Введение к работе
Актуальность темы.
Исследования, проводимые в данной работе, направлены на исследование проблем генерации и пространственного излучения сверхкоротких импульсных (СКИ) и сверхширокополосных (СШП) стохастических колебаний, а также воздействия СКИ на входные цепи радиоэлектронных средств (РЭС). Решение подобных проблем обусловлено интенсивным развитием систем стохастической связи и анализом их потенциальной помехоустойчивости. В настоящее время проводятся интенсивные исследования с целью использования стохастических колебаний (динамического хаоса) в качестве несущих и модулирующих колебаний в РЭС различного назначения.
Динамический хаос, обладая многими свойствами случайных процессов (экспоненциально спадающей неосциллирующей корреляционной функцией и сплошным спектром), позволяет синтезировать, на своей основе, новые коммуникационные технологии, основанные на передаче информации с расширением спектра. Системы связи с динамическим хаосом обладают рядом присущих только им преимуществ, таких как, например, возможность работы в присутствии суперпозиции задержанных версий передаваемого сигнала, что является типичной ситуацией для мобильных коммуникационных систем. Системы связи с использованием хаотически сформированных сигналов являются более простыми с точки зрения схемотехнической реализации по сравнению с традиционными системами широкополосной связи (ШПС), когда расширение (маскировка) спектра передаваемого информационного сигнала достигается применением достаточно сложных детерминированных алгоритмов. Поэтому задача разработки новых генераторов на основе динамического хаоса является актуальной.
Эффективность работы систем передачи информации на основе
динамического хаоса и систем, использующих СШП сигналы, в значительной
степени определяются электродинамическими структурами (антенными
системами), формирующими электромагнитное поле с заданными
информационными, энергопотенциальными и пространственными
характеристиками. Поэтому, актуальность разработки широкополосных антенных элементов (АЭ) и фазированных антенных решеток (ФАР) на их основе для функционирования стохастических систем связи с минимальными информационными искажениями не вызывает сомнений.
Актуальна также проблема развития разновидностей РЭС, использующих для излучения и приема СКИ видеосигналы. Системы подобного типа могут использоваться для повышения идентификационного разрешения спектральных портретов объектов в нелинейной радиолокации. Особо эффективно применение СКИ видеосигналов при анализе, контроле и совершенствовании характеристик помехозащищенности РЭС. В связи с этим, необходим анализ, контроль и совершенствование характеристик помехозащищенности радиоэлектронной
аппаратуры и ее элементов, функционирующих в условиях такого рода. Поскольку амплитуда импульсных помех, особенно сверхкоротких импульсов, может быть много больше амплитуды непрерывных помех, физические механизмы воздействия импульсов на элементы радиоаппаратуры отличаются от непрерывных воздействий, рассматриваемых обычно в рамках проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Соответственно, отличаются и эффекты, наблюдаемые на практике. Проблема обеспечения помехозащищенности РЭС вызывает необходимость изучения данных механизмов и эффектов, что предполагает введение новых характеристик, отличных от характеристик ЭМС и отвечающих сущности воздействия импульсного типа.
Целью работы является:
Анализ, моделирование и синтез генераторов сверхкоротких импульсов и хаотических сигналов.
Экспериментальное исследование генераторов сверхкоротких импульсов и хаотических сигналов, их схемотехническая оптимизация для повышения их энергетической эффективности и расширения функциональных возможностей.
Разработка рупорных и планарных печатных излучателей хаотических и СКИ сигналов, обладающих стабильными электродинамическими характеристиками в широком диапазоне рабочих частот (ДРЧ) и разработка топологии фазированной антенной решетки, составленной из оптимизированных АЭ.
Исследование воздействия хаотических и СКИ сигналов на входные цепи РЭС для анализа характеристик электромагнитной совместимости.
Основные задачи диссертации вытекают из её целей, состоящих:
в исследовании физических принципов генерации СКИ на диодах с накоплением заряда (SRD), позволяющем оптимизировать расчет режимов генерации субнаносекундных импульсов с учетом стадий накопления, рассасывания и утечки объёмного заряда;
в теоретическом и структурном анализе генераторов динамического хаоса и синтезе структуры автогенератора, входящего в режим развитого динамического хаоса при наименее энергетически затратных внешних воздействиях;
в экспериментальном исследовании синтезированных схем генератора СКИ колебаний и трехточечного генератора динамического хаоса с целью обеспечения оперативности управления спектром хаотических колебаний и наибольшей энергетической эффективности в заданном ДРЧ;
в разработке электродинамической структуры и топологии СШП излучателей, осуществляющих формирование СКИ и хаотических сигналов с минимальными информационными и структурными искажениями;
в разработке ФАР с локализованным распределением стохастического и СКИ электромагнитного поля в Е и Н плоскостях с угловыми размерами порядка единиц градусов и предельно возможными углами сканирования в ДРЧ с перекрытием не менее 2:1;
- в анализе характеристик электромагнитной совместимости в присутствии хаотических помех для выработки рекомендаций по совершенствованию входных трактов приемных систем.
