Генератор гиперхаотических колебаний

 

Изобретение относится к радиотехнике. Генератор гиперхаотических колебаний содержит линейное (1) и нелинейное (2) устройства с отрицательным сопротивлением, первую (3) и вторую (4) емкости, первую (5) и вторую (6) индуктивности. Внутренние связи и тип вольт-амперной характеристики линейного (1) и нелинейного (2) устройств с отрицательным сопротивлением обеспечивают возбуждение гиперхаотических колебаний в последовательном колебательном контуре, а также выделение в схеме генератора самостоятельного блока, являющегося генератором периодических колебаний. Технический результат: повышение экономичности по энергопотреблению путем снижения потребляемого тока. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве источника гиперхаотических электромагнитных колебаний.

Известен генератор гиперхаотических колебаний (P. Arena, S.Baglio, L.Fortuna and G.Manganaro. Hyperchaos from cellular neural networks//Electronics Letters, 1995, Vol. 31, N 4, P. 250, Fig. 1), содержащий линейное и нелинейное устройства с отрицательным сопротивлением, первые выводы которых соединены между собой и с первыми выводами первой и второй емкостей, второй вывод линейного отрицательного сопротивления соединен со вторым выводом первой емкости и первым выводом первой индуктивности, второй вывод которой соединен со вторым выводом второй емкости и с первым выводом второй индуктивности, второй вывод которой соединен со вторым выводом нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением.

Недостатком этого генератора является то, что он не позволяет возбудить гиперхаотические колебания в последовательном колебательном контуре, а также то, что в его схеме нельзя выделить самостоятельный блок, являющийся генератором периодических колебаний, преобразуемым в генератор гиперхаотических колебаний присоединением к нему остальных элементов схемы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является генератор гиперхаотических колебаний (T.Matsumoto, L.O.Chua, and K. Kobayashi. Hyperchaos: Laboratory Experiment and Numerical Confirmation //IEEE Transactions on Circuits and Systems, 1986, Vol. CAS-33, N 11, P. 1144), содержащий линейное и нелинейное устройства с отрицательным сопротивлением, первые выводы которых соединены с первым выводом первой емкости, второй вывод которой соединен с первым выводом первой индуктивности, второй вывод которой соединен со вторым выводом нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением и первым выводом второй емкости, второй вывод которой соединен с первым выводом второй индуктивности.

Недостатком этого генератора является то, что его схему нельзя получить из схемы генератора периодических колебаний на основе последовательного LC-контура путем подключения к ней дополнительных элементов, без изменения внутренних связей в схеме генератора периодических колебаний.

Целью изобретения является разработка такого генератора гиперхаотических колебаний, схему которого можно получить из схемы генератора периодических колебаний на основе последовательного колебательного контура путем подключения к ней дополнительных элементов, без изменения внутренних связей в схеме генератора периодических колебаний.

Цель изобретения достигается тем, что генератор гиперхаотических колебаний, содержащий линейное и нелинейное устройства с отрицательным сопротивлением, первые выводы которых соединены с первым выводом первой емкости, второй вывод которой соединен с первым выводом первой индуктивности, второй вывод которой соединен со вторым выводом нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением и первым выводом второй емкости, второй вывод которой соединен с первым выводом второй индуктивности, выполняется таким образом, что второй вывод линейного устройства с отрицательным сопротивлением соединен со вторым выводом первой емкости, а второй вывод второй индуктивности соединен с первым выводом первой емкости, причем вольт-амперная характеристика нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением такова, что напряжение на выводах этого устройства является однозначной функцией протекающего через него тока.

С целью повышения экономичности по энергопотреблению линейное устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются соответственно первым и вторым выводами линейного устройства с отрицательным сопротивлением, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора и эмиттером третьего транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом первого источника тока и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго источника тока и базой и коллектором четвертого транзистора, эмиттер которого соединен с базой первого транзистора и коллектором второго транзистора, нелинейное устройство с отрицательным сопротивлением содержит пятый и шестой транзисторы, эмиттеры которых, являющиеся соответственно первым и вторым выводами нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением, соединены с первыми выводами соответственно второго и третьего резисторов, вторые выводы которых соединены с общей шиной, коллектор пятого транзистора соединен с базой шестого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с выходом пятого источника тока и базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого соединен с базой пятого транзистора и коллектором шестого транзистора.

