达林顿结构微波混沌电路及其芯片、电路模块、设计方法与流程

本发明涉及一种微波混沌电路，特别的涉及一种达林顿结构微波混沌电路、采用所述达林顿结构微波混沌电路的芯片、采用所述达林顿结构微波混沌电路的电路模块、所述达林顿结构微波混沌电路的设计方法。

背景技术：

由于混沌信号具有宽带、内随机性、非线性、类噪声的功率谱等特性，同时混沌电路结构简单、易于构造，使得混沌电路广泛应用于保密通信，宽带通信、扩频通信、混沌雷达、电子对抗等诸多领域。混沌信号电路常用结构有文氏电桥混沌电路、蔡氏混沌电路和Colpitts混沌电路等。文氏电桥电路和蔡氏电路由于受到电路中负阻器件运算放大器和隧道二极管工作频率的限制，无法实现1GHz以上频段的混沌振荡。而Colpitts结构混沌电路中晶体管的工作频率最高可以达到上百GHz以上，这使得Colpitts混沌电路成为最热门的微波混沌电路结构。

请参阅图1，其是一种现有技术的Colpitts结构微波混沌电路。串接在晶体管Q1的基极-集电极之间的寄生电容C_BC、串接在晶体管Q1的基极-发射极之间的寄生电容C_BE、外接电容C₁和C₂、电感L_S、电阻R_S形成振荡环路。电容C_a在晶体管Q1的发射极和整个Colpitts结构微波混沌电路的输出端口之间起到隔离直流作用。扼流电感L₀和电阻R₀与晶体管Q1的发射极相连组成恒流源偏置。正电压源V_CC和负电压源-V_SS分别为晶体管Q1的集电极和发射极的偏置电压。固定外接电容C₁和C₂及正电压源V_CC的取值，根据工作频率设定电感L_S和电阻R_S的取值，调整负电压源-V_SS的取值，可以使电路进入混沌振荡状态并产生混沌信号。

这种现有技术的Colpitts结构微波混沌电路简单实用，但是，当频率上升时，振荡环路的负阻随晶体管Q1增益的降低而降低，混沌振荡频率和带宽难以突破限制。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种达林顿结构微波混沌电路、采用所述达林顿结构微波混沌电路的芯片、采用所述达林顿结构微波混沌电路的电路模块、所述达林顿结构微波混沌电路的设计方法，本发明的达林顿结构微波混沌电路实现一种基于达林顿结构的超宽带微波混沌电路，在相同工艺面积或相同型号数目晶体管下，增加混沌电路的增益和振荡环路的负阻，提升混沌信号基本频率和带宽。

本发明通过以下技术方案实现：一种达林顿结构微波混沌电路，其包括增益元件电路、混沌振荡环路、扼流圈电路、输出隔离电路；所述增益元件电路采用晶体管Q1、Q2，Q1的发射极连接Q2的基极，两个晶体管Q1、Q2的两个集电极连接、两个晶体管Q1、Q2的两个发射极连接并分别作为所述达林顿结构微波混沌电路的两个独立输出端口a、b；所述扼流圈电路作为所述达林顿结构微波混沌电路的恒流源偏置，所述扼流圈电路的一端连接一个负电压源-V_ss，另一端连接两个晶体管的两个发射极；所述混沌振荡环路与每个晶体管的三极均连接用于对所述增益元件电路输出混沌信号；所述输出隔离电路将两个输出端口a、b与混沌振荡环路均隔离。

作为上述方案的进一步改进，所述扼流圈电路包括两个电感L₁、L₂和两个电阻R₁、R₂；电阻R₁的一端经由负电压源-V_ss接地，另一端经由电感L₁连接晶体管Q1的集电极；电阻R₂的一端经由负电压源-V_ss接地，另一端经由电感L₂连接晶体管Q2的集电极。

作为上述方案的进一步改进，所述混沌振荡环路包括电阻R_S，两个电感L_S、L_C，三个电容C₁、C₂、C₃；电感L_S的一端经由电阻R_S接地，另一端连接Q1的基极；电感L_C的一端连接Q1的集电极，另一端经由一个正电压源V_cc接地；电容C₁的两端分别连接Q1的基极和发射极，电容C₂的两端分别连接Q2的基极和发射极；电容C₃的一端连接Q2的发射极，另一端接地。

作为上述方案的进一步改进，所述输出隔离电路包括两个电阻R_a、R_b和两个电容C_a、C_b；电阻R_a的一端经由电容C_a连接两个晶体管Q1、Q2的两个集电极，另一端连接输出端口a；电阻R_b的一端经由电容C_b连接两个晶体管Q1、Q2的两个发射极，另一端连接输出端口b。

