Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением
Проведено моделирование во временной области активных систем с диодами Ганна, соединенных параллельно отрезками микрополосковой линии. Обнаружена сложная динамика электромагнитного поля, излученного в открытую секцию микрополосковой линии. В системе с отдаленным резонатором, когда активные блоки отд...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Радіофізика та електроніка |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105772 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением / Л.В. Юрченко, В.Б. Юрченко // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 371-377. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860217935663988736 |
|---|---|
| author | Юрченко, Л.В. Юрченко, В.Б. |
| author_facet | Юрченко, Л.В. Юрченко, В.Б. |
| citation_txt | Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением / Л.В. Юрченко, В.Б. Юрченко // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 371-377. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Радіофізика та електроніка |
| description | Проведено моделирование во временной области активных систем с диодами Ганна, соединенных параллельно отрезками микрополосковой линии. Обнаружена сложная динамика электромагнитного поля, излученного в открытую секцию микрополосковой линии. В системе с отдаленным резонатором, когда активные блоки отделены от компактных резонансных устройств протяженными секциями микрополосковой линии, показана возможность генерации серии высокочастотных импульсов. Показано, что в системах, имеющих несколько параллельных ветвей активных блоков различной длины, возможна генерация сложных квазихаотических сигналов.
Проведено моделювання в часовому просторі активних систем з діодами Ганна, що з’єднані паралельно відрізками мікросмугової лінії. Знайдено складну динаміку електромагнітного поля, що випромінюється у відкриту секцію мікросмугової лінії. У системі з віддаленим резонатором, коли активні блоки відділені від компактних резонансних пристроїв подовженими секціями мікросмугової лінії, доведено можливість генерації серії високочастотних імпульсів. Доведено, що в системах, які мають декілька паралельних гілок активних блоків різної довжини, можлива генерація складних квазіхаотичних сигналів.
Time-domain modeling of active systems of Gunn diodes connected in parallel with sections of microstrip delay lines has been carried out. Complex dynamics of electromagnetic field radiated into an infinite open section of microstrip line have been observed. In a system with a remote resonator, when active blocks are separated from the resonator by extended sections of microstrip lines, a possibility of generation of trains of high frequency pulses has been shown. Quasi-chaotic signal generation is shown to be possible in a system with parallel connection of a few branches of different length.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:16:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
__________
ISSN 1028-821X Радиофизика и электроника, том 14, № 3, 2009, с. 371-377 ИРЭ НАН Украины, 2009
УДК 53.072:51:621.373.5.029.64
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ГЕНЕРАЦИИ СЕРИИ ИМПУЛЬСОВ ДИОДАМИ ГАННА
В ЛИНИЯХ ЗАДЕРЖКИ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ
Л. В. Юрченко, В. Б. Юрченко
Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: yurchenk@ire.kharkov.ua
Проведено моделирование во временной области активных систем с диодами Ганна, соединенных параллельно отрез-
ками микрополосковой линии. Обнаружена сложная динамика электромагнитного поля, излученного в открытую секцию микро-
полосковой линии. В системе с отдаленным резонатором, когда активные блоки отделены от компактных резонансных устройств
протяженными секциями микрополосковой линии, показана возможность генерации серии высокочастотных импульсов. Показа-
но, что в системах, имеющих несколько параллельных ветвей активных блоков различной длины, возможна генерация сложных
квазихаотических сигналов. Ил. 8. Библиогр.: 16 назв.
Ключевые слова: высокочастотный импульс, диод Ганна, линия задержки, система с запаздыванием.
В настоящее время ультракороткие им-
пульсы находят широкое применение в различ-
ных областях:
– измерение расстояний радиолокационными
методами с высокой точностью и разрешающей
способностью;
– получение радиоизображений поверхностей
и различных объектов сложной формы;
– контроль и управление технологическими
процессами;
– решение задач обнаружения малоразмер-
ных целей на фоне подстилающей поверхности
и т. д. [1].
В данной работе численно исследован
процесс генерации сигналов, состоящих из серии
ультракоротких импульсов, в активных системах
с задержкой обратной связи, а также рассмотрена
возможность хаотизации таких сигналов. Эти
системы могут быть использованы в качестве
источника колебаний в шумовой радарной техно-
логии для создания шумовых сверхширокополос-
ных радаров [2].
