СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2013 года по МПК H03B5/06 H01P1/00 

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 амплитудой 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, 414-417 с.).

Наиболее близким по технической сущности (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, 383-401 с).

Недостатком способа-прототипа является генерация высокочастотного сигнала только на одной частоте. Кроме того, не указывается, каким образом необходимо выбирать значения параметров реактивного четырехполюсника, при которых наступает режим возбуждения и стационарный режим. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств генерации в диапазонах ВЧ и УВЧ, на которых обязательно нужно учитывать реактивные составляющие параметров нелинейных элементов. В настоящее время классическая теория радиотехнических цепей это не учитывает. Еще одним недостатком следует считать отсутствие возможности генерации при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки.

Задачей изобретения является достижение технического результата в виде повышения диапазона генерируемых колебаний, генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные устройства генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов при любых заданных частотных характеристиках нагрузки, например, антенны. Возможность использования различных вариантов включения трехполюсного нелинейного элемента относительно согласующего четырехполюсника и различных видов обратной связи расширяет возможности физической реализуемости этого результата.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе генерации высокочастотных сигналов, включающем преобразование энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, взаимодействие высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, выполненной из трехполюсного нелинейного элемента и реактивного четырехполюсника, нагрузкой и цепью внешней обратной связи, выполнение условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых высокочастотных сигналов, выполнение условий согласования цепи прямой передачи с нагрузкой и условий согласования нагрузки с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, согласно изобретению нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный четырехполюсник, параллельно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент 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 входом реактивного четырехполюсника, к выходу которого подключают нагрузку, 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:

α=(E+x_нm)γ-D;

β=Fγ+E-x_нm,

где ;

;

;

g_220m=-g_22m-r_0m(g_11mg_22m-b_11mb_22m-g_12mg_21m+b_12mb_21m)+

+x_0m(g_22mb_11m+b_22mg_11m-b_12mg_21m-b_21mg_12m);

b_220m=-b_22m-r_0m(b_11mg_22m-g_11mb_22m-b_12mg_21m-g_12mb_21m)+

-x_0m(g_11mg_22m-b_11mb_22m-g_12mg_21m+b_12mb_21m);

g_110m=1+g_11mr_0m-b_11mx_0m;

b_110m=-(g_11mx_0m+b_11mr_0m),

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

a, b, c, d - элементы классической матрицы передачи;

r_0m, x_0m - заданные значения действительной и мнимой составляющих сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на заданном количестве частот;

r_нm, x_нm - заданные значения действительной мнимой составляющей сопротивления 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…N - номера частот.

На Фиг.1 показана схема устройства, реализующего способ-прототип.

На Фиг.2 показана структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ.

На Фиг.3 приведена структурная схема согласующего реактивного четырехполюсника.

На Фиг.4 приведена схема реактивного двухполюсника, реализующего первый и второй двухполюсники согласующего реактивного четырехполюсника в виде обратного Г-образного соединения двух двухполюсников.

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 L4, R205, С6, 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 двухполюсником 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.

Способ-прототип заключается 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 L4, R5, С6. 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 описаны выше.

Устройство (Фиг.2), реализующее предлагаемый способ, содержит трехполюсный нелинейный элемент (VT) 1 с известными элементами матрицы проводимостей , , , на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенный к источнику постоянного напряжения (Eo) 2 и параллельно соединенный по высокой частоте с цепью внешней обратной связи (ОС), при которой (входы соединены параллельно и выходы - параллельно), выполненной в виде произвольного четырехполюсника 14, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Нелинейный элемент 1 и четырехполюсник 14 как единый узел каскадно включены по высокой частоте между источником 11 входного высокочастотного сигнала в режиме усиления с сопротивлением z_0m=r_0m+jx_0m 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 согласующим реактивным 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). Четырехполюсник 12 выполнен в виде обратного Г-образного соединения двух реактивных двухполюсников с сопротивлениями X_1m, X_2m (Фиг.3). Синтез генератора (выбор значений сопротивлений X_1m, X_2m 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.

Устройство для реализации заявляемого способа 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 X_1m, X_2m первого и второго двухполюсников согласующего реактивного четырехполюсника и схем формирования этих двухполюсников обратная связь становится положительной, что эквивалентно возникновению в цепи отрицательного сопротивления (r₂₁ или r₁₂), 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_n=Iω₁±Kω₂, I, K=0, 1, 2….

