УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ШУМОВОЙ ПОМЕХИ Российский патент 2013 года по МПК H03B29/00 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для неавтономного формирования шумовой помехи, создаваемой от внешнего управляющего сигнала, например, для создания тестовых шумовых сигналов в целях оценки помехоустойчивости радиоприемных устройств различного назначения.

Известно «Устройство формирования ответных помех радиолокационным станциям» (патент RU 2237372, 2004 г.). Эффект значительного повышения плотности спектра помехи достигается использованием N приемников и М передатчиков, управляемых специализированной ЭВМ. Явным недостатком этого устройства является исключительная сложность и узкая специализация, а также знание точных временных параметров импульсных сигналов.

Известен «Генератор хаотических колебаний» (патент RU 2246790, 2005 г.). Отличается исключительной простотой конструкции (содержит всего два резистора, два конденсатора, устройство с отрицательной проводимостью и RC - цепь, обладающей отрицательной проводимостью), широкой полосой генерируемой помехи, однако генератор может создавать помехи только в автономном режиме самовозбуждения.

Известна «Станция помех» (патент US 3896439, 1955 г.). Станция предназначается для радиоподавления импульсно-доплеровских РЛС систем дальнего обнаружения воздушных и баллистических целей, путем переотражения, с определенной временной задержкой, принятых импульсов РЛС. Недостатком устройства является сложность конструкции за счет наличия большого числа каналов измерения временных интервалов.

Наиболее близким по технической сущности является устройство, реализующее «Способ формирования шумовых помех» (патент RU 2220508, 2003 г.). Функционирование устройства, заключается в том, что периодический сигнал усиливается до требуемого уровня мощности усилителем, нагруженным на неавтономную нелинейную динамическую систему и работающим в нелинейном режиме с высоким коэффициентом полезного действия, преобразуется в шумовую стохастическую помеху с требуемым энергетическим спектром и высоким коэффициентом качества с помощью соответствующего выбора параметров неавтономной нелинейной динамической системы и частоты порождающего воздействия на основе явления статистически необратимых преобразований в неавтономных нелинейных динамических системах. Недостатком устройства является относительно узкая полоса генерируемых частот и невозможность управления спектром помехи.

Целью предлагаемого изобретения является расширение полосы генерируемых частот передатчика шумовых помех, возможность управления спектром помехи, а также уровнем необратимых искажений сигнала при относительной простоте конструкции.

Поставленная цель достигается путем введения второго параллельного нелинейного колебательного контура, связанного с первым. За счет введения новых элементов устройство получает более широкий диапазон необратимых нелинейных преобразований исходного сигнала. Емкостная и индуктивная связь между двумя контурами позволяет управлять уровнем искажений исходного сигала.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг.1. Принципиальная схема одиночного параллельного резонансного контура.

Фиг.2. Амплитудно-частотная характеристика одиночного резонансного контура.

Фиг.3. Фазо-частотная характеристика одиночного резонансного контура.

Фиг.4. Принципиальная схема двух одиночных параллельных резонансных контуров с внешней емкостной связью между собой.

Фиг.5. Принципиальная схема двух одиночных параллельных резонансных контуров с внешней взаимной индуктивной связью между собой.

Фиг.6. Амплитудно-частотная характеристика первого (входного) из двух взаимно-связанных одиночных параллельных резонансных контуров.

Фиг.7. Амплитудно-частотная характеристика второго (выходного) из двух взаимно-связанных одиночных параллельных резонансных контуров.

Фиг. 8. Фазо-частотная характеристика первого (входного) из двух взаимно-связанных одиночных параллельных резонансных контуров.

Фиг.9. Фазо-частотная характеристика второго (выходного) из двух взаимно-связанных одиночных параллельных резонансных контуров.

Фиг.10. Принципиальная схема двух одиночных параллельных резонансных контуров, содержащих нелинейные емкости С1 и С2 и имеющих внешнюю взаимную емкостную связь С3.

Фиг.11. Принципиальная схема двух одиночных параллельных резонансных контуров, содержащих нелинейные емкости С1 и С2 и имеющих внешнюю взаимную индуктивную связь М между собой.

