Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике  

На правах рукописи

ЕФРЕМОВА ЕЛЕНА ВАЛЕРИЕВНА

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ ХАОСА МИКРОВОЛНОВОГО ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

01.04.03 - Радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва - 2008

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Безручко Борис Петрович

доктор физико-математических наук, профессор

Кащенко Сергей Александрович

доктор физико-математических наук, профессор

Бутковский Олег Ярославович

Ведущая организация Институт прикладной физики РАН

       Защита состоится 17 октября 2008 года в 10-00 на заседании диссертационного совета Д 002.231.02 при Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН по адресу: 125009, Москва, ГСП-9, ул. Моховая, д. 11, корп. 7.

       С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН

Автореферат разослан л сентября 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор физико-математических наук                                А.А. Потапов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Открытие динамического хаоса явилось одним из самых ярких событий в науке второй половины двадцатого века. Значимость этого события определяется красотой самого явления, удивительной математикой, развитой для описания динамического хаоса и связанных с ним проблем, широкой распространенностью этих нерегулярных процессов в природе и искусственных системах, созданных человеком.

Уже в самом начале формирования динамического хаоса как научного направления большой интерес проявлялся к исследованию этого явления в радиофизике. Причины этого интереса заключались как в изучении фундаментальных свойств динамического хаоса (который тогда называли стохастическими колебаниями), так и в поиске путей применения этого явления. Для практического использования динамического хаоса в таких традиционных прикладных проблемах радиофизики как радиолокация, радиосвязь, защита информации, прежде всего, нужно иметь источники хаотических сигналов в различных участках электромагнитного спектра.

Первые источники динамического хаоса микроволнового диапазона - шумотроны, были созданы на основе электровакуумных приборов в конце 60-х начале 70-х годов прошлого века. Они были использованы как для фундаментальных исследований явлений нелинейной радиофизики, так и в прикладных задачах, связанных с защитой радиоэлектронных систем. С точки зрения теории автоколебаний, эти источники представляли собой системы с распределенными параметрами.

Позже, в 80-х годах были созданы источники микроволнового хаоса на основе твердотельных активных элементов, что позволило существенно расширить области применения этого явления, В частности, на основе этих источников удалось создать компактные устройства защиты информации в вычислительных системах по побочным излучениям. Следует, однако, отметить, что, как и источники хаоса предыдущего поколения, источники микроволнового хаоса на основе твердотельных элементов представляли собой устройства с распределенными параметрами.

К началу 90-х годов в результате многолетних исследований отечественных и зарубежных научных коллективов в области динамического хаоса и смежных проблем была создана критическая масса знаний, указывающая на чрезвычайную перспективность использования динамического хаоса в широком круге задач обработки и передачи информации. К этим задачам относятся сверхширокополосная беспроводная связь, использующая в качестве носителя информации хаотические сигналы, шумовая радиолокация, определение характеристик радиофизических систем с помощью хаотических сигналов.

Для успешной реализация этих задач требовалось создание на современной технологической базе нового поколения источников динамического хаоса, с характеристиками и свойствами, предназначенными для массового использования. Такими источниками, по предварительным оценкам, могли бы стать твердотельные источники на основе автоколебательных систем с конечным числом степеней свободы. Однако теория и практика создания таких источников на момент постановки задачи отсутствовали. Поэтому научно-техническая проблема, которую предстояло решить, формулировалась так: создать физико-математические основы теории твердотельных источников микроволнового хаоса  на базе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами, разработать расчетные методы, позволяющие адекватно реализовать положения теории в физических устройствах, и подтвердить эффективность созданной теории экспериментально. Решение этой проблемы является целью диссертационной работы.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи:

0. предложить и обосновать принципы построения твердотельных источников хаотических колебаний микроволнового диапазона на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами;
1. разработать базовые математические модели низкоразмерных автоколебательных систем с твердотельными активными элементами, способные демонстрировать типичные бифуркационные ситуации, приводящие к генерации хаотических колебаний;
2. выявить механизмы и условия, эффективно влияющие на спектральные характеристики хаотических колебаний в системах с малым числом степеней свободы;
3. разработать теорию формирования спектральных характеристик хаотических сигналов в таких системах;
4. разработать расчетные методы и методы компьютерного моделирования, позволяющие адекватно реализовывать положения теории в физических устройствах с учетом реальных характеристик входящих в них элементов;
5. разработать лабораторные макеты источников микроволнового хаоса в различных участках микроволнового диапазона и экспериментально проверить теоретические результаты;
6. создать источники микроволнового сверхширокополосного хаоса для беспроводной сверхширокополосной связи;
7. проанализировать возможности практического использования твердотельных источников хаоса на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами.