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Введем обозначения исходных зависимостей сопротивления источника сигнала в режиме усиления z₀=r₀+jx₀, нагрузки z_n=r_n+jx_n, элементов матриц проводимостей трехполюсного нелинейного элемента и цепи обратной связи от частоты.

При параллельном соединении четырехполюсников элементы их матриц проводимостей складываются. Суммарные зависимости элементов матриц проводимостей цепи прямой передачи в виде нелинейного элемента и цепи обратной связи от частоты: y₁₁=g₁₁+jb₁₁, y₁₂=g₁₂+jb₁₂, y₂₁=g₂₁+jb₂₁, y₂₂=g₂₂+jb₂₂.

Найдем условия возникновения колебаний, то есть определим частотные зависимости параметров четырехполюсника (аппроксимирующие функции), оптимальные по критерию обеспечения условий стационарного режима генерации на заданном количестве частот при неизменной амплитуде постоянного напряжения на нелинейном элементе.

Нелинейный элемент описывается матрицей проводимостей и соответствующей матрицей передачи:

где |y|=y₁₁y₂₂-y₁₂y₂₁.

Резистивный четырехполюсник характеризуется матрицей передачи:

где a, b, c, d - элементы классической матрицы передачи.

Общая нормированная классическая матрица передачи генератора/модулятора получается путем перемножения матриц передачи (1) и (2) с учетом условий нормировки:

Используя известную связь элементов матрицы рассеяния с элементами классической матрицы передачи (Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. "Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ". М.: Связь, 1971, 34-36 с.) и матрицу передачи (3), с учетом условий нормировки получим выражение для коэффициента передачи генератора в режиме усиления:

где g₁₁₀=1+g₁₁r₀-b₁₁x₀;

b₁₁₀=-(g₁₁x₀+b₁₁r₀);

g₂₂₀=-g₂₂-r₀(g₁₂g₂₂-b₁₂b₂₂-g₁₂g₂₁+b₁₂b₂₁)+

+x₀(g₂₂b₁₁+b₂₂g₁₁-b₁₂g₂₁-b₂₁g₁₂);

b₂₂₀=-b₂₂-r₀(₁₂g₂₂-g₁₂b₂₂-b₁₂g₂₁-g₁₂b₂₁)-

-x₀(g₁₁g₁₁-b₁₁g₂₂-g₁₂g₂₁+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 проводимостей (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.

При этом четырехполюсники цепи обратной связи и схемы замещения трехполюсного нелинейного элемента соединяются параллельно, а в коэффициенте передачи (4) вместо элементов матрицы проводимостей нелинейного элемента необходимо использовать суммы элементов этой матрицы и элементов матрицы проводимостей цепи обратной связи.

Для данного вида генератора и частотного модулятора:

- коэффициент передачи цепи обратной связи;

- коэффициент усиления цепи прямой передачи.

Возможны и другие варианты представления этих коэффициентов, но для изобретения это не имеет значения. При любых представлениях этих величин равенство нулю коэффициента передачи соответствует условию стационарного режима генерации согласно иммитансному критерию устойчивости и условию баланса амплитуд и баланса фаз.

Приравняем знаменатель коэффициента передачи нулю:

Разделим в (5) между собой действительную и мнимую части и получим систему двух алгебраических уравнений:

(α-γx_n)g₁₀₀-(x_n+β)b₂₀₀+γr_nb₁₀₀+r_ng₂₀₀=0;

Решение системы (6) имеет вид оптимальных частотных зависимостей взаимосвязей между элементами классической матрицы передачи РЧ:

α=(E+x_н)γ-D;

где

Для отыскания оптимальных зависимостей реактивных сопротивлений двухполюсников, составляющих согласующий четырехполюсник, от частоты необходимо выбрать типовую схему четырехполюсника, найти его матрицу передачи, представить ее элементы в виде (2), определенные таким образом коэффициенты α, β, γ подставить в (6) и решить полученную систему уравнений относительно некоторых двух параметров реактивного согласующего четырехполюсника. Здесь приводится решение задачи синтеза для обратной Г-образной схемы четырехполюсника (Фиг.3):

Реализация оптимальных аппроксимирующих функций (7) частотных зависимостей второго и третьего двухполюсников T-образного звена может быть осуществлена различными способами, например, с помощью метода интерполяции путем отыскания значений параметров выбранных реактивных двухполюсников, при которых их сопротивления на заданных частотах совпадают с оптимальными. Здесь приводятся один пример построения двухполюсников для двух частот интерполяции, которые использовались для синтеза рассматриваемого варианта генераторов.