Системы такого типа представляют собой
массив активных приборов, которые располага-
ются в распределенных резонансных структурах
(например в открытых квазиоптических резона-
торах) и электродинамически связаны посредст-
вом распространения волн на довольно заметные
расстояния по сравнению с характерной длиной
волны. Чаще всего они подсоединяются парал-
лельно и традиционно изучаются с целью сложе-
ния мощности генерируемых колебаний, особен-
но в наиболее коротковолновых областях спектра
(субмиллиметровых длин волн), где мощность
отдельно взятого прибора слишком мала. Как
правило, такие системы моделируются в частот-
ной области [3, 4], когда применима концепция
комплексного импеданса как функции частоты.
Наиболее продвинутой формой такого подхода
являются гибридные методы [5] и методы гармо-
нического баланса [6]. В этих методах линейная
часть задачи (распространение и рассеяние волн в
пассивных компонентах структуры) в определен-
ном смысле решается точно, а нелинейная часть
анализируется в рамках приближений, справед-
ливых для выбранного диапазона частот.
Целью нашего исследования является
сложная нетрадиционная сверхширокополосная
динамика поля в сильно-нелинейных системах с
запаздыванием с учетом не мгновенной реакции
активных устройств на внешнее воздействие.
Сложность задач этого класса состоит в том, что
в них необходимо получать строгие самосогласо-
ванные решения во временной области для задачи
самовозбуждения активных высокочастотных
устройств с распределенными резонансными ли-
ниями обратной связи без специальных ограни-
чений на величину и форму (т. е. на спектраль-
ный состав) возникающего сигнала. Решение ука-
занных задач в наиболее общей и строгой поста-
новке требует совместного моделирования как
внутренней нелинейной динамики самих актив-
ных приборов (их электронно-дырочной и элект-
ромагнитно-полевой подсистем), так и линейной
динамики электромагнитного поля в резонансных
(пассивных) распределенных системах обратной
связи. В такой общей постановке решение этой
задачи для реальных трехмерных устройств тре-
бует гигантских вычислительных ресурсов [7] и
на сегодняшний день практически недостижимо.
Поэтому возникает необходимость в разработке
новых специальных методов и моделей, которые,
в отличие от общих универсальных подходов,
были бы достаточно эффективны именно для та-
ких задач и не были бы столь ресурсно-
затратными.
Нами предложена эффективная модель
для расчета во временной области сложных ши-
рокополосных автоколебаний в цепочках диодов
Ганна с учетом их нелинейного взаимодействия в
mailto:yurchenk@ire.kharkov.ua
Л. В. Юрченко, В. Б. Юрченко / Моделирование процессов генерации…
_________________________________________________________________________________________________________________
372
открытой микрополосковой линии передачи с
запаздыванием, обеспечивающая решение данно-
го класса задач с использованием минимальных
вычислительных ресурсов.
1. Постановка задачи. В наших преды-
дущих работах [8–10] мы исследовали сложную
нелинейную динамику электромагнитного поля в
распределенных системах диодов Ганна, соеди-
ненных последовательно протяженными секция-
ми микрополосковой линии передачи.
В этой работе мы рассматриваем другую
систему, которая представляет собой параллель-
ное соединение N микрополосковых секций с
диодами Ганна, как показано на рис. 1, a. Все ак-
тивные блоки в этой схеме )...1( Nn идентичны
(рис. 1, б) и подключены параллельно к некото-
рому узловому )0(n резонансному антенному
элементу (рис. 1, в), который работает как отда-
ленный резонатор для данного набора активных
элементов и в то же время как резонансная ан-
тенна, передающая электромагнитное излучение
в открытую (бесконечную) секцию микрополос-
ковой линии (рис. 1, a).
Отрезки микрополосковой линии длиной
nd и
nSd обеспечивают запаздывание взаимной и
обратной связи в этой системе. Они предполагают-
ся достаточно длинными по сравнению с харак-
терной длиной волны появляющегося излучения.
Четырехполюсные блоки n (рис. 1, б)
представляют собой цепи с активными элемен-
тами, в качестве которых мы рассматриваем
диоды Ганна. В настоящее время они могут ра-
ботать в широком диапазоне частот, а отдельные
их виды (например на основе нитрида галлия
GaN) работают при частотах 100f ГГц.
В этом исследовании диоды Ганна моделируют-
ся в терминах заданной нелинейной вольтам-
перной характеристики (ВАХ), имеющей участ-
ки с отрицательным дифференциальным сопро-
тивлением (ОДС). ВАХ диода Ганна дается той
же аппроксимацией, как в работе [11], которая
является типичной для структур на основе арсе-
нида и нитрида галлия. Подобная модель для
диода стала инженерной нормой для расчетов во
временной области и применяется, например, в
известной системе проектирования HSPICE.
