Redirect= Автомодуляция высокочастотныххаотических колебаний

Автомодуляция высокочастотных хаотических колебаний регулярными низкочастотными колебаниями в генераторе шума на ЛПД 8-мм диапазона волн

№ 2’2020
PDF версия
Проведено исследование изменения режимов работы генератора на лавинно-пролетном диоде (ГЛПД) 8-мм диапазона длин волн от тока диода по наблюдению как спектра, так и временных реализаций с выхода амплитудного детектора. При изменении тока диода от пускового (20 мА) до предельного (100 мА) наблюдалось чередование одночастотной генерации с генерацией широкополосного шумового сигнала, и впервые была обнаружена автомодуляция широкополосного шумового сигнала низкочастотными (НЧ) регулярными колебаниями с двумя различными периодами Т1 ≈ 15 нс и Т2 ≈ 400–500 нс — 1,5 мкс.

Введение

Исследование возможности генерации шума с использованием ЛПД имеет давнюю историю [1]. Это исследование было инициировано в ИРЭ РАН необходимостью применения для генерации шума не только электронно-волновых приборов с задержанной обратной связью [2], но и твердотельных приборов. Авторами работы [1] были проведены обширные исследования по поиску подходящих активных твердотельных приборов для создания на их основе генераторов шума. Эксперименты выполнялись в сантиметровом диапазоне длин волн с помощью диодов Ганна и лавинно-пролетных диодов (ЛПД). Исследования завершились выбором в пользу ЛПД [1, 3]. Для этих генераторов шума (ГШЛПД) были исследованы спектры и временные реализации шумовых сигналов, распределения вероятностей сигнала и автокорреляционные функции, распределение амплитуд после его детектирования. Были созданы генераторы шума с использованием ЛПД в 3‑см диапазоне в микрополосковом исполнении. До настоящего времени результаты этих исследований служили основой представлений о параметрах шумовых сигналов, в частности, о том, что распределение вероятностей сигнала – это распределение, близкое к Гауссову, а его амплитуда хорошо описывается распределением Релея. Поэтому долгое время априори считалось, что у хаотических широкополосных сигналов в коротковолновой части сантиметрового диапазона и, тем более в миллиметровом диапазоне, эти условия всегда выполняются и для характеристики шумового сигнала достаточно только наблюдения его спектра. Проведенные исследования послужили основой для создания ГШЛПД в 8‑мм диапазоне длин волн. В 1985 году такой генератор был создан на ЛПД в волноводной камере с перестраиваемым коаксиальным резонатором, результаты исследования которого были опубликованы значительно позднее в [4]. На основе этого ГШЛПД был создан радиолокатор с двойной спектральной обработкой [5]. Конструкция этой волноводной камеры с коаксиальным резонатором многие годы использовалась в режиме ноу-хау и только недавно была зарегистрирована как патент [6]. Однако большинство экспериментальных работ, в том числе и [5, 6], в миллиметровом диапазоне волн посвящено исследованию спектра генерируемого сигнала и перехода его из одночастотного в многочастотный и затем в шумовой. Для этого используются в основном анализаторы спектра или перестраиваемые волномеры [7–9]. Такие приборы с большим временем накопления данных не дают возможности исследовать поведение генератора за короткие промежутки времени. Однако с появлением «быстрых» осциллографов с полосой частот до 5 ГГц и больше появилась возможность исследовать поведение генераторов широкополосных (в том числе и шумовых) сигналов на очень коротких временах наблюдения, правда, для наблюдения реализаций сигналов миллиметрового диапазона приходится переносить их спектры к нулевой частоте [10]. Но при этом одновременно нельзя обнаружить медленные изменения во времени, которые могут содержать важную информацию, так как для этого необходимо рассматривать чрезвычайно длинную временную реализацию. В данном исследовании мы ликвидируем этот пробел.