Фиг.12. Принципиальная схема устройства для формирования шумовой помехи с одним параллельным нелинейным резонансным контуром.

Фиг.13. Принципиальная схема устройства для формирования шумовой помехи с двумя взаимно-связанными одиночными параллельными нелинейными контурами.

Фиг.14. Принципиальная схема заявленного устройства для формирования шумовой помехи.

Как следует из описания теории формирования шумовой помехи бифуркационного типа (скачкообразного) (Копытов В.В. Синтез стохастических помех на основе явления статистической необратимости в нелинейных динамических системах. - М.: МО РФ, 2003. - 91 с., с.75-86, п.4.2. Экспериментальное определение области возникновения стохастических колебаний в неавтономной нелинейной динамической системе) путем выбора уровня ограничения и параметров самой системы можно регулировать остаток неискаженной части сигнала на выходе формирователя шума, меняя тем самым корреляционную функцию шума уже при относительно простой нелинейной параметрической системе в виде одиночного параллельного резонансного контура, принципиальная схема которого приведена на фиг.1 и состоящего из катушки индуктивности L1, сопротивления R1 и электрического конденсатора С1, емкость которого определяется суммой постоянного и высокочастотного напряжения, прилагаемого к нему.

На фиг.2 и фиг.3 приведены амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики одиночного резонансного контура, где ω - текущая угловая частота сигнала, ω₀ - резонансная частота контура (Гомеровский И.С. Теоретические основы радиотехники. - М.: Советское радио. 1963. - 684с. См. с. 124-130. Рис. 4.7 а, б.).

Как видно из фиг.2, полоса пропускания контура на уровне 0,5 от максимума составляет 0,02ω/ω₀, что соответствует добротности Q=100. Фазочастотная характеристика контура представляет собой плавную нечеткую функцию, проходящую через нуль и асимптотически приближающуюся к пределам ±90. Очевидно, что управляя емкостью конденсатора С1 по некоему случайному закону, можно смещать по оси частот ω/ω₀ как амплитудно-частотную (фиг.2), так и фазо-частотную (фиг.3) характеристики контура и создать тем самым нелинейную динамическую систему, управляемую сигналом. К сожалению, по причине исключительной простоты контура на схеме фиг.1, а также плавности характеристик на фиг.2 и фиг.3 трудно осуществить глубокие нелинейные необратимые преобразования исходного сигнала, что является особенностью устройства, наиболее близкого по технической сущности, и его недостатком.

Значительно увеличить глубину нелинейных изменений параметров резонансной системы можно, если заменить одиночный контур на два связанных внешней емкостной или индуктивной связью, как показано на фиг.4 и фиг.5 соответственно (Гомеровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1963 г. - 684 с. См. 157-162, рис. 5.1, 5.8.) На фиг.6 и фиг.7 соответственно приведены графики амплитудно-частотной характеристики двух связанных параллельных контуров в зависимости от коэффициента связи, определяемого как произведение

$$K_{св}=kQ,(1)$$

где

$$k=\frac{M}{L};(2)$$

М - индуктивность связи;

L = L1 = L2 - собственная индуктивность каждого контура;

Q - добротность контура;

$$Q=\frac{{\omega }_{0}L}{r};(3)$$

ω₀ - резонансная частота контура;

r - сопротивление активных потерь контура.

Как следует из фиг.6, амплитудно-частотная характеристики первого (входного контура) меняет свою форму от узкой одногорбной при очень слабой связи (kQ=0,1) и сохраняет ее до достижения критической связи (kQ=0,49), после чего она принимает двугорбую форму с глубоким провалом при kQ=3,0. Аналогичным образом ведет себя амплитудно-частотная характеристика второго (выходного) контура, как это показано на фиг.7. Различие между характеристиками фиг.6 и фиг.7 в том, что по мере уменьшения коэффициента связи максимум первого контура вырастает, а второго уменьшается. Нa фиг.6 и фиг.7 параметр а обозначает относительную расстройку по отношению к резонансной частоте контура ω₀:

$$a=\frac{{\omega }_0-\omega }{{\omega }_0}Q.(4)$$

Согласно данным указанного выше источника (см. с.178, рис.5.15 и рис.5.16), фазо-частотные характеристики двухконтурной резонансной схемы обладают значительно большей нелинейностью и кривизной но сравнению с одноконтурной. Как следует из фиг.8, соответствующей фазо-частотной характеристики первого (входного) контура, в случае большой связи (kQ≥1) наблюдается нечетная симметрия вблизи резонансной частоты и появление двух горбов с противоположной фазой. На фиг.9 приведены данные об изменении крутизны фазо-частотной характеристики второго (выходного) контура по мере увеличения коэффициента связи kQ≥1).

