Vc вплоть до 9 В в системе возбуждалось и сохранялось колебание на частоте ~5.6 ГГц. Дальнейшее увеличение напряжения приводило к возникновению субгармонических колебаний удвоенного периода и при достижении Vc значений 11-12 В, развивались устойчивые хаотические колебания, пример спектра мощности которых представлен на фиг.2,б. Так, при L=1 нГ на выходе генератора, нагруженного на 50 Ом, наблюдались хаотические колебания в полосе частот 0.5-8 ГГц (по уровню неравномерности 10 дБ). Мощность сигнала при этом составляла 2.5 мВт при суммарном потребляемом токе схемы 3 мА и суммарном напряжении питания 11.5 В, что соответствует к.п.д. генератора ~7%.