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

Изобретения относятся к областям радиосвязи и радиоэлектронной борьбы и могут быть использованы для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных частотных характеристиках и параметрах нелинейного элемента, цепи обратной связи и резистивного четырехполюсника, 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 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 высоко-частотного 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, использование четырехполюсника в качестве согласующего устройства значительно увеличивает число элементов. Не указывается каким образом можно использовать мнимые составляющие сопротивления нагрузки и источника сигнала в режиме усиления для согласования по критерию обеспечения условий генерации на заданном количестве частот. Во многих случаях целесообразнее использовать резистивный четырехполюсник, параметры которых не зависят от частоты в достаточно большом диапазоне частот, что позволяет обеспечить условия генерации на большем количестве частот. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств генерации в диапазонах ВЧ и УВЧ, на которых, кроме того, обязательно нужно учитывать реактивные составляющие параметров нелинейных элементов. В настоящее время классическая теория радиотехнических цепей это не учитывает. Устранение этих недостатков уменьшает массу и габариты устройства генерации многочастотных сигналов.

Техническим результатом изобретения является увеличение количества частот генерируемых колебаний при одновременном уменьшении массы и габаритов устройства генерации, что позволяет формировать сложные сигналы в интересах решения задач радиоэлектронной борьбы и создавать компактные устройства генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов. Возможность использования различных вариантов включения трехполюсного нелинейного элемента относительно резистивного четырехполюсника и различных видов обратной связи расширяет возможности физической реализуемости этого 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, выполненной из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузкой и цепью внешней обратной связи, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых высокочастотных сигналов, условий согласования цепи прямой передачи с нагрузкой и условий согласования нагрузки с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, дополнительно четырехполюсник выполняют резистивным, нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный четырехполюсник, подключенный к трехполюсному нелинейному элементу по последовательно-параллельной схеме, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, и входом резистивного четырехполюсника, к выходу которого подключают нагрузку, условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз и условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет выбора частотных зависимостей мнимых составляющих сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки х_н из условия обеспечения режима возбуждения генерации в виде равенства нулю мнимой составляющей и равенства неположительному числу δ≤0 действительной составляющей 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

- заданные значения отношений соответствующих элементов классической матрицы передачи на заданных частотах; а,b,с,d - элементы классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника; r_0m,r_нm - заданные значения действительных составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот; x_0m,х_нm - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот; r_11m,x_11m, r_12m,x_12m, r_22m,x_22m, r_22m,x_22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы H трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы Н цепи внешней обратной связи h_11m=r_11m+jx_11m, h_12m=r_12m+jx_12m, h₂₁=r_21m+jx_2lm, h_22m=r_22m+jx_22m на заданных частотах; m=1,2…N - номера частот.

2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузки и цепи внешней обратной связи, дополнительно четырехполюсник выполнен резистивным в виде произвольного соединения резистивных двухполюсников, нагрузка выполнена в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, цепь внешней обратной связи выполнена в виде произвольного четырехполюсника из комплексных двухполюсников, подключенного к трехполюсному нелинейному элементу по последовательно-параллельной схеме, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, и входом резистивного четырехполюсника, к выходу которого подключена нагрузка, мнимые составляющие сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки х_н реализованы реактивными двухполюсниками, выполненными из параллельного колебательного контура с параметрами L_k,C_k, последовательно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением X_km, а значения параметров определены из условия согласования по критерию обеспечения режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:

где

- заданные значения отношений соответствующих элементов классической матрицы передачи на заданных частотах; а,b,с,d - элементы классической матрицы передачи выбранного типового резистивного четырехполюсника; r_0m,r_нm - заданные значения действительных составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот; x_0m,х_нm - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот; r_11m,x_11m, r_12m,x_12m r_21m,x_21m, r_22m,x_22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы H трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы H цепи внешней обратной связи h_11m=r_11m+jx_11m, h_12m=r_12m+jx_12m, h_21m=r_21m+jx_21m, h_22m=r_22m+jx_22m на заданных частотах; m=1,2 - номера частот; δ≤0 - условие возбуждения колебаний; ω_1,2 = 2πƒ_1,2 ; ƒ_1,2 - заданные частоты; X_k1,k2,x_k1k2 - заданные сопротивления произвольного двухполюсника и двухполюсников х₀,х_н на двух частотах (k=0,н).

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 мнимые составляющие сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки х_н предлагаемого устройства (фиг. 2).

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 смешанной матрицы на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенный к источнику постоянного напряжения-2 (на фиг. 2 не показан) и соединенный по высокой частоте с цепью внешней обратной связи по последовательно-параллельной схеме (входы соединены последовательно, а выходы - параллельно), выполненной в виде произвольного четырехполюсника-14, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Нелинейный элемент-1 и четырехполюсник-14 как единый узел каскадно включены 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 резистивным четырехполюсником-12, к выходу которого подключена нагрузка-13 с заданными сопротивлениями z_нm=r_нm+jx_нm на заданных частотах. Произвольный четырехполюсник-14 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы сопротивлений на заданных частотах (m=1,2-номер частоты),. Четырехполюсник-12 также может быть выполнен в виде произвольного соединения произвольного количества резистивных двухполюсников. Этот четырехполюсник описывается известными элементами классической матрицы передачи a,b,c,d. Синтез генератора (выбор значений мнимых составляющих сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки x_н и схем формирования этих двухполюсников (фиг. 3) 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 внешней обратной связи и в силу указанного выбора значений мнимых составляющих сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки х_н и схем их формирования обратная связь становится положительной, что эквивалентно возникновению в цепи отрицательного сопротивления h₁₁, или проводимости h₂₂, которое компенсирует потери во всей цепи одновременно на двух заданных частотах. Поэтому 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,K=0,1,2….

