авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Твердотельные источники хаоса микроволнового диапазона на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами

-- [ Страница 1 ] --

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 « » 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:

  1. предложить и обосновать принципы построения твердотельных источников хаотических колебаний микроволнового диапазона на основе автоколебательных систем с сосредоточенными параметрами;
  2. разработать базовые математические модели низкоразмерных автоколебательных систем с твердотельными активными элементами, способные демонстрировать типичные бифуркационные ситуации, приводящие к генерации хаотических колебаний;
  3. выявить механизмы и условия, эффективно влияющие на спектральные характеристики хаотических колебаний в системах с малым числом степеней свободы;
  4. разработать теорию формирования спектральных характеристик хаотических сигналов в таких системах;
  5. разработать расчетные методы и методы компьютерного моделирования, позволяющие адекватно реализовывать положения теории в физических устройствах с учетом реальных характеристик входящих в них элементов;
  6. разработать лабораторные макеты источников микроволнового хаоса в различных участках микроволнового диапазона и экспериментально проверить теоретические результаты;
  7. создать источники микроволнового сверхширокополосного хаоса для беспроводной сверхширокополосной связи;
  8. 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 “Сверхширокополосные сигналы и сверхкороткие импульсы в радиолокации, связи и акустике” (Суздаль, Россия, 2005); VIII Международной конференции молодых ученых “Волновая электроника и ее приложения в информационных и телекоммуникационных системах” (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.

Личный 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.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.