В частности, эта модель соответствует
описанию прибора, работающего с ограниченным
накоплением объемного заряда (ОНОЗ). Режим
ОНОЗ обеспечивает более широкополосное функ-
ционирование диодов Ганна (здесь отношение
максимальной частоты генерации к минимальной
больше десяти: 10/ minmax ff ). Приближение
этого вида означает мгновенный отклик диодов на
изменение внешнего напряжения и соответствует
пренебрежению детальным моделированием силь-
но-полевых областей в диодных структурах.
Мы же учитываем собственную динамику под-
ключенных активных приборов путем рассмотре-
ния соответствующей эквивалентной активной
цепи, состоящей из идеального диода с мгновен-
ным откликом nG , его эквивалентной емкости nC
и индуктивности nL (рис. 1, б).
а)
б)
в)
Рис. 1. Параллельное соединение N активных блоков (а);
активный блок (б), состоящий из диода Ганна Gn, емкости Cn,
индуктивности Ln и источника напряжения ;
nBe резонансный
антенный элемент (в)
Электромагнитное самовозбуждение воз-
никает, когда напряжение на диоде попадает в
область ОДС. Колебания развиваются в ответ на
малую флуктуацию напряжения смещения
nBe
в этой области или же в результате переключе-
ния напряжения смещения из устойчивой облас-
ти в нестабильную область ОДС.
Полная система уравнений, описываю-
щая токи и напряжения в данной схеме, состоит
из следующих трех групп уравнений:
Л. В. Юрченко, В. Б. Юрченко / Моделирование процессов генерации…
_________________________________________________________________________________________________________________
373
– волновых уравнений для токов ),( xin и
напряжений ),( xen в микрополосковой линии
на различных ее участках и в открытой секции;
– уравнений цепи, записанных для каждого
блока n в терминах тока )(ni и напряже-
ния )(ne , определенных, как показано на рис. 1
(например для активных блоков nnn iii ,
nnn eee ,
nnn CGLn iiii ,
nn LCn eee
);
nBe
– граничных условий для волновых уравне-
ний в точке подсоединения блоков в линию
( 0nn xx ), которые устанавливают связь меж-
ду током и напряжением в линии в точке nx
( ),()( nnn xii , ),()( nnn xee ) и током и на-
пряжением цепи )(ni , )(ne в момент времени .
Эти условия дополняются также услови-
ем излучения при x (нет приходящих волн
из открытой секции 0n ) и условием короткого
замыкания на концах участков
nSd (это приводит
к появлению отраженных волн на этих участках).
В случае малой пространственной дис-
персии микрополосковой линии линейная часть
задачи существенно упрощается и распростране-
ние волн на волноводных участках описывается
известным решением Римана-Даламбера одно-
мерного волнового уравнения. В наших расчетах
мы используем это приближение для линейной
части задачи, решаемой во временной области, в
то время как нелинейная часть, в отличие от бо-
лее традиционного подхода, моделируется в пол-
ном объеме. Это позволяет нам свести задачу со
сложными нелинейными дифференциальными
уравнениями в частных производных к задаче с
эквивалентным набором обыкновенных диффе-
ренциально-разностных уравнений (уравнения с
отклоняющимся аргументом). Несмотря на ос-
тающуюся сложность, вызванную запаздыванием,
уравнения могут быть решены доступными число-
выми методами [12]. В результате дифференци-
ально-разностные уравнения на участках с актив-
ными блоками )...1( Nn записываются в виде
)],()(
)([)](
)2([2)(
)()(
2
0
n
n
nnnn
Cnnnn
nnnn
SnnLBL
nnnnn
eGdP
UU
dSe
dPU
(1)
где
);()(
)2()(
nAnC
nnnnnn
dUde
dUdP
A
(2)
);2(
)()()(
nSnn
nnnnnnn
dS
dPUS
(3)
)].()([
)]()2([2
nnnnnL
nnnnnBG
dPU
UdSee
n
nn (4)
В этих уравнениях )( nnU , )( nnP ,
)( nnQ , )( nnS , )(AU – амплитуды волн, бегу-
щих в соответствующих секциях линии
(рис. 1, а), записанные как функции временных
переменных nnn xd ,
nn SnS d
nSx и текущего времени таким образом,
что
),()2()( nnSnn SdSi
n
),()2()( nnSnn SdSe
n
),()()( nnnnnn dPUi
),()()( nnnnnn dPUe (5)
),()()( nnnnnA PdUi
n
),()()( nnnnnA PdUe
n
),()( AA Ui
).()( AA Ue
Уравнения (1)–(5) записаны в терминах нормиро-
ванных переменных: относительная координата
,/ aXx время ,/ act напряжение
0/VVe nn и ток ,/ 00 VIZi nn где a – прост-
ранственный масштаб, используемый для норми-
ровки, c – скорость волны, 0Z – импеданс ли-
нии. При этом величины ,/0 aCcZ nCn
),/( 0aZcLnLn
,)(2 2/1
0 nnn CL ,/1
nn CC
nn LL /1 и
2/1
0 )(
nnn CL определяют ха-
рактерные времена и частоты, свойственные ак-
тивным блокам, а функция )(
nCn eG описывает
вольтамперную характеристику диода [11]. Ин-
декс А обозначает переменные, относящиеся к
антенному элементу (см. обозначения на рис. 1), а
величина )(AU описывает волну, излучаемую в
открытую линию.