Научная новизна работы заключена в следующих результатах:

• Созданы физико-математические основы теории твердотельных источников хаоса на базе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами.
• Изучены механизмы и условия, определяющие спектральные свойства хаотических колебаний, возбуждаемых в автоколебательных системах с малым числом степеней свободы.
• Предложены и исследованы математические модели автоколебательных систем с твердотельными активными элементами для получения хаотических колебаний с заданными спектральными характеристиками.
• Разработаны методы компьютерного моделирования источников микроволнового хаоса с учетом реальных характеристик входящих в них элементов.
• Предложен, математически обоснован и экспериментально апробирован метод формирования хаотических импульсов путем внешнего управляющего воздействия на автоколебательную систему.
• На основе разработанной теории созданы и исследованы в различных участках микроволнового диапазона лабораторные макеты источников хаоса с твердотельными активными элементами.
• Реализован и экспериментально исследован ряд источников микроволнового хаоса для беспроводной сверхширокополосной связи.
• Разработаны и изготовлены экспериментальные образцы источников хаоса микроволнового диапазона в виде монолитных микросхем на кремний-германиевой технологии.
• Проведен анализ перспективных направлений практического использования разработанных источников микроволнового сверхширокополосного хаоса в системах передачи информации.

Практическая значимость работы. Разработанная теория позволяет синтезировать автоколебательные системы с сосредоточенными параметрами, генерирующие хаотические колебания с заданными спектральными свойствами в микроволновом диапазоне.

Совокупность полученных в диссертации результатов позволяет создавать твердотельные источники сверхширокополосных хаотических колебаний микроволнового диапазона с заданными спектральными характеристиками на основе сосредоточенных элементов, в том числе в виде монолитных интегральных микросхем.

Предложенные в работе принципы генерации хаотических колебаний микроволнового диапазона могут быть эффективно использованы при создании источников сигналов для активно развивающихся в настоящее время сверхширокополосных беспроводных систем связи на основе хаотических сигналов и сенсорных сетей.

Разработанные в ходе работы над диссертацией микроволновые источники хаоса использованы в сверхширокополосных прямохаотических приемопередающих устройствах ППС-40 и ППС-50.

Результаты диссертационной работы используются при подготовке специалистов, аспирантов и студентов в МФТИ и ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Принципы построения твердотельных источников хаотических колебаний микроволнового диапазона на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами.
2. Базовые математические модели низкоразмерных автоколебательных систем с твердотельными активными элементами, способные демонстрировать типичные бифуркационные ситуации, приводящие к генерации хаотических колебаний.
3. Теория формирования спектральных характеристик хаотических сигналов в автоколебательных системах с сосредоточенными параметрами.
4. Расчетные методы и методы компьютерного моделирования, позволяющие адекватно реализовывать положения теории в физических устройствах с учетом реальных характеристик входящих в них элементов.
5. Метод формирования хаотических импульсов путем внешнего управляющего воздействия на автоколебательную систему.
6. Твердотельные источники хаоса на сосредоточенных элементах, обеспечивающие получение хаотического сигнала с заданными спектральными характеристиками в различных участках микроволнового диапазона.
7. Модели и топологии интегральных микросхем источников хаоса микроволнового диапазона на основе кремний-германиевой и кремниевой технологий.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной конференции "Нелинейная динамика электронных систем" ("NDES") (Измир, Турция, 2002; Эвора, Португалия, 2004; Потсдам, Германия, 2005); Международном симпозиуме по сигналам, цепям и системам" ("SCS") (Яссы, Румыния, 2003); Международной конференции по цепям и системам для коммуникаций ("ICCSC") (Москва, Россия, 2004); Международном симпозиуме по нелинейной теории и её приложениям ("NOLTA") (Болонья, Италия, 2006); Международной конференции "Динамика, бифуркации и хаос" (Нижний Новгород, 2005); Международной конференции УСверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустикеФ (Суздаль, Россия, 2005); VIII Международной конференции молодых ученых  УВолновая электроника и ее приложения в информационных и телекоммуникационных системахФ (Санкт-Петербург, Россия, 2005); Международной конференции по основным проблемам нелинейной волновой физики ("NWP", Санкт-Петербург - Нижний Новгород, Россия, 2005); 6-й Крымской школе "Нелинейная динамика, хаос и приложения" (Меллас, Украина, 2006); Всероссийской конференции "Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике" ("СРСА") (Муром, Россия, 2006); Международной научной школе "Нелинейные волны" (Нижний Новгород, Россия, 2004, 2006, 2008); Международной школе - конференции "Хаотические автоколебания и образование структур" ("ХАОС") (Саратов, Россия, 2004, 2007); Международной конференции "Устои и успехи в нелинейной динамике" (Минск, Белорусия, 2006); Международной конференции "Нелинейные динамические дни" (Крит, Греция, 2006); Школе-семинаре "Динамический хаос и его приложения", (Звенигород, Россия,  2007); 2-й Международной конференции "Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации" (Суздаль, Россия, 2007); Средиземноморском микроволновом симпозиуме ("MICROCOLL") (Будапешт, Венгрия, 2007).

По теме диссертации опубликована 31 работа, включая 15 статей в журналах (из них 14 в журналах из перечня ВАК для докторских диссертаций), 1 препринт, 3 патента, 12 докладов в трудах российских и зарубежных конференций.

Достоверность диссертационной работы подтверждается согласованностью результатов математического моделирования с результатами физических экспериментов, а также успешным использованием разработанных в работе теории и методов при создании твердотельных источников хаотических колебаний микроволнового диапазона, с требуемыми свойствами.

ичный вклад автора заключается в выборе направления исследований, формулировке и постановке задач, определении методов и подходов к их решению, проведении теоретических исследований и расчётов, проведении компьютерного моделирования, подготовке и проведении экспериментов, разработке и изготовлении макетов экспериментальных устройств, отработке методик измерений, обработке и интерпретации полученных результатов.

