ГЕНЕРАТОР ШИРОКОПОЛОСНЫХ СВЧ ХАОТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Настоящая полезная модель относится в целом к радиотехнике и, в частности, к формированию широкополосных сверхвысокочастотных (СВЧ) хаотических сигналов.
Уровень техники
Хаотические сигналы находят все более широкое применение в различных областях техники, таких как связь, радиолокация, измерительная техника, медицина и т.д.
Ныне известны различные способы и устройства, предназначенные для формирования (генерирования) широкополосных СВЧ хаотических сигналов. Так, известен хаотический генератор (патент США №6842745, публ. 11.01.2005), в котором имеется четыре операционных усилителя, охваченных несколькими петлями обратной связи. Эта схема достаточно сложна и не позволяет получить СВЧ сигнал в силу использования операционных усилителей.
Известно использование двух ламп бегущей волны (ЛБВ) для генерирования хаотических колебаний, причем первая ЛБВ работает в режиме линейного усиления, а вторая ЛБВ - в нелинейном режиме на падающем участке амплитудной характеристики (авторское свидетельство СССР №1125735, публ. 23.11.1984). Такой генератор имеет большие размеры и не позволяет получить широкополосные сигналы без дополнительной модуляции.
Еще один генератор СВЧ хаотических сигналов выполнен на микро-полосковых линиях, в разрывы которых впаяны два биполярных транзистора,
в результате чего образуются две динамических системы (патент СССР №1806439, публ. 30.03.1993). Однако неравномерность спектральной характеристики этих динамических систем довольно велика, т.к. в основе работы данного устройства лежит взаимодействие двух связанных многочастотных СВЧ генераторов.
Наиболее близкий аналог к заявленной полезной модели описан в патенте США №6127899 (публ. 03.10.2000). Из этого патента известен генератор широкополосных СВЧ хаотических сигналов, содержащий соединенные последовательно первый и второй усилительные каскады и каскад ограничения, выход которого соединен со входом первого усилительного каскада.
Недостатком указанного генератора является то, что для получения хаотических сигналов необходимо наличие дополнительного генератора периодических колебаний с управляемыми амплитудой и частотой.
Раскрытие полезной модели
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание такого генератора широкополосных СВЧ хаотических сигналов, который мог бы преодолеть указанные выше недостатки существующих аналогов и обеспечил получение широкополосных и сверхширокополосных СВЧ хаотических сигналов с малой неравномерностью спектральной характеристики в простой схеме без использования дополнительной модуляции и генерации.
Для достижения указанного технического результата в генераторе широкополосных СВЧ хаотических сигналов, содержащем соединенные последовательно первый и второй усилительные каскады и каскад ограничения, выход которого соединен со входом первого усилительного каскада, - в соответствии с настоящей полезной моделью, первый усилительный каскад предназначен для работы в режиме усиления малых сигналов, второй
усилительный каскад предназначен для работы в режиме нелинейного усиления сигналов, а каскад ограничения выполнен в виде третьего усилительного каскада, предназначенного для работы в режиме ограничения, при этом выход третьего усилительного каскада соединен со входом первого усилительного каскада через микрополосковый ответвитель сигнала в нагрузку.
Дополнительной особенностью генератора по настоящей полезной модели является то, что по меньшей мере одно из последовательных соединений усилительных каскадов и соединения третьего усилительного каскада с ответвителем сигнала в нагрузку выполнено через соответствующую микрополосковую частотно-избирательную структуру.
Еще одной особенностью генератора по настоящей полезной модели является то, что усилительные каскады и (или) частотно-избирательные структуры выполнены регулируемыми для обеспечения возможности управления параметрами генерируемого сигнала.
Наконец, еще одной особенностью способа по настоящей полезной модели является то, что в него введен по меньшей мере еще один усилительный тракт, включающий в себя усилительные каскады, аналогичные упомянутым усилительным каскадам, при этом входы всех первых усилительных каскадов подключены к соответствующим выходам ответвителя сигнала в нагрузку, а выходы всех третьих усилительных каскадов соединены со входами сумматора, выход которого подключен к ответвителю сигнала в нагрузку.
Краткое описание чертежей
На нижеследующих чертежах и в тексте дальнейшего описания одинаковыми ссылочными позициями обозначены те же самые или сходные элементы.
Фиг.1 изображает общую блок-схему генератора широкополосных СВЧ хаотических сигналов, иллюстрирующую принцип генерирования таких сигналов по настоящей полезной модели.