Аналогичным образом составляются
уравнения для резонансного антенного элемента
)0(n с учетом топологии схемы (рис. 1, а и
1, в). В итоге мы получаем замкнутую систему
1N дифференциально-разностных уравнений
второго порядка, которые описывают эволюцию
поля в данном устройстве.
2. Численные результаты. Для числен-
ного моделирования выбирались такие же пара-
метры устройств, как в работах [9, 13], и исполь-
зовался метод Дормана-Принса 8-го порядка [12],
который мы расширили на случай уравнений с
множественными запаздываниями, характерными
для нашей задачи. Решения этих нелинейных
уравнений являются прямыми вычислениями во
Л. В. Юрченко, В. Б. Юрченко / Моделирование процессов генерации…
_________________________________________________________________________________________________________________
374
временной области и требуют много машинного
времени. Типичные временные последовательно-
сти эволюции поля вычислялись в течение мно-
гих тысяч периодов колебаний T с точностью
порядка ,10...10 127 достаточной для полу-
чения надежных решений, как было проверено
тестовым моделированием.
Рассматривая систему с одним активным
блоком )1(N , мы обнаружили, что система мо-
жет генерировать серию высокочастотных им-
пульсов, излученных в открытую секцию микро-
полосковой линии. Импульсы возбуждаются, ког-
да напряжение смещения
nBe становится выше
порогового значения (система включена) и пре-
кращаются, когда
nBe становится ниже порога.
Характерной особенностью эффекта является то,
что продолжительность импульса Pt равняется
интервалу времени между импульсами Pt и
каждое из этих значений сравнимо с продолжи-
тельностью прохода сигнала от активного блока
)1(n к антенному участку (отдаленному резо-
натору, )0n и назад к активному блоку )1(n .
Таким образом, пространственная длина каждого
импульса в бесконечной микрополосковой линии
PP ctL равна удвоенной длине отрезка линии с
активным блоком: nP dL 2 . Несущая частота
каждого импульса 2/f определяется собст-
венными частотами активного блока и антенного
элемента, а оптимальным условием для формиро-
вания четкой последовательности импульсов яв-
ляется совпадение собственных частот отдален-
ного резонатора и активного блока. Длина отрез-
ка микрополосковой линии nd , которая обеспе-
чивает запаздывание взаимной связи, должна
быть достаточно большой, чтобы значение про-
должительности импульса Pt было намного
больше, чем период колебания ./2T
Формирование серии импульсов может
быть объяснено следующим образом. В системе с
отдаленным антенным элементом сразу после
включения внешнего напряжения активный блок
начинает функционировать в условиях, как будто
антенный элемент отсутствует. Если активный
блок спроектирован так, что без антенного эле-
мента в системе существуют автоколебания, то
они возбуждаются и по линии передачи к антен-
ному элементу распространяется электромагнит-
ная волна. Колебания продолжаются в течение
времени Pt до тех пор, пока к активному блоку
не вернется отраженный сигнал от антенного
элемента. После этого активный блок и антенный
элемент работают как единая система. Если при
этом вся система устроена так, что стационарные
автоколебания в ней не поддерживаются, то ко-
лебания гасятся и волна, идущая к антенному
элементу, практически исчезает. Колебания от-
сутствуют в течение периода времени Pt , пока в
активный блок поступает волна, отраженная от
узла ,0n и, таким образом, активный блок
«чувствует» присутствие отдаленного резонатора
).( pp tt По истечении этого времени в актив-
ный блок поступает отраженная волна, которая
имеет практически нулевую амплитуду. Тем са-
мым активный блок вновь оказывается в услови-
ях, когда отдаленный антенный элемент эффек-
тивно отсутствует, автоколебания возрождаются,
и в системе формируется новый импульс.
Если к узлу антенны подключены две
идентичные ветви активных блоков параллельно,
мы получаем подобную серию импульсов, кото-
рые слегка отличаются по параметрам. С увели-
чением числа ветвей, колебания между импуль-
сами не прекращаются полностью, и весь процесс
усложняется.
