Генератор высокочастотных сигналов

Полезная модель относится к области радиосвязи и радиоэлектронной борьбы и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных частотных характеристиках и параметрах нелинейного элемента, цепи обратной связи и резистивного четырехполюсника. Технический результат - увеличение количества частот генерируемых колебаний при одновременном уменьшении массы и габаритов устройства генерации, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные средства радиосвязи с заданным количеством радиоканалов. Устройство содержит источник постоянного напряжения (2), цепь прямой передачи из трехполюсного нелинейного элемента (1) и резистивного четырехполюсника (12), нагрузку (13) и цепь внешней обратной связи (ОС). Нагрузка (13) выполнена в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней (ОС) использован произвольный четырехполюсник (14), параллельно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу (1), трехполюсный нелинейный элемент (1) и цепь внешней ОС как единый узел каскадно включены между введенным вторым двухполюсником (11) с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, и входом резистивного четырехполюсника (12), к выходу которого подключена нагрузка (10). Реактивный двухполюсник выполнен в виде последовательного колебательного контура с параметрами L₀, C₀, последовательно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением X _0m, мнимая составляющая сопротивления нагрузки x_н реализована реактивным двухполюсником, выполненным из параллельного колебательного контура с параметрами L_н, C_н параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением X_нm. значения параметров этих двухполюсников определены из условия согласования по критерию обеспечения режима генерации на двух частотах.

Полезная модель относится к области радиосвязи и радиоэлектронной борьбы и может быть использована для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных частотных характеристиках и параметрах нелинейного элемента, цепи обратной свиязи и резистивного четырехполюсника, 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, 414-417 с.).

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 устройство генерации высокочастотного сигнала, (см. Гоноровский И.С. "Радиотехнические цепи и сигналы" - М: «Дрофа»., 2006, 383-401 с.), 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, С6, 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 двухполюсником 10 с соответствующими комплексными сопротивлениями Zo и Zн 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 7 и управляющего электрода трехполюсного нелинейного элемента 1, 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, использование четырехполюсника в качестве согласующего устройства значительно увеличивает число элементов. Не указывается каким образом можно использовать мнимые составляющие сопротивления нагрузки и источника сигнала в режиме усиления для согласования по критерию обеспечения условий генерации на заданном количестве частот. Во многих случаях целесообразнее использовать резистивный четырехполюсник, параметры которых не зависят от частоты в достаточно большом диапазоне частот, что позволяет обеспечить условия генерации на большем количестве частот. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств генерации в диапазонах ВЧ и УВЧ, на которых, кроме того, обязательно нужно учитывать реактивные составляющие параметров нелинейных элементов. В настоящее время классическая теория радиотехнических цепей это не учитывает.

Задача - увеличение количества частот генерируемых колебаний, уменьшение массы и габаритов устройства генерации многочастотных сигналов.

Технический результат, который может быть получен при реализации полезной модели, заключается в увеличении количества частот генерируемых колебаний при одновременном уменьшении массы и габаритов устройства генерации, что позволяет формировать сложные сигналы в интересах решения задач радиоэлектронной борьбы и создавать компактные устройства генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов. Возможность использования различных вариантов включения трехполюсного нелинейного элемента относительно резистивного четырехполюсника и различных видов обратной связи расширяет возможности физической реализуемости этого результата.

Для решения поставленной задачи в генераторе высокочастотных сигналов, содержащий источник 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, цепь внешней обратной связи выполнена в виде произвольного четырехполюсника из комплексных двухполюсников, параллельно подключенного 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 резистивного четырехполюсника, к выходу которого подключена нагрузка, мнимая составляющая сопротивления источника сигнала в режиме усиления x₀ реализована реактивным двухполюсником, выполненным из последовательного колебательного контура с параметрами L₀, C₀, последовательно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением X_0m, мнимая составляющая сопротивления нагрузки x _н реализована реактивным двухполюсником, выполненным из параллельного колебательного контура с параметрами L_н , С_н, параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением X_нm, значения параметров этих двухполюсников определены из условия согласования по критерию обеспечения режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:

