способ генерации высокочастотных сигналов и устройство его реализации

Формула изобретения

1. Способ генерации высокочастотных сигналов, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внутренней обратной связи в нелинейном элементе путем использования в качестве него активного двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых высокочастотных сигналов, условий согласования активного двухполюсного нелинейного элемента с нагрузкой, отличающийся тем, что активный двухполюсный нелинейный элемент включают параллельно нагрузке, выполненной в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, с другой стороны активного двухполюсного нелинейного элемента параллельно 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 мнимых составляющих сопротивлений первого X_nm и второго X_0m двухполюсников 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:



где A=-b_mr_0m; B=r_нm (1+g_mr_0m)+r_0m; C=g_m ; D=b_mr_нm; ;

Y=-2br_0m; r_0m, X_0m - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на заданном количестве частот; r_mн , X_mн - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления нагрузки на заданном количестве частот; g_m, b_m - заданные значения действительных и мнимых составляющих проводимости активного двухполюсного нелинейного элемента на заданных частотах при заданной амплитуде постоянного напряжения; m=1, 2 N - номера частот.

2. Устройство генерации высокочастотных сигналов, состоящее из источника постоянного напряжения, активного двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением и нагрузки, отличающееся тем, что активный двухполюсный нелинейный элемент включен параллельно нагрузке, выполненной в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, с другой стороны активного двухполюсного нелинейного элемента параллельно включен второй двухполюсник с комплексным сопротивлением, которое имитирует сопротивление источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления, мнимая составляющая сопротивления нагрузки сформирована в виде последовательного колебательного контура из элементов с параметрами L₁, С₁ , параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением x_н, мнимая составляющая сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления реализована в виде параллельного колебательного контура из элементов с параметрами L₂, C₂, параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением x₀, причем значения параметров определены из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:











где A=-b_mr_0m; B=r_нm (1+g_mr_0m)+r_0m; C=g_m ; D=b_mr_нm; ;

Y=-2b_mr_0m; X_0m; X_нm - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданных двух частотах _m=2 f_m; m=1, 2 - номер частоты; r_0m - заданные значения действительной составляющей сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на двух частотах; r_nm - заданные значения действительной составляющей сопротивления нагрузки на двух частотах; g_m , b_m - заданные значения действительных и мнимых составляющих проводимости активного двухполюсного нелинейного элемента на заданных частотах при заданной амплитуде постоянного напряжения; X_0m, X_нm - заданные значения сопротивлений произвольных двухполюсников, входящих в состав мнимых составляющих X_0m; X_нm комплексных сопротивлений источника сигнала в режиме усиления и нагрузки, на двух частотах.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к областям радиосвязи и могут быть использованы для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот, 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 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).

Известно 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.

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 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).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является 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.

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. С другой стороны, условия генерации можно обеспечить и без реактивного четырехполюсника, что уменьшает габариты и массу устройства за счет уменьшения количества реактивных элементов.

Техническим результатом изобретения является повышение диапазона генерируемых колебаний, генерация высокочастотных сигналов на заданном количестве частот и уменьшение количества реактивных элементов, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные компактные устройства генерации для средств радиосвязи с заданным количеством радиоканалов. Использование различных видов обратной связи расширяет возможности физической реализуемости указанного результата.

1. Указанный результат достигается тем, что в известном способе генерации высокочастотных сигналов, основанном на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внутренней обратной связи в нелинейном элементе путем использования в качестве него активного двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, выполнении условий возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых высокочастотных сигналов, условий согласования активного двухполюсного нелинейного элемента с нагрузкой, дополнительно активный двухполюсный нелинейный элемент включают параллельно нагрузке, выполненной в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, с другой стороны активного двухполюсного нелинейного элемента параллельно 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 выполняют на заданном количестве частот за счет выбора значений мнимых составляющих сопротивлений первого X _nm и второго X_0m двухполюсников 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:

где A=-b_mr_0m; B=r _нm(1+g_mr_0m)+r_0m; C=g _m; D=b_mr_нm; ;

Y=-2br_0m; r_0m, X_0m - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на заданном количестве частот; r_mн , _Xmн - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления нагрузки на заданном количестве частот; g_m, b_m - заданные значения действительных и мнимых составляющих проводимости активного двухполюсного нелинейного элемента на заданных частотах при заданной амплитуде постоянного напряжения; m=1, 2 N - номера частот.