作为上述方案的进一步改进，所述扼流圈电路包括两个电感L₁、L₂和两个电阻R₁、R₂；电阻R₁的一端经由负电压源-V_ss接地，另一端经由电感L₁连接晶体管Q1的集电极；电阻R₂的一端经由负电压源-V_ss接地，另一端经由电感L₂连接晶体管Q2的集电极；所述混沌振荡环路包括电阻R_S，两个电感L_S、L_C，三个电容C₁、C₂、C₃；电感L_S的一端经由电阻R_S接地，另一端连接Q1的基极；电感L_C的一端连接Q1的集电极，另一端经由一个正电压源V_cc接地；电容C₁的两端分别连接Q1的基极和发射极，电容C₂的两端分别连接Q2的基极和发射极；电容C₃的一端连接Q2的发射极，另一端接地；所述输出隔离电路包括两个电阻R_a、R_b和两个电容C_a、C_b；电阻R_a的一端经由电容C_a连接两个晶体管Q1、Q2的两个集电极，另一端连接输出端口a；电阻R_b的一端经由电容C_b连接两个晶体管Q1、Q2的两个发射极，另一端连接输出端口b。

本发明还提供一种芯片，其采用上述任意一项所述的达林顿结构微波混沌电路。

作为上述方案的进一步改进，所述芯片包括用于接地的接地引脚、用于连接正电压源V_cc的正电压源引脚、用于连接负电压源-V_ss的负电压源引脚、用于分别连接两个输出端口a、b的两个输出引脚。

本发明还提供一种电路模块，其采用上述任意达林顿结构微波混沌电路。

作为上述方案的进一步改进，所述电路模块包括用于接地的接地端子、用于连接正电压源V_cc的正电压源端子、用于连接负电压源-V_ss的负电压源端子、用于分别连接两个输出端口a、b的两个输出端子。

本发明还提供上述最后一种达林顿结构微波混沌电路的设计方法，其包括以下步骤：

1)根据混沌信号源的工作频率设定电路的基本振荡频率f₀；

2)选择晶体管，晶体管的截止频率f_T>5f₀，晶体管的面积或数目比值为：

3)根据基本振荡频率f₀设定混沌振荡环路的电容C₁、C₂、C₃，电感L_S、L_C和电阻R_S的值：

其中

电容C₁、C₂、C₃的取值关系为：C₁+C_BE1≈C₂+C_BE2≈C₃，其中C_BE1为晶体管Q1基极和射极之间的寄生电容，C_BE2为晶体管Q2基极和射极之间的寄生电容，

电感L_S、L_C的取值关系为：

电阻R_S的取值范围为：其中电路品质因子Q＝1.6～2或2.5～3.1或4.5～8；

4)设定作为恒流源偏置的扼流圈电感L₁、L₂和电阻R₁、R₂的取值，满足：

20欧姆≤R₂≤500欧姆，

或

5)设定输出端口隔离电阻和电容的取值，满足：

C_a＝C_b≈C₃，

200欧姆<R_a＝R_b<500欧姆；

6)设定偏置电压源Vcc和-Vss，其中Vcc取所选晶体管Q1和Q2集电极或漏极电压的厂商标称的典型值，调整-Vss的值直到电路进入混沌振荡状态。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1.本发明提出的达林顿结构微波混沌电路，与现有技术的Colpitts结构相比，振荡环路增益为两个晶体管增益的乘积，振荡环路负阻大幅提升；

2.本发明达林顿结构采用的晶体管Q1的数目或面积远小于晶体管Q2的数目或面积，整个电路的晶体管数目或面积由晶体管Q2的数目或面积决定，与传统技术Colpitts结构的晶体管数目或面积相当；

3.本发明采用L_S和L_C双电感分别串联在晶体管Q1的基极和集电极，与传统技术的单电感结构相比，振荡环路负阻得到进一步提升；

4.本发明在晶体管工艺、面积或数目相同的情况下，混沌振荡基本频率和20dB频谱带宽较现有技术的Colpitts结构混沌电路分别提升80％和50％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种现有技术Colpitts结构微波混沌电路的原理示意图；

图2是本发明达林顿结构微波混沌电路的模块框图；

图3是图2中达林顿结构微波混沌电路原理示意图；

图4是本发明端口b的输出频谱图；

图5是本发明端口a和端口b输出时域信号叠加的混沌吸引子图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合实施例和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参阅图2，本发明的达林顿结构微波混沌电路包括增益元件电路、混沌振荡环路、扼流圈电路、输出隔离电路。所述增益元件电路采用晶体管Q₁、Q₂，Q₁的发射极连接Q₂的基极，两个晶体管Q₁、Q₂的两个集电极连接、两个晶体管Q₁、Q₂的两个发射极连接并分别作为所述达林顿结构微波混沌电路的两个独立输出端口a、b。所述扼流圈电路作为所述达林顿结构微波混沌电路的恒流源偏置，所述扼流圈电路的一端连接一个负电压源-V_ss，另一端连接两个晶体管的两个发射极；所述混沌振荡环路与每个晶体管的三极均连接用于对所述增益元件电路输出混沌信号。所述输出隔离电路将两个输出端口a、b与混沌振荡环路均隔离。