Все вошедшие в диссертацию результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии.

Для подтверждения результатов моделирования в разделе 3.5 использованы результаты эксперимента, проведенного Максимовым Н.А. Метод формирования хаотических радиоимпульсов предложен в соавторстве с Дмитриевым А.С. и Кузьминым Л.В. Эксперименты по генерации хаотических радиоимпульсов проведены совместно с Атановым Н.В. Моделирование автоколебательной системы на основе полевого транзистора проведено совместно с Кузьминым Л.В. и Григорьевым. Е.В.

Структура и объём работы. Работа состоит из Введения, 9 Глав, Заключения, списков работ по теме диссертации и цитируемой литературы. Она содержит 342 страницы, включая 170 рисунков и иллюстраций, 31 наименование работ по теме диссертации и 155 наименований цитируемой литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, научная новизна проводимых в работе исследований, их практическая значимость, сформулированы цель и задачи диссертации, основные положения и результаты, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации результатов и кратко изложено содержание работы.

Первая глава содержит обзор современного состояния исследований в области генерации хаотических колебаний микроволнового диапазона.

Вторая глава посвящена разработке физико-математических основ теории твердотельных источников хаотических колебаний на базе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами.

Предполагается, что  в системах с сосредоточенными элементами эффективное число степеней невелико. Это означает, что механизмы возникновения хаотических колебаний в таких системах должны быть типичными для маломодовых систем. Это переход к хаосу через каскад бифуркаций удвоения периода колебаний, переход к хаосу через перемежаемость, возникновение хаоса в результате, разрушения петли сепаратрисы седло-фокуса, разрушения двумерного тора и их комбинации.

Первая задача разрабатываемой теории заключается в том, чтобы, построить содержательные радиофизические и математические модели систем, которые, удовлетворяя условиям постановки проблемы, могли бы демонстрировать набор типичных ситуаций возникновения хаотических колебаний в маломодовых системах и являться хаотическими осцилляторами. В главе предложен такой класс радиофизических моделей с твердотельными активными элементами и соответствующих им математических моделей, удовлетворяющих условиям постановки проблемы и демонстрирующих при определенных условиях различные механизмы перехода к хаосу.

Базовая структура автоколебательной системы состоит из единственного нелинейного элемента и цепочки последовательно соединенных RLC-контуров. Используются активные элементы с несимметричной нелинейностью без падающего участка (кусочно-линейной, экспоненциальной). Типичными твердотельными элементами, обладающими таким типом нелинейности, являются полевые и биполярные транзисторы, усилители.

Вторая задача создаваемой теории заключается в исследовании условий и механизмов эффективно влияющих на спектральные характеристики возбуждаемых хаотических колебаний. Из предыдущих результатов по формированию хаотических колебаний с заданными спектрами мощности в кольцевых системах было известно, что в маломодовых системах достаточно широкие классы спектров мощности хаотических колебаний. При этом сами механизмы возникновения хаотических колебаний при формировании разных форм спектров остаются одними и теми же. Это свидетельствовало о том, что форма спектров мощности во многом может определяться не самими бифуркационными механизмами, приводящему к возникновению и развитию хаоса, а какими-то другими характеристиками автоколебательных систем. В главе обращается внимание на то, что при формировании спектров мощности большую роль играет скелет спектра мощности, представляющий собой сетку частот, первая из которых является базовой частотой колебаний, а остальные ее гармониками. Каждая из этих  спектральных компонент имеет свою интенсивность, которая необязательно падает с ростом номера гармоники. Возникновение такой сетки частот связано с двумя  факторами. Первый фактор - несимметричная нелинейность активного твердотельного элемента,  приводящая к генерации в скелете спектра частот как нечетных, так и четных, гармоник. Второй фактор - частотная избирательность автоколебательной системы, в частности ее линейной подсистемы.  Комбинация этих факторов определяет форму скелета спектра мощности колебаний не только в режиме регулярных, но в режиме хаотических колебаний. Это наглядно показано в главе на примере автоколебательной системы с полутора степенями свободы.

Повышение размерности системы приводит к обогащению динамики системы, увеличению многообразия форм частотных характеристик и, соответственно, спектров сигналов реализуемых в системе (рис. 1). Так, в системе с 2,5 степенями свободы возможно получение колебаний со спектром мощности сигнала близким к полосовому. Кроме того, с увеличением размерности возрастает степень соответствия огибающей хаотического спектра форме амплитудно-частотной характеристики линейной части системы, а также увеличиваются зоны хаотических режимов в пространстве параметров.

(а)                                        (б)

Рис. 1. Амплитудно-частотные характеристики линейной части автоколебательной системы (жирная линия) и спектры мощности колебаний в автоколебательной системе с 2,5 степенями свободы.

Существенной характеристикой хаотических колебаний является степень их изрезанности в полосе частот генерации. Показано, что в рассматриваемом классе систем гладкость огибающей спектра мощности колебаний увеличивается с ростом показателя Ляпунова, соответствующего хаотическому режиму.

Использование для исследования радиофизических систем простых математических моделей, позволяет проанализировать основные особенности динамики системы. Однако при переходе от математических моделей автоколебательных систем к реальным радиофизическим системам возникает ряд проблем, связанных в первую очередь с неидеальностью активных элементов, наличием паразитных эффектов и частотных зависимостей параметров активных и пассивных элементов. Влияние этих факторов увеличивается с ростом частоты. Как правило, упрощенные математические модели не учитывают влияния этих факторов. В то же время учет паразитных параметров приводит к тому, что автоколебательная система описываемая несколькими дифференциальными уравнениями превращается в систему, описываемую десятками уравнений. Приводит ли учет паразитных факторов к качественному изменению динамики системы или они играют роль малых параметров, вызывающих только количественные изменения? Поиск ответа на этот вопрос является одной из задач, решаемых в третьей главе.

Наличие паразитных эффектов существенно затрудняет реализацию систем со сложной динамикой в виде электронных устройств, поскольку приводит к несоответствию параметров системы при которых реализуются аналогичные режимы в реальном устройстве и его математической модели. В этом случае помимо разработки и исследования упрощенной математической модели, которую можно провести на компьютере, и разработки электрической схемы устройства необходимо провести экспериментальное исследование динамики и подстройку параметров системы, для того, чтобы получить характеристики, удовлетворяющие требованиям конкретной задачи.

Для того чтобы решить задачу перехода от математической модели автоколебательной системы с сосредоточенными параметрами к реальному твердотельному источнику хаоса микроволнового диапазона необходимо создать метод компьютерного моделирования источников хаоса позволяющий учесть реальные характеристики входящих в них элементов. Создание такого метода - вторая задача данной главы.

Предложенный в работе метод включает в себя:

• Выбор структуры автоколебательной системы, включая выбор типа активного элемента, выбор структуры, размерности и параметров пассивной колебательной системы, обеспечивающих формирование требуемых частотных характеристик.
• Создание математической модели автоколебательной системы, поиск хаотических режимов, получение требуемых спектральных характеристик, регулировку изрезанности спектра мощности.
• Переход от идеализированной математической модели автоколебательной системы к реалистичной модели твердотельного источника хаоса, учитывающей свойства реальных активных и пассивных твердотельных элементов, паразитные эффекты и частотную зависимость элементов. При этом вначале создается модель из идеальных пассивных элементов, но с реалистичной моделью активного элемента. Поскольку математические модели на основе кусочно-линейных или экспоненциальных характеристик аппроксимируют характеристики активных элементов в области низких частот, то целесообразно вначале промоделировать низкочастотный вариант системы, т.е. получить подходящий режим генерации, путем анализа бифуркационных диаграмм, после чего продвигаться вверх по частотному диапазону, пересчитывая параметры автоколебательной системы и, при необходимости внося коррекцию, чтобы получить нужный режим. Затем идеальные пассивные элементы заменяются моделями реальных элементов и проводится оптимизация характеристик и компенсация паразитных эффектов, возникающих из-за неидеальности элементов системы.
• Учет особенностей, связанных с технологией изготовления экспериментального макета твердотельного источника хаоса, в частности, учет влияния материала подложки и топологии площадок платы на которой монтируется макет источника или топологии интегральной микросхемы.
• Создание по результатам моделирования макета твердотельного источника хаоса его экспериментальное исследование.
• Компенсация расхождения характеристик путем внесением соответствующих поправок в модель источника хаоса.

Применение описанного метода демонстрируется на примере создания реалистичной модели и макета источника хаоса микроволнового диапазона на основе автоколебательной системы с 2,5 степенями свободы.

Математическая модель системы была введена и исследована во второй главе.

В качестве активного элемента системы выбран биполярный транзистор. При создании реалистичной модели источника для описания работы транзистора использована модель Гуммеля-Пуна, учитывающая влияние паразитных емкостей на высоких частотах, температурные эффекты и многое другое. Кроме того, при моделировании учитывались паразитные эффекты, обусловленные наличием корпуса транзистора, влияние материала и топологии платы.

Проведено детальное исследование динамики системы.

Сравнение результатов моделирования полученных при учете влияния различных факторов показывает, что в моделях наблюдается качественное соответствие в динамике развития колебательных режимов системы.

На основании проведенных расчетов созданы макеты твердотельных источников хаоса диапазонов 100-500 МГц и 1,5-3,5 ГГц.

Показано, что наблюдаемые в ходе экспериментов режимы и спектральные характеристики колебаний в целом хорошо согласуются с результатами компьютерного моделирования.

Совокупность полученных результатов свидетельствует о том, что предложенный метод моделирования позволяет создавать на основе низкоразмерных автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами твердотельные источники хаотических колебаний в различных участках микроволнового диапазона.

Выше речь шла об источниках непрерывных хаотических колебаний, однако существуют задачи, где необходимы эффективные источники хаотических импульсов. В первую очередь это прямохаотические системы связи, в которых информация передается с помощью хаотических радиоимпульсов.

В четвертой главе предложен метод генерации сверхширокополосных хаотических импульсов. Формирование потока хаотических импульсов осуществляется путём воздействия внешнего управляющего сигнала на динамическую систему, которая в автономном режиме способна генерировать хаотические колебания.

Показано, что воздействие на источник хаоса внешнего периодического сигнала приводит к возникновению модуляции хаотических колебаний, период которой обратно пропорционален частоте управляющего сигнала. При увеличении амплитуды внешнего сигнала глубина модуляции колебательного процесса увеличивается вплоть до появления цугового режима колебаний. В этом режиме промежутки времени, на которых наблюдаются колебания, периодически прерываются промежутками времени, на которых колебания отсутствуют.

С точки зрения динамики автоколебательной системы указанное явление связано с типом нелинейности активного элемента. Для источника хаоса в котором активный элемент представляет собой транзистор наблюдаемый эффект связан с запиранием и открыванием p-n перехода в процессе модуляции. Генерация возникает в период времени, когда напряжение питания превышает пороговое напряжение. Подбирая частоту управляющего сигнала, его амплитуду и постоянную составляющую можно получать последовательность хаотических импульсов разной амплитуды и скважности.

(а)  (б)

Рис. 2. Поток хаотических импульсов (а) и его спектр мощности (б).

В зависимости от распределения зон динамических режимов при различных напряжениях в автономной системе и амплитуды внешнего управляющего воздействия возможно формирование как импульсов с периодическим заполнением, так и хаотических импульсов. Поэтому для получения хаотических импульсов следует осуществлять внешнее модулирующее воздействие гармоническим сигналом или прямоугольными импульсами, амплитуда которых равна значению напряжения, при котором в автономной системе реализуется хаотический режим.

Обнаружено, что предложенный способ генерирования импульсов позволяет получать практически идентичные сверхширокополосные хаотические импульсы, что является привлекательным с точки зрения их использования в сверхширокополосных системах связи.

Работоспособность метода и все полученные результаты подтверждены с помощью компьютерного моделирования и физического эксперимента.

Применение предложенного метода позволяет значительно повысить энергетическую эффективность генерации хаотических радиоимпульсов в прямохаотических системах связи.

В пятой главе приведены примеры создания источников хаоса микроволнового диапазона с заданными спектральными характеристиками на базе разработанных в диссертации принципов построения, методов расчета и компьютерного моделирования твердотельных источников хаоса на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами.

В главе предложена модель автоколебательной системы на базе системы с 2,5 степенями свободы с единственным источником питания и дополнительной частотно-избирательной системой, которая с одной стороны отводит часть энергии из основной петли обратной связи автоколебательной системы и ограничивает полосу частот сигнала на выходе системы, а с другой стороны сама является элементом петли обратной связи системы и вносит свой вклад в формирование ее динамики.

Исследована динамика реалистичной модели источника хаоса, механизмы перехода к хаосу, механизмы формирования спектра мощности хаотических колебаний, проанализированы статистические свойства сигналов в различных режимах.

Показана возможность формирования полосы частот хаотического сигнала. Создан ряд лабораторных макетов источников хаотических колебаний микроволнового диапазона. Экспериментально исследована динамика одного из источников хаоса. Показано, что в системе происходит переход к хаосу через каскад бифуркаций удвоения периода, при этом могут возникать как хаотические колебания с равномерной структурой временной реализации, так и квазиимпульсные режимы. Результаты эксперимента находятся в хорошем соответствии с результатами моделирования системы как по спектральным характеристикам, так и по типу возникающих в системе колебаний.

На рис.3. представлены примеры спектральных характеристик созданных твердотельных источников хаоса на сосредоточенных элементах. Получены хаотические колебания с различной шириной полосы частот сигнала в диапазоне от 2 до 11 ГГц.

(а) (б)

Рис. 3. Примеры спектральных характеристик сигналов, генерируемых твердотельными источниками хаоса на сосредоточенных элементах.

На сегодняшний день разработанные твердотельные источники хаоса используется в приемо-передатчиках ППС-40 и ППС-50. При работе с этими устройствами наблюдается очень хорошая воспроизводимость характеристик источников хаоса от образца к образцу.

До сих пор основное внимание уделялось системам с характеристиками активного элемента, типичными для биполярных транзисторов. Однако не меньший интерес представляют системы на основе полевых транзисторов. Прежде всего, потому, что полевые транзисторы являются типичными элементами, применяемыми в технологии, основанной на комплементарной структуре металЦоксидЦполупроводник (КМОП). В настоящее время это наиболее активно развивающаяся твердотельная технология.

Шестая глава посвящена исследованию особенностей динамики автоколебательных систем на основе активных элементов со свойствами, типичными для полевых транзисторов.

Предложена математическая модель автоколебательной системы с 1,5 степенями свободы с полевым транзистором в качестве активного элемента, демонстрирующая хаотическое поведение и исследована ее динамика.

Показано, что при выбранных параметрах автоколебательной системы хаос наблюдается только при высоких значениях крутизны вольт-амперной характеристики активного элемента, однако для реальных полевых транзисторов характерны низкие значения крутизны. Для перехода к транзисторам с низкой крутизной характеристики активного элемента использован метод пересчета параметров системы, позволяющий менять крутизну характеристики, сохраняя при этом динамический режим системы.

На основании этого метода были рассчитаны параметры системы и создана реалистичная модель источника хаоса на основе КМОП транзистора, учитывающей внутреннее строение транзистора, температурные и частотные эффекты. С помощью этой модели продемонстрирована возможность масштабирования частотного диапазона хаотической генерации и использования транзисторов с разной крутизной вольтамперной характеристики.

Еще одним перспективным направлением применения разработанной теории твердотельных источников хаоса микроволнового диапазона на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами является создание источников хаоса в виде интегральных микросхем.