Методы проведения исследования. В диссертационной работе использованы методы теории колебаний (в частности, методы анализа устойчивости нелинейных динамических систем), методы теории электрических цепей и сигналов, методы технической электродинамики и антенных решеток, методы физики полупроводников и теории передачи сигналов, современные методики экспериментальных исследований.
Научная новизна:
Результаты исследования физических процессов, протекающих в полупроводниковой структуре диода с накоплением заряда (SRD), на основе которых предложена схема формирования сверхкоротких импульсов с минимальным временем восстановления непроводящего состояния диода.
Явный вид дисперсионных уравнений для генерируемых частот в индуктивном и ёмкостном режимах, как функции частоты внешнего воздействия.
Определены частоты предельных циклов индуктивного и ёмкостного режимов в зависимости от собственных резонансных частот колебательных цепей (коллектор-база, база-эмиттер, коллектор-эмиттер биполярного транзистора) генератора с внешним воздействием.
На основе проведенных экспериментальных исследований предложены схемотехнические решения генераторов СКИ и динамического хаоса с заданными частотными и энергетическими параметрами.
Оригинальная топология планарных печатных излучателей и ФАР для РЭС, использующих хаотические и СКИ колебания.
Методика оценки помехоустойчивости входных цепей приемников с учетом эффектов обратимой деградации активных элементов под действием периодической последовательности субнаносекундных видеоимпульсов.
На защиту выносятся следующие результаты, впервые достаточно подробно развитые или впервые полученные в настоящей работе:
Трехточечный генератор динамического хаоса с дополнительным последовательным контуром в цепи коллектор-база биполярного транзистора, позволяющим управлять частотным диапазоном генерируемого сигнала.
Структура генераторов линейно частотно модулированных шумом (ЛЧМШ) и прямошумовых (ПШ) колебаний на основе синтезированного генератора динамического хаоса.
Результаты исследований генерации СКИ на диодах с резким восстановлением обратного сопротивления.
Низко профильные планарные излучающие АЭ и активные ФАР на их основе.
Результаты исследования воздействия сверхкоротких сигналов на входные цепи приемных систем.
Практическая ценность работы. Полученные в работе результаты позволили синтезировать схемы генераторов сверхкоротких импульсов и динамического хаоса. Предложены схемотехнические реализации генераторов для передающих устройств стохастических систем связи во всевозможных радиофизических и технических приложениях, использующих сплошные шумовые спектры, в том числе оперативно управляемые, с высокими энергопотенциальными показателями, например, в системах тестирования и оценки реальной помехозащищенности, вновь разрабатываемых РЭК, системах нелинейной радиолокации, системах радиоэлектронной борьбы и радиоэлектронной маскировки. Разработанные топологии ТЕМ-рупорных и плоскостных печатных излучателей предполагают их использование в качестве АЭ с минимальными искажениями структуры излучаемых сверхширокополосных СКИ и хаотических сигналов, что создает предпосылку создания ФАР с узкими (порядка единиц градусов) диаграммами направленности (ДН) и предельными углами сканирования порядка десятков градусов. Такие ФАР могут найти применение в широкополосных системах распределения информации (в том числе в многолучевом режиме) между пространственно рассредоточенными абонентами.
Внедрение научных результатов. Полученные в диссертации результаты внедрены в научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах, выполнявшихся в ОАО «Концерн «Созвездие» и на кафедре электроники ВГУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены в виде докладов и обсуждались на:
9-той Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций», г. Казань, 25-27 апр. 2008 г.
XV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж, 14-16 апр. 2009 г.
8-й Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, г. Санкт-Петербург, 16-19 июня 2009 г.
VIII Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Санкт-Петербург, 14-19 сентября 2009 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ. Из них работы [1-6] - авторские свидетельства на изобретения и патенты на полезную модель; работы [7-13] опубликованы в периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикаций основных результатов диссертаций, а работы [14-16] в сборниках трудов конференций.
Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 124 наименований и приложения. Объём диссертации составляет 195 страниц, включая 80 иллюстраций.
