МНОГОЧАСТОТНЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА Российский патент 2008 года по МПК H03B5/10 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве источника энергопитания в плазменных технологиях, ВЧ-светотехнике и нелинейной оптике.

Известен многочастотный автогенератор радиочастотного диапазона, служащий ВЧ-источником питания устройства для плазмохимической обработки электронных приборов (а.с. №2175153) и представляющий собой генератор с задержанной обратной связью (ГЗОС) на базе усилителя с распределенным усилением (УРУ), содержащий управляемые источники тока и неоднородный нагрузочный волновой тракт - анодную линию, представляющую собой ряд последовательно соединенных ФНЧ, выходные зажимы которой через четырехполюсник обратной связи (ЧОС), состоящий из ряда последовательно соединенных ФНЧ, соединены со входными зажимами сеточной линии УРУ, представляющей собой ряд последовательно соединенных ФНЧ, причем элементы указанных ФНЧ анодной линии УРУ и ЧОС выбраны таким образом, чтобы обеспечивать амплитудно-фазовые условия возбуждения многочастотных автоколебаний. Расстояние между анодной линией базового УРУ и линией ЧОС выбрано из условия равенства нулю величины взаимоиндукции между ними.

Однако указанный многочастотный автогенератор обладает ограниченным спектральным ресурсом, практически позволяя генерировать в составе сложного колебания всего 3-5 спектральных линий.

Кроме того, известен многочастотный автогенератор радиочастотного диапазона (а.с. №2257000), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, и представляющий собой ГЗОС, выполненный по схеме УРУ, содержащий управляемые источники тока, выход каждого из которых подключен ко входу соответствующего из последовательно включенных звеньев ФНЧ, образующих анодную линию, выход которой через ЧОС, состоящий из ряда последовательно соединенных звеньев ФНЧ, соединен со входом сеточной линии УРУ, представляющей собой ряд последовательно соединенных звеньев ФНЧ, а вход анодной линии и выход сеточной линии подключены к соответствующим балластным нагрузкам, выход каждого звена ФНЧ сеточной линии подключен к управляющим входам источников тока, причем элементы ФНЧ анодной линии УРУ и ЧОС выбраны таким образом, чтобы обеспечивать амплитудно-фазовые условия возбуждения многочастотных автоколебаний, а анодная линия УРУ и линия ЧОС расположены на расстоянии, на котором обеспечивается индуктивный характер и необходимая степень распределенной электромагнитной связи между ними.

Однако указанный многочастотный автогенератор обладает ограниченным спектральным ресурсом. Согласно условию баланса фаз предельное количество частот, генерируемых в составе сложного выходного колебания такого автогенератора, лимитируется крутизной фазовой характеристики системы в полосе ее пропускания, т.е. количеством звеньев ФНЧ "автогенераторного кольца". Автогенераторное кольцо рассматриваемой системы с ЗОС включает в себя анодную линию и ЧОС. Таким образом, с учетом того, что предельный фазовый сдвиг на границе полосы пропускания звена ФНЧ составляет π, спектральный ресурс автогенератора определяется как , где n_АЛ, n_ЧОС - соответственно, количества последовательно включенных звеньев ФНЧ, образующих анодную линию УРУ и ЧОС. Увеличить спектральный ресурс многочастотного автогенератора можно за счет наращивания количества звеньев ФНЧ.

Задачей предлагаемого изобретения является создание многочастотного автогенератора, в котором повышается спектральный ресурс, без увеличения количества частотозадающих дискретно распределенных звеньев ФНЧ.

Поставленная задача достигается тем, что в известный многочастотный автогенератор, представляющий собой ГЗОС, выполненный по схеме УРУ, содержащий управляемые источники тока, выход каждого из которых подключен к входу соответствующего из последовательно включенных звеньев ФНЧ, образующих анодную линию, выход которой через ЧОС, состоящий из ряда последовательно соединенных звеньев ФНЧ, соединен со входом сеточной линии УРУ, представляющей собой ряд последовательно соединенных звеньев ФНЧ, а вход анодной линии и выход сеточной линии подключены к соответствующим балластным нагрузкам, выход каждого звена ФНЧ сеточной линии подключен к управляющим входам источников тока, а анодная линия УРУ и линия ЧОС расположены на расстоянии, на котором обеспечивается индуктивный характер и необходимая степень распределенной электромагнитной связи между ними, введены источник питания постоянного тока (ИПТ), подключаемый между входом и выходом анодной линии, и газоразрядная трубка (ГРТ), которая является цилиндрическим каркасом индуктивных элементов ФНЧ анодной линии, одновременно образуя собой межэлектродное газонаполненное пространство ее емкостных элементов.

На Фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого многочастотного автогенератора, на Фиг.2 - иллюстрация конструктивного исполнения анодной линии.

Предлагаемый многочастотный автогенератор (Фиг.1) содержит УРУ - 1, состоящий из управляемых источников тока (ИТ) - 2, управляющие входы которых соединены с выходами сеточной линии (СЛ) - 3, состоящей из ряда последовательно соединенных ФНЧ - 4, представляющих собой Т-образные реактивные четырехполюсники; выход последнего звена ФНЧ 4 СЛ 3 нагружен на балластную нагрузку (БН) - 5. Выходные зажимы управляемых ИТ 2, представляющих собой, например, мощные генераторные тетроды, соединены с соответствующими входами ФНЧ - 6, последовательное включение которых образует анодную линию (АЛ) - 7. Вход первого звена ФНЧ 6 АЛ 7 соединен с БН - 8. Выход последнего звена ФНЧ 6 АЛ 7 соединен со входом ЧОС - 9, состоящего из последовательно соединенных ФНЧ - 10, представляющих собой Т-образные реактивные четырехполюсники, выход последнего звена ФНЧ 10 соединен со входом СЛ 3. К АЛ 7 подключен дополнительный низковольтный источник питания постоянного тока ИПТ - 11, служащий для создания аксиального магнитного поля внутри протяженного индуктора 12, образованного последовательным соединением индуктивных элементов ФНЧ 6 АЛ 7. Цилиндрическая ГРТ 13 (Фиг.2), выполненная из кварца или стекла, размещена внутри индуктора 12, конструктивно представляя собой его каркас. Емкостные элементы ФНЧ 6 АЛ 7 выполнены в виде металлических пластин-обкладок - 14, наложенных по профилю ГРТ 13.

Автогенератор работает следующим образом. В исходном состоянии из шумовых флуктуаций, присутствующих в АЛ 7 УРУ 1 изначально, что обусловленно тепловыми шумами, электромагнитными наводками, шумами активных элементов и пр., происходит выделение колебания с заданным на М кратных частотах спектральным составом. При этом в АЛ 7 возбуждается многочастотное (полигармоническое) автоколебание с ограниченным спектром вида:

где I_km - амплитуда гармоник колебания; ψ_k - начальная фаза гармоник колебания; k - номер гармоники: k=1, 2, 3, ... М; М - число гармоник.

Требуемый спектральный состав стационарного автоколебания обеспечивается за счет одновременного выполнения на каждой из генерируемых частот амплитудного и фазового условий самовозбуждения (условий баланса амплитуд и фаз):

где - модуль коэффициента передачи ЧОС 9 на частоте ω₀; - модуль коэффициента прямой передачи УРУ 1 на частоте ω₀; ϕ₀(ω₀) - фазовый сдвиг УРУ 1 на частоте ω₀; ϕ_b(ω₀) - фазовый сдвиг ЧОС 9 на частоте ω₀; n - целое положительное число.

В силу широкополосности свойств УРУ 1 и малого затухания колебаний в ЧОС 9 амплитудное условие самовозбуждения (1) выполняется в дискретных точках полосы пропускания УРУ 1. Условие (3) схемотехнически реализуется как подбором количества звеньев ФНЧ, так и выбором схемы отдельных ФНЧ. При этом каждая из спектральных компонент с частотами ω, 2ω, 3ω, ... Мω приобретает в звеньях ФНЧ 6 АЛ 7 и ФНЧ 10 ЧОС 9 суммарный фазовый сдвиг Nϕ(kω), где N - сумма числа звеньев ФНЧ 6 АЛ 7 и ФНЧ 10 ЧОС 9 (полагаем звенья обладающими одинаковыми фазочастотными характеристиками), такой, что для каждой из частот выполняется условие

где n - целое положительное число.

Здесь следует отметить то обстоятельство, что число реально генерируемых спектральных составляющих многочастотного колебания R может оказаться меньше числа разрешенных частот - R≤М. Причины этого следующие:

1) Для ряда разрешенных частот не выполняется условие баланса амплитуд (1).

2) В ситуации некратности разрешенных частот, в спектре, генерируемом активным элементом, могут отсутствовать гармоники, которые соответствовали бы таким частотам.

3) В условиях нелинейной конкуренции преимущество получают низшие гармоники, поскольку они имеют наивысшую относительную (∂U/∂t) скорость нарастания.

Многочастотное колебание с выходных зажимов ЧОС 9 поступает на вход СЛ 3, где в каждом из звеньев ФНЧ 4 претерпевает частотно-зависимый фазовый сдвиг, а затем подается на управляющие электроды ИТ 2.

