СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Изобретения относятся к областям радиосвязи и могут быть использованы для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные компактные средства радиосвязи с заданным количеством радиоканалов.

Известен способ генерации высокочастотного сигнала, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внутренней обратной связи в нелинейном элементе путем использования в качестве него двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемого высокочастотного сигнала, и условий согласования нелинейного элемента с нагрузкой (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Дрофа. - 2006, с.414-417).

Известно устройство генерации высокочастотного сигнала, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине падающего участка вольтамперной характеристики двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, реактивного четырехполюсника, нагрузки в виде параллельного колебательного контура, при этом параметры контура, двухполюсного нелинейного элемента и варикапа выбраны из условия обеспечения заданных амплитуды и частоты генерируемого высокочастотного сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Дрофа. - 2006, с.414-417). Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако благодаря наличию внутренней обратной связи в двухполюсном нелинейном элементе на участке с падающей вольтамперной характеристикой возникает отрицательное дифференциальное сопротивление, которое в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника компенсирует потери в контуре. Благодаря этому колебание с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура, усиливается до момента увеличения амплитуды этого колебания до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы падающего участка вольтамперной характеристики. Наступает стационарный режим.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ генерации высокочастотного сигнала, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внешней положительной обратной связи между нагрузкой и управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемого высокочастотного сигнала, и условий согласования нелинейного элемента с нагрузкой (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Дрофа. - 2006, с.383-401).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство генерации высокочастотного сигнала, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики транзистора, реактивного четырехполюсника, нагрузки в виде параллельного колебательного контура, RC-цепи внешней положительной обратной связи между нагрузкой и управляющим электродом транзистора, при этом параметры контура, транзистора и варикапа выбраны из условия обеспечения заданных амплитуды и частоты генерируемого высокочастотного сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Дрофа. - 2006, с.383-401).

Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако, благодаря наличию цепи положительной обратной связи, колебание с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура, поступает на управляющий электрод транзистора, который в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника начинает работать в режиме усиления до момента увеличения амплитуды этого колебания до уровня, при котором наступает режим насыщения (ограничения амплитуды). Наступает стационарный режим.

Недостатком указанных способов и устройств является генерация высокочастотного сигнала только на одной частоте. Кроме того, не указывается, каким образом необходимо выбирать значения параметров реактивного четырехполюсника, при которых наступает режим возбуждения и стационарный режим. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств генерации в диапазонах ВЧ и УВЧ, на которых обязательно нужно учитывать реактивные составляющие параметров нелинейных элементов. В настоящее время классическая теория радиотехнических цепей это не учитывает. С другой стороны, условия генерации можно обеспечить и без реактивного четырехполюсника, что уменьшает габариты и массу устройства за счет уменьшения количества реактивных элементов.

Техническим результатом изобретения является повышение диапазона генерируемых колебаний, генерация высокочастотных сигналов на заданном количестве частот и уменьшение количества реактивных элементов, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные компактные устройства генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов. Использование различных видов обратной связи расширяет возможности физической реализуемости указанного результата.

1. Указанный результат достигается тем, что в известном способе генерации высокочастотных сигналов, основанном на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, трехполюсным нелинейным элементом и цепью обратной связи, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых высокочастотных сигналов, условий согласования трехполюсного нелинейного элемента с нагрузкой, дополнительно цепь прямой передачи выполняют из трехполюсного нелинейного элемента, в качестве цепи обратной связи используют внутреннюю обратную связь трехполюсного нелинейного элемента, образованную за счет его межэлектродных связей, нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, к управляющему электроду трехполюсного нелинейного элемента в поперечную цепь подключают второй двухполюсник с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз и условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет выбора значений мнимых составляющих сопротивлений первого Х_nm и второго Х_0m двухполюсников из условия обеспечения стационарного режима генерации в виде равенства нулю знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления одновременно на всех заданных частотах генерируемых высокочастотных сигналов при неизменной амплитуде источника постоянного напряжения в соответствии со следующими математическими выражениями:

; ,

где А=-(x_11m+x_21mr_0m); В=r_нmr_11m+r_12m+r_0m(r_22m+r_нmr_21m), С=r_21m; D=х_22m+r_нmх_21m;

X=(r_11m+r_0mr_21m)C-x_21mA; Y=[x_12m+r_нmx_11m+(х_22m+r_нmх_21m)r_0m]C+A(r_22m+r_нmr_21m)+D(r_11m+r_0mr_21m)-x_21mB;

Z=[x_12m+r_нmx_11m+(х_22m+r_нmх_21m)r_0m]D+B(r_22m+r_нmr_21m); r_0m, x_0m - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на заданном количестве частот; r_mн, x_mн - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления нагрузки на заданном количестве частот; r_11m, х_11m, r_12m, х_12m, r_2lm, x_21m, r_22m, х_22m - заданные значения действительных и мнимых составляющих элементов классической матрицы передачи трехполюсного нелинейного элемента на заданных частотах при заданной амплитуде постоянного напряжения; m=1, 2…N - номера частот.