Заявляемый генератор гиперхаотических колебаний поясняется фиг. 1, на которой изображена его электрическая схема, фиг. 2, на которой показано распределение токов и напряжений в схеме генератора при его работе, и фиг. 3, на которой приведена практическая реализация заявленного генератора.

Генератор гиперхаотических колебаний содержит линейное 1 и нелинейное 2 устройства с отрицательным сопротивлением, первую 3 и вторую 4 емкости, первую 5 и вторую 6 индуктивности, причем линейное устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 транзисторы, первый резистор 11, первый 12 и второй 13 источники тока, нелинейное устройство с отрицательным сопротивлением содержит пятый 14, шестой 15, седьмой 16 и восьмой 17 транзисторы, второй 18, третий 19 и четвертый 20 резисторы, третий 21 и четвертый 22 источники тока.

Запишем уравнения, описывающие динамику предложенного генератора (см. фиг. 2): u_L1 = u_S(i) - u_C1; u_L2 = - u_S(i) - u_C2; i_C1 = i_L1 - i_R; i_R = - u_C1/R; i = i_L2 - i_L1, где R - модуль эквивалентного отрицательного сопротивления линейного устройства с отрицательным сопротивлением 1; u_S(i) - динамическая вольт-амперная характеристика нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением 2; C₁ и C₂ - значения первой 3 и второй 4 емкостей соответственно; L₁ и L₂ - значения первой 5 и второй 6 индуктивностей соответственно; i_R, i, i_L1, i_L2, i_C1 - переменные токи, протекающие соответственно в линейном 1 и нелинейном 2 устройствах с отрицательным сопротивлением, первой 5 и второй 6 индуктивностях и первой емкости 3; u_C1, u_C2, u_L1, u_L2 - переменные напряжения на первой 3 и второй 4 емкостях и первой 5 и второй 6 индуктивностях соответственно.

Разрешив уравнения (1) относительно получим следующую систему дифференциальных уравнений: Вводя нормированные переменные x = i_L1/I₀, y = i_L2/I₀, z = u_C1/I₀R, w = u_C2/I₀R (где I₀ - величина граничного тока между средним и боковыми участками вольт-амперной характеристики нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением), и безразмерное время приведем систему (2) к стандартному виду: где h(y - x) = u_S(i)/I₀R - нормированная динамическая вольт-амперная характеристика нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением;
Полученная система уравнений идентична нормированной системе уравнений, описывающей динамику прототипа, так как исходная система уравнений, описывающая прототип:

приводится к виду (3) подстановкой:
x = u_C1/U₀; y = u_C2/U₀; z = i_L1R/U₀; w = i_L2R/U₀;
где динамическая вольт-амперная характеристика нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением в прототипе; k = ₀/m₁, следовательно:

где λ = m₁R.
Поэтому в заявленном генераторе гиперхаотические колебания наблюдаются при тех же значениях коэффициентов α, β, δ, k и λ, что и в прототипе. Исходя из этого определяются физические параметры схемы заявленного генератора. Например, задаваясь значениями C₁, R и I₀, получим:
C₂ = C₁/δ; L₁ = βR²C₁; L₂ = L₁/α;
где n₁ = Rλ, n₀ = Rλk - дифференциальные сопротивления среднего и боковых участков вольт-амперной характеристики соответственно.

В схеме на фиг. 3 n₀ ≈ 2R₃, I₀ = I₂, R≈ R₁, где R₁ - сопротивление первого резистора, R₂ - сопротивление четвертого резистора, R₃ - сопротивление второго и третьего резисторов, I₂ - выходной ток третьего и четвертого источников тока. Гиперхаотические колебания в прототипе наблюдаются, в частности, при 1/C₁ = 2; 1/C₂ = 20; 1/L₁ = 1; 1/L₂ = 1,5; R = 1; m₀ = 3; m₁ = -0,2, чему соответвуют α = 10; β = 0,5; δ = 1,5; λ = -0,2; k = -15.