;

;

;

;

;

,

где X=AB₀-BA₀;

Y=AD₀+CB₀-(D-)A₀-BC₀;

Z=CD ₀-(D-)C₀;

A₀=B₁ -b_11m;

B₀=(1+g_11mr_0m)-g_22m-A ₁r_0m;

C₀=-(r_нm +)A₁+(+r_нm)g_11m;

D₀ =-(b_22m+r_0mB₁)(r_нm +)+(+r_нm)b_11mr_0m;

A=A₁-g_11m;

B=b_22m+r _0m(B₁-b_11m);

C=(r_нm+)B₁-(+r_нm)b_11m;

D=-(g _22m+r_0mA₁)(r_нm+)+(+r_нm)(1+g_11mr_0m)

A₁=g_11mg_22m-b_11mb _22m-g_12mg_21m+b_12mb _21m

B₁=g_11mb_22m +b_11mg_22m-g_12mb_21m -b_12mg_21m;

- заданные значения отношений соответствующих элементов классической матрицы передачи на заданных частотах;

a, b, с, d - элементы классической матрицы передачи выбранного типового резистивного четырехполюсника;

r _0m, r_нm - заданные значения действительных составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот;

x_0m, x_нm - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот;

g_11m, b_11m, g _12m, b_12m, g_21m, b_21m, g_22m, b_22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи на заданных частотах;

m=1,2 - номера частот;

0 - условие возбуждения колебаний;

_1,2=2_1,2;

_1,2 - заданные частоты.

На фиг.1 приведена схема устройства генерации высокочастотных сигналов (прототип), реализующего способ-прототип.

На фиг.2 приведена структурная схема заявляемого устройства.

На фиг.3 приведена схема реактивного двухполюсника, реализующего мнимую составляющую сопротивления источника сигнала в режиме усиления x₀ заявляемого устройства.

На фиг.4 приведена схема реактивного двухполюсника, реализующего мнимую составляющую сопротивления нагрузки х_н заявляемого устройства.

Заявляемое устройство (Фиг.2) содержит трехполюсный нелинейный элемент VT 1 с известными элементами матрицы проводимостей y на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенный к источнику постоянного напряжения Ео 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.

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 _0m=r_0m+jx_0m 11 на заданных частотах, имитирующим сопротивление источника высокочастотных колебаний, возникающих при включении источника постоянного напряжения 2 в момент скачкообразного изменения амплитуды его напряжения в режиме генерации, и резистивным четырехполюсником РЧ 12, к выходу которого подключена нагрузка 13 с заданными сопротивлениями z _нm=r_нm+jx_нm на заданных частотах.

Произвольный четырехполюсник 14 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы проводимостей на заданных частотах (M=1,2 - номер частоты).

Резистивный четырехполюсник 12 выполнен в виде произвольного соединения произвольного количества резистивных двухполюсников. Этот четырехполюсник описывается известными элементами классической матрицы передачи a, b, c, d. Синтез генератора (выбор значений сопротивлений источника сигнала в режиме усиления x₀ и нагрузки x_н и схем формирования этих двухполюсников (Фиг.3, 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.

В режиме генерации источник входного высокочастотного сигнала отключается и вместо него устанавливается короткозамыкающая перемычка.

Заявляемое устройство функционирует следующим образом.

При включении источника постоянного напряжения 2, в силу скачкообразного изменения амплитуды, во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако, благодаря наличию внешней обратной связи, и в силу указанного выбора значений сопротивлений источника сигнала в режиме усиления x₀ и нагрузки x_н и схем их формирования, обратная связь становится положительной, что эквивалентно возникновению в цепи отрицательной проводимости (g₂₁ или g₁₂), 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 _n=I₁±K₂, I, K=1,2

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Введем обозначения искомых зависимостей сопротивления источника сигнала в режиме усиления z₀ =r₀+jx₀, нагрузки z_n=r_n +jх_n, элементов матриц проводимостей трехпопюсного нелинейного элемента (VT) и цепи внешней обратной связи (ОС) ,от частоты. При параллельном соединении четырехполюсников их матрицы проводимостей складываются.

