Способ генерации высокочастотных сигналов и устройство его реализации

Способ генерации высокочастотных сигналов и устройство его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 компактные 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. 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, взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, трехполюсным нелинейным элементом 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 выходного электрода трехполюсного нелинейного элемента с нагрузкой и условий согласования нагрузки с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, дополнительно цепь прямой передачи выполняют из трехполюсного нелинейного элемента, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный четырехполюсник, подключенный к трехполюсному нелинейному элементу по параллельно - последовательной схеме, нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, к управляющему электроду трехполюсного нелинейного элемента 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 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:

X 0 m = A X н m + B C X н m + D ; X н m = − Y ± Y 2 − 4 X Z 2 X ,

где A=x_11mr_0m; B=r_0mA₁+r_22m-r_нm-r_11mr_0mr_нm; C=-r_11m; D=B₁-x_11mr_нm; X=C(r_11mr_0m+1)-x_11mA;

Y=C[r_0m(x_11mr_нm-B₁)-x_22m]+D(1+r_0mr_11m)+A(r_11mr_нm-A₁)-x_11mB; Z=D[r_0m(x_11mr_нm-B₁)-x_22m]+B(r_11mr_нm-A₁);

A₁=r_11mr_22m-x_11mx_22m-r_12mr_21m+x_12mx_21m; B₁=x_11mr_22m+r_11mx_22m-x_12mr_21m-r_12mx_21m;

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_нm, X_нm - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления нагрузки на заданном количестве частот; r_11m, x_11m, r_12m, x_12m, r_21m, x_21m, r_22m, x_22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы F трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы F цепи внешней обратной связи на заданных частотах; m=1, 2 …N - номера частот.

2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения, трехполюсного нелинейного элемента, цепи внешней обратной связи и нагрузки, дополнительно цепь внешней обратной связи выполнена в виде произвольного четырехполюсника, соединенного по параллельно-последовательной схеме с трехполюсным нелинейным элементом, включенным между введенным двухполюсником с комплексным сопротивлением, которое имитирует сопротивление источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления, и нагрузкой, мнимая составляющая X_нm сопротивления нагрузки сформирована в виде последовательного колебательного контура с параметрами L₁, C₁, параллельно соединенного с произвольным реактивным сопротивлением x_нm, мнимая составляющая X_0m сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления реализована в виде параллельного колебательного контура с параметрами L₂, C₂, последовательно соединенного с произвольным реактивным сопротивлением x_0m, причем значения параметров определены из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:

L 1 = ω 1 X н 1 x н 1 ( X н 2 − x н 2 ) + ω 2 X н 2 x н 2 ( x н 1 − X н 1 ) ( X 02 − x 02 ) ( x 01 − X 01 ) ( ω 1 2 − ω 2 2 ) ; C 1 = ( ω 1 2 − ω 2 2 ) ( x н 1 − X н 1 ) ( X н 2 − x н 2 ) ω 1 ω 2 [ ω 1 X н 2 x н 2 ( x н 1 − X н 1 ) + ω 2 X н 1 x н 1 ( X н 2 − x н 2 ) ] ;

L 2 = ( ω 1 2 − ω 2 2 ) ( x 01 − X 01 ) ( X 02 − x 02 ) ω 1 ω 2 [ ω 1 ( x 01 − X 01 ) + ω 2 ( X 02 − x 02 ) ] ; C 2 = ω 2 ( x 01 − X 01 ) + ω 1 ( X 02 − x 02 ) ( X 02 − x 02 ) ( x 01 − X 01 ) ( ω 1 2 − ω 2 2 ) ,

X 0 m = A X н m + B C X н m + D ; X н m = − Y ± Y 2 − 4 X Z 2 X ,

где A=x_11mr_0m; B=r_0mA₁+r_22m-r_нm-r_11mr_0mr_нm; C=-r_11m; D=B₁-x_11mr_нm; X=C(r_11mr_0m+1)-x_11mA;

