СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ И ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR GENERATION AND FREQUENCY MODULATION OF HIGH-FREQUENCY SIGNALS   AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к областям радиосвязи и радиоэлектронной борьбы могут быть использованы для создания устройств генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов, что позволяет формировать частотно-модулированные по заданному закону сигналы для средств радиосвязи с повышенной помехозащищенностью и сложные сигналы для средств радиоэлектронной борьбы.
Известен способ генерации и частотной модуляции высокочастотного сигнала, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внешней положительной обратной связи между нагрузкой и управляющим электродом первого нелинейного элемента, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемого высокочастотного сигнала, и условий согласования первого нелинейного элемента с нагрузкой, изменении частоты генерируемого высокочастотного сигнала путем изменения баланса фаз за счет изменения параметра второго нелинейного элемента, включенного в избирательную нагрузку, по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего (первичного, информационного) сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М: «Дрофа»., - 2006, с. 434-437).
Известно устройство генерации и частотной модуляции 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, в который включен варикап, подключенный к источнику управляющего сигнала, 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 диапазона изменения частоты генерируемого высокочастотного сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего (первичного, информационного) сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М: «Дрофа»., - 2006, с. 434-437).
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. В этом режиме изменение емкости варикапа под действием управляющего сигнала приводит к изменению частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ генерации и частотной модуляции высокочастотного сигнала, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внутренней обратной связи в первом 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 первого нелинейного элемента с нагрузкой, изменении частоты генерируемого высокочастотного сигнала путем изменения баланса фаз за счет изменения параметра второго нелинейного элемента, включенного в избирательную нагрузку, по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего (первичного, информационного) сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М: «Дрофа»., - 2006, с. 414-417, 434-437).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство генерации и частотной модуляции 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 с включенным варикапом, подключенным к источнику управляющего сигнала, при этом параметры контура, двухполюсного нелинейного элемента и варикапа выбраны из условия обеспечения заданных амплитуды и диапазона изменения частоты генерируемого высокочастотного сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего (первичного, информационного) сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М: «Дрофа»., - 2006, с. 414-417, 434-437). 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. В этом режиме изменение емкости варикапа под действием управляющего сигнала приводит к изменению частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного сигнала.
Недостатком этих способов и устройств является наличие двух нелинейных элементов, один из которых работает в качестве усилителя и ограничителя, а второй используется для изменения частоты генерируемого высокочастотного сигнала и малый линейный участок модуляционной характеристики в силу малости линейного участка вольт-фарадной характеристики варикапа. Кроме того, не указывается, каким образом необходимо выбирать значения параметров четырехполюсников, при которых наступает режим возбуждения и стационарный режим. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств генерации и частотной модуляции 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 генерация и частотная модуляция высокочастотного сигнала с увеличенным линейным участком частотной модуляционной характеристики при использовании одного нелинейного элемента, что позволяет создавать эффективные компактные устройства генерации и частотной модуляции, а также повышение диапазона генерируемых колебаний в заданном диапазоне изменения амплитуды управляющего сигнала и увеличение области физической реализуемости.
н
0
1. Указанный результат достигается тем, что в известном способе генерации и частотной модуляции 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, изменении частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего сигнала, дополнительно цепь прямой передачи выполняют из каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника и трехполюсного нелинейного элемента, нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к цепи прямой передачи по параллельно-последовательной схеме, цепь прямой передачи и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора и частотного модулятора в режиме усиления, и нагрузкой, в интересах реализации частотной модуляции условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз и условия согласования последовательно выполняют в заданной полосе частот и соответствующем диапазоне изменения амплитуды низкочастотного управляющего сигнала за счет выбора частотных зависимостей мнимых составляющих сопротивлений первого х и второго х двухполюсников с комплексными сопротивлениями из условия обеспечения стационарного режима генерации в виде равенства нулю знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления в заданной полосе частот и соответствующем диапазоне изменения амплитуды низкочастотного управляющего сигнала в соответствии со следующими математическими выражениями:
где
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msup><mi>f</mi><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msup></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
1
o
2
o
1
o
2
o
1
o
2
o
1
o
2
o
н
0
; a=Re(a), a=Im(a), b=Re(b), b=Im(b), c=Re(c), c=Im(c), d=Re(d), d=Im(d) - частотные зависимости действительных и мнимых составляющих ненормированных элементов классической матрицы передачи всего устройства; а, b, с, d - заданные частотные зависимости комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах;
,
,
,
- заданные зависимости комплексных элементов смешанной матрицы F трехполюсного нелинейного элемента в цепи прямой передачи от частоты генерируемого сигнала и амплитуды низкочастотного сигнала;
,
,
,
- заданные частотные зависимости комплексных элементов смешанной матрицы F комплексного четырехполюсника цепи обратной связи; r, r - заданные частотные зависимости действительных составляющих комплексных сопротивлений нагрузки и сопротивления источника сигнала устройства генерации и частотной модуляции в режиме усиления.
нп
0n
1k
lk
0k
1k
1k
0k
2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения и низкочастотного управляющего сигнала, цепи прямой передачи из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузки и цепи внешней обратной связи, дополнительно цепь прямой передачи выполнена из каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника и трехполюсного нелинейного элемента, нагрузка выполнена в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к цепи прямой передачи πо параллельно-последовательной схеме, цепь прямой передачи и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора и частотного модулятора в режиме усиления, и нагрузкой, мнимые составляющие первого и второго двухполюсников с комплексными сопротивлениям z и z выполнены из параллельного колебательного контура с параметрами L, C, последовательно соединенного с емкостью C, значения параметров L, C,C в интересах обеспечения частотной модуляции определены из условия реализации стационарного режима генерации в виде равенства нулю знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления на трех заданных частотах и соответствующих трех значениях амплитуды низкочастотного управляющего сигнала в соответствии со следующими математическими выражениями:
где
n
n
n
1
0
2
o
1
o
2
o
1
o
2
o
1
o
2
o
n
n
n
n
нn
0n
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
ω=2πf; f - заданные частоты; n=1, 2, 3 - номера заданных частот; k=0, н - индекс, характеризующий сопротивление источника сигнала генератора и частотного модулятора в режиме усиления (k=0) и нагрузки (k=н) соответственно; a=Re(a), a=Im(a), b=Re(b), b=Im(b), c=Re(c), c=Im(c), d=Re(d), d=Im(d) - действительные и мнимые составляющие ненормированных элементов классической матрицы передачи всего устройства; a, b, c, d заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах;
,
,
,
- заданные значения комплексных элементов смешанной матрицы F трехполюсного нелинейного элемента в цепи прямой передачи на заданных частотах и соответствующих трех значениях амплитуды низкочастотного управляющего сигнала;
,
,
,
- заданные значения комплексных элементов смешанной матрицы F комплексного четырехполюсника цепи обратной связи на заданных частотах; r, r - заданные значения действительных составляющих комплексных сопротивлений нагрузки и сопротивления источника сигнала устройства генерации и частотной модуляции в режиме усиления на заданных частотах.
На фиг. 1 показана схема устройства генерации и частотной модуляции 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 схемы реактивных двухполюсников, реализующих мнимые составляющие сопротивлений источника сигнала генератора в режиме усиления (k=0) и нагрузки (k=н), входяшие в схему, которая представлена на фиг.2.
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), нагрузку в виде колебательный контура на элементах L - 4, R - 5, C(t) - 6. Управляемая емкость С(t), реализуемая варикапом - 6, подключена к источнику низкочастотного управляющего (информационного) сигнала - 7. Принцип действия устройства генерации и модуляции 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(t) - 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. В этом режиме изменение емкости варикапа C(t) - 6 под действием управляющего сигнала источника - 7 приводит к изменению частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды этого сигнала.