Очевидно, что в случае применения нелинейных реактивных элементов связанных контуров, как показано на фиг.10 и фиг.11, аналогичных соответственно фиг.4 и фиг.5, диапазон глубоких амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик резонансной системы будет значительно расширен, тем самым будут созданы более благоприятные условия для необратимых нелинейных преобразований сигнала в шумовую помеху.

Исходя из описания устройства, реализующего способ формирования шумовых помех (патент RU 2220508, 2003 г.), принципиальную схему устройства с одним параллельным нелинейным колебательным контуром можно изобразить в виде фиг.12, где условно обозначены:

Е - источник питания;

VT1 - транзистор;

VD1 - варикап;

R1 и R2 - делитель напряжения в цепи база - эмиттер на двух резисторах для обеспечения режима работы транзистора с отсечкой тока коллектора;

C1 - переходной конденсатор;

C2 - дополнительный конденсатор для установления требуемой резонансной частоты;

L1 - катушка индуктивности с ферритовым подстроечным сердечником;

I_K0 - постоянный ток коллектора.

На фиг.13 приведена принципиальная схема аналогичного усилителя, но имеющего в качестве нагрузки двухконтурную резонансную систему, состоящую из первичного контура L1C2 D1, вторичного контура L2C4VD2 и элемента межконтурной внешней связи - емкостной (С3) или индуктивной (М). Главное отличие устройства заключается в наличии второго выходного контура L2C4VD2 и элемента связи С3 или М. За счет введения новых элементов устройство получает более широкий диапазон необратимых нелинейных преобразований исходного сигнала. То есть, если в первом случае исходного прототипа по схеме на фиг.12 процесс таких преобразований возможен в условиях относительно малого диапазона изменений уровня входного сигнала, скачком, то для устройства по схеме на фиг.13 требуемый уровень искажений исходного сигнала можно регулировать от неискаженного линейного усиления до почти полного его искажения.

Для полной реализации потенциала предлагаемого устройства по схеме на фиг.13 необходимо подобрать емкость конденсатора С3 (или связь М) для достижения требуемой глубины провала АЧХ усилителя. Дополнительно для осуществления непосредственного подключения входа генератора помех к источнику внешнего исходного сигнала введен ВЧ разъем ХА1, соединенный с базой транзистора VT1 через переходной транзистор C1. Выходное напряжение устройства подается к выходному гнезду высокочастотного разъема, подключенному к части витков второй катушки индуктивности.

На фиг.14 представлена принципиальная схема заявляемого устройства формирования шумовой помехи, где использованы следующие условные обозначения:

1 - источник питания - напряжения постоянного тока;

2 - биполярный n-p-n транзистор, работающий по схеме с общим эмиттером и нулевым начальным током коллектора при отсутствии сигнала;

3 - гнездо «Вход» для подключения источника сигнала, преобразуемого в шумовую помеху;

4 - переходной конденсатор для передачи СВЧ сигнала в целях дальнейших преобразований;

5-6 - резисторы делителя постоянного напряжения начального смещения в цепи база-эмиттер транзистора 2;

7 - катушка индуктивности первого контура;

8 - конденсатор постоянной емкости первого контура;

9 - первый варикап с начальным нулевым напряжением смещения;

10 - катушка индуктивности второго контура;

11 - конденсатор постоянной емкости второго контура;

12 - второй варикап с начальным нулевым напряжением смещения;

13 - конденсатор внешней связи резонансных контуров;

14 - гнездо «Выход» устройства;

15 - переходной конденсатор в выходной цепи устройства.

