Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

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

Известен 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).

Известно 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.

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 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).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является 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.

Недостатками этих 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. Более того, с помощью реактивных четырехполюсников не всегда удается обеспечить условия возникновения генерации, поскольку они имеют определенные области физической реализуемости (области изменения действительной и мнимой составляющих сопротивления нагрузки), в пределах которых реализуются условия согласования (Головков А.А. Комплексированные радиоэлектронные устройства. М.: Радио и связь, 1996. - 128 с.).

Техническим результатом изобретения является повышение диапазона генерируемых колебаний при использовании комплексных четырехполюсников с сосредоточенными параметрами, генерация высокочастотных сигналов на заданном количестве частот и расширение области физической реализуемости, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные устройства генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов при любых заданных частотных характеристиках нагрузки.

1. Указанный результат достигается тем, что в известном способе генерации высокочастотных сигналов, состоящем в том, что энергию источника постоянного напряжения преобразуют в энергию высокочастотного сигнала за счет скачкообразного изменения амплитуды источника постоянного напряжения в момент его включения, усиливают и ограничивают амплитуду высокочастотного сигнала с помощью организации внутренней обратной связи в нелинейном элементе путем использования в качестве него активного двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, выполняют условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемого высокочастотного сигнала, и условия согласования нелинейного элемента с нагрузкой с помощью четырехполюсника, дополнительно условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз и условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет того, что осуществляют взаимодействие высокочастотных сигналов с радиотехнической цепью в виде двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, включенного между выходом четырехполюсника, который выполняют комплексным из реактивных и резистивных элементов, и нагрузкой в продольную цепь, подключенного к входу комплексного четырехполюсника дополнительного комплексного двухполюсника и выбирают значения элемента z_22n матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника из условия обеспечения стационарного режима генерации в виде равенства нулю знаменателя коэффициента передачи одновременно на всех заданных частотах генерируемых высокочастотных сигналов при неизменной амплитуде источника постоянного напряжения в соответствии со следующим математическим выражением:

где z_11n, z_21n - заданные значения соответствующих элементов матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника на заданном количестве частот; z_0n - заданные значения комплексных сопротивлений дополнительного двухполюсника на заданном количестве частот; z_нn - заданные значения комплексных сопротивлений нагрузки на заданном количестве частот; z_n - заданные значения комплексных сопротивлений двухполюсного активного нелинейного элемента на заданном количестве частот при заданной амплитуде постоянного напряжения; n=1,2… - номера частот.

2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения, активного двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, четырехполюсника и нагрузки, дополнительно четырехполюсник выполнен комплексным в виде Г-образного соединения двух двухполюсников с комплексными сопротивлениями z_1n, z_2n, второй двухполюсник Г-образного соединения сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R₁, катушки с индуктивностью L и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R₂ и конденсатора с емкостью С, к входу комплексного четырехполюсника подключен дополнительный двухполюсник, двухполюсный нелинейный элемент включен между выходом комплексного четырехполюсника и нагрузкой в продольную цепь, значения параметров второго двухполюсника Г-образного соединения определены в соответствии со следующими математическими выражениями:

где

; r₁, r₂, r₃, r₄ - оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления второго комплексного двухполюсника комплексного четырехполюсника на двух частотах; - оптимальные значения сопротивления второго комплексного двухполюсника комплексного четырехполюсника на двух частотах; z_1n - заданные значения сопротивления первого комплексного двухполюсника комплексного четырехполюсника на двух частотах; z_0n - заданные значения комплексных сопротивлений дополнительного двухполюсника на двух частотах; z_нn - заданные значения комплексных сопротивлений нагрузки на двух частотах; z_n - заданные значения комплексных сопротивлений двухполюсного активного нелинейного элемента на двух частотах при заданной амплитуде постоянного напряжения; ω_1,2=2πf_1,2; n=1,2 - номера заданных двух частот f_1,2.

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 по п. 1.

На фиг. 3 приведена схема комплексного четырехполюсника, входящего в предлагаемое устройство, схема которого представлена на фиг. 2.

На фиг. 4 приведена схема второго комплексного двухполюсника, входящего в четырехполюсник, схема которого представлена на фиг. 3.

Устройство-прототип (Фиг. 1), реализующее способ-прототип, содержит нелинейный элемент - 1 с отрицательным дифференциальным сопротивлением, подключенный к источнику напряжения - 2 с малым внутренним сопротивлением, согласующе-фильтрующее устройство - 3 (реактивный четырехполюсник или согласующий четырехполюсник), колебательный контур на элементах L-4, R-5, С-6, который является нагрузкой - 7. 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 внутренней обратной связи в двухполюсном нелинейном элементе, например туннельном диоде - 1, на участке с падающей вольтамперной характеристикой возникает отрицательное дифференциальное сопротивление, которое в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника - 3 компенсирует потери в контуре L-4, R-5, С-6. 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.