 

Экспериментальная установка и метод проведения экспериментов

В настоящей работе исследовалось поведение генератора на ЛПД (ГЛПД) 8‑мм диапазона волн с диодом КА717 В, выполненного в виде волноводно-коаксиальной камеры с измененяемым объемом коаксиальной части [6], при изменении тока диода от пускового в 20 мА до 100 мА. В этом диапазоне изменения тока генератор мог работать в двух режимах: в режиме одночастотной генерации и режиме генерации шума. При одночастотной генерации ее частота измерялась с помощью проходного волномера средней точности (ВСТ), работающего «на отсос», и одновременно наблюдалась ее спектральная линия на анализаторе спектра С4–60. На выходе генератора был включен ферритовый вентиль, а на выходе вентиля – ВСТ. Измерялась выходная мощность генератора с помощью измерителя мощности М3–22 А, который служил согласованной нагрузкой. Между выходом ВСТ и измерителем мощности был включен аттенюатор Д3–36 А, позволявший регулировать в пределах от 0 дБ до –70 дБ уровень мощности, поступающей из основного тракта к анализатору спектра С4–60 и амплитудному детектору. Они были присоединены к боковым выходам (с ослаблением –13 дБ каждый) двух направленных ответвителей, включенных в основной тракт между аттенюатором Д3–36 А и измерителем мощности М3–22 А. Сигнал с выхода амплитудного детектора подавался на вход осциллографа АСК‑2104, чувствительность которого позволяла наблюдать регулярные сигналы с амплитудой до 20 мВ и периодом до 2 нс.

 

Результаты экспериментов

Исследование параметров генерируемого сигнала ГЛПД позволило установить, что при изменении тока диода от 20 до 74 мА спектр сигнала представляет собой одну спектральную линию, частота которой изменяется от 35,3 до 36,4 ГГц, а выходная мощность при токе 40 мА составляла 0,99 мВт, и при токе 74 мА – 2,09 мВт. При этом сигнал с выхода детектора отсутствовал и на экране осциллографа не наблюдался. При увеличении тока до 75 мА возникал режим генерации шумового сигнала. При изменении тока диода в диапазоне 75–79 мА наблюдалась генерация шумового сигнала с изменением характера спектра на С4–60 и временной реализации с выхода детектора на экране осциллографа АСК‑2104. Спектры и реализации этого режима для разных токов представлены на рис. 1, 2. На рис. 1a показан спектр одночастотной генерации на частоте 36,4 ГГц при токе диода 74 мА. На рис. 1б отображен спектр узкополосной шумовой генерации при токе 76 мА вблизи той же частоты при масштабе 50 МГц/дел.

Изменение спектра сигнала от тока диода: I = 74 мA (a), I = 76 мA (б)

Рис. 1. Изменение спектра сигнала от тока диода: I = 74 мA (a), I = 76 мA (б)

На рис. 2 (a, б) для режима генерации шума рис. 1a представлен сигнал с амплитудного детектора при разных скоростях развертки: t1 = 10 нс/дел (a) и t2 = 500 нс/дел (б).

Сигнал детектора при токе 76 мA: t1 = 10 нс/дел (a), t2 = 500 нс/дел (б)

Рис. 2. Сигнал детектора при токе 76 мA: t1 = 10 нс/дел (a), t2 = 500 нс/дел (б)

Как видно из сравнения спектров рис. 1 (а, б), узкополосный шумовой сигнал представляет собой два неярко выраженных максимум – точнее, максимум и небольшое увеличение спектральной плотности мощности на его склоне. Тем не менее на рис. 2a эта особенность выразилась в низкочастотной регулярной генерации колебаний с периодом Т1 ≈ 15 нс/дел. Кроме того, имеют место и более низкочастотные колебания с большим периодом. На рис. 2б представлена осциллограмма того же сигнала, но с более медленной разверткой. Как видно из сравнения рис. 2 (a, б) при медленной развертке выделить низкочастотные регулярные колебания амплитуды, в данном случае с периодом Т1 ≈ 15 нс/дел, практически невозможно, как и низкочастотные колебания с большим периодом Т2. Колебания с периодом Т2 были зарегистрированы в области больших токов.

При увеличении тока до 80 мА вновь возникала одночастотная генерация на частоте 36,67 ГГц, и сигнал с детектора отсутствовал вплоть до тока 84,5 мА. Начиная с тока 84,6 мА в очень узкой области по току (до 85 мА) удалось наблюдать регулярные колебания с самым большим периодом. Спектр высокочастотного (ВЧ) сигнала на С4–60 (масштаб 50 МГц/дел) и сигнал с амплитудного детектора приведен на рис. 3 (a, б).