Усиленное ИТ 2 колебание подается на входы ФНЧ 6 АЛ 7. Так как сеточная и анодная линии являются дискретными низкочастотными аналогами линий с распределенными параметрами, то происходящие в них процессы можно рассматривать как квазиволновые. Таким образом, в АЛ 7 возбуждаются прямые (направленные от входа сеточной линии) и обратные (направленные в противоположную сторону) волны напряжения и тока. Напряжение прямых волн с выхода последнего звена ФНЧ 6 АЛ 7 поступает на вход первого звена ФНЧ 10 ЧОС 9, в котором претерпевает частотно-зависимый фазовый сдвиг, и снова подается на вход СЛ 3, замыкая тем самым цепь обратной связи.

Часть энергии волн напряжения и тока рассеивается в балластной нагрузке (БН 5), а часть посредством реализованной распределенной электромагнитной обратной связи между ЧОС Р и АЛ 7 снова поступает в АЛ 7 в виде напряжения, наведенного по всей ее длине. Такая дополнительная обратная связь способствует увеличению регенеративного ресурса автогенератора, что приводит к увеличению количества реально генерируемых частот R.

Для выяснения наиболее существенного аспекта работы автогенератора, приводящего к желаемому эффекту увеличения спектрального ресурса, необходимо обратиться к рассмотрению процессов, происходящих в АЛ 7 УРУ 1 с учетом введения дополнительного ИПТ 11 и ГРТ 13. При включении основного источника питания и подаче напряжения питания в выходную цепь автогенератора в ГРТ 13 зажигается ВЧ газовый разряд, носящий комбинированный (гибридный) индукционно-емкостной характер (Геллер В.М., Хрусталев В.А. Аппаратурное обеспечение физико-технологических задач электронного приборостроения. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. - 244 с.). Причем начальный разряд, возбуждаемый дискретным полигармоническим спектром автогенератора, интенсифицируется с помощью продольного магнитного поля, возбуждаемого постоянным током ИНТ 11, пропускаемым по индуктору 12 АЛ 7. Режим разряда в ГРТ 13, возбуждаемой полигармоническим ВЧ-полем, - особенно при использовании в качестве плазмообразующего газа многокомпонентных составов, - будет достаточно сложным:

1) тенденция к росту неравновесности плазменного состояния, обуславливаемая полигармоническим ВЧ-возбуждением, т.е. n_i≥n_e при T_i<T_e, где n_i, n_е - концентрации в плазме газового разряда ионов и электронов соответственно; Т_i, Т_е - температуры соответствующих компонент плазмы;

2) наличие спектра ионных плазменных частот -

где е - заряд электрона; m_i - масса иона определенного сорта газа;

3) наличие ряда ионных циклотронных резонансов -

,

где В - индукция магнитного поля;

4) флуктуации АЭ, вносимые анодными токами последних в АЛ 7 и суммирующиеся в ней;

5) интенсивные электронно-физические столкновительные и транспортные явления и пр.

Перечисленная совокупность явлений, благодаря сопутствующим волновым автомодуляционным эффектам в плазменной среде ГРТ 13, создает весьма интенсивные, сравнительно низкочастотные ионные шумы, которые в свою очередь, благодаря электронным процессам в емкостных элементах ФНЧ 6 АЛ 7 создают эффекты частотной и фазовой модуляции применительно к спектру т.н. поднесущих - дискретным спектральным линиям, генерируемым автогенератором. Результатом совместного действия всех перечисленных факторов, имеющих стохастическую природу, является генерирование достаточно мощного и энергоэффективного многочастотного колебания шумоподобного характера в пределах частотных границ

с достаточно хорошей частотной равномерностью спектральной плотности S(ω).

Резюмируя, можно сказать, что в системе реализуется сразу несколько стохастических модуляционных механизмов - в основном, в активной части ее структуры, т.е. в звеньях ФНЧ 6 емкости фильтров которых

где C_0ФНЧ - т.н. холодные (без учета разряда) емкости фильтров; - комплексная диэлектрическая проницаемость плазмы газового разряда;

и отчасти - в остальных частях системы, охваченной ЗОС.

Произведем сравнительную оценку спектрального ресурса предлагаемого автогенератора и прототипа. Предельное количество частот, которое позволяет генерировать в составе выходного колебания устройство-прототип, определяется фазовым условием самовозбуждения многочастотного спектра и может быть получено из (4):

В системе предлагаемого автогенератора генерируемый многочастотный спектр является спектром несущих частот процессов угловой модуляции. Совокупное количество спектральных компонент в спектре выходного многочастотного колебания, модулированного спектром ионных плазменных частот, может быть оценено следующим образом.

