Воздействие низкочастотного шумового сигнала на генератор шумовых колебаний миллиметрового диапазона волн на лавинно–пролетном диоде

К настоящему времени известны разные способы воздействия на генератор на лавинно-пролетном диоде для перевода его в режим генерации шумовых колебаний. В работе [1] использовался внешний одночастотный сигнал с частотой 0,150 и 1 МГц для воздействия на цепь питания ЛПД. В работе [2] на цепь питания воздействовали широкополосным регулярным сигналом для повышения спектральной плотности шума широкополосного генератора шума 3‑мм диапазона. В работе [3] воздействовали ВЧ-сигналом непосредственно на высокочастотный тракт генератора. Однако и в случае [1], и в случае [3] результат нельзя рассматривать как способ получения шумового сигнала для реального применения, а результат работы [2] относится к случаю широкополосной генерации со спектральной плотностью мощности всего ≈ 55 дБ от кТ_о.

В [4] рассматривается воздействие шумового НЧ-сигнала на генератор одночастотного сигнала на лавинно-пролетном диоде (ГЛПД) миллиметрового диапазона волн при разных токах диода. Показано, что при определенном уровне шумового НЧ-сигнала ГЛПД превращается в генератор шума с выходной мощностью ≈ 6 мВт и шириной спектра ≈ 200 мГц со спектральной плотностью мощности ≈ 3×10^–11 Вт/Гц, что на порядки больше, чем в [2]. В настоящей работе мы проследим за изменением спектра сигнала генератора хаотических колебаний на ЛПД (ГШЛПД) в результате такого воздействия, начиная с пускового режима возникновения колебаний и заканчивая генерацией широкополосных хаотических (шумовых) колебаний при оптимальном рабочем токе диода.

До проведения экспериментов по воздействию шумовым НЧ-сигналом был создан и исследован генератор шума на ЛПД КА717 Б, который при токе диода 90 мА генерировал широкополосный хаотический (шумовой) сигнал с частотой около 500 МГц [5]. Генерацию шума в такой полосе обеспечивала многорезонансная волноводно-коаксиальная камера генератора [6]. При меньших значениях тока сначала возникала одночастотная генерация. Пусковой режим одночастотной генерации возникал при токе диода 36 мА на частоте 37,15 ГГц. При токе диода 55 мА частота перестраивалась на 37,4 ГГц. Дальнейшее увеличение тока приводило к возбуждению шумовых колебаний без внешнего воздействия.

Измерения спектра сигнала в режиме генерации широкополосного шумового сигнала проводились с помощью спектрометра на основе перестраиваемого волномера с записью спектра на двухкоординатном самописце [7]. Наблюдения за изменением спектра по мере изменения тока диода велись также с помощью анализатора спектра С4–60 и фиксировались на фотографиях его экрана, которые будут приведены ниже.

В [4] приводятся характеристики источника шумового низкочастотного сигнала с шириной спектра 0–3 МГц по уровню –3 дБ, равномерным распределением спектральной плотности мощности шума и нормальным распределением вероятности амплитуд с нулевым средним. Уровень воздействующего сигнала оценивался по среднеквадратичному отклонению амплитуды σ, который определялся с помощью осциллографа С1–75. Этот же источник шумового НЧ-сигнала использовался для воздействия на цепь питания исследуемого ГЛПД — ГШЛПД.

Поскольку в [4] уже было рассмотрено воздействие внешнего шумового НЧ-сигнала на цепь питания одночастотного ГЛПД, мы ограничимся рассмотрением трансформации спектра только при пусковом режиме одночастотной ВЧ-генерации и продолжим наблюдение за этим воздействием уже при генерации шумового ВЧ-сигнала. Режим генерации одночастотного сигнала в пусковом режиме представлен на рис. 1а, а на рис. 1б — изменение спектра под воздействием шумового НЧ-сигнала с величиной σ = 0,1 В при полосе видеофильтра 100 Гц и масштабе 50 МГц/дел.

Рис. 1. Спектры генерации одночастотного сигнала в пусковом режиме::
а) без воздействия;
б) под воздействием

Как видно из рис. 1а–б, под воздействием шумового НЧ-сигнала вблизи пускового режима одночастотная ВЧ-генерация заменяется генерацией широкополосного шумового ВЧ-сигнала, в отличие от генерации узкополосного шумового ВЧ-сигнала в генераторе на ЛПД с узкополосной резонансной системой [4]. При токе диода 80 мА спектр сигнала без воздействия представлен на рис. 2а, а на рис. 2б под воздействием шумового НЧ-сигнала при σ = 0,1 В в масштабе 100 МГц/дел.

Рис. 2. Спектры генерации ГШЛПД:
а) без воздействия;
б) под воздействием

Как видно из рис. 2а–б, под воздействием шумового НЧ-сигнала в спектральной характеристике наблюдается перераспределение мощности ВЧ-сигнала из высокочастотной части спектра в низкочастотную часть, что свидетельствует о соответствующем перераспределении тока по спектру частот.

Аналогичные спектры представлены на рис. 3а для тока диода 97,5 мА в отсутствие шумового НЧ-сигнала, а на рис. 3б — под воздействием шумового НЧ-сигнала большого уровня (σ > 0,5 В) для существенного влияния на характер спектра, которое сопровождалось также увеличением тока диода до 99 мА.

Рис. 3. Спектры генерации ГШЛПД:
а) без воздействия;
б) под воздействием

Как видно из рис. 3а–б, под воздействием шумового НЧ-сигнала при большой величине σ спектральная характеристика ГШЛПД может существенно изменяться за счет изменения уровня воздействия даже при развитом режиме нелинейной хаотизации колебаний в ГШЛПД.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что при воздействии узкополосного шумового НЧ-сигнала на цепь питания широкополосного ГШЛПД можно управлять его спектральной характеристикой. При этом по мере увеличения уровня воздействия сначала происходит перераспределение тока из области, связанной с большой величиной тока (80–90 мА), в область меньших токов вплоть до пускового тока, а затем, в зависимости от уровня воздействия, можно менять распределение тока так, чтобы изменять неравномерность спектральной характеристики ГШЛПД. При воздействии на одночастотную генерацию вблизи пускового режима и использовании широкополосной автоколебательной системы ГШЛПД реализуется широкополосная шумовая генерация даже при малом уровне воздействия. Следовательно, благодаря воздействию шумового НЧ-сигнала на цепь питания ЛПД генерацию широкополосных шумовых колебаний можно реализовать при любом рабочем токе диода.

Объяснение этому явлению, представленное в [4] на основе ВАХ ЛПД, можно дополнить, сравнивая периоды низкочастотного и высокочастотного колебаний. Разница в периодах колебаний на максимальной частоте f₁ = 3 МГц и f₂ = 37 ГГц велика, и отношение Т₁/Т₂ составляет ≈ 12,3×10³. Следовательно, для процесса, связанного с образованием лавины в ЛПД, изменение тока оказывается чрезвычайно медленным и не может помешать изменению высокой частоты вслед за изменением амплитуды низкочастотного колебания. Поскольку изменение амплитуды НЧ-сигнала происходит по случайному закону, изменение частоты и амплитуды ВЧ-колебания изменяется таким же образом. Таким образом, собственные шумы лавины могут эффективно усиливаться, и, как и в случае нелинейной хаотизации колебаний в ГШЛПД, генерируемый сигнал в случае модуляции шумовым НЧ-сигналом по цепи питания ЛПД является прямошумовым, т. к. реализуется за счет усиления собственных шумов ЛПД, связанного с пролетной неустойчивостью.

Итак, предложенный способ генерации шумовых колебаний миллиметрового диапазона в ГЛПД и управления режимом генерации хаотических колебаний в ГШЛПД миллиметрового диапазона волн существенно расширяет область использования таких генераторов. Оба типа генераторов теперь имеют возможность работать в двух режимах: одночастотном и шумовом, что обеспечивается отключением или включением модулирующего шумового НЧ-сигнала. Такие ГЛПД и ГШЛПД могут найти широкое применение в разных областях науки и техники.