Суммарные зависимости элементов матриц проводимостей цепи прямой передачи в виде нелинейного элемента (VT) и цепи обратной связи (ОС) от частоты: y₁₁=g₁₁+jb₁₁, y ₁₂=g₁₂+jb₁₂, y₂₁=g ₂₁+jb₂₁, y₂₂=g₂₂+jb ₂₂. Нелинейный элемент (VT) описывается матрицей проводимостей и матрицей передачи:

где |y|=y₁₁y₂₂-y ₁₂y₂₁.

Резистивный четырехполюсник (РЧ) характеризуется матрицей передачи:

где ;

;

;

a, b, c, d - элементы классической матрицы передачи. Общая нормированная классическая матрица передачи генератора 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. 34-36 с.) и матрицу передачи (3), с учетом условий нормировки получим выражение для коэффициента передачи генератора в режиме усиления:

где g₁₁₀=1+g₁₁ r₀-b₁₁x₀;

b ₁₁₀=-(g₁₁x₀+b₁₁r₀ );

g₂₂₀=-g₂₂-r₀ A₁+x₀B₁;

b ₂₂₀=-b₂₂-r₀B₁-x₀ A₁;

A₁=g₁₁g ₂₂-b₁₁b₂₂-g₁₂g₂₁ +b₁₂b₂₁;

B₁=g ₁₁g₂₂+b₁₁b₂₂-g₁₂ g₂₁-b₁₂b₂₁.

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.):

,

где первое слагаемое - это сопротивление z₀ пассивной части генератора; второе слагаемое с учетом матриц передачи (1) и (2) - это входное сопротивление активной части генератора в виде трехполюсного нелинейного элемента с матрицей проводимости (1), нагруженного на входное сопротивление реактивного четырехполюсника, нагруженного на сопротивление нагрузки z_n.

Если это условие возникновения стационарного режима генерации записать в виде другого равенства:

,

то ее можно трактовать как условие баланса амплитуд и баланса фаз 1-КВ=0 (Гоноровский И.С."Радиотехнические цепи и сигналы" - М: «Дрофа»., 2006, 383-401 с.) для эквивалентной цепи с внешней положительной обратной связью.

Коэффициент передачи цепи обратной связи:

,

Коэффициент усиления цепи прямой передачи:

,

Возможны и другие варианты представления этих коэффициентов, но для данного изобретения это не имеет значения. В соответствии с иммитансным критерием устойчивости (Куликовский А.А. "Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа" М-Л.: ГЭИ, 1962, 192 с.) запишем условие возбуждения и разделим между собой действительную и мнимую части. Получим систему уравнений:

Решение (5) представляет собой зависимости величин x₀ ,x_n от частоты, оптимальные по критерию обеспечения генерации сигнала во всем спектре частот:

;

где X=AB₀-BA₀;

Y=AD₀+CB₀-(D-)A₀-BC₀;

Z=CD ₀-(D-)C₀;

A₀=B₁ -b₁₁;

B₀=(1+g₁₁r₀)-g₂₂-A₁ r₀;

C₀=-(r_н+)A₁+(+r_н)g₁₁;

D₀ =-(b₂₂+r₀B₁)(r_н+)+(+r_н)b₁₁r₀;

A=A₁-g₁₁;

B=b₂₂+r₀ (B₁-b₁₁);

C=(r_н+)B₁-(+r_н)b₁₁;

D=-(g ₂₂+r₀A₁)(r_н+)+(+r_н)(1+g₁₁r₀);

0 - условие возбуждения колебаний.