Следовательно значения элементов схемы на фиг. 3 можно выбирать исходя из соотношений:
R₁ ≈ R;


C₂ ≈ 0,7C₁; L₁ ≈ 0,5R²C₁; L₂ ≈ 0,1L₁.

Теперь, задавшись значениями R, C₁ и I₀, например, R = 500 Ом, C₁ = 0,8 мкФ, I₀ = 0,3 мА, можно найти остальные параметры схемы генератора на фиг. 3, при которых в нем наблюдаются гиперхаотические колебания: C₂ ≈ 0,55 мкФ, I₂ ≈ 0,3 мА, R₁ ≈ 500 Ом, R₃ ≈ 750 Ом, R₂ ≈ 95 Ом, L₁ ≈ 100 мГн, L₂ ≈ 10 мГн, I₁ ≈ 0,7 мА, где I₁ - выходной ток первого и второго источников тока.

Заявленный генератор гиперхаотических колебаний, как видно из фиг. 1, 2, 3, включает в себя LC-генератор периодических колебаний, содержащий нелинейное устройство с отрицательным сопротивлением и последовательный колебательный контур на второй емкости и второй индуктивности, дополненный, без разрыва в нем внутренних связей, электрической цепью, содержащей линейное устройство с отрицательным сопротивлением, первую емкость и первую индуктивность. Такое построение заявленного устройства дает возможность переходить от генерации периодического сигнала к генерации гиперхаотических колебаний и обратно без изменения параметров элементов схемы - отключая или подключая к генератору периодического сигнала дополнительную электрическую цепь. Это расширяет область применения и функциональные возможности заявленного генератора гиперхаотических колебаний по сравнению с аналогами и прототипом. Повышение экономичности по энергопотреблению в схеме на фиг. 3 обусловлено тем, что напряжение питания и потребляемый ток в ней могут быть снижены до 2-3 В и 10-20 мкА соответственно.

Формула изобретения

1. Генератор гиперхаотических колебаний, содержащий линейное и нелинейное устройства с отрицательным сопротивлением, первые выводы которых соединены с первым выводом первой емкости, второй вывод которой соединен с первым выводом первой индуктивности, второй вывод которой соединен с вторым выводом нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением и первым выводом второй емкости, второй вывод которой соединен с первым выводом второй индуктивности, отличающийся тем, что второй вывод линейного устройства с отрицательным сопротивлением соединен c вторым выводом первой емкости, а второй вывод второй индуктивности соединен с первым выводом первой емкости, причем вольт-амперная характеристика нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением такова, что напряжение на выводах этого устройства является однозначной функцией протекающего через него тока.

2. Генератор гиперхаотических колебаний по п.1, отличающийся тем, что линейное устройство с отрицательным сопротивлением содержит первый и второй транзисторы, эмиттеры которых являются соответственно первым и вторым выводами линейного устройства с отрицательным сопротивлением, коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора и эмиттером третьего транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом первого источника тока и первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с выходом второго источника тока и базой и коллектором четвертого транзистора, эмиттер которого соединен с базой первого транзистора и коллектором второго транзистора, нелинейное устройство с отрицательным сопротивлением содержит пятый и шестой транзисторы, эмиттеры которых, являющиеся соответственно первым и вторым выводами нелинейного устройства с отрицательным сопротивлением, соединены с первыми выводами соответственно второго и третьего резисторов, вторые выводы которых соединены с общей шиной, коллектор пятого транзистора соединен с базой шестого транзистора и эмиттером седьмого транзистора, база и коллектор которого соединены с выходом третьего источника тока и первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с выходом четвертого источника тока и базой и коллектором восьмого транзистора, эмиттер которого соединен с базой пятого транзистора и коллектором шестого транзистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3