Фиг.2 изображает один вариант осуществления генератора широкополосных СВЧ хаотических сигналов по настоящей полезной модели.
Фиг.3 представляет конкретный пример реализации генератора со структурой по фиг.2 при моделировании его в пакете ADS.
Фиг.4 демонстрирует реализацию сигнала и его спектр мощности для типовых хаотических режимов генератора при схемотехническом моделировании в пакете ADS.
Фиг.5 изображает другой вариант осуществления генератора широкополосных СВЧ хаотических сигналов по настоящей полезной модели.
Фиг.6 представляет функционально-топологическую схему микро-полоскового варианта осуществления генератора широкополосных СВЧ хаотических сигналов по настоящей полезной модели.
Фиг.7 представляет пример спектра мощности одного из типовых режимов макета генератора по настоящей полезной модели в варианте по фиг.2.
Подробное описание вариантов осуществления полезной модели
Представленная на фиг.1 блок-схема генератора широкополосных СВЧ хаотических сигналов иллюстрирует общий принцип генерирования таких сигналов согласно настоящей полезной модели.
Генератор широкополосных СВЧ хаотических сигналов содержит первый усилительный каскад 1, который работает в режиме усиления малого сигнала («линейный усилитель»), второй усилительный каскад 2, который работает в режиме нелинейного усиления сигнала («нелинейный усилитель»), и третий усилительный каскад 3, который работает в режиме ограничения сигнала («усилитель-ограничитель»). Все эти усилительные
каскады 1, 2 и 3 включены последовательно, начиная с первого, при этом выход третьего усилительного каскада 3 соединен со входом частотно-избирательного ответвителя 4. Этот частотно-избирательный ответвитель 4 обеспечивает ответвление усиленного и ограниченного сигнала в нагрузку 5 и подачу оставшейся части сигнала на вход первого усилительного каскада 1.
Таким образом, усилительные каскады 1-3 и ответвитель 4 образуют замкнутую петлю, которая позволяет генерировать хаотический сигнал аналогично тому, как это делается в схеме вышеупомянутого патента США №6842745. Однако в настоящей полезной модели, помимо замены диодного ограничителя усилительным каскадом, работающим в режиме ограничения, сами усилительные каскады 1-3 выполнены не на операционных усилителях, а на СВЧ транзисторных усилителях. Ответвитель 4 является частотно-избирательным, а не просто резисторным делителем. Все это позволяет получить широкополосный СВЧ хаотический сигнал.
Для улучшения характеристик генерируемого сигнала, в реальном генераторе широкополосного СВЧ хаотического сигнала между первым и вторым усилительными каскадами 1, 2, между вторым и третьим усилительными каскадами 2, 3 и между третьим усилительным каскадом 3 и частотно-избирательным ответвителем 4 устанавливаются первая, вторая и третья частотно-избирательные структуры 6, 7 и 8 соответственно (фиг.2). На практике такие частотно-избирательные структуры могут устанавливаться выборочно, - скажем, только между усилительными каскадами 1, 2 и 2, 3, либо всего одна частотно-избирательная структура в любом из указанных положений. При необходимости в схему генератора могут быть добавлены дополнительные усилительные каскады (например, еще один линейный усилитель), и тогда число частотно-избирательных структур может быть соответственно увеличено для установки между каждой парой усилительных каскадов.
Описанный выше генератор широкополосного СВЧ хаотического сигнала иллюстрируется примером схемотехнического моделирования такого генератора в программном пакете ADS (Advanced Design System). Структурно такой генератор соответствует схеме по фиг.2. Подробное представление блоков этого генератора показано на фиг.3. В качестве усилителей используется микросхема MSA-0986, предназначенная для работы в диапазоне частот до 6 ГГц. Эта микросхема включена в цепь смещения, являющуюся стандартной для данного устройства и задающую рабочий режим устройства (фиг.3а). Цепь смещения состоит из источника напряжения VO, сопротивления RO, индуктивности LO и двух блокировочных емкостей Cs. Параметры элементов VO, RO, LO и Cs в цепи смещения усилителя могут меняться для того, чтобы задать нужный режим работы, т.е. либо режим усиления малого сигнала, либо режим нелинейного усиления, либо режим ограничения сигнала, в зависимости от роли конкретного усилителя в схеме генератора по настоящей полезной модели.