На рис. 2 показаны серии высокочастот-
ных импульсов, излученных из системы с одной
(кривые 1) и двумя (кривые 2) идентичными вет-
вями, в которых активные блоки соединены с
антенным узлом отрезками микрополосковой
линии длиной 200nd (в относительных едини-
цах, где длина волны излучения импульса
9,0 ).
а)
б)
Рис. 2. Серия импульсов излучения из системы с одной (кри-
вые 1) и двумя (кривые 2) ветвями активных блоков: а) – вся
серия от момента включения до выключения внешнего на-
пряжения; б) – один из импульсов серии
0 2400 4800 7200 9600
ct / a, отн. ед
4000 4200 4400 4600 4800 5000
ct / a, отн. ед
0,4
0
–0,4
0,4
0
–0,4
U
,
о
тн
.
ед
.
U
,
о
тн
.
ед
.
Л. В. Юрченко, В. Б. Юрченко / Моделирование процессов генерации…
_________________________________________________________________________________________________________________
375
Частотные параметры активных блоков и
антенного элемента выбирались равными
1,0
ALL , 10
ACC , так что их собст-
венные частоты равны 100 A
.
Имея в виду предложенное выше объяс-
нение эффекта, мы можем рассмотреть систему
из множественных ветвей с запаздыванием,
имеющих разную длину отрезков микрополоско-
вой линии. Учитывая различные времена запаз-
дывания сигналов обратной связи в разных ветвях
и нелинейное смешение колебаний в активных
блоках, мы можем ожидать возникновения слож-
ных хаотических или квазихаотических колеба-
ний, которые могли бы представлять интерес для
радиофизических приложений [14].
В качестве примера рассмотрим систему,
состоящую из двух ветвей таких же идентичных
активных блоков, но имеющих различные (жела-
тельно несоизмеримые) длины nd отрезков мик-
рополосковой линии. В этом случае, несмотря на
относительную простоту активной системы, бу-
дет наблюдаться сложное смешивание задержек
обратной связи в различных ветвях активных
блоков. Это, в свою очередь, обеспечит появле-
ние сложных (фактически квазихаотических в
более низких диапазонах частот) нелинейных
колебаний, как показано, например, на рис. 3 (по-
добный эффект также должен возникнуть в сетях
дисперсионных линий передачи из-за различного
времени распространения разных частотных ком-
понентов).
а)
б)
Рис. 3. Квазихаотический сигнал, излученный из системы
двух активных блоков, соединенных с узлом антенны отрез-
ками длиной d1 = 200 и d2 = 266,67 соответственно (а); деталь-
ная структура отрезка сигнала (б)
В этом примере, даже при том, что при-
сутствует определенная несущая частота из-за
собственных колебаний активных блоков, форма
волны в целом, которая соответствует более низ-
кому диапазону частот по сравнению с несущей
частотой, является довольно хаотической и оста-
ется таковой в течение длительного периода вре-
мени. Здесь мы выбираем параметры длины
2001d и 67,2662d в относительных едини-
цах (при этом период основных колебаний соста-
вил ).6,8T
Квазихаотический характер сигнала, из-
лученного из системы, хорошо иллюстрирован
графиками автокорреляционной функции и сече-
ния Пуанкаре, вычисленных для возникающих
колебаний (рис. 4, 5).
Сравнивая автокорреляционные функции
(рис. 4) серии импульсов и квазихаотического
сигнала, можно видеть длительное сохранение
корреляции и ее постепенное периодическое ис-
чезновение и восстановление, обусловленное пе-
риодическим повторением импульса (с периодом
840~2~ Pt на рис. 4, а), и существенную поте-
рю корреляции в квазихаотическом сигнале за
довольно короткое время, немногим превышаю-
щее период основных колебаний ).6,8~( T
а)
б)
Рис. 4. Автокорреляционная функция: a) – серии импульсов
(рис. 2, кривые 1); б) – квазихаотического сигнала (рис. 3),
вычисленная за интервал времени = 1000–9000 и = 2000–
20000 соответственно
Аналогично на сечениях Пуанкаре
(рис. 5) ясно видно наличие периодичности в се-
рии импульсов, соответствующей рис. 2, за дли-
тельный период времени и потерю долгосрочной
0,8
0,4
0
–0,4
0,8
0,4
0
–0,4
γ
(τ
),
о
тн
.
ед
.
0 400 800 1200 1600
τ, отн. ед
γ
(τ
),
о
тн
.
ед
.
