ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к области радиосвязи и может быть использована для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных частотных характеристиках нагрузки, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные средства радиосвязи с заданным количеством радиоканалов.
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 (прототипом) является устройство генерации высокочастотного сигнала, (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М: «Дрофа»., - 2006, с.383-401), структурная схема которого приведена на фиг.1.
Устройство-прототип (Фиг.1) 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 L4, R5, C6, который является нагрузкой 7. Первое СФУ 3 включено между выходным электродом трехполюсного нелинейного элемента 1 и нагрузкой 7. Между нагрузкой 7 и управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента 1 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 1.
Принцип действия устройства-прототипа 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 СФУ 3 выходного электрода VT 1 и нагрузки 7 (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 L4, R5, С6. Благодаря этому обратная связь становится положительной, и реализуются условия баланса фаз и амплитуд и условия возбуждения электромагнитных колебаний. В результате колебание с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура, подается на управляющий электрод VT 1, который на начальном этапе работает в режиме усиления. Амплитуда этого колебания усиливается до момента ее увеличения до уровня, при котором наступает режим ограничения VT 1. Наступает стационарный режим генерации.
Недостатком прототипа 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. Еще одним недостатком следует считать отсутствие возможности генерации при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки.
Технический результат, который может быть получен при реализации полезной модели, заключается в повышении диапазона генерируемых колебаний, генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные устройства генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов при любых заданных частотных характеристиках нагрузки, например, антенны. Возможность использования различных вариантов включения трехполюсного нелинейного элемента относительно согласующего четырехполюсника и различных видов обратной связи расширяет возможности физической реализуемости этого результата.
1m
2m
1k
1k
km
1k
1k
Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи из трехполюсного нелинейного элемента и реактивного четырехполюсника, нагрузки и цепи внешней обратной связи, согласно полезной модели, нагрузка выполнена в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный четырехполюсник, параллельно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь внешней обратной связи как единый узел каскадно включены между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, и входом реактивного четырехполюсника, к выходу которого подключена нагрузка, реактивный четырехполюсник выполнен в виде обратного Г-образного соединения двух реактивных двухполюсников с сопротивлениями Х, Х, причем эти двухполюсники сформированы в виде последовательного колебательного контура из элементов с параметрами L,C, последовательно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением х, а значения параметров L,С определены из условия согласования по критерию обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:
r
, x
- заданные значения действительной и мнимой составляющих сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на двух частотах ω
=2πf
; m=1,2 - номер частоты;
0m
0m
m
m
nm
нm
r,x - заданные значения действительной составляющей сопротивления нагрузки на двух частотах;
q
,b
, q
,b
, q
,b
, q
,b
- заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента при заданной величине постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи на заданных частотах;
11m
11m
12m
12m
21m
21m
22m
22m
k=1,2 - индекс, характеризующий соответствующие номера реактивных двухполюсников с сопротивлениями Х
,Х
сопротивлений первого и второго двухполюсников обратной Г-образной схемы на заданных частотах.
1m
2m
На фиг.2 приведена структурная схема заявляемого генератора высокочастотных сигналов.
На фиг.3 приведена структурная схема согласующего реактивного четырехполюсника, входящего в заявляемое устройство.
На фиг.4 приведена схема реактивного двухполюсника, реализующего первый и второй двухполюсники согласующего реактивного четырехполюсника
Заявляемое устройство (фиг.2) содержит трехполюсный нелинейный элемент (VT) 1 с известными элементами матрицы проводимостей
на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенный к источнику постоянного напряжения (Е0) 2, и параллельно соединенный (входы соединены параллельно и выходы - параллельно) по высокой частоте с цепью внешней обратной связи (ОС), выполненной в виде произвольного четырехполюсника 14, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями.
0
0m
0m
0m
нm
нm
нm
Трехполюсный 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 11 на заданных частотах (z=r+jx), имитирующим сопротивление источника высокочастотных колебаний, возникающих при включении источника постоянного напряжения 2 в момент скачкообразного изменения амплитуды его напряжения в режиме генерации, и согласующим реактивным четырехполюсником (РЧ) 12, к выходу которого подключена нагрузка 13 с заданными сопротивлениями z=r+jx на заданных частотах.
Произвольный четырехполюсник 14 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы проводимостей , , ,  на заданных частотах (m=1, 2 - номер частоты).
1m
2m
1m
2m
Реактивный четырехполюсник 12 выполнен в виде обратного Г-образного соединения двух реактивных двухполюсников с сопротивлениями X, X (фиг.3) Синтез генератора (выбор значений сопротивлений X, X и схем формирования этих двухполюсников (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.
Выбор сопротивлений четырехполюсника 14 можно осуществлять произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. В данной полезной модели значения сопротивлений комплексных двухполюсников четырехполюсника 14 выбираются из условий физической реализуемости. В режиме генерации источник входного высокочастотного сигнала отключается, и вместо него устанавливается короткозамыкающая перемычка.
Заявляемое устройство функционирует следующим образом.