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Введем обозначения искомых зависимостей сопротивления источника сигнала в режиме усиления z₀=r₀+jx₀, нагрузки z_n=r_n+jx_n и известных зависимостей элементов смешанной матрицы H трехполюсного нелинейного элемента

и цепи обратной связи (ОС) от частоты. При последовательно-параллельном соединении четырехполюсников элементы их матриц H складываются. Суммарные зависимости элементов матриц H цепи прямой передачи в виде нелинейного элемента и цепи обратной связи от частоты: h₁₁=r₁₁+jx₁₁, h₁₂=r₁₂+jx₁₂, h₂₁=r₂₁+jx₂₁, h₂₂=r₂₂+jx₂₂. Размерности элементов матрицы H: h₁₁(сопротивление), h₁₂(безразмерный), h₂₁(безразмерный), h₂₂(проводимость).

Общая смешанная матрица H нелинейного элемента (VT) и четырехполюсника цепи обратной связи (ОС) и соответствующая ей классическая матрица передачи:

где |h|=h₁₁h₂₂ - h₁₂h₂₁. Резистивный четырехполюсник (РЧ) характеризуется матрицей передачи:

где

a,b,c,d - элементы классической матрицы передачи.

Общая нормированная классическая матрица передачи генератора/модулятора получается перемножением матрицы передачи (1) и матрицы (2):

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 (3), с учетом условий нормировки получим выражение для коэффициента передачи генератора в режиме усиления:

Преобразуем знаменатель коэффициента передачи и запишем его в виде, соответствующем иммитансному критерию устойчивости (Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. М-Л.: ГЭИ, 1962. 192с): где первое слагаемое- это сопротивление z₀ пассивной части генератора; второе слагаемое с учетом матриц передачи (1) и (2) - это входное сопротивление активной части генератора в виде трехполюсного нелинейного элемента со смешанной матрицей (1), нагруженного на входное сопротивление резистивного четырехполюсника, нагруженного на сопротивление нагрузки z_n. Если это условие возникновения стационарного режима генерации 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. Для данного вида генератора -коэффициент передачи цепи обратной связи; -коэффициент усиления цепи прямой передачи. Возможны и другие варианты представления этих коэффициентов, но для данного изобретения это не имеет значения. В соответствии с иммитансным критерием устойчивости (Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. М-Л.: ГЭИ, 1962. 192с) запишем условие возбуждения и разделим между собой действительную и мнимую части. Получим систему уравнений:

δ≤0 - условие возбуждения колебаний.

Решение (5) представляет собой зависимости величин х₀,x_n от частоты, оптимальные по критерию обеспечения генерации сигнала во всем спектре частот:

где Х=АВ₀-BA₀; Y=AD₀+CB₀-(D-δ)A₀-BC₀;Z=CD₀-(D-δ)C₀.

Реализация оптимальных аппроксимирующих функций (6) частотных зависимостей мнимых составляющих сопротивлений нагрузки и источника сигнала в режиме усиления 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 приводится пример построения этих двухполюсников для двух частот интерполяции, которые использовались для синтеза рассматриваемых вариантов генераторов.

Параллельный колебательный контур, последовательно соединенный с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением Х_к (фиг.3):

При k=0 имеем значения параметров для двухполюсника сопротивлением х₀, а при k=н - для двухполюсника сопротивлением х_н; ω_1,2=2πƒ_1,2;ƒ_1,2 - заданные частоты; X_k1,k2,x_k1,k2 - заданные сопротивления произвольного двухполюсника и двухполюсников х₀,х_н (6) на двух частотах. Реализация оптимальных частотных характеристик параметров согласующих двухполюсников х₀,х_н (6) с помощью (7) гарантирует 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_n=Iω₁±Kω₂, I,K=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 нагрузки в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, использование в качестве цепи внешней обратной связи произвольного четырехполюсника, подключенного к трехполюсному нелинейному элементу по последовательно-параллельной схеме, включение трехполюсного нелинейного элемента и цепи обратной связи как единого узла между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, и входом резистивного четырехполюсника, к выходу которого подключена нагрузка (фиг. 2), выбор частотных характеристик мнимых составляющих сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки х_н, формирование их схем в указанном виде (фиг. 3), выбор значений их параметров из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах при неизменном состоянии нелинейного трехполюсного элемента) обеспечивает одновременно формирование (генерацию) 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). 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 схем и значений параметров двух реактивных двухполюсников 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 при заданных частотных характеристиках всех остальных двухполюсников и четырехполюсников.