2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения, активного двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением и нагрузки, дополнительно активный двухполюсный нелинейный элемент включен параллельно нагрузке, выполненной в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, с другой стороны активного двухполюсного нелинейного элемента параллельно включен второй двухполюсник с комплексным сопротивлением, которое имитирует сопротивление источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления, мнимая составляющая сопротивления нагрузки сформирована в виде последовательного колебательного контура из элементов с параметрами L₁, С₁, параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением х _н, мнимая составляющая сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления реализована в виде параллельного колебательного контура из элементов с параметрами L₁, C₂, параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением x₀, причем значения параметров определены из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:

где A=-b_mr_0m; B=r_нm(1+g_mr_0m)+r_0m ; C=g_m; D=b_mr_нm; ; Y=-2b_mr_0m; X_0m; X_нm - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданных двух частотах _m=2 _m; m=1, 2 - номер частоты; r_0m - заданные значения действительной составляющей сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на двух частотах; r_nm - заданные значения действительной составляющей сопротивления нагрузки на двух частотах; g_m , b_m - заданные значения действительных и мнимых составляющих проводимости активного двухполюсного нелинейного элемента на заданных частотах при заданной амплитуде постоянного напряжения; x_0m, х_нm - заданные значения сопротивлений произвольных двухполюсников, входящих в состав мнимых составляющих X_0m; Х_нm комплексных сопротивлений источника сигнала в режиме усиления и нагрузки, на двух 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 схема реактивного двухполюсника, реализующего мнимую составляющую комплексного сопротивления источника сигнала генератора в режиме усиления.

На фиг.4 приведена схема реактивного двухполюсника, реализующего мнимую составляющую комплексного сопротивления нагрузки.

Устройство-прототип (Фиг.1), реализующее способ-прототип, содержит нелинейный элемент - 1 с отрицательным дифференциальным сопротивлением (проводимостью), подключенный к источнику напряжения - 2 с малым внутренним сопротивлением, согласующе-фильтрующее устройство - 3 (реактивный четырехполюсник или согласующий четырехполюсник), колебательный контур на элементах L-4, R-5, C-6, который является нагрузкой - 7. 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 внутренней обратной связи, в двухполюсном нелинейном элементе, например туннельном диоде - 1, на участке с падающей вольтамперной характеристикой возникает отрицательное дифференциальное сопротивление, которое в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника - 3 компенсирует потери в контуре L-4, R-5, С-6. 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.

Недостатки способа-прототипа и устройства его реализации описаны выше.

Предлагаемое устройство по п.2 (фиг.2), реализующее предлагаемый способ по п.1, содержит активный двухполюсный нелинейный элемент - 1 с известными проводимостями y_m=g_m+jb _m (g_m - отрицательные значения) на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенный к источнику постоянного напряжения - 2 (на фиг.2 не показан) и каскадно включенный по высокой частоте между источником входного высокочастотного сигнала в режиме усиления с сопротивлением z_0m=r_0m +jx_0m - 8 на заданных частотах, имитирующим сопротивление источника высокочастотных колебаний (на фиг.2 не показан), возникающих при включении источника постоянного напряжения - 2 в момент скачкообразного изменения амплитуды его напряжения в режиме генерации, и нагрузкой - 9 с сопротивлениями z_нm=r_нm+jх_нm , на заданных частотах. Синтез генератора (выбор значений мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на двух заданных частотах (m=1, 2 - номер частоты), схем формирования этих двухполюсников (фиг.3, 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. В режиме генерации источник входного высокочастотного сигнала отключается и вместо него устанавливается короткозамыкающая перемычка.

Предлагаемое 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 внутренней обратной связи при определенной амплитуде постоянного напряжения в цепи возникает отрицательная проводимость (g_m), которая в силу указанного выбора значений мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления - 8 и нагрузки - 9 компенсирует потери во всей цепи одновременно на двух заданных частотах. 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 падающего участка 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=I ₁±К ₂, I, К=0, 1, 2 .

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Исходными также являются зависимости проводимости активного двухполюсного нелинейного элемента у=g+jb от частоты при постоянном напряжении. Для простоты аргумент (частота) опущен.