Сопротивление емкости ФНЧ 6 АЛ 7 при горящем в ГРТ 13 разряде примерно равно

где ε′ - вещественная слагающая диэлектрической проницаемости столкновительной плазмы.

Следовательно, модуляционное изменение емкости ФНЧ 6

Либо, подставляя

где - электронная плазменная частота; ν_e - частота упругих соударений электронов с атомами плазмообразующего газа в ГРТ 13;

получаем

Очевидно, каждая k-я спектральная линия результирующего дискретного спектра автогенератора ω_k сместится на величину своей k-ой девиации:

где α_k - нормированная частотная координата k-ой спектральной линии (правильная дробь); L - индуктивность звена ФНЧ 6.

Либо после ряда несложных преобразований, полагая справедливым условие

запишем выражение для девиации

где ω_гр - граничная частота многозвенного ФНЧ АЛ 7.

Частота модуляции -

где

Индекс частотной модуляции применительно к k-ой спектральной слагаемой полигармонического спектра примет вид

Если плазма замагничена, то

При более сложном плазмообразующем газе количество ЧМ-ФМ модуляционных процессов возрастает: m_fki1, m_fki2 ... Процессы эти аддитивно независимы в той мере, в какой независимы сорта ионов, источника модуляционных эффектов. В этом случае для совокупного индекса m_fkΣ можно записать

где t - индекс суммирования по сортам ионов.

При n_e≥10¹³; n_i≥10⁹; β_k=0,8÷0,9;

ν_e=10⁷ Гц; ω_гр=15·10⁶ с^-1 величина индекса частотной модуляции для одной лишь k-ой спектральной линии m_fk - доходит до значений 50-60, т.е. дискретный спектр ЧМ-модуляции т.н. поднесущими плазменными частотами насчитывает реальное число спектральных линий, значительное превышающее величину m_fk. Если производить регулирование числа холостых звеньев ФНЧ 10 ЧОС 9, то при значительном росте их числа спектр в целом сместится в сторону нижних частот и станет еще гуще, становясь практически шумовым.

Таким образом, предлагаемый многочастотный автогенератор радиочастотного диапазона обладает большим спектральным ресурсом, чем прототип, без увеличения количества частотозадающих дискретно распределенных звеньев ФНЧ.

Предлагаемое изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве источника энергопитания в ВЧ-светотехнике и нелинейной оптике. Достигаемый технический результат - повышение спектрального ресурса без увеличения количества звеньев ФНЧ. Многочастотный автогенератор содержит усилитель с распределенным усилением, содержащий управляемые источники тока, входы которых соединены с выходами сеточной линии, состоящей из ряда последовательно соединенных звеньев фильтров нижних частот (ФНЧ), анодную линию, образуемую звеньями ФНЧ, и две балластные нагрузки, четырехполюсник обратной связи, состоящий из последовательно соединенных звеньев ФНЧ, источник питания постоянного тока, подключаемый между входом и выходом анодной линии, и газоразрядную трубку, которая является цилиндрическим каркасом индуктивных элементов звеньев фильтров нижних частот анодной линии, одновременно образуя собой межэлектродное газонаполненное пространство ее емкостных элементов. 2 ил.

Многочастотный автогенератор, представляющий собой генератор с задержанной обратной связью, выполненный по схеме усилителя с распределенным усилением, содержащий управляемые источники тока, выход каждого из которых подключен ко входу соответствующего из последовательно включенных звеньев фильтров нижних частот, образующих анодную линию, выход которой через четырехполюсник обратной связи, состоящий из ряда последовательно соединенных звеньев фильтров нижних частот, соединен со входом сеточной линии усилителя с распределенным усилением, представляющей собой ряд последовательно соединенных звеньев фильтров нижних частот, а вход анодной линии и выход сеточной линии подключены к соответствующим балластным нагрузкам, выход каждого звена фильтра нижних частот сеточной линии подключен к управляющим входам источников тока, а анодная линия усилителя с распределенным усилением и линия четырехполюсника обратной связи расположены на расстоянии, на котором обеспечивается индуктивный характер и необходимая степень распределенной электромагнитной связи между ними, отличающийся тем, что в него введены источник питания постоянного тока, подключаемый между входом и выходом анодной линии, и газоразрядная трубка, которая является цилиндрическим каркасом индуктивных элементов фильтров нижних частот анодной линии, одновременно образуя собой межэлектродное газонаполненное пространство ее емкостных элементов.