Шалатонін В І Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки БДУІР вул П Бровки, 6, м Мінськ, 220013, Білорусь Тел: +375 17 2938095 e-mail: microwave@gwbsuirunibelby

Анотація – Досліджено хвилеводний генератор широкосмугових хаотичних коливань на діод Ганна Наведено результати експериментальних досліджень

I                                       Введення

Ефект Ганна, відкритий більше сорока років тому і в даний час не тільки зберігає, а й розширює свій потенціал для багатьох важливих технічних додатків [1-3] Фізичні явища, що лежать в його основі досить добре досліджені, однак є і невирішені проблеми, повязані, наприклад, з самоорганізацією пространствен-но-тимчасових коливань в обсязі напівпровідника [3, 4] Дослідження показали, що прикладений НВЧ сигнал якісно ускладнює динаміку ГАННІВСЬКА коливань Результуюче коливання стає хаотичним і має фрактальну розмірність З-за складності процесів і відмінності підходів результати моделювання в ряді випадків значно різняться між собою Для зясування реального механізму, що лежить в основі нелінійної динаміки і розробки адекватної математичної моделі необхідні відповідні експериментальні результати, отримання яких і було метою цієї роботи У наших експериментах зовнішнім СВЧ сигналом, прікпадиваемим до ДГ, було СВЧ коливання, яке порушувалася в хвилеводної резонансної ланцюга, навколишнього ДГ При зниженій напрузі зсуву ДГ нелінійна взаємодія власного і прикладеного коливань призводило до хаотизації вихідного сигнал Виявилося, що основні результати експериментів близькі до чисельним, отриманим при використанні дрейф-дифузійної моделі з прикладеним ззовні СВЧ коливанням [5,6]

II                               Основна частина

Генераторная схема представляла собою коротко-замкнутий відрізок хвилеводу зменшеної висоти (5,2 X 1,3 мм) Напруга зсуву на ДГ ЗА721, встановлений в хвилеводі, подавалося через четвертьволновий коаксіальний фільтр і дисковий резонатор Така конструкція широко використовується в генераторах Ганна та її властивості добре вивчені В експериментах використовувався також перестроюваний обємний резонатор, слабо повязаний з основною резонансної ланцюгом Основні властивості такої системи можна пояснити нелінійним взаємодією власного коливання ДГ з коливанням, яке збуджується в резонансної порожнини, навколишнього ДГ Динамічний нестабільний баланс взаємодіючих коливань призводить до складного сигналу, що має хаотичний або еквідистантним спектр Повний частотний спектр вихідного сигналу складається з двох взаємодіючих частин: КВЧ шумоподобного спектра і радіочастотного (РЧ) хаотичного або квазілінейчатого спектра Частотне відстань між ними незвично велике: ставлення їх середніх частот знаходиться в межах -10 ® .. 10 ® Ці частини результуючого сигналу синхронізовані і можуть існувати тільки спільно, т к, на наш погляд, формування РЧ субгармонійних коливання є умовою співіснування взаємодіючих КВЧ коливань КВЧ і РЧ компоненти сигналу легко реєструються за допомогою осцилографа (з антеною, підключеної до входу) та / або аналізатора спектра (рис 1,2)

Рис 1 Амплітудний спектр КВЧ компоненти сигналу на виході генераторної схеми

Fig 1 Ampiitude spectrum of EI4F signai

Puc 2 Тимчасова реалізація РЧ коливання генераторної схеми Завдяки великому часу післясвітіння ЕПТ осцилографа можна бачити, що, незважаючи на хорошу передбачуваність поведінки коливання, його динаміка нестійка і еволюціонує в межах області тяжіння

Fig 2 Waveform of the RF part of complex signai

Puc 3 КВЧ спектр вихідного сигналу, змінений з помошрю підстроювання додаткового резонатора

Виявилося, що КВЧ і РЧ хаотичні спектри можна одночасно трансформувати в лінійчаті (рис 3) за допомогою обємного КВЧ резонатора, повязаного допомогою діафрагми з основною резонансної ланцюгом На рис 4 наведена залежність зміни основної частоти РЧ коливання від зміни частоти додаткового КВЧ резонатора, в межах якого спектр залишався лінійчатим Ступеневу зміна основної частоти підтверджує наші теоретичні припущення і результати чисельного моделювання [5,6]