Реализация ошимальных аппроксимирующих функций (6) частотных зависимостей мнимых составляющих сопротивлений нагрузки и источника сигнала в режиме усиления может быть осуществлена различными способами, например, с помощью метода интерполяции путем отыскания значений параметров выбранных реактивных двухполюсников, при которых их сопротивления на заданных частотах совпадают с оптимальными. Здесь приводятся два примера построения двухполюсников x ₀, x_н (6) для двух частот интерполяции, которые использовались для синтеза рассматриваемого варианта генераторов.

Последовательный колебательный контур, последовательно соединенный с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением X₀ (Фиг.3):

где _1,2=2_1,2;

_1,2 - заданные частоты;

X _01,02, x_01,02 - заданные сопротивления произвольного двухполюсника X₀ и двухполюсника x₀ (6) на двух частотах.

Параллельный колебательный контур, параллельно соединенный с произвольным реактивным двухполюсником (Фиг.4):

где X_н1,н2, x_н1,н2 - заданные сопротивления произвольного двухполюсника X_н и двухполюсника x_н (6) на двух частотах.

Реализация оптимальных частотных характеристик параметров согласующих двухполюсников x₀, x_н (6) с помощью (7) и (8) гарантирует условия согласования, баланса амплитуд и баланса фаз одновременно на двух заданных частотах. В результате взаимодействия сигналов на двух частотах с нелинейным элементом возникают дополнительные продукты нелинейного взаимодействия с комбинационными частотами _n=I₁±K₂, I, K=1, 2.

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 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.

Генератор высокочастотных сигналов, содержащий источник постоянного напряжения, цепи прямой передачи из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузки и цепи внешней обратной связи, отличающийся тем, что нагрузка выполнена в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, цепь внешней обратной связи выполнена в виде произвольного четырехполюсника из комплексных двухполюсников, параллельно подключенного 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 резистивного четырехполюсника, к выходу которого подключена нагрузка, мнимая составляющая сопротивления источника сигнала в режиме усиления x₀ реализована реактивным двухполюсником, выполненным из последовательного колебательного контура с параметрами L ₀, C₀, последовательно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением Х_0m, мнимая составляющая сопротивления нагрузки x_н реализована реактивным двухполюсником, выполненным из параллельного колебательного контура с параметрами L_н, С_н, параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением Х_нm, значения параметров этих двухполюсников определены из условия согласования по критерию обеспечения режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:

где Х=АВ₀-ВА₀;

Y=AD ₀+CB₀-(D-)A₀-BC₀;

Z=CD₀-(D-)C₀;

A₀=B₁-b _11m;

B₀=(1+g_11mr_0m)-g_22m-A ₁r_0m;

С₀=-(r_нm+)А₁+(+r_нm)g_11m;

D₀=-(b _22m+r_0mB₁)(r_нm+)+(+r_нm)b_11mr_0m;

A=A ₁-g_11m;

В=b_22m+r_0m (В₁-b_11m);

C=(r_нm+)B₁-(+r_нm)b_11m;

D=-(g_22m +r_0mA₁)(r_нm+)+(+r_нm)(1+g_11mr_0m)

A₁=g_11mg_22m-b_11mb _22m-g_12mg_21m+b_12mb _21m

B₁=g_11mb_22m+b _11mg_22m-g_12mb_21m-b _12mg_21m;

- заданные значения отношений соответствующих элементов классической матрицы передачи на заданных частотах;

a, b, с, d - элементы классической матрицы передачи выбранного типового резистивного четырехполюсника;

r_0m, r_нm - заданные значения действительных составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот;

х _0m, x_нm - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот;

g_11m, b_11m, g_12m, b_12m , g_21m, b_21m, g_22m, b_22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов матрицы проводимостей цепи внешней обратной связи на заданных частотах;

m=1, 2 - номера частот;

0 - условие возбуждения колебаний;

_1,2=2f_1,2;

f_1,2 - заданные частоты.