Специфика таких схем заключается в том, что их размеры существенно меньше характерной длины волны генерируемого сигнала и они принципиально не могут содержать каких-либо распределенных элементов, т.е. являются системами с сосредоточенными параметрами по своей сути. Кроме того, существуют довольно строгие ограничения на возможные номинальные значения используемых элементов (особенно это касается индуктивных элементов), связанные с технологическими особенностями.

В то же время возможность создания источников хаоса микроволнового диапазона в виде интегральных микросхем открывает широкие перспективы применения таких источников в бытовых и промышленных электронных системах.

В седьмой главе приведены примеры разработки моделей и топологий интегральных микросхем источников хаоса микроволнового диапазона с биполярным транзистором в качестве активного элемента на основе кремний-германиевой технологии и с полевым транзистором в качестве активного элемента на основе кремниевой технологии.

Разработана структура автоколебательной системы с сосредоточенными параметрами, создана реалистичная модель источника хаоса на основе библиотеки элементов кремний-германиевой технологии 0,25 мкм. На основе анализа бифуркационных диаграмм и спектров мощности сигнала параметры системы оптимизировались таким образом, чтобы добиться генерации хаотических колебаний с заданными спектральными характеристиками.

Разработана топология микросхемы и проведена верификация системы, включая проверку соответствия топологии схеме, контроль технических норм и учет влияния паразитных элементов.

Паразитные элементы возникают из-за наличия контактных дорожек, поэтому проводится оптимизация топологии микросхемы, размеров контактных дорожек с тем, чтобы уменьшить паразитные эффекты, если этого недостаточно, то проводится корректировка параметров элементов системы, чтобы компенсировать влияние паразитных эффектов.

 

(а) (б)

Рис. 4. Топология интегральной микросхемы (а), спектр мощности генерируемого сигнала (б).

Топология разработанной интегральной микросхемы и спектр мощности генерируемого сигнала показаны на рис. 4. Система демонстрирует генерацию хаотических колебаний в диапазоне частот 3 - 8  ГГц.

В основном современные производители микроэлектроники используют КМОП технологии 0,18 мкм и меньше. Поэтому создание источников хаоса микроволнового диапазона на основе этих технологий весьма привлекательно.

В главе приведены примеры создания моделей источников хаоса на основе КМОП технологии 0,18 мкм и 0,13 мкм, генерирующих хаотические колебания в диапазонах частот 3-5 и 6-8,5 ГГц.

Восьмая глава посвящена исследованию энергетических характеристик твердотельных источников хаотических сигналов. Вопрос снижения потребления и оптимизации энергетической эффективности является важным с точки зрения практического использования твердотельных источников хаоса и определяющим в коммуникационных приложениях.

Предложен ряд подходов и методов, позволяющих управлять энергетическими характеристиками твердотельных источников хаоса на основе сосредоточенных элементов. В частности, экспериментально показано, что для созданных в работе макетов источников хаоса микроволнового диапазона энергетические характеристики, такие как величина приложенного напряжения, потребляемый ток, общее потребление энергии, величина мощности генерируемого сигнала и КПД источника меняются в широких пределах в зависимости от параметров цепи питания и могут быть оптимизированы для решения конкретной задачи.

Предложен метод масштабирования энергетических характеристик твердотельных источников хаоса микроволнового диапазона на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами, основанный на изменении крутизны активного элемента и соответствующего пересчета параметров системы. Работоспособность метода показана на примере модели с идеальными параметрами. В неидеальных системах применимость метода может быть ограничена вследствие частотной зависимости резистивной составляющей импеданса индуктивных элементов.

Проанализирована возможность повышения мощности хаотического сигнала путем использования внешних усилительных устройств. Показано, что применение усилителей позволяет существенно повысить мощность хаотического сигнала при сохранении его спектральных свойств увеличить энергетическую эффективность системы.

Девятая глава посвящена обзору областей применения твердотельных источников хаоса микроволнового диапазона и устройств на их основе.

На сегодняшний день наиболее перспективная область применения маломощных малогабаритных источников хаоса микроволнового диапазона - использование их в качестве источников хаотического сигнала в сверхширокополосных беспроводных системах передачи данных.

Устройства сверхширокополосной связи на основе хаотических сигналов позволяют гибко варьировать технические характеристики устройств, что дает возможность обеспечить на основе одних и тех же физических принципов и зачастую на основе одних и тех же устройств создание систем с различными характеристиками, такими как дальность работы, скорость передачи данных, потребляемая и излучаемая энергия, мобильность, в зависимости от предполагаемой области применения, условий конкретной задачи. Это делает сверхширокополосные беспроводные системы связи на основе хаотических сигналов универсальным средством организации систем передачи данных, позиционирования и сенсорных сетей.

На сегодняшний день такие устройства уже применяются для мониторинга состояния конструкций зданий и сооружений (ППС-50) и организации беспроводных сенсорных сетей (ППС-40).

Предполагается, что в ближайшем будущем сферами применения сверхширокополосных систем связи на основе хаотических сигналов станут: определение местоположения персонала на предприятиях с большими территориями, крупногабаритных грузов и подвижных средств на грузовых терминалах и в логистических центрах; системы сбора и передачи информации в шахтах, метрополитене и других подземных сооружениях; беспроводные сенсорные системы на нефтяных и газовых месторождениях; беспроводный контроль состояния машинистов поездов, пилотов, операторов промышленных установок; офисное, домашнее, медицинское применение.