Недостатки способа-прототипа и устройства его реализации описаны выше.
n
n
n
n
0n
0n
0n
нn
нn
нn
0n
нn
1k
1k
0k
0
н
1k
1k
0k
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>11</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>11</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>21</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>21</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>22</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>22</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>11</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>11</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>12</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>21</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>21</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>22</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>22</mn><mi>n</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
Предлагаемое устройство по п. 2 (фиг. 2), реализующее предлагаемый способ по п. 1, содержит цепь прямой передачи из каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника - 11 с известными элементами классической матрицы передачи a, b, c, d на заданных частотах генерируемых сигналов и трехполюсного нелинейного элемента - 1 с известными элементами смешанной матрицы F
,
,
,
на заданных частотах генерируемых сигналов и соответствующих амплитудах низкочастотного управляющего сигнала, подключенного к источнику постоянного напряжения и источнику низкочастотного управляющего сигнала - 2. Цепь прямой передачи из нелинейного элемента - 1 и четырехполюсника - 11 соединена по высокой частоте с цепью внешней обратной связи по параллельно-последовательной схеме (входы соединены параллельно, а выходы - последовательно), цепь обратной связи выполнена в виде произвольного комплексного четырехполюсника - 12, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Цепь прямой передачи и цепь внешней обратной связи как единый узел каскадно включены по высокой частоте между источником входного высокочастотного сигнала в режиме усиления с оптимальными мнимыми составляющими сопротивлений z=r+jx - 13 на заданных частотах (второй комплексный двухполюсник), имитирующих сопротивление источника высокочастотных колебаний, возникающих при включении источника постоянного напряжения - 2 в момент скачкообразного изменения амплитуды его напряжения в режиме генерации, и нагрузкой - 14, с оптимальными мнимыми составляющими сопротивлений z=r+jxна заданных частотах (первый двухполюсник с комплексным сопротивлением). Произвольный четырехполюсник - 12 тоже характеризуется известными значениями элементов смешанной матрицы F
,
,
,
на заданных частотах(η=1,2,3 - номер частоты). Мнимые составляющие сопротивлений z, z (второго и первого двухполюсников с комплексными сопротивлениями) реализованы (фиг. 3) из параллельного колебательного контура с параметрами L - 15, C- 16, последовательно соединенного с емкостью C - 17. При k=0 имеем двухполюсник для формирования х. При k=н имеем двухполюсник для формирования х. Значения параметров L - 15, C- 16, C- 17 определены из условия равенства нулю знаменателя коэффициента передачи на трех частотах и соответствующих трех амплитудах управляющего сигнала с помощью специальных математических выражений. Синтез генератора (выбор значений указанных параметров и схемы 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 последовательно на заданных частотах генерируемых сигналов при соответствующем изменении амплитуды низкочастотного управляющего сигнала. Выбор значений элементов матриц сопротивлений комплексных четырехполюсников - 11, 12 или их схем и значений параметров элементов, а также значений действительных составляющих первого и второго двухполюсников можно осуществлять произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. В данном изобретении эти значения выбираются из условий физической реализуемости. В режиме генерации и частотной модуляции источник входного высокочастотного сигнала отключается и вместо него устанавливается короткозамыкающая перемычка.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
1k
1k
0k
11
22
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 параметров L - 15, C-  16, C- 17 и схем формирования двухполюсников - 13, 14 (фиг. 3) обратная связь становится положительной, что эквивалентно возникновению в цепи отрицательного сопротивления (r или r), которое компенсирует потери во всей цепи на заданной частоте. Поэтому амплитуды колебаний с заданными частотами усиливаются до определенных уровней и затем ограничиваются. Благодаря этому, колебания с заданной частотой усиливаются до момента увеличения амплитуд этих колебаний до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики. Наступает стационарный режим. В этом режиме изменение амплитуды низкочастотного сигнала источника - 2 приводит к изменению частоты генерируемого сигнала по закону изменения этой амплитуды, то есть к частотной модуляции. Так как четырехполюсники - 11, 12 выбраны комплексными, то это приводит к увеличению области физической реализуемости стационарного режима генерации и частотной модуляции в заданной полосе частот и заданном диапазоне изменения амплитуды низкочастотного управляющего сигнала.
Докажем возможность реализации указанных свойств.
0
0
0
n
n
n
11
12
21
22
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>11</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>11</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>21</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>21</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>22</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>22</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>11</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>11</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>21</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>21</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>22</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>+</mo><mi>j</mi><msubsup><mi>x</mi><mrow><mn>22</mn></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
Пусть цепь прямой передачи, состоящая из каскадно-соединенных между собой трехполюсного нелинейного элемента и КЧ, подключена к цепи обратной связи по параллельно-последовательной схеме (фиг. 2). Введем обозначения зависимостей сопротивления источника сигнала в режиме усиления z=r+jx, нагрузки z=r+jx и известных зависимостей элементов смешанной матрицы F трехполюсного нелинейного элемента
,
,
,
и цепи обратной связи
,
,
,
от частоты, которые можно определить по известным (например, измеренным или рассчитанным) элементам матриц сопротивлений, проводимостей или передачи. Размерности элементов матрицы F: f (проводимость), f (безразмерный), f (безразмерный), f (сопротивление). Элементы матрицы F трехполюсного нелинейного элемента зависят также от амплитуды низкочастотного управляющего сигнала. Таким образом, в качестве исходных данных используются значения элементов матрицы F трехполюсного нелинейного элемента на заданных частотах генерируемых сигналов, соответствующих определенным амплитудам низкочастотного управляющего сигнала. Нелинейный элемент описывается смешанной матрицей Fn соответствующей матрицей передачи:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><msup><mi>f</mi><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msup></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>−</mo><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><msubsup><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
где
.
Комплексный четырехполюсник (КЧ) характеризуется матрицей передачи:
где a, b, c, d - комплексные элементы классической матрицы передачи.
Для цепи прямой передачи элементы ненормированной классической матрицы передачи получаются путем перемножения матриц передачи (2) и (1):
Соответствующие элементы смешанной матрицей F этого звена (вторые слагаемые в (4)) и элементы смешанной матрицей F цепи ОС складываются:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mi>a</mi><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>a</mi><mrow><mn>22</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>a</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><msub><mi>a</mi><mrow><mn>21</mn></mrow></msub></mrow>
где
.
Ненормированные элементы матрицы передачи всего устройства:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mi>f</mi><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>f</mi><mrow><mn>22</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><msub><mi>f</mi><mrow><mn>21</mn></mrow></msub></mrow>
где
. С учетом условий нормировки получим общую нормированную матрицу передачи всего устройства:
Передаточная функция генератора в режиме усиления:
Знаменатель (7) можно привести к виду, соответствующему иммитансному критерию устойчивости (Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. М-Л.: ГЭИ, 1962, 192 с.):
Q
Первое слагаемое - это комплексное сопротивление пассивной части (сопротивление источника сигнала в режиме усиления). Второе слагаемое- это входное сопротивление активной части устройства (остальной части генератора справа от z). Иммитансный критерий устойчивости (8) соответствует балансу амплитуд и фаз (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы.: М.:«Дрофа», 2006, с. 386):
0
н
Таким образом, равенство нулю знаменателя передаточной функции соответствует стационарному режиму генерации. Из равенства нулю знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления можно найти ограничение на любую пару из используемых величин, например на х, х:
где
Индекс n необходимо ввести и в другие обозначения физических величин, явным образом зависящих от частоты.
0
н
0n
нn
Решение (10) имеет смысл зависимостей величин х, х от частоты, оптимальных по критерию обеспечения генерации сигнала во всем спектре частот при одновременном изменении амплитуды низкочастотного управляющего сигнала. Сопротивления r, r могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений.
0
н
Для реализации оптимальной аппроксимации (10) в заданной полосе частот и заданном диапазоне изменения амплитуды низкочастотного сигнала необходимо сформировать каждый двухполюсник с сопротивлениями х, х из не менее, чем N (n=1, 2…N; N - число частот интерполяции и число соответствующих амплитуд низкочастотного сигнала) элементов типа L, C, найти выражения для их сопротивлений, приравнять их оптимальным значениям сопротивлений двухполюсников на заданных частотах, определенным по формулам (10), и решить сформированную таким образом систему N уравнений относительно N выбранных параметров L,C для каждого двухполюсника. Значения параметров остальных элементов могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений, например, из условия физической реализуемости.
0
н
1k
1k
0k
0
н
Пусть мнимые составляющие сопротивлений двухполюсников с комплексными сопротивлениями z, z сформированы из параллельного колебательного контура с параметрами L, C, последовательно соединенного с емкостью C. При k=0 имеем двухполюсник для формирования х. При k=н имеем двухполюсник для формирования х.
Составим две системы трех уравнений путем приравнивания реактивных сопротивлений двухполюсников (фиг. 3) в виде параллельного колебательного контура, последовательно соединенного с емкостью, оптимальным значениям (10):
Решение:
n
n
n
где ω=2πf; f - заданные частоты; k=0, н - индекс, характеризующий сопротивление источника сигнала генератора и частотного модулятора в режиме усиления и нагрузки соответственно.
Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик мнимых составляющих сопротивлений источника сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки (10) с помощью (11), (12), обеспечивает реализацию условия баланса амплитуд и баланса фаз последовательно на всех частотах в окрестности трех заданных частот при одновременном изменении амплитуды низкочастотного сигнала в окрестности трех соответствующих заданных значений амплитуды. Разумный выбор положений частот относительно друг друга увеличивает квазилинейный участок частотной модуляционной характеристики. В результате при непрерывном (или дискретном) изменении амплитуды управляющего сигнала осуществляется изменение частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего низкочастотного сигнала, то есть частотная модуляция (или манипуляция).
Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений неизвестны способ и устройство генерации и частотной модуляции высокочастотных колебаний, обеспечивающие частотную модуляцию высокочастотных сигналов на заданном диапазоне изменения частоты генерируемого сигнала и соответствующем диапазоне изменения амплитуды управляющего сигнала при использовании произвольных комплексных четырехполюсников в цепи прямой передачи и цепи обратной связи и первого комплексного двухполюсников в качестве нагрузки, а цепь прямой передачи выполнена из каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника и трехполюсного нелинейного элемента и соединена с цепью обратной связи по параллельно-последовательной схеме (фиг. 2), при этом сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления реализовано вторым комплексным двухполюсником, причем мнимые составляющие первого и второго комплексных двухполюсников реализованы одинаковыми по структуре реактивными двухполюсниками с различными в общем случае значениями параметров (фиг. 3). Значения параметров этих двухполюсников выбраны в соответствии со специальными математическими выражениями.
1k
lk
0k
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 и частотной модуляции в виде, показанном на фиг. 2, выполнение четырехполюсников в цепи прямой передачи и цепи обратной связи комплексными, использование комплексной нагрузки (первого двухполюсника комплексным сопротивлением), формирование сопротивления источника сигнала частотного модулятора в режиме усиления в виде второго комплексного двухполюсника, реализация мнимых составляющих первого и второго комплексных двухполюсников из параллельного колебательного контура с параметрами L, C, последовательно соединенного с емкостью C, выбор значений указанных параметров из условия обеспечения стационарного режима генерации на трех частотах, соответствующих трем амплитудам низкочастотного управляющего сигнала на нелинейном трехполюсном элементе, обеспечивает в динамике формирование высокочастотного сигнала, изменение его частоты в заданной полосе частот по закону изменения амплитуды источника управляющего сигнала (частотную модуляцию) и расширение области физической реализуемости.
Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью нелинейные трехполюсные элементы (лампы или транзисторы), индуктивности, резисторы и емкости, сформированные в заявленную схему генератора. Оптимальные значения параметров индуктивностей, и емкостей, входящих в схемы формирования мнимых составляющих первого и второго комплексного двухполюсника, могут быть однозначно определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.
1k
1k
0k
Технико-экономическая эффективность предложенных способа и устройства заключается в обеспечении генерации и частотной модуляции высокочастотного сигнала за счет выбора схем (фиг. 3)и значений параметров элементов L, C, C для реализации мнимых составляющих сопротивлений первого и второго комплексных двухполюсников - 13, 14 для устройства, показанного на фиг. 2, по критерию последовательного обеспечения условий баланса фаз и амплитуд в заданной полосе частот и в соответствующем диапазоне одновременного изменения амплитуды управляющего сигнала на нелинейном трехполюсном элементе, что позволяет формировать частотно-модулированные по заданному закону сигналы для радиосвязи и радиоэлектронной борьбы с большей областью физической реализуемости указанного результата.