0 400 800 1200 1600
τ, отн. ед
0 4000 8000 12000 16000 20000
ct / a, отн. ед
14000 142000 144000 146000 148000 150000
ct / a, отн. ед
0,4
0
–0,4
0,3
0
–0,3
U
,
о
тн
.
ед
.
U
,
о
тн
.
ед
.
Л. В. Юрченко, В. Б. Юрченко / Моделирование процессов генерации…
_________________________________________________________________________________________________________________
376
периодичности в квазихаотическом сигнале, со-
ответствующем рис. 3. Частотный спектр квази-
хаотического сигнала приведен на рис. 6.
а) б)
Рис. 5. Сечения Пуанкаре: a) – серии импульсов (рис. 2 кри-
вые 1); б) – квазихаотического сигнала (рис. 3), вычисленные
за интервал времени = 4000–8000
Рис. 6. Спектр мощности квазихаотического сигнала
Для получения коротких импульсов нуж-
но уменьшать длины секций микрополосковых
линий. В то же время длительность импульса ог-
раничена снизу периодом собственных колебаний
и временем переключения активного блока в раз-
ные режимы генерации. При этом могут возни-
кать сложности с возбуждением импульсов малой
длительности в укороченных линиях. Пример
формирования импульсов в системе с одним ак-
тивным блоком и микрополосковой секцией дли-
ной 10d и 20d (в относительных единицах)
приведен на рис. 7. Видно, что в системе могут
возникать даже очень короткие импульсы, со-
стоящие всего из нескольких колебаний поля.
При этом увеличивается интервал между ними по
сравнению с тем, который можно было бы ожи-
дать, исходя из длины секции, так как требуется
дополнительное время на возбуждение каждого
нового короткого импульса.
Серии импульсов, описанные в данной
работе, подобны тем, которые моделировались
ранее в одномерном открытом резонаторе с тон-
ким диэлектрическим зеркалом [15], где зеркало
служило отдаленным компактным резонатором.
В отличие от работы [15], где предполагалась
мгновенная реакция активных устройств на
внешнее поле, новая модель учитывает собствен-
ные частоты активных блоков, что моделирует
реально существующее ограничение сверху на
максимальную частоту колебаний. С другой сто-
роны, эта модель использует классический LC-
контур вместо диэлектрического зеркала, что де-
монстрирует общий характер эффекта возбужде-
ния импульсов в системах с отдаленным резона-
тором. Аналогичный пример появления серии им-
пульсов в системе другого типа (полупроводнико-
вом лазере с задержкой оптической обратной свя-
зи) приведен на рис. 8. Несмотря на значительные
отличия в устройстве этих систем, наблюдается
общность в проявлении данного эффекта.
а)
б)
Рис. 7. Серия импульсов излучения из системы с одной вет-
вью активных блоков: а) – d= 10; б) -- d = 20
Рис. 8. Серия импульсов излучения, наблюдаемая в полупро-
водниковом лазере с задержкой оптической обратной связи [16]
Выводы. Моделирование во временной
области распределенных сетей активных блоков,
соединенных отрезками микрополосковой линии
P
, о
тн
.
ед
.
0,6
0,4
0,2
0
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25
f, отн. ед
0 200 400 600 800 1000
ct / a, отн. ед
0,4
0,2
0
–0,2
0,4
0,2
0
–0,2
U
, о
тн
.
ед
.
U
, о
тн
.
ед
.
0 200 400 600 800 1000
ct / a, отн. ед
d
U
/
d
t,
о
тн
.
ед
.
d
U
/
d
t,
о
тн
.
ед
.
U, отн. ед. U, отн. ед.
Л. В. Юрченко, В. Б. Юрченко / Моделирование процессов генерации…
_________________________________________________________________________________________________________________
377
передачи, показало возможность генерации серий
высокочастотных импульсов, излученных из от-
крытой секции линии передачи. Серии импульсов
могут появиться, когда активные блоки отделены
от компактных резонансных участков протяжен-
ными секциями линий передачи, обеспечиваю-
щих запаздывание обратной связи. Если исполь-
зовать несколько ветвей активных блоков с раз-
личной длиной отрезков линий передачи с запаз-
дыванием, то системой может быть сгенерирован
сложный квазихаотический сигнал. Такие систе-
мы могут представлять интерес для радиофизиче-
ских приложений, например, шумовых радаров.
Анализ микроволновых цепей более
сложной структуры – с индуктивной связью дио-
дов Ганна с линией задержки, использование дру-
гого типа активных приборов, детальное модели-
рование их внутренней динамики – может прояс-
нить различные нюансы этого эффекта. Подоб-
ный анализ мог бы объяснить некоторые другие
эффекты, наблюдаемые на практике, например,
существенный дрейф частоты в некоторых систе-
мах, разрабатываемых для генерации импульсов.