2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения, трехполюсного нелинейного элемента, цепи обратной связи и нагрузки, дополнительно в качестве цепи обратной связи использована внутренняя обратная связь, образованная за счет межэлектродных связей трехполюсного нелинейного элемента, включенного между введенным двухполюсником с комплексным сопротивлением, которое имитирует сопротивление источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления, и нагрузкой, мнимая составляющая сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления реализована в виде последовательного колебательного контура из элементов с параметрами L₁, С₁, параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением х₀, мнимая составляющая сопротивления нагрузки сформирована в виде параллельного колебательного контура из элементов с параметрами L₂, C₂, параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением х_н, причем значения параметров определены из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:

; ;

; .

; ,

где А=-(x_11m+x_21mr_0m); В=r_нmr_11m+r_12m+r_0m(r_22m+r_нmr_21m), С=r_21m; D=х_22m+r_нmх_21m;

X=(r_11m+r_0mr_21m)C-x_21mA; Y=[x_12m+r_нmx_11m+(х_22m+r_нmх_21m)r_0m]C+A(r_22m+r_нmr_21m)+D(r_11m+r_0mr_21m)-x_21mB;

Z=[x_12m+r_нmx_11m+(х_22m+r_нmх_21m)r_0m]D+B(r_22m+r_нmr_21m); X_0m, X_нm - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданных двух частотах ω_m=2πf_m; m=1, 2 - номер частоты; r_0m - заданные значения действительной составляющей сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на двух частотах; r_nm - заданные значения действительной составляющей сопротивления нагрузки на двух частотах; r_11m, х_11m, r_12m, х_12m, r_2lm, x_21m, r_22m, х_22m - заданные значения действительных и мнимых составляющих элементов классической матрицы передачи трехполюсного нелинейного элемента на заданных частотах при заданной амплитуде постоянного напряжения; х_0m, х_нm - заданные значения сопротивлений произвольных двухполюсников, входящих в состав мнимых составляющих Х_0m, Х_нm комплексных сопротивлений источника сигнала в режиме усиления и нагрузки, на двух частотах.

На фиг.1 показана схема устройства генерации высокочастотных сигналов (прототип), реализующего способ-прототип.

На фиг.2 показана структурная схема предлагаемого устройства по п.2., реализующая предлагаемый способ генерации по п.1 в режиме усиления.

На фиг.3 приведена схема реактивного двухполюсника, реализующего мнимую составляющую комплексного сопротивления источника сигнала генератора в режиме усиления.

На фиг.4 приведена схема реактивного двухполюсника, реализующего мнимую составляющую комплексного сопротивления нагрузки.

Устройство-прототип (фиг.1), реализующее способ-прототип, содержит цепь прямой передачи в виде, трехполюсного нелинейного элемента VT-1, подключенного к источнику постоянного напряжения-2, первого согласующе-фильтрующего устройства (СФУ)-3 (первого реактивного четырехполюсника или первого согласующего четырехполюсника) и колебательного контура на элементах L-4, R-5, C-6, который является нагрузкой-7. Первое СФУ-3 включено между выходным электродом трехполюсного нелинейного элемента и нагрузкой. Между нагрузкой и управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента включено второе СФУ-9 (второй реактивный четырехполюсник или второй согласующий четырехполюсник) с подключенными к ее входу первым двухполюсником-8 и к выходу вторым двухпоюсником-10 с комплексными сопротивлениями в поперечные цепи. Все это вместе образует цепь внешней обратной связи. Первый двухполюсник-8 подключен к нагрузке. Второй двухполюсник-10 подключен к управляющему электроду трехполюсного нелинейного элемента.

Принцип действия устройства генерации высокочастотных сигналов (прототипа), реализующего способ-прототип, состоит в следующем.

