СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
HIGH-FREQUENCY SIGNAL GENERATION METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретения относятся к областям радиосвязи и могут быть использованы 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.
Известен способ генерации высокочастотного сигнала, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внутренней обратной связи в нелинейном элементе путем использования в качестве него двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемого высокочастотного сигнала, и условий согласования нелинейного элемента с нагрузкой (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Дрофа. - 2006, с. 414-417).
Известно устройство генерации высокочастотного сигнала, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине падающего участка вольтамперной характеристики двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, реактивного четырехполюсника, нагрузки в виде параллельного колебательного контура, при этом параметры контура, двухполюсного нелинейного элемента и варикапа выбраны из условия обеспечения заданных амплитуды и частоты генерируемого высокочастотного сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Дрофа. - 2006, с. 414-417).
Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако благодаря наличию внутренней обратной связи в двухполюсном нелинейном элементе на участке с падающей вольтамперной характеристикой возникает отрицательное дифференциальное сопротивление, которое в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника компенсирует потери в контуре. Благодаря этому, колебание с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура, усиливается до момента увеличения амплитуды этого колебания до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы падающего участка вольтамперной характеристики. Наступает стационарный режим.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ генерации высокочастотного сигнала, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внешней положительной обратной связи между нагрузкой и управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемого высокочастотного сигнала, и условий согласования нелинейного элемента с нагрузкой (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Дрофа. - 2006, с. 383-401).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство генерации высокочастотного сигнала, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики транзистора, реактивного четырехполюсника, нагрузки в виде параллельного колебательного контура, RC - цепи внешней положительной обратной связи между нагрузкой и управляющим электродом транзистора, при этом параметры контура, транзистора и варикапа выбраны из условия обеспечения заданных амплитуды и частоты генерируемого высокочастотного сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Дрофа. - 2006, с. 383-401).
Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако благодаря наличию цепи положительной обратной связи, колебание с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура, поступает на управляющий электрод транзистора, который в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника начинает работать в режиме усиления до момента увеличения амплитуды этого колебания до уровня, при котором наступает режим насыщения (ограничения амплитуды). Наступает стационарный режим.
Недостатком указанных способов и устройств является генерация высокочастотного сигнала только на одной частоте. Кроме того, не указывается, каким образом необходимо выбирать значения параметров реактивного четырехполюсника, при которых наступает режим возбуждения и стационарный режим. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств генерации в диапазонах ВЧ и УВЧ, на которых обязательно нужно учитывать реактивные составляющие параметров нелинейных элементов. В настоящее время классическая теория радиотехнических цепей это не учитывает. Еще одним недостатком следует считать отсутствие возможности генерации при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки.
Техническим результатом изобретения является повышение диапазона генерируемых колебаний, генерация 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 четырехполюсника и различных видов обратной связи, а также выбор этих четырехполюсников комплексными расширяют возможности физической реализуемости этого результата.
0n
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 каскадно соединенных 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, условии согласования цепи прямой передачи с нагрузкой и условий согласования нагрузки с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, дополнительно нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к цепи прямой передачи, четырехполюсник в цепи прямой передачи выполняют комплексным, цепь прямой передачи 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 нагрузкой, условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз и условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет выбора значений сопротивлений второго двухполюсника, реализующего сопротивление z источника сигнала генератора в режиме усиления, из условия обеспечения стационарного режима генерации в виде равенства нулю знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления одновременно на всех заданных частотах генерируемых высокочастотных сигналов при неизменной амплитуде источника постоянного напряжения в соответствии со следующими математическими выражениями:
n
n
n
n
нn
a, b, c, d - заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах;  - заданные значения комплексных элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента в цепи прямой передачи на заданных частотах;  - заданные значения комплексных элементов матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника цепи обратной связи на заданных частотах; z - заданные значения комплексных сопротивлений нагрузки на заданных частотах; n=1,2…N - номера заданных частот.
0n
0n
1
0n
0n
0n
2
2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи из каскадно соединенных трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузки и цепи внешней обратной связи, дополнительно нагрузка выполнена в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к цепи прямой передачи, четырехполюсник в цепи прямой передачи выполнен комплексным, цепь прямой передачи и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление z источника сигнала генератора в режиме усиления, и нагрузкой, второй двухполюсник с комплексным сопротивлением z выполнен из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с заданным сопротивлением Z=R+jX и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R и катушки с индуктивностью L, а значения параметров определены из условия равенства нулю знаменателя коэффициента передачи на двух частотах с помощью следующих математических выражений:
n
n
n
n
n
нn
r1
r2
r1
r2
0n
a, b, c, d - заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах f;  - заданные значения комплексных элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента в цепи прямой передачи на заданных частотах;  - заданные значения комплексных элементов матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника цепи обратной связи на заданных частотах; z - заданные значения комплексных сопротивлений нагрузки на заданных частотах; R, R, X, X - оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления z источника сигнала в режиме усиления на двух частотах; n=1,2 - номера заданных частот.
На фиг. 1 показана схема устройства генерации высокочастотных сигналов (прототип), реализующего способ-прототип.
На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого устройства генерации по п. 2, реализующая предлагаемый способ по п. 1.
На фиг. 3 приведена схема комплексного двухполюсника, реализующего на двух частотах оптимальные значения сопротивления источника сигнала генератора в режиме усиления, схема которого представлена на 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, С - 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.
n
n
n
n
0n
0n
0n
нn
нn
нn
0n
1
0n
0n
0n
2
l
2
Предлагаемое устройство по п. 2 (фиг. 2), реализующее предлагаемый способ по п. 1, содержит цепь прямой передачи из каскадно соединенных трехполюсного нелинейного элемента - 1 с известными элементами матрицы сопротивлений  на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенного к источнику постоянного напряжения - 2 (на фиг. 2 не показан), и комплексного четырехполюсника - 11 с известными элементами классической матрицы передачи a, b, c, d на заданных частотах генерируемых сигналов. Цепь прямой передачи из нелинейного элемента - 1 и четырехполюсника - 11 последовательно соединена по высокой частоте с цепью внешней обратной связи (входы соединены последовательно и выходы - последовательно), выполненной 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 сопротивлениями z=r+jx - 13 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 произвольной нагрузкой - 14, с заданными сопротивлениями z=r+jx на заданных частотах (первый двухполюсник с комплексным сопротивлением). Произвольный четырехполюсник - 12 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы сопротивлений  на заданных частотах (n=1, 2 - номер частоты). Сопротивление z (второй двухполюсник с комплексным сопротивлением) реализовано (фиг. 3) из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с заданным сопротивлением Z=R+jX и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R и катушки с индуктивностью L, а значения параметров определены из условия равенства нулю знаменателя коэффициента передачи на двух частотах с помощью специальных математических выражений. Синтез генератора (выбор значений параметров R, C, L, R и схемы формирования этого двухполюсника (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 напряжения питания. Выбор значений элементов матриц сопротивлений комплексных четырехполюсников - 11, 12 или их схем и значений параметров элементов можно осуществлять произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. В данном изобретении эти значения выбираются из условий физической реализуемости. В режиме генерации источник входного высокочастотного сигнала отключается и вместо него устанавливается короткозамыкающая перемычка.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
1
2
21
12
n
1
2
При включении источника постоянного напряжения - 2 (на фиг. 2 не показан) 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 R, C, L, R и схемы формирования двухполюсника - 13 (фиг. 3) обратная связь становится положительной что эквивалентно возникновению в цепи отрицательного сопротивления (rили 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…. Так как нагрузка и четырехполюсники - 11, 12 выбраны комплексными, то это приводит к увеличению области физической реализуемости стационарного режима генерации на заданном количестве частот.
Докажем возможность реализации указанных свойств.
0
0
0
n
n
n
Пусть цепь прямой передачи, состоящая из каскадно соединенных между собой трехполюсного нелинейного элемента и КЧ, подключена к цепи обратной связи последовательно (фиг. 2). Введем обозначения зависимостей сопротивления источника сигнала в режиме усиления z=r+jx, нагрузки z=r+jx и известных зависимостей элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента  и элементов матрицы сопротивлений цепи обратной связи  от частоты.
Нелинейный элемент описывается матрицей сопротивлений и соответствующей классической матрицей передачи:
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 (1) и (2):
Соответствующие элементы матрицы сопротивлений цепи прямой передачи (вторые слагаемые в (4)) и элементы матрицы сопротивлений цепи ОС складываются:
где
Ненормированные элементы матрицы передачи всего устройства:
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.):
0
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
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 из используемых величин, например на z:
0
нn
0
Решение (10) имеет смысл зависимостей величин z от частоты, оптимальных по критерию обеспечения генерации сигнала во всем спектре частот. Сопротивление z 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 (10) состоит также в том, что частотная зависимость комплексного сопротивления источника сигнала в режиме усиления должна быть равной частотной зависимости входного комплексного сопротивления остальной части генератора справа от z, взятой с обратным знаком. При этом обеспечивалась бы генерация на всем спектре частот. Однако реализация (10) в сплошной, даже очень узкой полосе частот, не возможна.
0n
Для реализации оптимальной аппроксимации (10) на конечном числе частот методом интерполяции необходимо сформировать двухполюсник с сопротивлением z из не менее чем 2N (n=1, 2 … N; N - число частот интерполяции) элементов типа R, L, C, найти выражения для его сопротивления, приравнять его оптимальным значениям сопротивлений двухполюсника на заданных частотах, определенным по формулам (10), 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.
0
1
0
0
0
2
Пусть двухполюсник с сопротивлением z сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z=R+jX и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R и катушки с индуктивностью L (фиг. 3). Комплексное сопротивление этого двухполюсника:
Разделим в (11) между собой действительную и мнимую части и составим систему четырех уравнений:
Решение:
0n
vn
0n
vn
0n
n
n
n
оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления z источника сигнала в режиме усиления на двух частотах: R=Re(z); X=Im(z); n=1, 2 - номера заданных частот f; ω=2πf.
n
1
2
Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик сопротивления источника сигнала генератора в режиме усиления (10) с помощью (11), (13), 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=Iω±Kω, I,K=0, 1, 2 ….
Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений неизвестны способ и устройство генерации высокочастотных колебаний, обеспечивающие генерацию сигналов на заданном количестве частот при использовании произвольных комплексных четырехполюсников в цепи прямой передачи и цепи обратной связи и произвольного первого комплексного двухполюсников в качестве нагрузки, причем цепь прямой передачи выполнена из каскадно-соединенных трехполюсного нелинейного элемента и комплексного четырехполюсника и соединена с цепью обратной связи по последовательной схеме (фиг. 2), а сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления реализовано вторым комплексным двухполюсником, показанным на фиг. 3. Значения параметров этого двухполюсника выбраны в соответствии со специальными математическими выражениями.
1
0
0
0
2
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 четырехполюсников в цепи прямой передачи и цепи обратной связи комплексными, использовании произвольной нагрузки (первого двухполюсника комплексным сопротивлением), формирования второго комплексного двухполюсника из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z=R+jX и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R и катушки с индуктивностью L (фиг. 3), выбора значений параметров R, C, L, R из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах при неизменном состоянии нелинейного трехполюсного элемента), обеспечивает одновременно формирование высокочастотных сигналов на заданных частотах при постоянной амплитуде источника постоянного напряжения 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, резистивных элементов и емкостей, входящих в схему формирования второго комплексного двухполюсника, 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 второго комплексного двухполюсника по критерию обеспечения условий баланса фаз и амплитуд на этих частотах при неизменном состоянии нелинейного трехполюсного элемента, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать средства радиосвязи, функционирующие на заданном количестве радиоканалах при произвольных характеристиках нагрузки.