Спектр ВЧ-сигнала (a) и сигнал детектора (б) при токе диода 84,6 мA

Рис. 3. Спектр ВЧ-сигнала (a) и сигнал детектора (б) при токе диода 84,6 мA

Как видно на рис. 3а, при токе 84,6 мА вновь возникал режим шумовой генерации, а его спектр имел ширину ≈ 200 МГц. Низкочастотный регулярный сигнал с детектора на рис. 3б имел период ≈ 1,5 мкс (Ω0 ≈ 0,67 МГц).

При токе 85 мА режим шумовой генерации устойчив и сохраняется вплоть до тока 100 мА. Изменения режима генерации при токе 85, 95, 100 мА демонстрируют рис. 4, 5.

Как видно на рис. 4a, при токе 85 мА на анализаторе спектра наблюдается широкополосный шумовой сигнал. При масштабе 100 МГц/дел его ширина составляет 400 МГц. На рис. 4 (б, в) представлены осциллограммы сигнала с выхода амплитудного детектора при разных скоростях развертки. Как видно на рис. 4б, при временном масштабе развертки 20 нс/дел можно четко наблюдать колебания амплитуды с периодом Т1 ≈ 15 нс (Ω1 ≈ 67 МГц) и более низкочастотное колебание с существенно большим периодом на рис. 4в. Достаточно точно этот период Т2 ≈ 750 нс (Ω2 ≈ 1,3 МГц) можно определить при временном масштабе 500 нс/дел.

Спектр ВЧ-сигнала (a) и cигнал детектора при токе 85 мA: t1 = 10 нс/дел (б), t2 = 500 нс/дел (в)

Рис. 4. Спектр ВЧ-сигнала (a) и cигнал детектора при токе 85 мA: t1 = 10 нс/дел (б), t2 = 500 нс/дел (в)

При увеличении тока диода до 90 мА характер спектра не изменился. Ширина спектра несколько увеличилась и, при масштабе 100 МГц/дел, составила ≈ 700 МГц. Изменился период низкочастотной модуляции. Он уменьшился и при временном масштабе развертки 500 нс/дел составил Т2 ≈ 400–500 нс (Ω2 ≈ 2,5–2 МГц), причем с изменением по случайному закону. При этом период Т1 практически не изменился. Наиболее существенные изменения спектра ВЧ-сигнала и периода НЧ-модуляции произошли при увеличении тока диода до 95 мА. Они приведены на рис. 5 (a–в).

Спектр ВЧ-сигнала (a) и cигнал детектора при токе 95 мA: t1 = 10 нс/дел (б), t2 = 500 нс/дел (в)

Рис. 5. Спектр ВЧ-сигнала (a) и cигнал детектора при токе 95 мA: t1 = 10 нс/дел (б), t2 = 500 нс/дел (в)

Как видно на рис. 5a, ширина спектра сигнала увеличилась и при масштабе 100 МГц/дел составила ≈ 1000 МГц. При этом увеличение тока приводит к дальнейшему уменьшению периода модуляции Т2. На рис. 5б видно, что он становится меньше 400 нс и меняется по случайному закону вблизи Т2 ≈ 300 нс (Ω2 ≈ 3,3 МГц). На рис. 5в показано, что модуляция с периодом Т1, практически при неизменном периоде Т1 ≈ 15 нс (Ω1 ≈ 67 МГц), маскируется более высокочастотными колебаниями, причем шумовыми. Их период можно грубо оценить при значительном увеличении снимка. По этой оценке можно определить число периодов хаотических колебаний, учитывая скорость развертки осциллографа 10 нс/дел, как Т3 ≈ 1 нс, то есть эти шумовые колебания соответствуют частоте ≈ 1 ГГц.

Изменения периодов НЧ-модуляции высокочастотного сигнала при увеличении тока диода до 100 мА приведены на рис. 6.

Сигнал детектора при токе 100 мA: t1 = 10 нс/дел (a), t2 = 500 нс/дел (б)

Рис. 6. Сигнал детектора при токе 100 мA: t1 = 10 нс/дел (a), t2 = 500 нс/дел (б)

При увеличении тока до 100 мА характер и ширина спектра высокочастотного сигнала остались такими же, как и при токе диода 95 мА. Период Т1 модуляции, как видно на рис. 6a, стал более четко определяем и, как прежде, Т1 ≈ 15 нс, а вот период Т2 модуляции, как видно на рис. 6б, увеличился, изменяясь по случайному закону вблизи Т2 ≈ 750 нс. На основании изменения характера реализаций рис. 6 (a, б) можно заключить, что оптимальный режим развитой хаотической генерации при регулярной НЧ-модуляции достигнут при токе 95 мА, а при токе 100 мА начался возврат к параметрам режима при токе 90 мА.

 

Заключение

Впервые обнаружена автомодуляция широкополосного шумового сигнала генератора шума на ЛПД (ГШЛПД) 8‑мм диапазона волн низкочастотными (НЧ) регулярными колебаниями. Установлено, что имеют место НЧ-колебания с двумя существенно различающимися периодами. Одно из них практически синусоидальное имеет период Т1 ≈ 15 нс, другое, но существенно отличающееся от него по характеру, – периодическое, с периодом Т2 ≈ 300–500 нс. Кроме того, при некоторых режимах генерации шума период Т2 может быть существенно больше: от Т2 ≈ 750 нс до 1,5 мкс. Колебания с периодом Т1 можно связать с неравномерностью спектральной характеристики шумового сигнала в результате возбуждения по крайней мере двух собственных частот колебательной системы ГЛПД, которая хорошо наблюдается на анализаторе спектра при масштабе 50 МГц/дел. При этом масштабе наблюдение неравномерности, соответствующей периоду Т2 на анализаторе спектра С4–60, невозможно. Мелкомасштабная неравномерность спектра, соответствующая НЧ-колебаниям с периодом Т2 ≈ 300 нс – 1,5 мкс (Ω2 ≈ 3,3–0,67 МГц), обусловлена наличием неустановленных пока причин, связанных с особенностью механизма генерации шума в исследуемом ГШЛПД. В сигнале с детектора также наблюдались высокочастотные шумовые колебания. Период их можно грубо оценить как Т3 ≈ 1 нс, то есть эти шумовые колебания соответствуют частоте вблизи ≈ 1 ГГц.

Литература
  1. Андреев Ю. В., Беляев Р. В., Залогин Н. Н. Стохастичность в ЛПД при внешнем гармоническом воздействии//Радиотехника и электроника. 1985. Т. 30. № 7.
  2. ислов В. Я. Теоретический анализ шумоподобных колебаний в электронно-волновых системах и автогенераторах с запаздыванием и сильной нелинейностью//Радиотехника и электроника. 1980. Т. 25. № 8.
  3. Беляев Р. В., Жерновенков А. С., Залогин Н. Н., Мельников А. И. Экспериментальное исследование возбуждения шумовых колебаний в ГЛПД//Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41. № 12.
  4. Мясин Е. А., Котов В. Д. Широкополосные диодные генераторы шума миллиметрового диапазона волн//Радиотехника. 2005. № 3.
  5. Мясин Е. А., Котов В. Д., Ильин А. Ю., Чмиль А. И. Шумовой радиолокатор с аналоговой и цифровой спектральной обработкой сигнала//Радиотехника. 2005. № 3.
  6. Мясин Е. А., Котов В. Д. Генератор СВЧ шумовых колебаний. Патент № 2614925 РФ, по заявке № 2015154277 от 17.12. 2015. Опубл. 30.03.2017. Бюлл. № 10.
  7. Алексеев Ю. И., Демьяненко А. В., Малиев И. В. Генератор шума на ЛПД//Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2007. № 3.
  8. Алексеев Ю. И., Демьяненко А. В. Широкополосный генератор шума на лавинно-пролетном диоде миллиметрового диапазона//Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2008. № 4.
  9. Мясин Е. А., Котов В. Д. Спектрометр широкополосного шумового сигнала миллиметрового диапазона длин волн//ПТЭ. 2017. № 2.
  10. Мясин Е. А. Генерация хаотических колебаний в автогенераторе на лавинно-пролетном диоде//Письма в ЖТФ. 2012. Т. 38. № 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *