СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ СВЧ ШУМОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при разработке СВЧ-аппаратуры различного назначения, в частности, для шумовой радиолокации, радиовидения и медицины.

Известен способ увеличения спектральной плотности мощности сверхширокополосного источника СВЧ шумовых колебаний на лавинно-пролетном диоде (ЛПД) [1], спектр которого перекрывает весь 3 мм диапазон волн, за счет воздействия на цепь питания ЛПД внешнего импульсного сигнала.

Для достижения эффекта увеличения спектральной плотности мощности генератора питание ЛПД осуществлялось смещением на постоянную величину напряжения (меньшую на 0,1B пробивного) и наложением импульсов с длительностью 2,2 нс и амплитудой 3B. Импульсы могли подаваться с различной скважностью, период Т их повторения составлял 0,1…1,0 мкс, т.е. частота следования импульсов могла изменяться от 1.0 МГц до 10 МГц. В результате воздействующий низкочастотный сигнал представлял собой набор гармоник, т.е. имел широкополосный многочастотный спектр [2].

Это техническое решение невозможно использовать для генератора одночастотных колебаний на ЛПД (ГЛПД) с напряжением больше пробивного, так как амплитуда гармоник слишком мала.

Известен также способ генерации шумовых колебаний при наложении на напряжение питания ГЛПД СВЧ-диапазона гармонического напряжения модуляции на частотах Ω от 0.1 МГц до 1.0 МГц [3]. Недостатком такого способа генерации СВЧ шумовых колебаний является то, что ширина спектра СВЧ шумовых колебаний чрезвычайно мала и имеет большую неравномерность спектральной характеристики. Этот генератор имел как волноводно-коаксиальную конструкцию, так и микрополосковую конструкцию. При больших амплитудах модулирующего колебания и при наличии резонансного контура в цепи питания на частоте Ω/2 в высокочастотных колебаниях происходит расширение дискретного спектра генерируемых частот и при определенных условиях происходит переход к генерации СВЧ шумовых колебаний. При этом напряжение питания устанавливается выше пробивного. Этот способ является более близким к предлагаемому техническому решению. Недостатком такого способа генерации СВЧ шумовых колебаний является то, что ширина спектра СВЧ шумовых колебаний в микрополосковой конструкции даже при максимальной частоте модуляции в 1 МГц составляет всего 6 МГц. Причем на этой ширине спектра имеют место 4е максимума спектральной плотности мощности шума (СПМШ), которые от первого максимума уменьшаются по экспоненциальному закону, а разница СПМШ в минимумах и максимумах составляет более 10 дБ. В генераторе волноводно-коаксиальной конструкции при частоте модуляции 150 кГц ширина спектра в виде чередования максимумов и минимумов составила 13.5МГц, но с неравномерностью также более 10 дБ.

Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, - устранение этих недостатков, т.е. задача увеличения ширины спектра СВЧ-сигнала и уменьшения неравномерности спектральной мощности шума. Для этого в предлагаемом техническом решении на цепь питания генератора на ЛПД (ГЛПД) СВЧ-диапазона при напряжении выше пробивного воздействуют низкочастотным шумовым напряжением с возможностью изменения его величины и с шириной спектра и его граничной верхней частотой не менее 3 МГц. При таком воздействии на цепь питания генератора одночастотных (или регулярных многочастотных) колебаний СВЧ-диапазона на ЛПД (ГЛПД) происходит подавление генерации одночастотных (или регулярных многочастотных) колебаний СВЧ-диапазона с возбуждением СВЧ шумового сигнала. Ширина спектра этого СВЧ шумового сигнала определяется режимом работы ЛПД, уровнем модулирующего шумового низкочастотного напряжения и добротностью электродинамической системы ГЛПД. При увеличении уровня модулирующего шумового напряжения ширина спектра СВЧ-шума увеличивается и вблизи пускового тока генерации зависит от добротности электродинамической системы ГЛПД и определяется ею, а по мере увеличения тока диода и перестройке генерации в ГЛПД вверх по частоте достигает ширины спектра, равной диапазону перестройки. При пусковом токе генерации спектр шумового СВЧ-сигнала имеет сначала огибающую, соответствующую узкополосной резонансной автоколебательной системе ГЛПД, и только один максимум. А затем ширина спектра СВЧ-сигнала изменяется, увеличиваясь с ростом тока от его минимального значения при пусковом токе генерации. Техническое решение поясняется: Фиг. 1, Фиг. 2а, б, в, г, Фиг. 3а, б, Фиг. 4а, б.

На Фиг. 1а, б приведен Рис. 2 из работы [3], демонстрирующий спектры генерируемых шумовых сигналов в СВЧ-диапазоне генераторов двух конструкций, о которых говорилось ранее. На Фиг. 1а приведен спектр СВЧ-сигнала генератора волноводно-коаксиальной конструкции при частоте модуляции 150 кГц. На Фиг. 1б приведен спектр СВЧ-сигнала генератора микрополосковой конструкции с метками через 10 МГц при частоте модуляции 1 МГц.