Рис 4 Зміна основної частоти РЧ компоненти спектра при перебудові КВЧ резонатора

Fig 4 Basic frequency F in step variations during EI4F resonator tuning

Наведені та інші результати можуть бути корисні при розробці генераторів хаотичних сигналів Нелінійні коливальні процеси, описані тут, не можуть не впливати на рівень шумів і на довготривалу стабільність роботи традиційних одночастотних генераторів Ганна Тому їх вивчення представляє не тільки теоретичний, але також і практичний інтерес

III                                   Висновок

Отримані результати показують, що вивчення особливостей нелінійної динаміки коливань в GaAs та інших напівпровідниках групи А ® В ® може сприяти розкриттю важливих закономірностей у процесах самоорганізації нелінійних коливань і поліпшенню параметрів генераторів Ганна

IV                            Список літератури

[1] р м Gorley, Р Р Hohey, J Gonzalez-Hernandez and

Yu V Vorobiev Self-organization processes in semiconductor under photo-induced Gunn effect Materials Science and Engineering B, 2002, V 88, Issues 2-3, pp 286-291

[2]  J T La andJ C Cao Terahertz generation and chaotic dynamics in GaN NDR diode Semiconductor Science and Technology, 2004, V 19, No 3, pp 451-456

[3]  R Escobedo and L L Bonilla Wave dynamics in two- dimensional samples of n-GaAs with point contacts Chaos, Solitons &amp Fractals, 2003, V 17, Issues 2-3, pp 283-288

[4]  H Ito and Y Ueda Emergence of a multidomain regime and spatiotemporal chaos in Gunn diodes under impact ionization conditions Physics Letters, 2001, A280, Issues 5-6, pp 312-317

[5]  V Shalatonin, V Mishchenko and D KIsel Spatio-Temporal Chaotic Dynamics in Millimetre-Wave Gunn Devices Nonlinear Phenomena in complex systems An Interdisciplinary Journal, 2004, V 7, No 1, pp 52-60(http://www j- npcsorg/abstracts/vol2004no1html)

[6]  V Shalatonin Nonlinear chaotic dynamics in Gunn devices Doklady of the BSUIR, 2005, No 2, pp 25-34

CHAOTIC DYNAMICS IN MILLIMETRE-WAVE GUNN OSCILLATOR

V                                       I Shalatonin Belarusian State University of informatics and Radioeiectronics BSUIR 6, P Broui<i St, Minsk, 220013, Belarus Ph:+375 17 2938095 e-mail: microwave@gwbsuirunibelby

Abstract – Based on the number of experiments carried out we have concluded that the Gunn device, placed into microwave resonant circuit is able to perform the self-organized nonlinear oscillations within very large frequency scale

I                                        Introduction

Gunn Effect discovered more than forty years ago remains the promising object for various investigations and demonstrates great potential for many applications [1-3] While the physical origin of the effect is well understood, there are many interesting nonlinear problems related to Gunn Effect Nonlinear dynamics theory opens new way for understanding behavior of Gunn devices Numerical simulation of the driven Gunn oscillation dynamics has shown that the applied microwave signal essentially complicates spatiotemporal dynamics and makes simulation quite difficult [3,4] Therefore, it is not surprising that sometimes these studies have reached widely differing conclusions In order to clarify the real mechanism of nonlinear dynamics and to design more reliable mathematical model it is necessary to study experimentally the forced Gunn oscillatory system In spite of the large interest to the subject, experimental data are very scarce up to now

II                                       Main Part

The dynamical system considered is GaAs Gunn diode, placed into waveguide resonant circuit Frequency spectrum of the output signal consists of two separated parts: microwave noise-like spectrum (Fig 1) and quasi-line or chaotic low- frequency (LF) wide-band spectrum The ratio of their frequencies is very large and amounts to 10^.. 10® These parts of signal can exist only together Its waveforms mostly keep a very high level of predictability Microwave current variations do not disappear, but merely become a finer structure superimposed to the large-scale LF waveform Chaotic microwave spectrum can be transformed into the line one provided additional microwave resonator tuning (Fig 3) In Fig 4 the basic low-frequency F,is plotted as a function of the additional resonator frequency The jumping transition of confirms our theoretical predictions [5, 6]

III                                     Conclusion

Nonlinear dynamics of GaAs Gunn diode operating in waveguide resonant circuit is studied Evidence for complicated nonlinear behavior is proved by laboratory experiments The main nonlinear properties of oscillatory system can partly be explained by nonlinear interaction between Gunn self-sustained oscillation and oscillation appearing in the microwave resonant circuit surrounding Gunn diode Dynamical unstable balance leads to fractal scaling in the output signal over a wide range of frequency scales It is shown that these processes have a certain similarity to nonlinear behavior of some biological systems, which have inherent oscillatory character

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р