Радиотехника и электроника, 2020, T. 65, № 3, стр. 285-287

ВВЕДЕНИЕ

Генераторы сигналов, основанные на явлении динамического хаоса, применяются в системах радиосвязи, радиолокации, радиовидения, радиоэлектронной борьбы и других областях. В качестве элементной базы применяются как вакуумные, так и полупроводниковые приборы, а диапазон частот, в которых работают генераторы хаоса, простирается до сотен гигагерц [1]. В данном контексте активные антенны, или антенны-генераторы (АГ), выполненные в виде микрополосковой антенны, интегрированной с активным элементом (например, диодом или транзистором), без использования промежуточных фидеров, представляют интерес. Они позволяют создавать малогабаритные источники излучения в широком диапазоне частот, в том числе в виде многоэлементных матриц [2]. Генерация в зависимости от условий может быть одночастотной или многочастотной, наблюдалась также стохастизация колебаний [3].

В данной работе исследована возможность генерации шумоподобных сигналов в сантиметровом диапазоне волн с помощью микрополосковых антенн-генераторов на полевых транзисторах.

1. КОНСТРУКЦИЯ АНТЕННЫ-ГЕНЕРАТОРА

В основе антенны-генератора лежит микрополосковая логопериодическая антенна с включенным в ее плечи полевым транзистором (рис. 1). Антенна расположена на тонкой (0.25 мм) диэлектрической подложке, с обратной стороны которой на расстоянии d находится металлический экран. Представленная конструкция позволяет изменять расстояние между антенной и отражающим экраном.

Рис. 1.

Конструкция и схема включения антенны-генератора; d – расстояние между плоскостью антенны и металлическим экраном.

Эксперименты проводили с использованием полевых транзисторов NE3514S02 с рабочей частотой до 20 ГГц. Сток и затвор транзистора присоединены к лепесткам антенны, исток “заземлен”.

Рассматриваемая логопериодическая антенна представляет собой совокупность колебательных контуров. Основной является частота, определяемая длиной наибольшего зубца l, примерно равной четверти эффективной длины волны в диэлектрике [4, 5]:

где ${{\lambda }_{{{\text{эф}}}}} = {\lambda \mathord{\left/ {\vphantom {\lambda {\sqrt {{{\varepsilon }_{{{\text{эф}}}}}} }}} \right. \kern-0em} {\sqrt {{{\varepsilon }_{{{\text{эф}}}}}} }}$ – эффективная длина волны, $\lambda $ – длина волны в вакууме, ${{\varepsilon }_{{{\text{эф}}}}} \approx {{\left( {{{\varepsilon }_{r}} + 1} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {{{\varepsilon }_{r}} + 1} \right)} 2}} \right. \kern-0em} 2}$ – эффективная диэлектрическая проницаемость.

Из расчета микрополосковой антенны логопериодического типа, проведенного методом пространственной матрицы передающих линий [6], при возбуждении одного из лепестков антенны, следует, что в данной схеме обратная связь реализуется за счет наведения СВЧ-поля в области затвора транзистора. Это видно из распределения плотности энергии по площади антенны (рис. 2), где наиболее темный цвет соответствует наибольшему значению энергии электрического поля. На рис. 3 представлены зависимости коэффициента отражения (S₁₁) и коэффициента передачи (S₂₁) от частоты. Из рисунка видно, что в диапазоне частот 7…11 ГГц существуют области с минимальным отражением и высоким коэффициентом передачи (коэффициент обратной связи), что является необходимым условием для начала генерации.

Рис. 2.

Плотность электрической энергии при возбуждении одного лепестка антенны; d = 0.5 мм.

Рис. 3.

Зависимость коэффициентов отражения (1) и обратной связи (2) от частоты при возбуждении одного лепестка антенны; d = 0.5 мм.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Как показывают эксперименты, в такой схеме возможно возбуждение одночастотной, многочастотной и шумоподобной генерации. Тип генерации зависит от многих параметров, в том числе от расстояния между плоскостью антенны и металлическим экраном, а также от параметров транзистора и положения рабочей точки. Переход к хаосу в случае малых расстояний между плоскостью антенны и отражающим экраном ($d < 0.1\lambda $) представлен на рис. 4а, 4б и 4в.

Рис. 4.

Генерация на основной частоте и второй гармонике при I_си = 20 мА (а), многочастотная генерация при I_си = 15 мА (б); d = 0.5 мм и генерация шумоподобного сигнала при I_си = 10 мА; d = 0.75 мм (в).

Переход к хаотической генерации, как правило, требует тонкой подстройки рабочей точки транзистора за счет изменения напряжений в цепи затвор–исток U_зи и в цепи сток–исток U_си, а также расстояния между плоскостью антенны и металлическим экраном. Получить воспроизводимым образом относительно равномерный шумоподобный спектр не удается.

Для улучшения спектральной характеристики и обеспечения воспроизводимости результатов был исследован режим работы генератора с использованием внешнего низкочастотного шумового сигнала [7, 8]. Генератор низкочастотного шума с полосой до 80 МГц и максимальной амплитудой до 300 мВ подключали к затвору транзистора. В этом случае переход к шумоподобной генерации возможен в более широком диапазоне токов в цепи сток–исток, а зависимость спектра от расстояния между плоскостью антенны и металлическим экраном сохраняется.

При расстояниях, близких к четверти длины волны, когда в отсутствие модуляции шумовым низкочастотным сигналом наблюдается одночастотная генерация, подключение генератора шума приводит к возникновению сплошного спектра хаотических колебаний со сравнительно небольшой неравномерностью (рис. 5а). При уменьшении расстояния между плоскостью антенны и металлическим экраном до величины, близкой к 0.1λ, и в условиях воздействия шумовым низкочастотным сигналом ширина полосы хаотических колебаний может достигать 2 ГГц (рис. 5б).

Рис. 5.

Генерация шумоподобного сигнала при использовании внешнего генератора шума при различных параметрах: а) d = 12.5 мм, I_си = 30 мА, б) d = 0.45 мм, I_си = 17 мА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Получение шумоподобной генерации в схеме микрополосковой антенны-генератора с полевым транзистором сопряжено с рядом трудностей: требуется достаточно тонкая подстройка режима работы транзистора и подбор расстояния между плоскостью антенны и металлической подложкой. Использование внешнего низкочастотного генератора шума позволяет расширить не только область параметров, при которых генерация переходит от одночастотной к хаотической, но и получить более равномерный спектр хаотических колебаний. При этом ширина спектра может достигать 2 ГГц.