请结合图3，在以下描述的实施例中，以达林顿结构互联的晶体管Q1和Q2作为混沌电路的增益元件，Q1和Q2的集电极连接在一起，Q1的射极和Q2的基极连接在一起；连接Q1集电极和直流电源V_CC的电感L_C、连接Q1基极和地的电感L_S和电阻R_S、连接Q1基极和射极的电容C₁和寄生电容C_BE1、连接Q1射极和Q2射极的电容C₂和寄生电容C_BE2、连接Q2射极和地的电容C₃组成电阻-电感-电容(RLC)谐振网络(即混沌振荡环路)产生混沌信号；连接Q1射极和负电压源-V_SS的电感-电阻(L₁-R₁)扼流圈、连接Q2射极和负电压源-V_SS的电感-电阻(L₂-R₂)扼流圈分别作为Q1和Q2的恒流源偏置；端口a和端口b作为本发明微波混沌电路的两个独立输出端口向外输出混沌信号，端口a和端口b可同时使用也可单独使用；连接端口a和Q2集电极的电阻R_a和电容C_a起到隔离混沌振荡环路与端口a的作用；连接端口b和Q2射极的电阻R_b和电容C_b起到隔离混沌振荡环路与端口b的作用。

晶体管Q1和Q2可以是基于硅工艺的双极型晶体管、CMOS互补型晶体管或者基于砷化镓、磷化铟、锗化硅、氮化镓等异质结晶体管。

本发明达林顿结构微波混沌电路的具体设计方法和步骤如下：

第一步：根据混沌信号源的工作频率设定电路的基本振荡频率f₀。

第二步：选择晶体管，晶体管的截止频率f_T>5f₀，对于分立元器件：

对于单片集成元器件：

第三步：设定振荡回路电容C₁、C₂、C₃，电感L_S、L_C和电阻R_S的值，

其中

电容C₁、C₂、C₃的取值关系为：C₁+C_BE1≈C₂+C_BE2≈C₃，

电感L_S、L_C的取值关系为：

电阻R_S的取值范围为：其中Q＝1.6～2或2.5～3.1或4.5～8。

第四步：设定恒流源偏置电感L₁、L₂和电阻R₁、R₂的取值，

20欧姆≤R₂≤500欧姆，

或

第五步：设定偏置电压V_CC和-V_SS，其中V_CC取所选晶体管Q1和Q2集电极或漏极电压的厂商标称的典型值，调整-Vss的值直到电路进入混沌振荡状态。

按上述步骤，以本发明达林顿结构微波混沌电路工作在3GHz为例，晶体管选2um砷化镓HBT工艺，晶体管截止频率＝29.5GHz，基极-射极寄生电容C_BE1＝0.13pF，C_BE2＝1.04pF，晶体管Q1和Q2的面积比值为八分之一，其它元器件取值参见下表。

图4给出了本发明达林顿结构微波混沌电路端口b的输出频谱图，由图中曲线可以看出，混沌信号基本振荡频率f₀达到3GHz；图5给出了本发明达林顿结构微波混沌电路端口a和端口b输出时域信号叠加的混沌吸引子图，可以看出，电路处于完全混沌振荡状态。

总之，本发明提出的达林顿结构微波混沌电路振荡环路增益高、负阻得到提升、混沌振荡基本频率高、带宽宽、设计方法简单。

为了方便本发明达林顿结构微波混沌电路的推广与实用，可以将本发明的达林顿结构微波混沌电路设计成芯片、电路模块的形式，方便运输，也方便应用。

当达林顿结构微波混沌电路设计成芯片时，所述芯片可包括用于接地的接地引脚、用于连接正电压源V_cc的正电压源引脚、用于连接负电压源-V_ss的负电压源引脚、用于分别连接两个输出端口a、b的两个输出引脚。这样，只需要对照芯片使用说明书接好相应的引脚即可实现对本发明的达林顿结构微波混沌电路的应用。

当达林顿结构微波混沌电路设计成电路模块时，所述电路模块可包括用于接地的接地端子、用于连接正电压源V_cc的正电压源端子、用于连接负电压源-V_ss的负电压源端子、用于分别连接两个输出端口a、b的两个输出端子。这样，只需要对照电路模块的使用说明书接好相应的接线端子即可实现对本发明的达林顿结构微波混沌电路的应用。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。