基于考畢茲振蕩器的寬帶混沌電路設計

摘要：針對某些雷達、通信等系統在應用中對混沌信號頻域帶寬的要求，設計了一種基于考畢茲振蕩器電路的寬帶混沌信號發(fā)生器。該混沌信號產(chǎn)生電路由考畢茲振蕩器為基本諧振電路、級聯(lián)若干容阻串并聯(lián)單元的選頻網(wǎng)絡(luò )構成，混沌信號的上下限頻率分別由基本諧振電路和第一節容阻串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò )參數決定，通帶頻譜的平坦性受其他級聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò )影響。根據初步分析和仿真試驗，該混沌電路組成結構簡(jiǎn)單，能夠產(chǎn)生帶寬超過(guò)60 MHz較為平坦的寬帶混沌信號。
關(guān)鍵詞：混沌動(dòng)力學(xué)；考畢茲振蕩器；寬帶混沌電路；RLC網(wǎng)絡(luò )；電路仿真

0 引言
在混沌動(dòng)力學(xué)方面，當前的研究重點(diǎn)正由純理論研究轉向工程應用研究?；煦缧盘柊l(fā)生器是混沌應用的前提條件，而混沌振蕩電路是重要的混沌信號源。目前已發(fā)現或提出了多種混沌振蕩電路，根據它們的電路結構和所用元器件的不同，這些混沌電路能夠產(chǎn)生從較低的音頻段到很高的射頻段甚至光波頻段的振蕩信號。
由于混沌信號具有類(lèi)似噪聲的頻譜特性，一般混沌電路能夠產(chǎn)生一定寬度的混沌信號，但其信號譜的通帶帶寬在某些應用上還是不夠的。在混沌的諸多應用領(lǐng)域，例如混沌雷達系統，為了獲得較高的抗干擾能力和較好的速度、距離分辨力，通常要求所用混沌信號頻譜的通帶帶寬較寬。目前針對寬帶混沌產(chǎn)生電路的研究，國內外學(xué)者提出了幾種寬帶混沌電路，如失諧耦合考畢茲}昆沌電路、兩節考畢茲混沌電路等。這些寬帶混沌產(chǎn)生電路往往需要多個(gè)非線(xiàn)性器件方能產(chǎn)生通帶較寬的混沌信號，而且對產(chǎn)生的混沌信號特性的調節和控制較為復雜。
帶選頻網(wǎng)絡(luò )的考畢茲寬帶混沌產(chǎn)生電路是一種結構相對簡(jiǎn)單的寬帶混沌電路，這種電路只含有一個(gè)非線(xiàn)性器件，電路容易實(shí)現。該電路產(chǎn)生混沌信號的通帶寬度能夠根據需要在一定范圍內方便的調整，其信號頻譜具有較好的平滑性。本文旨在通過(guò)對這種混沌電路的分析和實(shí)例仿真驗證，說(shuō)明帶選頻網(wǎng)絡(luò )的考畢茲寬帶混沌電路是一種較為實(shí)用的寬帶混沌信號產(chǎn)生電路。

1 電路分析
本文提出的寬帶混沌電路的組成框圖如圖1所示，它是由考畢茲正弦振蕩電路與若干串并聯(lián)RLC單元構成的選頻網(wǎng)絡(luò )耦合形成的，其兩部分相應的電路原理圖見(jiàn)圖2，圖3。這里用RLC單元構成的選頻網(wǎng)絡(luò )不僅僅起到濾波器的作用，它其實(shí)已經(jīng)成為了振蕩電路的一部分，通過(guò)對與它相連的諧振電路施加影響而輸出具有一定帶寬的通帶混沌信號。諧振電路信號通過(guò)電容Cb兩端輸入到選頻網(wǎng)絡(luò )，寬帶混沌信號通過(guò)最后一節RLC單元中的并聯(lián)電容Cnn兩端引出。

通過(guò)電路參數的改變，考畢茲振蕩電路能夠產(chǎn)生諧振、子諧振、混沌等各種不同類(lèi)型的振蕩信號。這里選用的電路參數使基本考畢茲電路工作在諧振狀態(tài)?？籍吰澱袷庪娐泛幸粋€(gè)非線(xiàn)性器件，即晶體管Q1。振蕩回路由電容Ca，Cb和電感L以及其等效體電阻R構成，振蕩的中心頻率f0由下式?jīng)Q定：

RLC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò )的第一節連在電容Cb的兩端，即選頻網(wǎng)絡(luò )通過(guò)基本考畢茲的反饋支路對振蕩信號產(chǎn)生影響，它的輸出端開(kāi)路。選頻網(wǎng)絡(luò )每一節的電路參數可以相同也可不同，改變任何一節的LC值都會(huì )對輸出信號產(chǎn)生影響。當選頻網(wǎng)絡(luò )電路參數取值不同時(shí)，其相應的狀態(tài)描述方程(不包括第一節和最后一節)如下：

式中：In，ILnn分別為流過(guò)電感Ln，Lnn的電流。
經(jīng)過(guò)電路分析和多次仿真實(shí)驗可以得到該電路輸出通帶混沌信號的上限頻率如下式所示：

即為電路中諧振部分的中心振蕩頻率。因此，可以通過(guò)調高諧振電路(這里為考畢茲振蕩電路)的中心頻率來(lái)提高輸出通帶混沌信號的上限頻率。
此電路輸出混沌信號的下限頻率由選頻網(wǎng)絡(luò )部分決定：

即選頻網(wǎng)絡(luò )的第一節單元的串聯(lián)電容、電感值限定了輸出混沌信號的下限頻率。通過(guò)適當地選擇電容C1和電感L1，結合一定中心頻率的諧振電路，就可以將電路輸出的通帶混沌信號限定在所需要的范圍。
上面的上、下限頻率公式僅僅限定了輸出混沌信號的通帶范圍，但是不能保證信號頻譜在通帶內的平坦性，也就是說(shuō)不能保證混沌信號在通帶內的能量較為均勻分布。為了使電路輸出混沌信號的能量在通帶內較為均勻分布，以便更適合于寬帶混沌雷達的應用，必須對電路參數做進(jìn)一步的調整。通帶頻譜的平滑性可以通過(guò)對選頻網(wǎng)絡(luò )中的各級串并聯(lián)電容、電感的設置實(shí)現，具體做法有如下一些規律：
(1)選頻網(wǎng)絡(luò )中節數低的串聯(lián)電容電感電路對信號高頻成分有較大阻礙作用，對低頻限制較小。所以第一節的串聯(lián)電容電感電路能夠迅速抑制諧振電路輸出的周期信號，從而相對放大了與其固有頻率接近的信號成分。
(2)選頻網(wǎng)絡(luò )中并聯(lián)電容電感電路的作用是增強了與其固有頻率一致的信號能量，對與其固有頻率差別較大的信號影響較小。
(3)串聯(lián)電感對高頻信號的影響較大，而串聯(lián)電容則對低頻信號的作用明顯。
對于通帶要求不是很寬的情況，各節電容、電感值可以取相同；而對于信號通帶要求較寬的情況，就應該考慮使用不同的容感值來(lái)滿(mǎn)足混沌信號在通帶內的平坦性。另外，適當增加選頻網(wǎng)絡(luò )的節數，能夠調出更平坦的頻譜信號。