CC BY
11Электроника СВЧ
УДК 621.382
А. В. Демьяненко
Южный федеральный университет
Исследование шумовых параметров генератора на лавинно-пролетном диоде в режиме хаотической генерации
Рассмотрена возможность оценки основных параметров шумовой генерации -частотной полосы и неравномерности частотной характеристики - при переводе генератора на лавинно-пролетном диоде из детерминированного режима в режим хаотической генерации.
Лавинно-пролетный диод, СВЧ-генератор, хаотическая генерация, шумовые параметры
Возрастающий интерес к шумовой генерации повышенного уровня мощности привлекает внимание разработчиков к исследованию детерминированных СВЧ-генераторов на лавинно-пролетном диоде (ЛПД) в режиме хаотической генерации [1], [2]. Основным достоинством упомянутых генераторов является высокий уровень выходной мощности, превосходящий на 2-3 порядка выходную мощность традиционно построенных шумовых генераторов [3], [4].
Теория хаотических генераторов разработана еще не до такой степени, когда можно аналитическим путем получить сведения об основных параметрах шумовых генераторов -полосе шумовой генерации и уровне мощности шума (особенно о неравномерности распределения шума в исследуемой полосе частот). В этой связи представляет интерес экспериментальный анализ зависимости упомянутых вторичных параметров от первичных параметров (тока питания ЛПД, мощности Рс и частоты /с сигнала внешнего воздействия), изменяя которые, можно управлять выходными характеристиками шумового генератора.
В настоящей статье представлен такой анализ на основе большого экспериментального материала, полученного при исследовании генератора на ЛПД, построенного на микрополос-ковом резонаторе. Колебательная система данного типа выбрана неслучайно, поскольку она является низкодобротной, что позволяет надеяться на широкополосную шумовую генерацию.
Эскиз конструкции исследуемого в работе генератора показан на рис. 1, а, где 1 -генераторный ЛПД; 2 - резонатор (полуволновый отрезок несимметричной микрополос-ковой линии, разомкнутый на конце); 3 - четвертьволновый трансформатор, осуществляющий импедансное согласование между диодом и выходной линией передачи; 4 - цепь питания ЛПД, 5 - корпус генератора.
В представленном на рис. 1 генераторе при токе питания ЛПД /() — 86 мА получено излучение в детерминированном режиме со следующими параметрами: основное колебание на частоте = 8.66 ГТц с выходной мощностью 34.5 мВт и вторая гармоника на частоте /2 = 17.3 ГГц с выходной мощностью 537 мкВт (рис. 1, б).
110 © Демьяненко А. В., 2012
вых, дБм
1/ууууууууу.
Выход СВЧ-сигнала
- 20 -
- 40'
f ГГц
б
Рис. 1
Далее представлены результаты исследования получения хаотической генерации при воздействии на генератор внешним сигналом, который рассматривается как внешняя сила, увеличивающая число степеней свободы и превращающая генератор в сложную нелинейную динамическую систему, в которой возможен хаос [5].
Предварительно установлено, что внешние сигналы с частотами /с < 10 МГц и мощностью Рс < 10 дБм существенного влияния на генератор не оказывают и в лучшем случае
приводят систему в состояние многочастотной генерации. В этой связи результаты экспериментального анализа представлены при значениях параметров, превышающих указанные. В рамках исследования наилучшие результаты получены при ^=150 МГц,
Рс < 13.7 мВт и /0 = 86 мА. Спектр шумовой генерации занимал полосу 1.84 ГГц по уровню 1 мкВт. Пиковые значения шума в указанной полосе частот достигали 0.5 мВт, таким образом, неравномерность шумовой генерации составила около 25 дБ. На рис. 2 представлен спектр выходного сигнала генератора при /с - 210 МГц, Рс = 13.5 мВт и /0 = 86 мА
(|а - общий вид спектра*; б - основная гармоника). Неравномерностью спектра возможно управлять органами регулировки генератора. Ширина полосы хаотической генерации изменялась с изменением частоты сигнала внешнего воздействия /с.
Полученные экспериментальные результаты далее представлены в виде зависимостей основных параметров шумовой генерации от первичных параметров генератора и от сигналов внешнего воздействия. Экспериментальным путем установлено, что параметры
вых, дБм
- 20
- 40
1 1 1 0 - 10
5 15 f ГГц
А 1 - 20
l/^L N Л - 30
1 М WM Aw ^вых, дБм
а
Рис. 2
f ГГц
Спектральный пик в области низких частот представляет собой прямое прохождение сигнала внешнего воздействия, удаляемого из излучения последующими каскадами.