Еще одна интересная область применения твердотельных источников хаоса микроволнового диапазона - использование их в качестве высокоэффективных источников электромагнитных помех в определенном диапазоне частот при проведении измерений и определении характеристик радиофизических систем.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложены и обоснованы принципы построения твердотельных источников хаотических колебаний микроволнового диапазона на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами.
2. Предложены и исследованы базовые математические модели низкоразмерных автоколебательных систем с твердотельными активными элементами, способные демонстрировать типичные бифуркационные ситуации, приводящие к генерации хаотических колебаний.
3. Изучены механизмы и условия, определяющие спектральные свойства хаотических колебаний, возбуждаемых в автоколебательных системах с малым числом степеней свободы. Показано, что в данном классе систем спектральные свойства хаотических колебаний определяются формой амплитудно-частотной характеристики линейной части системы.
4. Показано, что гладкость огибающей спектра мощности колебаний увеличивается с ростом показателя Ляпунова, соответствующего хаотическому режиму.
5. На основе разработанных теоретических принципов созданы и исследованы модели источников хаоса, с реальными характеристиками элементов.
6. Разработаны методы расчета и компьютерного моделирования источников хаоса микроволнового диапазона на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами, обеспечивающие разработку источников микроволнового хаоса пригодных для промышленного производства. Метод позволяет учесть влияние неидеальности реальных твердотельных элементов и особенностей используемой технологии изготовления источников хаоса микроволнового диапазона.
7. Предложен метод формирования хаотических радиоимпульсов путем воздействия на автоколебательную систему внешнего управляющего воздействия. Работоспособность метода подтверждена экспериментальными результатами. Метод позволяет значительно повысить энергетическую эффективность источников хаотического сигнала для прямохаотических систем связи.
8. Обнаружен эффект генерации практически идентичных сверхширокополосных хаотических радиоимпульсов.
9. На основе разработанной теории, предложенных методов расчета и компьютерного моделирования создан и экспериментально исследован ряд лабораторных макетов источников хаоса с твердотельными активными элементами в частотном диапазоне от 100 МГц до 11 ГГц.
10. Предложена модель автоколебательной системы на основе активного элемента со свойствами, характерными для полевых транзисторов. Показана возможность получения хаотических колебаний в таких системах.
11. Созданы модели источников хаоса микроволнового диапазона для реализации в виде монолитных микросхем на кремний-германиевой и кремниевой технологии, разработаны примеры топологии интегральных микросхем.
12. Проведен анализ энергетической эффективности источников микроволнового хаоса и предложены методы его повышения. В частности, показано, что приложенное напряжение, потребляемый ток, потребляемая мощность, мощность генерируемого сигнала и КПД твердотельных источников микроволнового хаоса могут меняться в широких пределах при сохранении характера динамического режима.
13. Проанализированы перспективные области использования источников хаоса микроволнового диапазона на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных журналах:

1. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Максимов Н.А. Управление огибающей спектра мощности в однотранзисторном генераторе хаотических колебаний // Радиотехника и электроника. 2004. Т. 49. № 2. C. 222-227.
2. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В. Генерация последовательности хаотических импульсов при воздействии периодического сигнала на динамическую систему // Письма в ЖТФ. 2005. Т. 31. №22. С. 29-35.
3. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В. Транзисторные генераторы хаоса с заданной формой спектра мощности колебаний // Радиотехника. 2005. №8. С. 67-72.
4. Andreyev Yu.V., Dmitriev A.S., Efremova E.V., Khilinsky A.D., Kuzmin L. V. Qualitative theory of dynamical systems, chaos and contemporary communications // Int. J. Bifurcation and Chaos. 2005. V. 15. No. 11. Р. 3639-3651.
5. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В., Атанов Н.В. Генерация потока хаотических импульсов в динамической системе с внешним (периодическим) воздействием // Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51. № 5. С. 593-604.
6. Атанов Н.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Максимов Н.А. Формирование хаотических радиоимпульсов в генераторе с внешним периодическим воздействием // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. №15. С. 1-6..
7. Атанов Н.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В. Неавтономный генератор хаотических радиоимпульсов // Радиотехника и электроника, 2006, Т. 51. №12. С. 1454-1464.
8. Ефремова Е.В., Атанов Н.В., Дмитриев Ю.А. Генератор хаотических колебаний радиодиапазона на основе автоколебательной системы с 2,5 степенями свободы // Известия ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика, 2007. Т. 15. № 1. С. 23-41.
9. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Максимов Н.А., Григорьев Е.В. Генератор хаотических колебаний сверхвысокочастотного диапазона на основе автоколебательной системы с 2,5 степенями свободы // Радиотехника и электроника, 2007, Т. 52. № 10. C. 1232-1240.
10. Григорьев Е.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В. Генератор хаоса на полевом транзисторе. Математические и схемотехническое моделирование // Радиотехника и электроника, 2007, Т. 52. № 12. C. 1463-1471.
11. Dmitriev A., Efremova E., Kuzmin L., Atanov N. Forming pulses in non-autonomous chaotic oscillator // Int. J. Bifurcation and Chaos, 2007. V. 17. N. 10. P. 1-6.
12. Ефремова Е.В. Генераторы хаотических колебаний радио и СВЧ диапазона // Успехи современной радиоэлектроники, 2008. №1. С. 17-31.
13. Григорьев Е.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В., Анагностопулос A.Н., Милиу А.Н. Генератор хаоса на полевом транзисторе // Успехи современной радиоэлектроники, 2008. №1. С. 32-36.
14. А.С. Дмитриев, Е.В. Ефремова, А.Ю. Никишов, А.И. Панас. Транзисторные генераторы хаоса малой мощности // Известия ВУЗов. Прикладная нелинейная динамика, 2008, Т. 16. №3. С. 56-70.
15. Ефремова Е.В. Транзисторные СВЧ генераторы сверхширокополосного хаоса на сосредоточенных элементах // Нелинейный мир, 2007. Т. 5. №5. С. 285.