Недостатки способа-прототипа и устройства его реализации описаны выше.

Предлагаемое устройство по п. 2 (фиг. 2), реализующее предлагаемый способ по п. 1, содержит нелинейный элемент - 1 с известным отрицательным дифференциальным сопротивлением z_n=r_n+jx_n на двух заданных частотах генерируемых сигналов, подключенный к источнику постоянного напряжения - 2 с малым внутренним сопротивлением и включенный по высокой частоте в продольную цепь между выходом комплексного четырехполюсника или согласующего четырехполюсника (согласующе-фильтрующего устройства (СФУ))-3 и нагрузкой - 9 с заданными произвольными сопротивлениями z_нn=г_нn+jx_нn на заданных двух частотах. Четырехполюсник - 3 выполнен в виде Г-образного соединения двух комплексных двухполюсников (Фиг. 3) с сопротивлениями z_1n - 10, z_2n - 11. К входу четырехполюсника - 3 подключен дополнительный двухполюсник - 8 с заданным сопротивлением z_0n=r_0n+jx_0n на заданных двух частотах, имитирующим в режиме усиления сопротивление источника высокочастотных колебаний, возникающих при включении источника постоянного напряжения - 2 в момент скачкообразного изменения амплитуды его напряжения. В режиме генерации вместо источника высокочастотных колебаний включается перемычка. Синтез комплексного четырехполюсника (выбор значений сопротивлений - 11 второго двухполюсника Г-образного соединения (Фиг. 3) на двух заданных частотах (n=1,2 - номер частоты), схемы формирования этого двухполюсника из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R₁ - 12, катушки с индуктивностью 1-13 и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R₂ - 14 и конденсатора с емкостью С-15 (Фиг. 4) и значений указанных параметров) осуществлен по критерию обеспечения баланса амплитуд и баланса фаз путем реализации равенства нулю знаменателя коэффициента передачи устройства генерации одновременно на двух заданных частотах генерируемых сигналов при постоянной амплитуде постоянного напряжения.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

При включении источника постоянного напряжения - 9 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, например туннельном диоде - 1, на участке с падающей вольтамперной характеристикой возникает отрицательное дифференциальное сопротивление, которое в силу синтеза четырехполюсника - 3 по заданному критерию компенсирует потери во всей цепи одновременно на двух заданных частотах. Амплитуды колебаний с заданными частотами усиливаются до определенных уровней и затем ограничиваются. Синтез четырехполюсника - 3 осуществлен по критерию совпадения реальных частотных зависимостей сопротивления второго - 12 двухполюсника на двух частотах с оптимальными характеристиками, обеспечивающими равенство нулю знаменателя коэффициента передачи (условие стационарного режима генерации) одновременно на двух заданных частотах.

Благодаря этому колебания с заданными двумя частотами усиливаются до момента увеличения амплитуд этих колебаний до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы падающего участка 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±Κω₂, I,K=0, 1, 2….

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Пусть известны зависимости сопротивления z₀=r₀+jx₀ воображаемого источника сигнала, возникающего при включении источника постоянного напряжения, нагрузки z_н=r_н+jx_н нелинейного элемента z=r+jx (действительная часть сопротивления r отрицательная) от частоты при заданной амплитуде постоянного напряжения (тока). Для простоты записи аргументы ω=2πf (круговая частота) и U,I (амплитуды постоянного напряжения или тока) опущены.

Нелинейный элемент и комплексный четырехполюсник характеризуются следующими матрицами передачи:

где ; z11, z_2l, z₂₂ - определитель и элементы матрицы сопротивлений СФУ с учетом условия взаимности z₁₂=-z₂₁.

Умножим матрицу передачи комплексного четырехполюсника на матрицу передачи нелинейного элемента. С учетом z₀, z_н (Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. с. 34-36) получим выражение для нормированной классической матрицы передачи устройства генерации:

Используя известные соотношения между элементами классической матрицы передачи и элементами матрицы рассеяния (там же) с учетом (2), получим выражение для коэффициента передачи в режиме усиления:

Физически реализуемая передаточная функция связана с коэффициентом передачи простым соотношением: .

Покажем, что условие обеспечения стационарного режима генерации (условие баланса амплитуд и баланса фаз) соответствует равенству нулю знаменателя коэффициента передачи (3).

Знаменатель коэффициента передачи в режиме усиления представим в виде, соответствующем условию возникновения стационарного режима генерации (Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. М.-Л.: ГЭИ, 1962. 192 с.): , где первое слагаемое - это сопротивление z₀ пассивной части генератора; второе слагаемое с учетом матриц передачи (1) - это входное сопротивление активной части генератора в виде комплексного четырехполюсника, нагруженного на суммарное сопротивление z+z_н активного двухполюсного нелинейного элемента и нагрузки. Если это условие записать в виде другого равенства , то ее можно трактовать как условие 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.