Нормированная классическая матрица передачи нелинейного элемента (VD) в поперечной цепи и всего устройства:

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 (1), получим выражение для коэффициента передачи генератора в режиме усиления:

Входящий в (2) корень можно представить в виде комплексного числа a+jb, где

x=r₀r_н-x₀x_н ; y=r₀x_н+x₀r_н.

После денормировки коэффициента передачи (4) путем умножения на

последнее выражение изменяется a=r_n; b=x _n.

Денормированный коэффициент передачи связан с физически реализуемой передаточной функцией следующим образом . В соответствии с иммитансным критерием устойчивости [Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. М-Л.: ГЭИ, 1962. 192 с.] сумма действительных составляющих сопротивлений активной и пассивной частей при стационарном режиме генерации должна быть равна нулю. При этом сумма мнимых составляющих сопротивлений активной и пассивной частей тоже должна быть равна нулю. Первое равенство определяет амплитуду, а второе - частоту генерируемого колебания. Эти равенства, по существу, означают равенство нулю знаменателя коэффициента передачи генератора в режиме усиления.

Преобразуем знаменатель коэффициента передачи и запишем его в виде, соответствующем условию возникновения стационарного режима генерации по иммитансному критерию где первое слагаемое - это сопротивление пассивной части генератора, а второе слагаемое - входное сопротивление активной части генератора или входное сопротивление четырехполюсника в виде включенного в поперечную цепь двухполюсного нелинейного элемента с элементами классической матрицы передачи а₁₁ =1, а₁₂=0, а₂₁=у, а₂₂=1 (1), нагруженного на сопротивление нагрузки z_н. Это условие можно переписать в другом виде , который соответствует условию баланса амплитуд и баланса фаз 1-KB=0 (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М.: «Дрофа», - 2006, с.383-401) для эквивалентной цепи с внешней положительной обратной связью. Для данного вида генератора - коэффициент передачи цепи прямой передачи; В=-1 - коэффициент усиления цепи обратной связи. Возможны и другие варианты представления величин К и В. Это различие для изобретения не имеет принципиального значения. В любом случае условия баланса амплитуд и баланса фаз и иммитансный критерий устойчивости соответствуют равенству нулю знаменателя коэффициента передачи.

Приравняем знаменатель коэффициента передачи к нулю и разделим между собой действительную и мнимую части. Получим систему двух алгебраических уравнений:

;

Решение системы уравнений (3) имеет вид:

;

где A=-br₀; B=r_н(1+gr ₀)+r₀; C=g; D=br_н; X=r₀ (g²+b²)+g; Y=-2br₀;

Реализация оптимальных аппроксимирующих функций (4) 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 для двух частот интерполяции, которые использовались для синтеза рассматриваемого варианта генераторов.

Последовательный колебательный контур, параллельно соединенный с произвольным реактивным двухполюсником (фиг.4):

m=1,2;

Параллельный колебательный контур, параллельно соединенный с произвольным реактивным двухполюсником (фиг.3):

Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик мнимой составляющей сопротивления дополнительного двухполюсника и мнимой составляющей сопротивления нагрузки (4) с помощью (5) или (6) 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 _n=I ₁±К ₂, 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 (каскадное включение активного двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным сопротивлением между введенным сопротивлением источника высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузкой (фиг.2), выбор частотных характеристик мнимой составляющей сопротивления источника высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и мнимой составляющей сопротивления нагрузки, формирование их схем в указанном виде (фиг.3, фиг.4), выбор значений их параметров из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах при неизменном состоянии нелинейного двухполюсного элемента) обеспечивает одновременно формирование высокочастотных сигналов на заданных частотах.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью активные двухполюсные нелинейные элементы (туннельные диоды, диода Ганна, лавинно-пролетные диоды и т.д.), реактивные элементы, сформированные в заявленные схемы реактивных двухполюсников (фиг.3, 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 схемы и значений параметров реактивных элементов по критерию обеспечения условий баланса фаз и амплитуд на этих частотах при неизменном состоянии активного нелинейного двухполюсного элемента, что с учетом нелинейного взаимодействия позволяет формировать сложные сигналы и создавать средства радиосвязи, функционирующие на заданном количестве радиоканалов.