При включении источника постоянного напряжения-2 в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако, благодаря наличию внешней обратной связи, согласования с помощью первого реактивного четырехполюсника-3 выходного электрода трехполюсного нелинейного элемента и нагрузки (цепи прямой передачи), согласования с помощью цепи обратной связи (первого двухполюсника-8 с комплексным сопротивлением, второго реактивного четырехполюсника-9 и второго двухполюсника-10 с комплексным сопротивлением) нагрузки и управляющего электрода трехполюсного нелинейного элемента компенсируются потери в контуре L-4, R-5, C-6. Благодаря этому обратная связь становится положительной и реализуются условия баланса фаз и амплитуд - условия возбуждения электромагнитных колебаний. В результате колебание с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура, подается на управляющий электрод трехполюсного нелинейного элемента, который на начальном этапе работает в режиме усиления. Амплитуда этого колебания усиливается до момента ее увеличения до уровня, при котором наступает режим ограничения трехполюсного нелинейного элемента. Наступает стационарный режим генерации.

Недостатки способа-прототипа и устройства его реализации описаны выше.

Предлагаемое устройство по п.2 (фиг.2), реализующее предлагаемый способ по п.1, содержит трехполюсный нелинейный элемент-1 с известными элементами классической матрицы передачи a _11m=r_11m+jx_11m, a _12m=r_12m+jx_12m, a _21m=r_21m+jx_21m, a _22m=r_22m+jx_22m на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенный к источнику постоянного напряжения-2 (на фиг.2 не показан) и каскадно включенный по высокой частоте между источником входного высокочастотного сигнала в режиме усиления с сопротивлением z_0m=r_0m+jx_0m-11 на заданных частотах, имитирующим сопротивление источника высокочастотных колебаний, возникающих при включении источника постоянного напряжения-2 в момент скачкообразного изменения амплитуды его напряжения в режиме генерации, и нагрузкой-12 с сопротивлениями z_нm=r_нт+jx_нm на заданных частотах. Синтез генератора (выбор значений мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на двух заданных частотах (m=1, 2 - номер частоты), схем формирования этих двухполюсников (фиг.3, фиг.4) осуществлен по критерию обеспечения баланса амплитуд и баланса фаз путем реализации равенства нулю знаменателя коэффициента передачи устройства генерации в режиме усиления одновременно на заданных частотах генерируемых сигналов при постоянной амплитуде постоянного напряжения. В режиме генерации источник входного высокочастотного сигнала отключается и вместо него устанавливается короткозамыкающая перемычка.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

При включении источника постоянного напряжения-2 в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако благодаря наличию внутренней обратной связи за счет межэлектродных связей (чаще всего за счет межэлектродных емкостей) в цепи возникает отрицательное сопротивление (r_21m или r_12m), которое в силу указанного выбора значений мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления-11 и нагрузки-12 компенсирует потери во всей цепи одновременно на двух заданных частотах. Амплитуды колебаний с заданными частотами усиливаются до определенных уровней и затем ограничиваются. Благодаря этому колебания с заданными двумя частотами усиливаются до момента увеличения амплитуд этих колебаний до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики. Наступает стационарный режим. Окончательно в результате взаимодействия сигналов на двух частотах с нелинейным элементом в режиме генерации возникают продукты нелинейного взаимодействия с комбинационными частотами ω_n=Iω₁±Kω₂, I, К=0, 1, 2….

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Исходными являются зависимости элементов классической матрицы передачи сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента а ₁₁=r₁₁+jx₁₁, а ₁₂=r₁₂+jx₁₂, а ₂₁=r₂₁+jx₂₁, а ₂₂=r₂₂+jx₂₂ от частоты. Размерность элементов матрицы передачи: а ₁₁ (безразмерный); а ₁₂ (сопротивление); a ₂₁ (проводимость); а ₂₂ (безразмерный). Для простоты аргумент (частота) опущен.

Нормированная классическая матрица передачи нелинейного элемента (VT) и всего устройства:

Используя известную связь элементов матрицы рассеяния с элементами классической матрицы передачи [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. с.34-36] и матрицу передачи (1), получим выражение для коэффициента передачи генератора в режиме усиления:

Входящий в (2) корень можно представить в виде комплексного числа а+jb, где

; ; x=r₀r_н-х₀х_н; y=r₀x_н+х₀r_н.

После денормировки коэффициента передачи (4) путем умножения на последнее выражение изменяется а=r_n; b=х_n.

Денормированный коэффициент передачи связан с физически реализуемой передаточной функцией следующим образом . В соответствии с иммитансным критерием устойчивости [Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. М.-Л.: ГЭИ, 1962. 192 с.] сумма действительных составляющих сопротивлений активной и пассивной частей при стационарном режиме генерации должна быть равна нулю. При этом сумма мнимых составляющих сопротивлений активной и пассивной частей тоже должна быть равна нулю. Первое равенство определяет амплитуду, а второе - частоту генерируемого колебания. Эти равенства, по существу, означают равенство нулю знаменателя коэффициента передачи генератора в режиме усиления.