Решение комплексного уравнения, сформированного из равенства нулю знаменателя (3):

Полученная взаимосвязь элементов матрицы сопротивлений СФУ (4) с учетом заданных частотных зависимостей z₁₁, z_2l, z₀, z, z_н является оптимальной аппроксимирующей функцией частотной зависимости соответствующего элемента (z₂₂)матрицы сопротивлений СФУ. Если реализовать эту аппроксимирующую функцию в пределах какой-либо полосы частот или на отдельных частотах, то в этой полосе частот или на этих частотах будут обеспечены условия баланса фаз и амплитуд. Для этого необходимо взять любую типовую схему СФУ, найти матрицу сопротивлений этой схемы и найденные таким образом элементы этой матрицы, выраженные через параметры схемы, подставить в (4) и решить сформированное комплексное уравнение относительно сопротивления выбранного одного двухполюсника. Частотные характеристики остальных параметров r₀, х₀, r_н, х_н, r, х и оставшихся двухполюсников СФУ могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений.

В соответствии с изложенным алгоритмом получены выражения для отыскания оптимальной аппроксимации частотной зависимости комплексного сопротивления второго двухполюсника СФУ в виде Г-образного соединения двух комплексных двухполюсников:

где n=1, 2 … - номера частот интерполяции. Сопротивление z_1n может быть выбрано произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. Индекс n необходимо ввести и в другие обозначения физических величин, явным образом зависящих от частоты. Физический смысл решения (5) состоит в том, что частотная зависимость комплексного сопротивления второго двухполюсника СФУ должна быть обратной по знаку и равной по модулю частотной зависимости комплексного сопротивления из последовательно соединенных сопротивлений нагрузки, нелинейного элемента и общего сопротивления параллельно соединенных между собой сопротивлений источника сигнала в режиме усиления и первого двухполюсника СФУ. При этом обеспечивалась бы генерация на всем спектре частот. Однако реализация (5) в сплошной, даже очень узкой полосе частот, невозможна.

Для реализации оптимальной аппроксимации (5) на конечном числе частот методом интерполяции необходимо сформировать двухполюсник с сопротивлением z_2n из не менее, чем 2Ν (Ν - число частот интерполяции) элементов типа R, L, C, найти выражения для их сопротивлений, приравнять их оптимальным значениям сопротивлений двухполюсника на заданных частотах, определенным по формулам (5), и решить сформированную таким образом систему 2N уравнений относительно 2N выбранных параметров R, L, C. Значения параметров остальных элементов могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений, например из условия физической реализуемости. Пусть второй двухполюсник СФУ с сопротивлением z_2n сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R₁, катушки с индуктивностью L и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R₂ и конденсатора с емкостью С (фиг. 4). Комплексное сопротивление второго двухполюсника СФУ:

Разделим в (6) между собой действительную и мнимую части и для N=2 составим систему четырех уравнений:

Решение:

где

; r₁, r₂, x₁, x₂ - оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления второго комплексного двухполюсника комплексного четырехполюсника на двух частотах.

Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик четырехполюсника (4) с помощью Г-образного звена (5) и второго двухполюсника этого звена с помощью (6), (8) обеспечивает реализацию условия баланса амплитуд и баланса фаз одновременно на двух заданных частотах. В результате взаимодействия сигналов на двух частотах с нелинейным элементом в режиме генерации возникают продукты нелинейного взаимодействия с комбинационными частотами ω_n=Ιω₁±Κω₂, 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 (выполнение устройства генерации в виде, показанном на фиг. 2, выполнение четырехполюсника комплексным в виде указанным выше способом соединенных между собой двух двухполюсников (фиг. 3), формирования второго двухполюсника из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R₁, катушки с индуктивностью L и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R₂ и конденсатора с емкостью С (фиг. 4), выбора значений элемента z₂₂ матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника, выбора значений параметров второго двухполюсника СФУ из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах при неизменном состоянии нелинейного двухполюсного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением), обеспечивает одновременно формирование высокочастотных сигналов на заданных частотах при постоянной амплитуде источника постоянного напряжения.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью активные полупроводниковые диоды (диоды Ганна, туннельные диоды, лавинно-пролетные диоды и т.д.), индуктивности, резисторы и емкости, сформированные в заявленную схему комплексного четырехполюсника. Значения параметров индуктивностей, резистивных элементов и емкостей, входящих в схему второго двухполюсника СФУ, могут быть однозначно определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.

Технико-экономическая эффективность предложенных способа и устройства заключается в одновременном обеспечении генерации высокочастотного сигнала на заданном количестве частот за счет выбора схемы и значений параметров элементов R, L, C комплексного четырехполюсника по критерию обеспечения условий баланса фаз и амплитуд на этих частотах при неизменном состоянии нелинейного двухполюсного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать средства радиосвязи, функционирующие на заданном количестве радиоканалов при произвольных характеристиках нагрузки.