微波混沌信号发生器技术研究进展

　　混沌（Chaos）是非线性动力学系统特有的一种运动形式，是确定性系统中出现的极其复杂的、类似随机的现象。合理利用混沌的多种特性可以有效地改善通信系统性能。基于其原理的混沌载波扩频通信是一种鲁棒性强、保密性好、实现简单的潜在应用价值的方案，可对当前的CDMA扩频体制做出重要的性能改善。但是，在所有直接利用混沌宽带载波进行的扩频通信中，宽带混沌载波的产生及与载波相关的高频数字调制和解调是必不可少的技术。其中，工作在GHz量级的，用于产生无线扩频通信非线性载波的宽带微波混沌信号发生器是关键中的关键。本文将从宽带微波混沌信号发生器基本概念、研究进展、热点问题、需要解决的关键技术和应用展望等多方面对该领域进行描述。

　　典型的宽带微波混沌信号发生器

　　宽带微波混沌信号发生器作为混沌电路的一种，其设计过程分三个步骤。首先，设计一个频率和幅度满足应用要求的正弦波振荡器；其次在电路中引入有源非线性子电路，这一子电路可能会破坏原先的振荡条件；最后，适当调节电路参数，使得电路从极限环的工作状态跳变到混沌振荡状态。因此，设计的关键是提高现有混沌电路的振荡频率以获得更高的带宽，从而使其工作在微波频段上。目前，提高混沌电路振荡频率的方案主要集中在文氏电桥振荡器、蔡氏电路和Colpitts电路结构上。下面我们根据这三类电路结构，介绍几种微波混沌信号发生器的典型电路。

　　1 基于文氏电桥的微波混沌信号发生器

　　由于文氏电桥不含电感元件且易于实现，因此常被作为设计微波混沌信号发生器的候选方案之一。1998年，Elwakil.A. S.提出了基于电流反馈运算放大器和基于结型场效应管的两种改进型文氏桥混沌振荡器，使得文氏桥混沌振荡器的基本频率提高到298kHz，而混沌谐波的频谱分量延伸到1MHz。但是，由于在文氏桥混沌电路中使用了运算放大器，从而限制了该电路所能产生的混沌信号的带宽。虽然技术的发展使得运算放大器的速率不断提高，但是要达到微波频率尚有困难。同时，文氏桥振荡器工作在混沌振荡状态时，其基本频率只有对应正弦波振荡器频率的十分之一左右，这对电路参数提出了更为苛刻的条件。基于这两个因素，虽然文氏桥混沌电路至今仍有一些改进及研究成果，但是对于提高振荡器以使之工作到微波频段的研究没有继续下去了。

　　2 基于蔡氏电路的微波混沌信号发生器

　　具有丰富动力学特性的蔡氏电路一直是微波混沌信号发生器研究的一个主要对象。由于蔡氏电路混沌振荡时的基本频率接近于其处于正弦振荡时频率表达式的取值。因此，蔡氏电路比文氏桥混沌振荡器更适合用于产生更高振荡频率的混沌信号，从而可作为微波混沌信号发生器的产生电路。但是，要使蔡氏电路工作于更高的频段，产生更宽的信号频谱，目前还面临着下面两个方面的挑战。

　　①  当频率较高时电路的电容电感取值较小，电路的寄生参数将会影响电路的工作状态。对这一问题，通常可以通过将蔡氏电路的部分电容电感以微波电路中的传输线替换来解决，这种形式的蔡氏电路被称为时延蔡氏电路。

　　②  蔡氏电路中的负阻子电路多是基于运放设计的，运放所能达到的速度限制了电路工作的频率。在这个问题上有大量的研究人员提出多种方案，具有代表性的如采用电流反馈运放代替原先的电压反馈运放，但是这一方法只能将蔡氏电路的工作频率由原先的几kHz提高到几百kHz，距离作为微波混沌信号发生器的目标还很遥远。也有研究人员提出使用一些自身具有负阻特性的高速非线性器件替代蔡氏电路中的负阻子电路。

　　目前被报道的实验最高水平还只是美国海军研究所1998年的试验。当时他们实现了两个版本的高频蔡氏电路，其中一个电路的频谱覆盖了从直流到150MHz的范围，另外一个频谱从60MHz延伸到100MHz。但是这两个电路工作都不是非常稳定，最终他们放弃了这一方案。

　　3 基于Colpitts电路的微波混沌信号发生器

　　Colpitts电路可以工作在混沌振荡状态这一现象被发现后，其逐渐成为一个研究热点，各种变形的Colpitts电路结构一一提出并加以研究。虽然Colpitts电路和蔡氏电路在电路拓扑结构以及动力学特性上存在一定的相似性，但是两者用于产生混沌振荡的非线性部分电路存在着根本性的差别。蔡氏电路的非线性部分一般是基于运算放大器构建的双端口非线性负阻，其工作速度受到运算放大器的速度限制;而Colpitts电路是利用了三极管的非线性特征产生混沌振荡的。现有微波三极管的工作频率要远远高于运算放大器，从这个意义上讲，Colpitts电路更适合设计工作在微波频段的混沌信号发生器。

　　1995年Kennedy教授发布了最早的射频Colpitts电路，虽然振荡频率只有25MHz，但是与之前的文氏桥混沌振荡器、蔡氏电路相比，其频率己经提高了好几个数量级。2004年Electronics Letters报道了基本频率为1.06GHz的Colpitts混沌振荡器。而目前我国实现的振荡器基本频率已经达到1.6GHz，基本与国际水平保持同步。

　　今后的主要研究方向及应用展望

　　虽然微波混沌信号发生器及相关技术已取得了很大成果，但是尚有很多问题有待进一步研究。下列几个问题就很值得关注。

　　● 对工作在微波频段的Colpitts电路，一般使用集总参数的电路元件来实现，但当频率很高时，电路的寄生参数影响变得很大，此时一个可能的解决方案就是设计一种全微带的Colpitts电路，这样可以最大程度上消除寄生参数的影响，提高电路工作在混沌振荡状态的基本频率。

　　● 工作在微波频段的混沌Colpitts电路产生的混沌信号的带宽可以满足FCC规定中一些应用的要求，但是频谱的分布形态不能满足FCC规定的要求。可以通过一定的方法来对Colpitts电路产生的混沌信号的频谱进行整形，使之满足FCC规定的要求，以将混沌载波应用到超宽带通信中去。

　　● 研究新的基于混沌同步的数字通信系统方案，结合传统数字通信系统中的一些技术，设计新的混沌调制和解调方法，研究各种信道条件以及存在与传统通信系统干扰条件下系统的通信性能，设计出性能与传统通信系统相当且具有多层面保密性能的混沌数字通信系统。

　　● 对混沌Colpitts电路的同步研究还需进一步研究。