Патенты:

16. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кяргинский Б.Е., Лактюшкин А.М., Панас А.И. Генератор широкополосных СВЧ хаотических сигналов, патент № 51805, от 12.04.2005.
17. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кяргинский Б.Е., Лактюшкин А.М., Панас А.И. Способ генерирования широкополосных СВЧ хаотических сигналов и Генератор широкополосных СВЧ хаотических сигналов, патент № 2327278, от 12.04.2005.
18. Young-Hwan Kim, Seong-soo Lee, Jae-hyon Kim, Sang-min Han, Anton Laktushkin, Elena Efremova RF communication system having a chaotic signal generator and method for generating chaotic signal // United States Patent No. PCT/KR2007/000432.

Труды научных конференций и препринты:

19. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Хилинский А.Д. Принципы компьютерного моделирования транзисторных генераторов хаоса в пакете ADS (Advanced Design System) // Препринт №5 (633). 2003. ИРЭ РАН.
20. Dmitriev A., Efremova E., Kuzmin L. and Anagnostopoulos A. High dimensional RC-oscillators of chaos. // Proc. of Int. Symp. NOLTA'2001. Miyagi. Japan. October 28 - November 1. 2001. V. 1. P. 139-142.
21. Efremova E.V.  and Kuzmin L.V. Broadband RC chaotic oscillators // Proc. 1st IEEE Int. Conf. Circuits and Systems for Communications (Circuits and Systems in Broadband Communication Technologies). St.Petersburg. Russia. June 26-28. 2002. P. 300-303.
22. Dmitriev A.S., Efremova E.V., Maksimov N.A., and Panas A.I. Controlling spectrum of single-transistor band-limited chaotic oscillator // Proc. 10th Int. Workshop Nonlinear Dynamics of Electronic Systems (NDES-2002). June 21-23. 2002. Izmir. Turkey. P. 2-65.
23. Efremova E.V., Maksimov N.A. and Panas A.I. Control of Power Spectrum Envelope in Single-Transistor Chaotic Oscillator // Proc. of Int. Symposium on Signals, Circuits and Systems (SCS-2003). July 10-11. 2003. Iasi. Romania. P. 17-20.
24. Dmitriev A.S., Efremova E.V, Khilinsky A.D. Synthesis of single-transistor chaotic oscillators // Proc. 12th Int. Workshop Nonlinear Dynamics of Electronic Systems (NDES'2004). May 9-13. 2004. Evora. Portugal. P. 133-136.
25. Dmitriev A.S., Efremova E.V, Khilinsky A.D. Modeling microwave transistor chaos generators // Proc. of Int. Conference on Circuits and Systems for Communications (ICCSC'2004). June 30 - July 2. 2004. Moscow. Russia.
26. Efremova E.V, Khilinsky A.D. Single-transistor chaotic oscillators with preassigned spectrum // Proc. of Int. Conference on Circuits and Systems for Communications (ICCSC'2004). June 30 - July 2. 2004. Moscow. Russia.
27. Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Клецов А.А., Кузьмин Л.В., Лактюшкин А.М. Генерация хаотических радиоимпульсов в неавтономной динамической системе //Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Серия: Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике. Вып. 1. 2005. C. 130-132.
28. Атанов Н.В., Дмитриев А.С., Ефремова Е.В., Кузьмин Л.В. Эксперименты по получению хаотических радиоимпульсов в неавтономном транзисторном генераторе // Сверхширокополосные сигналы в радиолокации и акустике (СРСАЦ2006). 2006. 6-7 Июля. Муром. Россия. C. 164-170.
29. Nikolay Atanov, Alexander Dmitriev, Elena Efremova and Lev Kuzmin Non-autonomous Chaotic Radio Pulse Generator // Proc. of Int. Symp. NOLTA'2006. Bologna. Italy. September 11-14. 2006.
30. Panas A.I., Kyarginsky B.E., Efremova E.V. Ultra-wideband microwave chaotic oscillator // Proc. 12th Mediterranean microwave symposium MICROCOLL-2007, 14-16 May 2007. Budapest. Hungary. Р. 145Ц148.
31. Е.В. Григорьев, А.С. Дмитриев, Е.В. Ефремова, Л.В. Кузьмин Математическое и схемотехническое моделирование генератора хаоса на полевом транзисторе // Труды 2-й Международной конференции Акустооптические и радиолокационные методы измерений и обработки информации, г. Суздаль. Россия. 25-27 сентября. 2007. C. 36-39.

  Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике