ХАОТИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА КОЛЕБАНИЙ ГЕНЕРАТОРА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА НА ДИОДЕ ГАННА

January 3, 2013 by admin Комментировать »

Шалатонин В. И. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники БГУИР ул. П. Бровки, 6, г. Минск, 220013, Беларусь Тел.:+375 17 2938095; e-mail: microwave@gw.bsuir.unibel.by

Аннотация – Исследован волноводный генератор широкополосных хаотических колебаний на диоде Ганна. Приведены результаты экспериментальных исследований.

I.                                       Введение

Эффект Ганна, открытый более сорока лет назад и в настоящее время не только сохраняет, но и расширяет свой потенциал для многих важных технических приложений [1-3]. Физические явления, лежащие в его основе достаточно хорошо исследованы, однако имеются и нерешенные проблемы, связанные, например, с самоорганизацией пространствен- но-временных колебаний в объёме полупроводника [3, 4]. Исследования показали, что приложенный СВЧ сигнал качественно усложняет динамику ганновских колебаний. Результирующее колебание становится хаотическим и имеет фрактальную размерность. Из- за сложности процессов и различия подходов результаты моделирования в ряде случаев значительно различаются между собой. Для выяснения реального механизма, лежащего в основе нелинейной динамики и разработки адекватной математической модели необходимы соответствующие экспериментальные результаты, получение которых и являлось целью настоящей работы. В наших экспериментах внешним СВЧ сигналом, прикпадываемым к ДГ, являлось СВЧ колебание, которое возбуждалось в волноводной резонансной цепи, окружающей ДГ. При пониженном напряжении смещения ДГ нелинейное взаимодействие собственного и приложенного колебаний приводило к хаотизации выходного сигнал. Оказалось, что основные результаты экспериментов близки к численным, полученным при использовании дрейф-диффузионной модели с приложенным извне СВЧ колебанием [5,6].

II.                               Основная часть

Генераторная схема представляла собой коротко- замкнутый отрезок волновода уменьшенной высоты (5,2 X 1,3 мм). Напряжение смещения на ДГ ЗА721, установленный в волноводе, подавалось через четвертьволновый коаксиальный фильтр и дисковый резонатор. Такая конструкция широко используется в генераторах Ганна и ее свойства хорошо изучены. В экспериментах использовался также перестраиваемый объемный резонатор, слабо связанный с основной резонансной цепью. Основные свойства такой системы можно объяснить нелинейным взаимодействием собственного колебания ДГ с колебанием, которое возбуждается в резонансной полости, окружающей ДГ. Динамический нестабильный баланс взаимодействующих колебаний приводит к сложному сигналу, имеющему хаотический или эквидистантный спектр. Полный частотный спектр выходного сигнала состоит из двух взаимодействующих частей: КВЧ шумоподобного спектра и радиочастотного (РЧ) хаотического или квазилинейчатого спектра. Частотное расстояние между ними необычно велико: отношение их средних частот находится в пределах -10®… 10® Эти части результирующего сигнала синхронизированы и могут существовать только совместно, т. к., на наш взгляд, формирование РЧ субгармонического колебания является условием сосуществования взаимодействующих КВЧ колебаний. КВЧ и РЧ компоненты сигнала легко регистрируются с помощью осциллографа (с антенной, подключенной к входу) и/или анализатора спектра (рис. 1,2).

Рис. 1. Амплитудный спектр КВЧ компоненты сигнала на выходе генераторной схемы.

Fig. 1. Ampiitude spectrum of EI4F signai

Puc. 2. Временная реализация РЧ колебания генераторной схемы. Благодаря большому времени послесвечения ЭЛТ осциллографа можно видеть, что, несмотря на хорошую предсказуемость поведения колебания, его динамика неустойчива и эволюционирует в пределах области притяжения.

Fig. 2. Waveform of the RF part of complex signai

Puc. 3. КВЧ спектр выходного сигнала, измененный с помошрю подстройки дополнительного резонатора.

Оказалось, что КВЧ и РЧ хаотические спектры можно одновременно трансформировать в линейчатые (рис. 3) с помощью объемного КВЧ резонатора, связанного посредством диафрагмы с основной резонансной цепью. На рис. 4 приведена зависимость изменения основной частоты РЧ колебания от изменения частоты дополнительного КВЧ резонатора, в пределах которого спектр оставался линейчатым. Ступенчатое изменение основной частоты подтверждает наши теоретические предположения и результаты численного моделирования [5,6].

Рис. 4. Изменение основной частоты РЧ компоненты спектра при перестройке КВЧ резонатора.

Fig. 4. Basic frequency F in step variations during EI4F resonator tuning

Приведенные и другие результаты могут быть полезны при разработке генераторов хаотических сигналов. Нелинейные колебательные процессы, описанные здесь, не могут не влиять на уровень шумов и на долговременную стабильность работы традиционных одночастотных генераторов Ганна. Поэтому их изучение представляет не только теоретический, но также и практический интерес.

III.                                   Заключение

Полученные результаты показывают, что изучение особенностей нелинейной динамики колебаний в GaAs и других полупроводниках группы А®В® может способствовать раскрытию важных закономерностей в процессах самоорганизации нелинейных колебаний и улучшению параметров генераторов Ганна.

IV.                            Список литературы

[1]  р. м. Gorley, Р. Р. Hohey, J. Gonzalez-Hernandez and

Yu. V. Vorobiev. Self-organization processes in semiconductor under photo-induced Gunn effect. Materials Science and Engineering B, 2002, V. 88, Issues 2-3, pp. 286-291.

[2]  J. T. La andJ. C. Cao. Terahertz generation and chaotic dynamics in GaN NDR diode. Semiconductor Science and Technology, 2004, V. 19, No. 3, pp. 451-456.

[3]  R. Escobedo and L. L. Bonilla. Wave dynamics in two- dimensional samples of n-GaAs with point contacts. Chaos, Solitons & Fractals, 2003, V. 17, Issues 2-3, pp. 283-288.

[4]  H. Ito and Y. Ueda. Emergence of a multidomain regime and spatiotemporal chaos in Gunn diodes under impact ionization conditions. Physics Letters, 2001, A280, Issues 5-6, pp. 312-317.

[5]  V. Shalatonin, V. Mishchenko and D. KIsel. Spatio-Temporal Chaotic Dynamics in Millimetre-Wave Gunn Devices. Nonlinear Phenomena in complex systems. An Interdisciplinary Journal, 2004, V. 7, No. 1, pp. 52-60.(http://www. j- npcs.org/abstracts/vol2004no1.html)

[6]  V. Shalatonin. Nonlinear chaotic dynamics in Gunn devices. Doklady of the BSUIR, 2005, No. 2, pp. 25-34.

CHAOTIC DYNAMICS IN MILLIMETRE-WAVE GUNN OSCILLATOR

V.                                       I. Shalatonin Belarusian State University of informatics and Radioeiectronics BSUIR 6, P. Broui<i St., Minsk, 220013, Belarus Ph.:+375 17 2938095 e-mail: microwave@gw.bsuirunibel.by

Abstract – Based on the number of experiments carried out we have concluded that the Gunn device, placed into microwave resonant circuit is able to perform the self-organized nonlinear oscillations within very large frequency scale.

I.                                        Introduction

Gunn Effect discovered more than forty years ago remains the promising object for various investigations and demonstrates great potential for many applications [1-3]. While the physical origin of the effect is well understood, there are many interesting nonlinear problems related to Gunn Effect. Nonlinear dynamics theory opens new way for understanding behavior of Gunn devices. Numerical simulation of the driven Gunn oscillation dynamics has shown that the applied microwave signal essentially complicates spatiotemporal dynamics and makes simulation quite difficult [3,4]. Therefore, it is not surprising that sometimes these studies have reached widely differing conclusions. In order to clarify the real mechanism of nonlinear dynamics and to design more reliable mathematical model it is necessary to study experimentally the forced Gunn oscillatory system. In spite of the large interest to the subject, experimental data are very scarce up to now.

II.                                       Main Part

The dynamical system considered is GaAs Gunn diode, placed into waveguide resonant circuit. Frequency spectrum of the output signal consists of two separated parts: microwave noise-like spectrum (Fig. 1) and quasi-line or chaotic low- frequency (LF) wide-band spectrum. The ratio of their frequencies is very large and amounts to 10^… 10®. These parts of signal can exist only together. Its waveforms mostly keep a very high level of predictability. Microwave current variations do not disappear, but merely become a finer structure superimposed to the large-scale LF waveform. Chaotic microwave spectrum can be transformed into the line one provided additional microwave resonator tuning (Fig. 3). In Fig. 4 the basic low-frequency F,is plotted as a function of the additional resonator frequency. The jumping transition of confirms our theoretical predictions [5, 6].

III.                                     Conclusion

Nonlinear dynamics of GaAs Gunn diode operating in waveguide resonant circuit is studied. Evidence for complicated nonlinear behavior is proved by laboratory experiments. The main nonlinear properties of oscillatory system can partly be explained by nonlinear interaction between Gunn self-sustained oscillation and oscillation appearing in the microwave resonant circuit surrounding Gunn diode. Dynamical unstable balance leads to fractal scaling in the output signal over a wide range of frequency scales. It is shown that these processes have a certain similarity to nonlinear behavior of some biological systems, which have inherent oscillatory character.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты