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

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано 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 согласующего 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, трехполюсным нелинейным элементом, реактивным четырехполюсником, 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 в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный четырехполюсник, последовательно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между выходом реактивного четырехполюсника и нагрузкой, нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, к входу реактивного четырехполюсника в поперечную цепь подключают второй двухполюсник с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз и условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет выбора значений параметров реактивного четырехполюсника 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:
0m
0m
α=(-E+x)γ-D; β=Fγ-E-x,
где
22нm
нm
22m
11нm
11m
22m
12m
21m
12m
21m
11m
22m
11m
нm
11m
нm
22нm
нm
22m
11нm
11m
22m
12m
21m
12m
21m
11m
22m
11m
нm
11m
нm
0m
0m
нm
нm
11m
11m
12m
12m
21m
21m
22m
22m
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>b</mi><mi>d</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>c</mi><mi>d</mi></mfrac></mrow>
r=r-r; r=rr-rr+xx-xx-xx-rr; x=x-x; x=rx-xr-rx+xr-xr-rx;
;
- оптимальные значения отношений соответствующих элементов классической матрицы передачи на заданных частотах;
- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи на заданных частотах; а, b, с, d - элементы классической матрицы передачи; r, x - заданные значения действительной и мнимой составляющих сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на заданном количестве частот; r, x - заданные значения действительной мнимой составляющей сопротивления нагрузки на заданном количестве частот; r,x, r,x, r,x, r,x - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи на заданных частотах; m=1,2…N - номера частот.
1m
2m
3m
2m
3m
1k
1k
km
2. 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, дополнительно цепь внешней обратной связи выполнена в виде произвольного четырехполюсника, последовательно соединенного с трехполюсным нелинейным элементом, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между выходом реактивного четырехполюсника и нагрузкой, нагрузка выполнена в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, к входу реактивного четырехполюсника в поперечную цепь подключен второй двухполюсник с комплексным сопротивлением, которое имитирует сопротивление источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления, реактивный четырехполюсник выполнен в виде П-образного соединения трех реактивных двухполюсников с сопротивлениями X, X, X, причем двухполюсники с сопротивлениями X, X сформированы из последовательного колебательного контура из элементов с параметрами L, C, параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением x, а значения параметров определены из условия согласования по критерию обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:
где
22нm
нm
22m
11нm
11m
22m
12m
21m
12m
21m
11m
22m
11m
нm
11m
нm
22нm
нm
22m
11нm
11m
22m
12m
21m
12m
21m
11m
22m
11m
нm
11m
нm
0m.
0m
m
m
nm
нm
11m
11m
12m
12m
21m
21m
22m
22m
2m
3m
1m
r=r-r; r=rr-rr+xx-xx-xx-rr; x=x-x; x=rx-xr-rx+xr-xr-rx; r, x - действительной и мнимой составляющих сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на двух частотах ω=2πf; m=1,2 - номер частоты; r, х - заданные значения действительной составляющей сопротивления нагрузки на двух частотах; r,x, r,х, r,x, r,x - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи на заданных частотах; k=2,3 - индекс, характеризующий соответствующие номера реактивных двухполюсников с сопротивлениями X, X; X - заданные значения сопротивлений первого двухполюсника П-образной схемы на заданных частотах.
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 структурная схема согласующего реактивного четырехполюсника, входящего в предлагаемое устройство по п. 2.
На фиг. 4. приведена схема реактивного двухполюсника, реализующего второй и третий двухполюсники согласующего реактивного четырехполюсника в виде П-образного соединения трех двухполюсников (фиг. 3).
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.
<mrow><msubsup><mi>z</mi><mrow><mn>11</mn><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>11</mn><mi>m</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>m</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>z</mi><mrow><mn>12</mn><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn><mi>m</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>m</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>z</mi><mrow><mn>21</mn><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>21</mn><mi>m</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>m</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>z</mi><mrow><mn>22</mn><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>22</mn><mi>m</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>m</mi></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>T</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>z</mi><mrow><mn>11</mn><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>11</mn><mi>m</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>m</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>z</mi><mrow><mn>12</mn><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>12</mn><mi>m</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>m</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>z</mi><mrow><mn>21</mn><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>21</mn><mi>m</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>m</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>z</mi><mrow><mn>22</mn><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msubsup><mi>r</mi><mrow><mn>22</mn><mi>m</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>m</mi></mrow><mrow><mi>O</mi><mi>C</mi></mrow></msubsup></mrow>
нm
нm
нm
0m
0m
0m
1m
2m
3m
2m
3m
Предлагаемое устройство по п. 2 (фиг. 2), реализующее предлагаемый способ по п. 1, содержит трехполюсный нелинейный элемент - 1 с известными элементами матрицы сопротивлений
,
,
,
на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенный к источнику постоянного напряжения - 2 (на фиг. 2 не показан) и соединенный по высокой частоте последовательно (входы соединены последовательно и выходы - последовательно) к цепи внешней обратной связи, выполненной в виде произвольного четырехполюсника - 14, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Четырехполюсник - 14 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы сопротивлений
,
,
,
на заданных частотах (m=1,2 - номер частоты). Трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единое целое каскадно включены между выходом согласующего реактивного четырехполюсника - 12 и нагрузкой - 13 с заданными сопротивлениями z=r+jx на заданных частотах. К входу четырехполюсника - 12 подключен источник входного высокочастотного сигнала в режиме усиления с сопротивлением z=r+jx - 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, представляющего собой 2-ой двухполюсник. Четырехполюсник - 12 выполнен в виде П-образного соединения трех реактивных двухполюсников с сопротивлениями X, 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 данном изобретении 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.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.
2m
3m
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 второго и третьего 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±Кω, I, К=0,1,2….
Докажем возможность реализации указанных свойств.
<mrow><msubsup><mi>z</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>z</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>z</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>z</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>z</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>z</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>z</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>z</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>
11
11
11
12
12
12
21
21
21
22
22
22
Исходными также являются зависимости элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента
,
,
,
и цепи обратной связи
,
,
,
, от частоты. При последовательном соединении четырехполюсников элементы их матриц сопротивлений складываются. Суммарные зависимости элементов матриц сопротивлений цепи прямой передачи в виде нелинейного элемента и цепи обратной связи от частоты: z=r+jx, z=r+jx, z=r+jx, z=r+jx. Для простоты аргумент (частота) опущен.
Таким образом, нелинейный элемент описывается матрицей сопротивлений и соответствующей классической матрицей передачи:
,
11
22
12
21
где |z|=zz-zz.
Пусть четырехполюсник описывается матрицей передачи:
<mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>b</mi><mi>d</mi></mfrac></mrow>
<mrow><mi>γ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>c</mi><mi>d</mi></mfrac></mrow>
где
;
;
; a, b, c, d - элементы классической матрицы передачи.
Перемножим (2) и (1). С учетом условий нормировки получим выражение для общей матрицы передачи в режиме усиления:
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 из (1), с учетом условий нормировки получим выражение для коэффициента передачи генератора в режиме усиления:
0
Сгруппируем множители вокруг z и разделим на общий множитель числитель и знаменатель (4). Знаменатель коэффициента передачи в режиме усиления получится в виде, соответствующем иммитансному критерию устойчивости (Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. М - Л.: ГЭИ, 1962. 192 с):
<mrow><msub><mi>z</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>α</mi><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><mrow><mo>|</mo><mi>z</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mn>22</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>β</mi></mrow><mrow><mi>j</mi><mi>γ</mi><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><mrow><mo>|</mo><mi>z</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mn>22</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><mrow><mo>|</mo><mi>z</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mn>22</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><mrow><mo>|</mo><mi>z</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mn>22</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>β</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>γ</mi><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><mrow><mo>|</mo><mi>z</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mn>22</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>z</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>j</mi><mi>γ</mi><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><mrow><mo>|</mo><mi>z</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mn>22</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>K</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>α</mi><mfrac><mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><mrow><mo>|</mo><mi>z</mi><mo>|</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mi>н</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mn>22</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>β</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
0
n
, где первое слагаемое - это сопротивление z пассивной части генератора; второе слагаемое с учетом матриц передачи (1) и (2) - это входное сопротивление активной части генератора в виде реактивного четырехполюсника, нагруженного на сопротивление
трехполюсного нелинейного элемента с матрицей сопротивлений (1), 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 последовательно, а в коэффициенте передачи (10) вместо элементов матрицы сопротивлений нелинейного элемента необходимо использовать суммы элементов этой матрицы и элементов матрицы сопротивлений 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.
Исходная система уравнений, вытекающая из равенства нулю знаменателя коэффициента передачи:
22н
н
22
11н
11
22
12
21
12
21
11
22
11
н
11
н
где r=r-r; r=rr-rr+xx-xx-xx-rr;
22н
н
22
11н
11
22
12
21
12
21
11
22
11
н
11
н
x=х-x; x=rx-xr-rx+xr-xr-rx.
Решение системы (5) имеет вид оптимальных частотных зависимостей взаимосвязей между элементами классической матрицы передачи:
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 П-образной схемы (фиг. 3):
Реализация оптимальных аппроксимирующих функций частотных зависимостей сопротивлений двухполюсников (7) 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. Значения параметров остальных двухполюсников могут быть выбраны произвольно или из обеспечения каких-либо других условий. 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 (фиг. 4):
При k=2 имеем значения параметров для второго двухполюсника, а при k=3 - для третьего двухполюсника П-образной схемы. Индекс m необходимо ввести в обозначения и других явным образом зависящих от частоты величин.
n
1
2
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 ω=Iω±Кω, 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 цепи внешней обратной связи в виде произвольного четырехполюсника, последовательно соединенного с трехполюсным нелинейным элементом, включение трехполюсного нелинейного элемента и цепи обратной связи как единого узла между выходом реактивного четырехполюсника и нагрузкой, выполнение нагрузки в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, подключение к входу реактивного четырехполюсника в поперечную цепь второго двухполюсника с комплексным сопротивлением, которое имитирует сопротивление источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления (фиг. 2), выполнение реактивного четырехполюсника в виде П-образного соединения трех реактивных двухполюсников (фиг. 3), выбор частотных характеристик второго и третьего двухполюсников П-образного звена, в виде которого выполнен реактивный четырехполюсник, 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.
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. 4). 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 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.