1. Carrara W. G., Goodman R. S., Majewski R. M. Spotlight
Synthetic Aperture Radar. Signal processing Algorithms. –
London: Artech House, Inc., 1995. – 554 p.
2. Lukin K. A. Noise Radar Technology: the principles and short
overview // Applied Radio Electronics. – 2005. – 4, No. 1. –
Р. 74–79.
3. Kurokawa K. The Single-Cavity Multiple-Device Oscillator //
IEEE Trans. Microwave Theory Techn. – 1971. – MTT-19. –
P. 793–801.
4. Russell K. J. Microwave Power Combining Technique // IEEE
Trans. Microwave Theory Techn. – 1979. – MTT-27. – P. 472–
478.
5. Erturk V. B., Rojas R. G., Roblin P. Hybrid Analysis: Design
Method for Active Integrated Antennas // IEE Proc. Microw.
Antennas Propag. – 1999. – 146. – P. 131–137.
6. Vendelin G. D., Pavio A. M., Rohde U. L. Microwave Circuit
Design Using Linear and Nonlinear Techniques. – New-York:
Wiley, 2005. – 387 р.
7. Taove A., Hagness S. C. Computational Electrodynamics: the
Finite-Difference Time-Domain Method. – New York: Artech
House, 2000. – 425 р.
8. Yurchenko L. V., Yurchenko V. B. Time-Domain Simulation of
Power Combining in a Chain of THz Gunn Diodes in a
Transmission Line // Int. J. Infrared and Millimeter Waves. –
2004. -–25, No. 1. – P. 43–54.
9. Юрченко Л. В., Юрченко В. Б. Генерация многочастотных
колебаний в микрополосковых линиях передачи с диода-
ми Ганна // Радиоэлектроника и информатика. – 2007. –
№ 2. – С. 24–29.
10. Юрченко Л. В., Юрченко В. Б. Моделирование автоколе-
баний при последовательном включении диодов Ганна в
микрополосковую линию // Прикладная радиоэлектрони-
ка. – 2007. – 6, № 4. – С. 555–560.
11. Шур М. Современные приборы на основе арсенида гал-
лия. – М.: Мир, 1991. – 632 с.
12. Hairer E., Wanner G. Solving Ordinary Differential Equations
II: Stiff and Differential-Algebraic Problems. – Berlin: Sprin-
ger-Verlag, 1991. – 354 р.
13. Alekseev E., Pavlidis D. GaN Gunn diodes for THz signal
generation // IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Di-
gest. – 2000. – 3. – P. 1905–1908.
14. Lukin K. A., Mogyla A. A., Palamarchuk V. P. et al. Ka-band
bіstatic ground-based noise waveform SAR for short-range
applications // IET Radar, Sonar & Navigation. – 2008. – 2,
No. 4. – Р. 233–243.
15. Юрченко Л. В., Юрченко В. Б. Генерация ультракоротких
импульсов в резонаторе с активным слоем и диэлектриче-
ским зеркалом // Прикладная радиоэлектроника. – 2005. – 4,
№ 2. – C. 195–200.
16. Huyet G. Nonlinear dynamics of semiconductor lasers // The
Irish Scientists. – 2003. Ireland: http://www.irishscientist.ie.
MODELLING OF GENERATION OF TRAINS
OF PULSES IN A PARALLEL CONNECTION
OF DELAY LINES WITH GUNN DIODES
L. V. Yurchenko, V. B. Yurchenko
Time-domain modeling of active systems of Gunn dio-
des connected in parallel with sections of microstrip delay lines
has been carried out. Complex dynamics of electromagnetic field
radiated into an infinite open section of microstrip line have been
observed. In a system with a remote resonator, when active blocks
are separated from the resonator by extended sections of microstrip
lines, a possibility of generation of trains of high frequency pulses
has been shown. Quasi-chaotic signal generation is shown to be
possible in a system with parallel connection of a few branches of
different length.
Key words: high-frequency pulses, Gunn diode, delay
line, time delay system.
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ГЕНЕРАЦІЇ
СЕРІЇ ІМПУЛЬСІВ ДІОДАМИ ГАННА
В ЛІНІЯХ ЗАТРИМКИ З ПАРАЛЕЛЬНИМ
З’ЄДНАННЯМ
Л. В. Юрченко, В. Б. Юрченко
Проведено моделювання в часовому просторі актив-
них систем з діодами Ганна, що з’єднані паралельно відрізка-
ми мікросмугової лінії. Знайдено складну динаміку електро-
магнітного поля, що випромінюється у відкриту секцію мікро-
смугової лінії. У системі з віддаленим резонатором, коли
активні блоки відділені від компактних резонансних пристро-
їв подовженими секціями мікросмугової лінії, доведено мож-
ливість генерації серії високочастотних імпульсів. Доведено,
що в системах, які мають декілька паралельних гілок активних
блоків різної довжини, можлива генерація складних квазіхао-
тичних сигналів.