Преобразуем знаменатель коэффициента передачи и запишем его в виде, соответствующем условию возникновения стационарного режима генерации по иммитансному критерию , где первое слагаемое - это сопротивление пассивной части генератора, а второе слагаемое - входное сопротивление четырехполюсника в виде трехполюсного нелинейного элемента, нагруженного на сопротивление нагрузки z_н. Это условие можно переписать в другом виде который соответствует условию баланса амплитуд и баланса фаз 1-KB=0 (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Дрофа. - 2006, с.383-401) для эквивалентной цепи с внешней положительной обратной связью. Для данного вида генератора и частотного модулятора - коэффициент передачи цепи прямой передачи; - коэффициент усиления цепи обратной связи. Возможны и другие варианты представления величин К и В. Это различие для изобретения не имеет принципиального значения. В любом случае условия баланса амплитуд и баланса фаз и иммитансный критерий устойчивости соответствуют равенству нулю знаменателя коэффициента передачи.

Приравняем знаменатель коэффициента передачи нулю и разделим между собой действительную и мнимую части. Получим систему двух алгебраических уравнений:

(r₀r_н-x₀x_н)r₂₁-x₂₁(r₀x_н+x₀r_н)+r₀r₂₂-x₀x₂₂+r_нr₁₁-x_нx₁₁+r₁₂=0;

Решение системы уравнений (3) имеет вид:

; ,

А=-(x₁₁+x₂₁r₀); В=r_нr₁₁+r₁₂+r₀(r₂₂+r_нr₂₁), С=r₂₁; D=х₂₂+r_нх₂₁;

X=(r₁₁+r₀r₂₁)C-x₂₁A;

Y=[x₁₂+r_нx₁₁+(х₂₂+r_нх₂₁)r₀]C+A(r₂₂+r_нr₂₁)+D(r₁₁+r₀r₂₁)-x₂₁B; Z=[x₁₂+r_нx₁₁+(х₂₂+r_нх₂₁)r₀]D+B(r₂₂+r_нr₂₁).

Реализация оптимальных аппроксимирующих функций (4) может быть осуществлена различными способами, например с помощью метода интерполяции путем отыскания значений параметров выбранных реактивных двухполюсников, при которых их сопротивления на заданных частотах совпадают с оптимальными. Здесь приводятся два примера построения двухполюсников для двух частот интерполяции, которые использовались для синтеза рассматриваемого варианта генераторов.

Последовательный колебательный контур, параллельно соединенный с произвольным реактивным двухполюсником (фиг.3):

; ;

Параллельный колебательный контур, параллельно соединенный с произвольным реактивным двухполюсником (фиг.4):

; .

Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик мнимой составляющей сопротивления дополнительного двухполюсника и мнимой составляющей сопротивления нагрузки (4) с помощью (5) или (6) обеспечивает реализацию условия согласования, баланса амплитуд и баланса фаз одновременно на двух заданных частотах. В результате взаимодействия сигналов на двух частотах с нелинейным элементом возникают дополнительные продукты нелинейного взаимодействия с комбинационными частотами ω_н=Iω₁±Кω₂, I, К=0, 1, 2….

Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (использование обратной связи в виде внутренних межэлектродных емкостей, каскадное включение трехполюсного нелинейного элемента между введенным сопротивлением источника высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузкой (фиг.2), выбор частотных характеристик мнимой составляющей сопротивления источника высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и мнимой составляющей сопротивления нагрузки, формирование их схем в указанном виде (фиг.3, фиг.4), выбор значений их параметров из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах при неизменном состоянии нелинейного трехполюсного элемента), обеспечивает одновременно формирование высокочастотных сигналов на заданных частотах.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью трехполюсные нелинейные элементы (транзисторы или лампы), реактивные элементы, сформированные в заявленные схемы реактивных двухполюсников (фиг.3, фиг.4). Значения параметров индуктивностей и емкостей этих схем могут быть однозначно определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.

Технико-экономическая эффективность предложенного устройства заключается в одновременном обеспечении генерации высокочастотного сигнала на двух заданных частотах за счет выбора схемы и значений параметров реактивных элементов по критерию обеспечения условий баланса фаз и амплитуд на этих частотах при неизменном состоянии нелинейного трехполюсного элемента, что с учетом нелинейного взаимодействия позволяет формировать сложные сигналы и создавать средства радиосвязи, функционирующие на заданном количестве радиоканалов.