На Фиг. 2а, б, в, г, представлен результат воздействия НЧ шумового напряжения с шириной спектра 3МГц для трех его уровней (при отсутствии или малом U=0.05 В, среднем U=0.1 В, максимальном U=0.5 В) на цепь питания ГЛПД на фотографиях спектра высокочастотного (ВЧ) сигнала 7 мм диапазона волн с экрана анализатора спектра С4-60 при токе через диод 80 мА. Параметры экрана анализатора спектра С4-60 для Фиг 2а, б, в, г: масштаб 20 МГц/дел, полоса видео фильтра 10 кГц, скорость развертки 2 мсек/дел. На Фиг. 2д представлена фотография того же сигнала, что и на Фиг. 2 г, но полоса видеофильтра 100 Гц, а масштаб 50 МГц/дел. Мощность на выходе генератора 5.6 мВт и практически не меняется при изменении уровня НЧ шумового напряжения.

На Фиг. 3а приведена фотография спектра многочастотного сигнала ГЛПД с широкополосной автоколебательной системой, реализованного при рабочем токе диода, величина которого меньше рабочего тока автономной генерации широкополосного СВЧ шумового сигнала (без внешнего воздействия НЧ шумового напряжения с шириной спектра и граничной верхней частотой 3МГц).

На Фиг. 3б приведена фотография спектра ГЛПД с широкополосной автоколебательной системой, реализованного при одном и том же рабочем токе диода, что и на Фиг. 3а, под воздействием внешнего низкочастотного шумового напряжения с шириной спектра и граничной верхней частотой спектра 3 МГц.

На Фиг. 4а приведена фотография спектра воздействующего низкочастотного шумового напряжения с экрана анализатора спектра С4-27 при полосе обзора 0.3 МГц……3 МГц, а на Фиг. 4б - при полосе обзора 3 МГц……50 МГц с метками через 10 МГц.

Техническое решение реализуется следующим образом. К ЛПД, размещенному в генераторной камере (или в любой другой, например, микрополосковой автоколебательной системе), подводится электропитание от стабилизатора тока и устанавливается требуемая его величина (с учетом паспорта прибора). Элементами настройки генераторной камеры и изменением величины тока диода добиваются генерации либо одночастотных, либо многочастотных колебаний (в зависимости от желаемой ширины спектра СВЧ шумовых колебаний). Затем на цепь питания ЛПД воздействуют низкочастотным шумовым напряжением, величина которого может изменяться, с шириной спектра и его граничной верхней частотой не менее 3 МГц. При изменении постоянного тока через ЛПД (после пробоя и возникновения одночастотной генерации) изменяется, как известно, и частота генерации. При достижении пускового режима моногенерации и дальнейшем увеличении тока на вольт-амперной характеристике (ВАХ) располагается единственная рабочая точка с координатами U-I. Воздействие на цепь питания шумовым сигналом приводит к тому, что к данным значениям U и I теперь добавляется шумовая составляющая, изменяющая по случайному закону ток диода. В результате величина постоянного тока, обеспечивающая необходимую его величину для моногенерации, теперь оказывается «размазанной» по некоторому диапазону амплитуд I тока, изменяющегося по случайному закону. Это приводит к подавлению генерации на одной частоте и в зависимости от величины этого диапазона I определяет сначала (в пусковом режиме и вблизи него) генерацию узкополосного шумового сигнала, ширина которого определяется добротностью узкополосной автоколебательной системы ГЛПД. По мере увеличения рабочего тока (без внешнего НЧ шумового сигнала) до I>I_п происходит перестройка вверх частоты моногенерации от f_п до f. В этом случае увеличение уровня НЧ шумового сигнала и, как следствие, диапазона изменения тока диода при достаточно большой его величине обеспечивает генерацию широкополосного шумового сигнала с шириной спектра ΔF=f-f_п за счет появления носителей тока, соответствующих «пройденным» величинам тока при отсутствии модуляции. Таким образом, изменяя величину воздействующего низкочастотного шумового напряжения, изменяют ширину спектра шумового сигнала миллиметрового диапазона волн (при генерации первоначально одночастотной генерации) до величины, определяемой параметрами автоколебательной системы генератора и диапазоном перестройки частоты, связанной с диапазоном изменения рабочего тока ЛПД.

В случае генерации СВЧ широкополосного многочастотного сигнала, возникающей в результате нелинейного взаимодействия многих собственных резонансных частот широкополосной автоколебательной системы ГЛПД, воздействие на цепь электропитания ЛПД низкочастотного шумового напряжения достаточной величины с шириной спектра и его граничной верхней частотой не менее 3 МГц, приводит к генерации СВЧ шумовых колебаний с шириной спектра, равной ширине спектра многочастотного сигнала.

Но самое главное достоинство предлагаемого способа генерации шумовых СВЧ-колебаний заключается в том, что для его реализации нет необходимости переводить ЛПД в напряженный нелинейный режим, необходимый для нелинейной хаотизации колебаний. Генерация СВЧ-шума при использовании предлагаемого способа возможна уже при пусковом режиме одночастотной генерации.

ЛИТЕРАТУРА

[1]. Лошицкий П.П., Павлюченко А.В. Исследование сверхширокополосных генераторов шума миллиметрового диапазона длин волн с высоким уровнем шумов // Радиотехника и информатика. 2006. №4. С. 4-10

[2]. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. // Изд. - во «Советское радио». М., 1963. С. 48.

[3]. Кокорин И. А. Особенности режима глубокой модуляции тока питания ГЛПД // Электронная техника. Серия 1. 1984. Вып. 2. С. 25-27.