Функцию частотно-избирательной структуры выполняет RLC-цепь, показанная на фиг.3б и состоящая из цепочки последовательно включенных сопротивления R1, индуктивности L1, емкости С1 и включенной параллельно к ней RL-цепочки, состоящей из последовательно включенных сопротивления R2 и индуктивности L2, а также включенной параллельно им емкости С2. Приведенный на фиг.3б вариант частотно-избирательной структуры не является единственно возможным. В частности, в качестве частотно-избирательной структуры могут использоваться RC - или RLC-цепочки различной структуры.
Параметры элементов R1, L1, С1, R2, L2, С2 могут варьироваться для различных частотно-избирательных структур для достижения желательных частотных характеристик генератора по настоящей полезной модели и для получения требуемого спектра мощности генерируемого хаотического сигнала.
В генераторе по фиг.2 и 3 входной сигнал усиливается в первом усилителе 1, работающем в режиме усиления малого сигнала, и фильтруется с помощью первой частотно-избирательной структуры 6. Отфильтрованный сигнал поступает на вход второго усилителя 2, работающего в режиме нелинейного усиления сигнала. Сигнал с выхода второго усилителя 2 снова фильтруется с помощью второй частотно-избирательной структуры 7, а затем ограничивается в третьем усилителе 3, работающем в режиме ограничения сигнала. Ограниченный в третьем усилителе 3 сигнал фильтруется с помощью третьей частотно-избирательной структуры 8. Затем часть этого сигнала ответвляется в нагрузку 5 с помощью частотно-избирательного ответвителя 4. Оставшуюся после ответвления часть сигнала снова подают на вход первого усилителя 1, и процедура повторяется.
Хаотические колебания в таком генераторе реализуются путем подбора значений параметров используемых элементов. На фиг.4а показан пример реализации получаемого сигнала, а на фиг.4б представлен спектр мощности этого сигнала для одного из типовых хаотических режимов такого генератора. Форма огибающей этого спектра мощности определяется характеристиками конкретных частотно-избирательных структур 6, 7 и 8.
На фиг.5 показана блок-схема более сложной структуры генератора по настоящей полезной модели. В этой блок-схеме параллельно цепочке из последовательно соединенных первого-третьего усилительных каскадов 1-3 добавлена еще одна цепочка из последовательно соединенных четвертого-шестого усилительных каскадов 11-13, режим каждого из которых аналогичен режиму соответствующего из усилительных каскадов 1-3. Таких цепочек может быть несколько. Выходы последних усилительных каскадов 3, 13 всех цепочек подключены ко входам сумматора 10, выход которого соединен со входом первого частотно-избирательного ответвителя 4, соответствующего ответвителю 4 на фиг.1 и 2. Часть сигнала, не поданная в нагрузку 5, поступает на второй частотно-избирательный ответвитель 9,
который разделяет эту часть на составляющие по количеству параллельных цепочек и подает на входы первых усилительных каскадов 1, 11. Благодаря такому включению обеспечивается расширение спектра генерируемых частот и уменьшение изрезанности (неравномерности) этого спектра.
В частном случае частотно-избирательные структуры 6-8 и частотно-избирательные ответвители 4, 9 могут быть выполнены в виде микрополосковых линий. Пример такого варианта осуществления настоящей полезной модели показан на фиг.6.
Генератор по фиг.6 состоит из трех микросхемных усилителей 1-3, включенных последовательно и замкнутых в кольцевую схему через микрополосковый ответвитель 4. Последний ответвляет большую часть сигнала в нагрузку, а оставшуюся часть направляет на вход первого усилителя 1. Основной волноведущей структурой генератора по фиг.6 является 50-омная микрополосковая линия. Отрезки микрополосковых линий, соединяющие микросхемные усилители, являются СВЧ-резонаторами и играют роль частотно-избирательных структур 6-8. В качестве микросхемных усилителей используются стандартные промышленно выпускаемые усилительные элементы, согласованные по входу и выходу на 50 Ом.
Анализ токов, протекающих через эти усилители, свидетельствует о том, что первый (по направлению распространения сигнала в кольцевой схеме) усилитель 1 работает в режиме усиления малого сигнала, второй усилитель 2 работает в режиме нелинейного усиления сигнала, а третий усилитель 3 работает в режиме ограничения сигнала, играя тем самым роль основного нелинейного элемента генератора по фиг.6.