Функционирование устройства на фиг.14 осуществляется следующим образом. При подключении выхода внешнего источника исходного сигнала к гнезду 3 происходит усиление его мощности в усилителе на транзисторе 2. За счет подбора номиналов резисторов 5 и 6 делителя постоянного напряжения начального смещения на базе относительно эмиттера - устанавливается режим работы с углом отсечки коллекторного тока Q=90°, при котором амплитуда тока первой гармоники максимальна. При работе в режиме малого сигнала, когда искажением сигнала в усилителе на транзисторе 2 можно пренебречь, первый резонансный контур настроен на резонансную частоту, определяемую индуктивностью 7 и суммой емкости конденсатора 8 и начальной емкостью варикапа 9, когда напряжения смещения на нем равно нулю.

По мере увеличения напряжения входного сигнала усилитель на транзисторе 2 входит в нелинейный режим работы, а вместе с ним и первый резонансный контур. Так, когда на аноде варикапа 9 действует напряжение СВЧ положительной полярности, то он ведет себя как обыкновенный диод, смещенный в прямом направлении, то есть как нелинейное активное сопротивление. При смене полярности напряжения варикап работает в режиме обратного смещения, как конденсатор нелинейной емкости. В результате совместного взаимодействия нелинейности усилителя и резонансного контура в последнем возникают необратимые бифуркационные изменения в структуре сигнала, делающие из него шумовую помеху.

Наличие второго резонансного контура, настроенного в резонанс с первым, и конденсатора связи 13, включенного между обоими контурами, коренным образом изменяет картину возникновения и поддержания необратимых бифуркационных изменений в структуре сигнала. За счет связи 13 второй контур принимает на себя часть тока первой гармоники коллектора транзистора 2 и производит собственные необратимые изменения в структуре сигнала. Результатом взаимодействия двух связанных одинаково настроенных резонансных контуров являются необратимые нелинейные преобразования сигнала, которые поддерживаются в более широком диапазоне изменения уровня входного сигнала, чем это имеет место в устройстве, заявленном в качестве прототипа.

Таким образом, как было представлено выше, введение в прототип устройства формирования шумовой помехи дополнительно резонансного контура, идентичного первому и конденсатора 12, осуществляющего внешнюю связь между ними, является новым отличительным признаком заявленного устройства, обеспечивающим предъявляемые к нему требования.

Устройство относится к радиотехнике. Техническим результатом является расширение полосы генерируемых частот передатчика шумовых помех, возможность управления спектром помехи, а также уровнем необратимых искажений сигнала при относительной простоте конструкции. Упомянутый технический результат достигается путем введения второго параллельного нелинейного колебательного контура, связанного с первым. За счет введения новых элементов устройство получает более широкий диапазон необратимых нелинейных преобразований исходного сигнала. Емкостная и индуктивная связь между двумя контурами позволяет управлять и уровнем искажений исходного сигнала. 14 ил.

Устройство формирования шумовой помехи, включающее в себя источник питания напряжением постоянного тока, один биполярный п-р-п транзистор, одну катушку индуктивности, один варикап, два постоянных резистора, три конденсатора постоянной емкости и два высокочастотных разъема, взаимно связанных таким образом, что источник питания напряжением постоянного тока соединен своим «минусом» с общим проводом, а «плюсом» - с шиной питания, эмиттер транзистора соединен с общим проводом, его база соединена с входным гнездом первого высокочастотного разъема через первый конденсатор, оба постоянных резистора соединены последовательно друг с другом, причем их общая точка подключена к базе транзистора, один свободный выход соединен с общим проводом, а другой - с шиной питания, в цепь коллектора транзистора включен первый параллельный резонансный контур, состоящий из катушки индуктивности, второго конденсатора и варикапа, который своим анодом подключен к коллектору транзистора, а катодом - к шине питания, выходное гнездо второго высокочастотного разъема подключено через третий конденсатор, отличающееся тем, что в него дополнительно введен второй параллельный резонансный контур, состоящий из второй катушки индуктивности, четвертого конденсатора и второго варикапа, который соединен своим катодом с шиной питания, анодом через пятый конденсатор - с коллектором транзистора, а выходное напряжение устройства подается к выходному гнезду высокочастотного разъема, подключенному к части витков второй катушки индуктивности.