创建更好的振荡器:耗散孤子和行波场效应晶体管

提高高速电子电路性能的关键是产生低相位噪声的短电脉冲。神奈川理工学院电气与电子工程系的Koichi Narahara博士研究的是行波场效应晶体管产生的电脉冲。他发现，与传统振荡器相比，该器件具有增加工作频率和减少相位噪声的独特特性，使其对现代电子具有不可估价的价值。

行波场效应晶体管(TWFET)是一种特殊类型的场效应晶体管(FET)，除了电触点外，还使用电极作为传输线。FET是一种半导体器件，用于放大或开关电信号和功率，有三个终端;源端，即电子进入的地方，漏极，即电子离开通道的地方，还有门。通过对栅极施加电压，可以控制从源极向漏极移动的电子。当体和栅极之间产生电压差时，就会产生电场，从而增加漏极和源极之间的电导率。一个TWFET由两条传输线组成:一条或另一条定期负载电流分别从一个小接地FET的栅极和漏极流出。自1965年被发现以来，人们一直在研究twfet在宽带放大中的应用。然而，由于传输线之间的电磁耦合，目前还没有建立有效的短通道twfet设计方法。

为了限制小信号，任何设备的输出都是线性依赖于输入的，这意味着产生的电磁波的强度和形状是不变的。然而，这种假设并不适用于许多器件，这些器件的电阻、电容和电感等特性都不是恒定的。这些设备被称为“非线性”设备。到目前为止，twfet的非线性特性一直被忽视。

Narahara博士研究了一种使用带电磁联轴器的TWFET放大短电脉冲的方法（其中一组电线或电路中的电磁场导致另一组电荷），并设计了一种方法来使用它们的非线性来形成电磁波或者脉冲。这些联接器诱导TWFET中的两种不同的传播模式（脉冲行程的方式）。他成功地将所有脉冲能量限制为其中一个模式并放大该模式携带的脉冲。只要脉冲以唯一的模式行进，就没有由模式之间的差异引起的扭曲。

冲击前作为接近壁在反向运动波上操作，反射波的频率变得大于通过多普勒效应的入射。

通常在TWFET中，短波长波的传播速度要慢于长波，这会导致短脉冲和基带脉冲的色散畸变。通过引入非线性，这种色散可以得到补偿。此外，TWFET成功地平衡了损耗和增益。因此，它支持耗散孤子。孤子是一种在以恒定速度运动时仍能保持其形状的波。以这种方式，Narahara博士设计了一种TWFET，支持短电脉冲而不产生明显的失真。

耗散孤子的相互作用有可能在振荡器的相位噪声性能方面产生技术突破。振荡器是把从电源获得的直流电转变成交流电的装置。它们存在于许多常见的电子设备中，但通常会产生高水平的相位噪声，从而干扰它们的功能。通过考虑一种封闭的拓扑结构，Narahara博士创造了一种使用twfet的脉冲振荡器，这可能会在某一天为减少相位噪声提供一种有价值的方案。

除了耗散孤子的发展外，twfet中的非线性还会诱发其他几种可用于产生高频连续或脉冲信号的波现象。在没有非线性的情况下，波以叠加的正弦传播模式传播，而指数模式不能促进其传播。相反，在非线性存在的情况下，正弦和指数模式的混合成为可能。Narahara博士发现，混合模式支持入射脉冲的准稳定传播，并显著压缩了它们的宽度。

此外，他发现，冲击波可以在TWFET中兴奋，这很特别，因为它们可以反射任何进入波，导致频率的增加。此外，腔中的冲击波呈现有趣的自组织。通过适当的结构和施加电压的设计，冲击波达到远端，并向向后反射。边缘在输入处再次反射，成为稳定的激波锋。通过重复该过程，冲击前沿TWFET腔振荡。当输入幅度增加时，两个或更多个振荡前线自动开发并且是相互同步的。