Ключові слова: високочастотний імпульс, діод
Ганна, лінія затримки, система з запізнюванням.
Рукопись поступила 14 августа 2009 г.
http://www.irishscientist.ie/
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-105772 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-821X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:16:59Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Юрченко, Л.В. Юрченко, В.Б. 2016-09-08T19:20:34Z 2016-09-08T19:20:34Z 2009 Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением / Л.В. Юрченко, В.Б. Юрченко // Радіофізика та електроніка. — 2009. — Т. 14, № 3. — С. 371-377. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105772 53.072:51:621.373.5.029.64 Проведено моделирование во временной области активных систем с диодами Ганна, соединенных параллельно отрезками микрополосковой линии. Обнаружена сложная динамика электромагнитного поля, излученного в открытую секцию микрополосковой линии. В системе с отдаленным резонатором, когда активные блоки отделены от компактных резонансных устройств протяженными секциями микрополосковой линии, показана возможность генерации серии высокочастотных импульсов. Показано, что в системах, имеющих несколько параллельных ветвей активных блоков различной длины, возможна генерация сложных квазихаотических сигналов. Проведено моделювання в часовому просторі активних систем з діодами Ганна, що з’єднані паралельно відрізками мікросмугової лінії. Знайдено складну динаміку електромагнітного поля, що випромінюється у відкриту секцію мікросмугової лінії. У системі з віддаленим резонатором, коли активні блоки відділені від компактних резонансних пристроїв подовженими секціями мікросмугової лінії, доведено можливість генерації серії високочастотних імпульсів. Доведено, що в системах, які мають декілька паралельних гілок активних блоків різної довжини, можлива генерація складних квазіхаотичних сигналів. Time-domain modeling of active systems of Gunn diodes connected in parallel with sections of microstrip delay lines has been carried out. Complex dynamics of electromagnetic field radiated into an infinite open section of microstrip line have been observed. In a system with a remote resonator, when active blocks are separated from the resonator by extended sections of microstrip lines, a possibility of generation of trains of high frequency pulses has been shown. Quasi-chaotic signal generation is shown to be possible in a system with parallel connection of a few branches of different length. ru Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України Радіофізика та електроніка Вакуумная и твердотельная электроника Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением Моделювання процесів генерації серії імпульсів діодами Ганна в лініях затримки з паралельним з’єднанням Modelling of generation of trains of pulses in a parallel connection of delay lines with Gunn diodes Article published earlier |
| spellingShingle | Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением Юрченко, Л.В. Юрченко, В.Б. Вакуумная и твердотельная электроника |
| title | Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением |
| title_alt | Моделювання процесів генерації серії імпульсів діодами Ганна в лініях затримки з паралельним з’єднанням Modelling of generation of trains of pulses in a parallel connection of delay lines with Gunn diodes |
| title_full | Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением |
| title_fullStr | Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением |
| title_full_unstemmed | Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением |
| title_short | Моделирование процессов генерации серии импульсов диодами Ганна в линиях задержки с параллельным соединением |
| title_sort | моделирование процессов генерации серии импульсов диодами ганна в линиях задержки с параллельным соединением |
| topic | Вакуумная и твердотельная электроника |
| topic_facet | Вакуумная и твердотельная электроника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/105772 |
| work_keys_str_mv | AT ûrčenkolv modelirovanieprocessovgeneraciiseriiimpulʹsovdiodamigannavliniâhzaderžkisparallelʹnymsoedineniem AT ûrčenkovb modelirovanieprocessovgeneraciiseriiimpulʹsovdiodamigannavliniâhzaderžkisparallelʹnymsoedineniem AT ûrčenkolv modelûvannâprocesívgeneracííserííímpulʹsívdíodamigannavlíníâhzatrimkizparalelʹnimzêdnannâm AT ûrčenkovb modelûvannâprocesívgeneracííserííímpulʹsívdíodamigannavlíníâhzatrimkizparalelʹnimzêdnannâm AT ûrčenkolv modellingofgenerationoftrainsofpulsesinaparallelconnectionofdelaylineswithgunndiodes AT ûrčenkovb modellingofgenerationoftrainsofpulsesinaparallelconnectionofdelaylineswithgunndiodes |