Последовательный колебательный контур, последовательно соединенный с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением x_0n (n - номер частоты (Фиг.4):

При k=1 имеем значения параметров для первого двухполюсника, а при k=2 - для второго двухполюсника обратной Г-образной схемы. Индекс m необходимо ввести в обозначения и других явным образом зависящих от частоты величин.

Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик параметров согласующего четырехполюсника (6) и (7) с помощью (8) обеспечивает реализацию условия согласования, баланса амплитуд и баланса фаз одновременно на двух заданных частотах. В результате взаимодействия сигналов на двух частотах с нелинейным элементом возникают дополнительные продукты нелинейного взаимодействия с комбинационными частотами ω_n=Iω₁±Kω₂, I, K=0, 1, 2….

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (выполнение нагрузки в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, использование в качестве цепи внешней обратной связи произвольного четырехполюсника, параллельно подключенного к трехполюсному нелинейному элементу, включение трехполюсного нелинейного элемента и цепи обратной связи как единого узла между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, и входом реактивного четырехполюсника, к выходу которого подключена нагрузка (Фиг.2), выбор частотных характеристик первого и второго двухполюсников обратного Г-образного звена (Фиг.3), 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.

Предлагаемое техническое решение практически применимо, так как для его 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 при реализации способа 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.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных (ВЧ) сигналов на заданном количестве частот при произвольных частотных характеристиках нагрузки. Технический результат - формирование сложных сигналов и создание эффективных устройств генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов при любых заданных частотных характеристиках нагрузки. Способ включает преобразование энергии источника постоянного напряжения в энергию (ВЧ) сигнала, взаимодействие ВЧ сигнала с цепью прямой передачи, выполненной из трехполюсного нелинейного элемента и реактивного четырехполюсника (РЧ), нагрузкой и цепью внешней обратной связи (ОС), выполнение условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых ВЧ сигналов, выполнение условий согласования цепи прямой передачи с нагрузкой и согласования нагрузки с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, при этом нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней (ОС) используют произвольный четырехполюсник, значения параметров реактивного четырехполюсника выбирают в соответствии с заданными математическими выражениями. 4 ил.

Способ генерации высокочастотных сигналов, включающий преобразование энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, взаимодействие высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, выполненной из трехполюсного нелинейного элемента и реактивного четырехполюсника, нагрузкой и цепью внешней обратной связи, выполнение условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых высокочастотных сигналов, выполнение условий согласования цепи прямой передачи с нагрузкой и условий согласования нагрузки с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, отличающийся тем, что дополнительно нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный четырехполюсник, параллельно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент 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 входом реактивного четырехполюсника, к выходу которого подключают нагрузку, 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:
α=(E+x_нm)γ-D;
β=Fγ+E-x_нm,
где


g_220m=-g_22m-r_0m(g_11mg_22m-b_11mb_22m-g_12mg_21m+b_12mb_21m)+
+x_0m(g_22mb_11m+b_22mg_11m-b_12mg_21m-b_21mg_12m);
g_220m=-b_22m-r_0m(b_11mg_22m-g_11mb_22m-b_12mg_21m-g_12mb_21m)+
-x_0m(g_11mg_22m-b_11mb_22m-g_12mg_21m+b_12mb_21m);
g_110m=1+g_11mr_0m-b_11mx_0m;
b_110m=-(g_11mx_0m+b_11mr_0m),
- оптимальные значения отношении соответствующих элементов классической матрицы передачи на заданных частотах;
а, b, с, d - элементы классической матрицы передачи;
r_0m, x_0m - заданные значения действительной и мнимой составляющих сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на заданном количестве частот;
r_нm, x_нm - заданные значения действительной мнимой составляющей сопротивления 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…N - номера частот.