1m
2m
21
12
n
1
2
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 сопротивлений X, X первого и второго двухполюсников согласующего реактивного четырехполюсника и схем формирования этих двухполюсников, обратная связь становится положительной, что эквивалентно возникновению в цепи отрицательного сопротивления (r или r), 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=Iω±Kω,I,K=0, 1, 2,…
Докажем возможность реализации указанных свойств.
0
0
0
n
n
n
Введем обозначения исходных зависимостей сопротивления источника сигнала в режиме усиления Z=R+jx, нагрузки z=r+jx, элементов матриц проводимостей трехполюсного нелинейного элемента , и цепи обратной связи
, от частоты.
11
11+
11
12
12+
12
21=
21
21
22
22
22
При параллельном соединении четырехполюсников элементы их матриц проводимостей складываются. Суммарные зависимости элементов матриц проводимостей цепи прямой передачи в виде нелинейного элемента и цепи обратной связи от частоты: y=gjb, y=gjb, yg+jb, y=g+jb.
Найдем условия возникновения колебаний, то есть определим частотные зависимости параметров четырехполюсника (аппроксимирующие функции), оптимальные по критерию обеспечения условий стационарного режима генерации на заданном количестве частот при неизменной амплитуде постоянного напряжения на нелинейном элементе.
Нелинейный элемент описывается соответствующей матрицей передачи:
Резистивный четырехполюсник (РЧ) характеризуется матрицей передачи:
где
а, b, с, d - элементы классической матрицы передачи.
Общая нормированная классическая матрица передачи генератора/модулятора получается путем перемножения матриц передачи (1) и (2) с учетом условий нормировки:
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:
где
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. 192 с):
,
0
где первое слагаемое - это сопротивление z пассивной части генератора;
n
второе слагаемое с учетом матриц передачи (1) и (2) - это входное сопротивление активной части генератора в виде трехполюсного нелинейного элемента с матрицей проводимостей (1), нагруженного на входное сопротивление  реактивного четырехполюсника, нагруженного на сопротивление нагрузки z. Если это условие возникновения стационарного режима генерации записать в виде другого равенства:
,
то ее можно трактовать как условие баланса амплитуд и баланса фаз 1-КВ=0 (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М: «Дрофа»., - 2006, с.383-401) для эквивалентной цепи с внешней положительной обратной связью.
При этом, четырехполюсники цепи обратной связи и схемы замещения трехполюсного нелинейного элемента соединяются параллельно, а в коэффициенте передачи (4) вместо элементов матрицы проводимостей нелинейного элемента необходимо использовать суммы элементов этой матрицы и элементов матрицы проводимостей цепи обратной связи.
Для данного вида генератора и частотного модулятора:
- коэффициент передачи цепи обратной связи;
- коэффициент усиления цепи прямой передачи.
Возможны и другие варианты представления этих коэффициентов, но для изобретения это не имеет значения. При любых представлениях этих величин равенство нулю коэффициента передачи соответствует условию стационарного режима генерации согласно иммитансному критерию устойчивости и условию баланса амплитуд и баланса фаз.
Приравняем знаменатель коэффициента передачи нулю:
.
Разделим в (5) между собой действительную и мнимую части, и получим систему двух алгебраических уравнений:
;
Решение системы (6) имеет вид оптимальных частотных зависимостей взаимосвязей между элементами классической матрицы передачи РЧ:
,
где ;
;
.
Для отыскания оптимальных зависимостей реактивных сопротивлений двухполюсников, составляющих согласующий четырехполюсник, от частоты необходимо выбрать типовую схему четырехполюсника, найти его матрицу передачи, представить ее элементы в виде (2), определенные таким образом коэффициенты α, β, γ подставить в (6) и решить полученную систему уравнений относительно некоторых двух параметров реактивного согласующего четырехполюсника.
Здесь приводится решение задачи синтеза для обратной Г-образной схемы четырехполюсника (фиг.3):
Реализация оптимальных аппроксимирующих функций (7) частотных зависимостей второго и третьего двухполюсников Т-образного звена 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 один пример построения двухполюсников для двух частот интерполяции, которые использовались для синтеза рассматриваемого варианта генераторов.
km
Последовательный колебательный контур, последовательно соединенный с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением х (m - номер частоты):
При k=1 имеем значения параметров для первого двухполюсника, а при k=2 - для второго двухполюсника обратной Г-образной схемы. Индекс т необходимо ввести в обозначения и других явным образом зависящих от частоты величин.
Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик параметров согласующего четырехполюсника (6) и (7) с помощью (8) 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:
где I, K=0, 1, 2….
Таким образом, выбор частотных характеристик первого и второго двухполюсников обратного Г-образного звена (фиг.3), в виде которого выполнен реактивный четырехполюсник 12, формирование их схем в указанном виде (фиг.4), 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.
Для реализации заявляемого устройства могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью трехполюсные нелинейные элементы (транзисторы или лампы), реактивные элементы, сформированные в описанные выше схемы реактивных двухполюсников (фиг.4). Значения параметров индуктивностей и емкостей этих схем могут быть однозначно определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.
Технико-экономическая эффективность заявляемого устройства заключается в одновременном обеспечении генерации высокочастотного сигнала на двух заданных частотах за счет выбора схем и значений параметров двух реактивных двухполюсников согласующего четырехполюсника 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.