这些现象可以与耗散孤子的动力学相结合，从而产生复杂的方法来处理多相、(解)复用或锁相超短脉冲流。

耗散孤子
耗散孤子通常具有独特的振幅和速度，并且能够与其他孤子以及其他类型的波相互作用。两个耗散孤子的反复正面碰撞产生一系列小脉冲。每次碰撞时，碰撞脉冲都会将一部分能量贡献给产生的脉冲，因此碰撞脉冲的振幅会随着时间的推移而减小。而在碰撞前，逆时针方向的脉冲幅值略小于顺时针方向的脉冲幅值，碰撞后振幅差值增大;具体来说，逆时针脉冲的振幅减小，而顺时针脉冲的振幅要么增加，要么保持不变。在随后的几次正面碰撞后，逆时针方向的脉冲消失了，而顺时针方向的脉冲唯一存活下来并在封闭的TWFET上旋转。

当两个TWFET通过电阻器连接到另一个TWFET时，在其中一个上旋转的耗散孤子会与在另一个上旋转的耗散孤子相互作用。因此，在这些耦合twfet中的两个耗散孤子以这样一种方式相同步，即它们同时通过连接的单元。利用这个特性，闭合的twfet系统可以用来产生相控脉冲串。利用闭合twfet的两点连接，两个耗散孤子可以被设计成在共同或相互反向方向旋转。类似的同步耗散孤子甚至可以在三个或更多的twfet中出现。这种规模的扩展可以导致各种相位控制方案，包括产生多相脉冲序列。

特别地，当两个twfet的大小被设为另一个的整数倍时，在较大的那个twfet中会产生两个或更多的耗散孤子。Narahara博士发现两个耗散孤子在封闭的TWFET中相互排斥。因此，在闭合的TWFET中稳定的耗散孤子可以定位其对耗散孤子的对极。这种相互作用有助于减少脉冲间隔波动，从而减少脉冲序列输出中的相位噪声。

冲击波
分布式系统中的一个非线性效果是Shockwaves的开发。冲击波是一种传播波的传播波，其具有普通波的能量，而是通过突然，几乎不连续，在介质的压力，温度和密度变化。在传输线中观察到冲击波，其沿其长度加载，其中具有称为变容仪的电压相关的电容器。

Narahara博士推导了TWFET上冲击波形成的条件，实验表明TWFET成功地展示了冲击波形成。此外，他还指出，伴随漏极电流而来的冲击波反射了前面发出的波。当激波锋在排水口形成时，它会与反向运动的波接触，在此过程中，由于多普勒效应，它的频率会比反向运动的波更高。从本质上讲，Narahara博士说:“激波前沿对反向运动的波起着接近墙的作用，通过多普勒效应，反射波的频率比入射波的频率要高。”

多普勒效应是与相对于波源移动的观察者相对于移动的观察者的波长的变化。当观察者移动更靠近波浪时，每个波需要稍微少少的时间来到达观察者，而不是前一波导致在观察者位置的波浪到达之间的时间之间的时间减少。这导致频率的增加。

通过将耗散孤子和激波的动力学结合起来，TWFET网络可以为振荡器的设计提供一种新的系统方案。

此外，通过适当设计施加脉冲的传输线尺寸和电压水平，当激波前沿到达远端时，它会反射回输入端。边缘在输入处再次反射，成为稳定的激波锋。这一过程不断重复，以建立边振荡。在周期性负载隧道二极管的传输线中也会出现类似的振荡，并证明它是一种极限环，可以与外部振荡同步，也可以与边缘振荡共存。此外，振荡边的数目随栅极线输入信号的幅值而增加。每条边都可以与其他边同步。由Narahara博士进行的时域测量成功地检测到了双和四倍振荡边缘。

TWFET的未来
Narahara博士乐观地认为，随着电子技术的发展需要更小、更快的电路，twfet有一天会取代现代设备中的振荡器。Narahara博士说:“通过耗散孤子和激波之间的结合动力学，TWFET网络可以导致设计振荡器的一种新的系统方案。”关于耗散孤子的性质还有很多未知，Narahara博士的研究表明，TWFET是研究这些迷人波形的有价值的工具，它们有可能推动波形物理领域的发展，并对未来的电子技术突破做出巨大贡献。