0
5
а
0
б
А/, ГГц 1.8
1.6
1.4 1.2
- /
_L
_L
J_
80
0 - 10
- 20
- 30
^вых, дБм
105
150
185 9.5
/с, МГц
f ГГц
f ГГц
внешнего воздействия, провоцирующего переход к хаотической генерации, существенно влияют на полосу хаотической генерации: так, при изменении /с от 80 до 180 МГц шумовая полоса по уровню 1 мкВт Af увеличивалась от 1.2 до 1.9 ГГц, что свидетельствует о возможность управления такой полосой. На рис. 3, а представлена зависимость Af fc , а на рис. 3, б приведены экспериментально измеренные спектры хаотического сигнала для трех частот /с при
Рс =13.5 мВт и /0 = 86 мА. С выходом /с
за указанные пределы хаотическая генерация прекращалась. Следует заметить, что характеристика на рис. 3, а получена при фиксированной нагрузке, из чего следует вывод о необходимости оптимизировать нагрузку генератора при его проектировании.
Зависимости максимального уровня Pmax спектральных составляющих шумовых спектров от частоты внешнего воздействия показаны на рис. 4 (/0 =86 мА; кривая 1 получена при Рс =13.5 мВт, кривая 2 - при Рс= 20 мВт ). Из представленных зависимостей следует падение амплитуды шумовых выбросов с увеличением частоты внешнего воздействия. Кроме того, зафиксировано, что увеличение Рс при /с = const приводит к снижению уровней выбросов из-за расширения полосы хаотической генерации. На рис. 5 приведен весьма важный технический параметр шумового генератора - частотная зависимость неравномерности огибающей шумового спектра 6Р (на участке АЧХ, близком к плоскому) при /0 = 86 мА
(кривая 1 получена при Рс—13.5 мВт, кривая 2 - при /^=20мВт). Рис. 5 показывает влияние мощности Рс на частотную неравномерность, однако более существенным фактором, влияющим на этот параметр, является степень согласованности генератора шума с нагрузкой.
0 - 10
- 20
- 30
Рвых, дБм
0 - 10
- 20
- 30
Рвых, дБм
f, ГГц
б
Рис. 3
дБм
- 7
60
ч 2
V I t
I \
"i 120 V
5Р, дБм
17
\
_AlSO Ус.МГц
. У Г т
* / ч '
¥ »-л /
12
V
V
I I
*
л
У \
1 ?
I 1
А
\
I ш г
/
у
ЛI / \i
60
120
Рис. 5
180 fc, МГц
ч
Рис. 4
Для определения качества шумового сигнала рассчитана его корреляционная функция (рис. 6) при /с = 210 МГц, Рс = = 13.5 мВт и /0=86мА. Полученное время корреляции т « 2.3 не свидетельствует, что исследуемый шумовой процесс соответствует шумовому процессу с достаточно равномерным спектром в полосе частот вплоть до нескольких сотен мегагерц.
В эксперименте также было отмечено появление шумового спектра в окрестности второй гармоники генератора, настроенного в детерминированном режиме (см. рис. 1, б, в).
K 0.7 0.6 0.4 0.2
0
10
Рис. 6
15
т, нс
Список литературы
1. Экспериментальное исследование возбуждения шумовых колебаний в генераторах на лавинно-пролетных диодах / Р. В. Беляев, А. С. Жерновенков, Н. Н. Залогин, А. И. Мельников // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41, № 12. С. 1484-1489.
2. Мясин Е. А., Котов В. Д. Широкополосные диодные генераторы шума миллиметрового диапазона волн // Радиотехника. 2005. № 3. С. 46-50.
3. Алексеев Ю. И., Демьяненко А. В. Широкополосный генератор шума на лавинно-пролетном диоде миллиметрового диапазона // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2008. Вып. 4. С. 74-76.
4. Алексеев Ю. И. Шумовой источник на основе автоколебательной системы на лавинно-пролетном диоде // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53, № 6. С. 760-762.
5. Дмитриев А. С., Кислов В. Я. Стохастические колебания в радиофизике и электронике. М.: Наука, 1989. 280 с.
A. V. Demyanenko Southern federal university
Research of noise parameters of IMPATT oscillator in a mode of chaotic generation
Possibility of an assessment of key parameters of noise generation - frequency band and non-uniformity of the frequency response -when IMPATT oscillator is transferred from the determined mode to a mode of chaotic generation is considered.
IMPATT diode, UHF oscillator, chaotic generation, noise parameters
Статья поступила в редакцию 2 ноября 2012 г.
7
0