Диапазон и полоса генерируемых частот полностью соответствуют аналогичным параметрам используемых усилителей. Так, если рабочая полоса микросхемного усилителя по паспортным данным соответствует 100-5500 МГц, то именно ее и занимает спектр мощности выходного сигнала этого генератора. Один из типовых спектров мощности выходного сигнала
в режиме генерирования хаотических колебаний для случая использования усилителей типа MSA-0986 приведен на фиг.7.
Функцию ответвителя выполняет балансный микрополосковый элемент, рассчитываемый на среднюю частоту-генерируемого диапазона частот. Этот ответвитель включен таким образом, что в нагрузку поступает около 90% мощности сигнала на выходе третьего микросхемного усилителя.
Макеты генераторов были реализованы по микрополосковой технологии. В качестве подложки использовались материалы толщиной 1 мм с диэлектрической постоянной ε= 2,8 и ε= 10,0.
В макетах использовались следующие микросхемные усилители:
1. MSA-0986 (кремниевый биполярный усилитель малой мощности фирмы Agilent Technologies) с полосой рабочих частот 100-5500 МГц по уровню 3 дБ; коэффициент усиления и максимальная выходная мощность, измеренные на частоте 1000 МГц, составляют, соответственно, 7,3 дБ и +10,5 дБм; рабочее напряжение + 7,8 В; ток 35 мА.
2. SGA-6286 (технология SiGe, Sirenza Microwaves) с полосой частот 0-5,5 ГГц; коэффициент усиления и максимальная выходная мощность, измеренные на частоте 1,95 ГГц, составляют, соответственно, 12,4 дБ и + 17,8 дБм; рабочее напряжение - 4 В; ток 75 мА.
В обоих случаях спектр мощности выходного хаотического сигнала простирается от сотен МГц до 5000-5500 МГц (см. фиг.7). Мощность сигнала в нагрузке составляла 10-12 мВт при использовании MSA-0986 и 12-15 мВт для SGA-6286.
Работа генератора по любой из приведенных схем способ генерирования широкополосного СВЧ хаотического сигнала по настоящей полезной модели происходит следующим образом.
Рассмотрим однократное прохождение, например, гармоническим сигналом цепочки из трех усилительных каскадов 1-3, работающих в режимах,
соответственно, усиления малого сигнала, нелинейного усиления и ограничения. Если уровень входного сигнала невелик, то первый усилительный каскад 1 усиливает его практически в линейном режиме или, иначе говоря, без искажения формы сигнала. Усиленный первым усилительным каскадом 1 гармонический сигнал по отношению к следующему (второму) усилительному каскаду 2 попадает в область его нелинейного усиления, что приводит к появлению искажений формы сигнала на выходе второго усилительного каскада 2 и находит свое отражение в возникновении гармоник (субгармоник) в спектральной характеристике сигнала. Наконец, последний этап - прохождение сигнала с гармониками через третий усилительный каскад 3. Амплитуда сигнала на выходе второго усилительного каскада 2 такова, что третий усилительный каскад 3 уже не может его усилить, работая в режиме ограничения сигнала (т.е. в режиме насыщения). Сигнал приобретает еще более сильные искажения формы, обогащая спектральную характеристику появлением дополнительных частотных компонент.
Если далее ослабить этот сигнал, возвращая его к описанному выше малому уровню сигнала на входе усилительной цепочки, и многократно повторить рассмотренный процесс (усиление - ограничение - ослабление), то с учетом всегда существующих на практике задержек сигнала в усилительных каскадах и эффекта затягивания частот в используемом СВЧ тракте, влияния шумов и т.п., сигнал по форме становится шумоподобным, а его спектральная характеристика - сплошной.
Описанную функцию ослабителя сигнала в генераторе по настоящей полезной модели выполняет ответвитель 4, который большую часть сигнала ответвляет в нагрузку 5, а оставшуюся часть направляет на вход первого усилительного каскада 1.
Наличие между усилительными каскадами частотно-избирательных структур, равно как и использование частотно-избирательного ответвителя,
не нарушает общей концепции генерации, но помогает формировать хаотический сигнал с заданными спектральными характеристиками. Полоса частот генерируемого хаотического сигнала определяется соответствующей рабочей полосой усиления используемых в схеме усилительных каскадов.
Поскольку современные усилительные СВЧ сборки имеют рабочую полосу практически от 0 до нескольких ГГц, настоящая полезная модель дает возможность реализовать широкополосные и сверхширокополосные хаотические сигналы с малой неравномерностью спектральной характеристики без дополнительного генератора периодических колебаний с управляемыми амплитудой и частотой.