Y=C[r_0m(x_11mr_нm-B₁)-x_22m]+D(1+r_0mr_11m)+A(r_11mr_нm-A₁)-x_11mB; Z=D[r_0m(x_11mr_нm-B₁)-x_22m]+B(r_11mr_нm-A₁);

A₁=r_11mr_22m-x_11mx_22m-r_12mr_21m+x_12mx_21m; B₁=x_11mr_22m+r_11mx_22m-x_12mr_21m-r_12mx_21m;

X_0m, X_нm - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданных двух частотах ω=2πf_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; r_11m, x_11m, r_12m, x_12m, r_21m, x_21m, r_22m, x_22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы F трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы F цепи внешней обратной связи на заданных частотах; 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.

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 нагрузки.

На фиг.4 приведена схема реактивного двухполюсника, реализующего мнимую составляющую комплексного сопротивления источника сигнала генератора в режиме усиления.

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 согласующефильтрующего 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.

Предлагаемое устройство по п.2 (фиг.2), реализующее предлагаемый способ по п.1, содержит трехполюсный нелинейный элемент - 1 с известными элементами смешанной матрицы F f 11m VT =r 11m VT +jx 11m VT , f 12m VT =r 12m VT +jx 12m VT , f 21m VT =r 21m VT +jx 21m VT , f 22m VT =r 22m VT +jx 22m VT на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенный к источнику постоянного напряжения - 2 (на фиг.2 не показан) и включенный 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 нагрузкой - 12 с сопротивлениями z_нm=r_нm+jx_нm на заданных частотах. К нелинейному элементу как к четырехполюснику по параллельно-последовательной схеме (входы соединены параллельно, а выходы - последовательно) подключена цепь внешней обратной связи, выполненная в виде произвольного четырехполюсника - 13, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Четырехполюсник - 13 тоже характеризуется известными значениями элементов смешанной матрицы F f 11m OC =r 11m OC +jx 11m OC , f 12m =r 12m OC +jx 12m OC , f 21m OC =r 21m OC +jx 21m OC , f 22m OC =r 22m OC +jx 22m OC 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. Выбор сопротивлений четырехполюсника - 13 можно осуществлять произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. В данном изобретении значения сопротивлений комплексных двухполюсников четырехполюсника - 13 выбираются из условий физической реализуемости. 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 внешней обратной связи в цепи возникает отрицательное сопротивление, которое в силу указанного выбора значений мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления-11 и нагрузки-12 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 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 заданных зависимостей сопротивления источника сигнала в режиме усиления z₀=r₀+jx₀ и нагрузки z_n=r_n+jx_n от частоты. Исходными также являются зависимости элементов смешанной матрицы F трехполюсного нелинейного элемента f 11 V T = r 11 V T + j x 11 V T , f 12 V T = r 12 V T + j x 12 V T , f 21 V T = r 21 V T + j x 21 V T , f 22 V T = r 22 V T + j x 22 V T и цепи обратной связи f 11 О С = r 11 O C + j x 11 O C , f 12 = r 12 O C + j x 12 O C , f 21 O C = r 21 O C + j x 21 O C , f 22 O C = r 22 O C + j x 22 O C , от частоты, которые можно определить по известным (например, измеренным или рассчитанным) элементам матриц сопротивлений, проводимостей или передачи. При параллельно-последовательном соединении четырехполюсников элементы их смешанных матриц F складываются. Суммарные зависимости элементов матриц F цепи прямой передачи в виде нелинейного элемента и цепи обратной связи от частоты: f₁₁=r₁₁+jx₁₁, f₁₂=r₁₂+jx₁₂, f₂₁=r₂₁+jx₂₁, f₂₂=r₂₂+jx₂₂. Размерности элементов матрицы F: f₁₁ (проводимость), f₁₂ (безразмерный), f₂₁, (безразмерный), f₂₂ (сопротивление).

Общая смешанная матрица F нелинейного элемента (VT) и четырехполюсника цепи обратной связи (OC) и соответствующая ей классическая матрица передачи всего устройства с учетом условий нормировки:

F = | f 11 f 12 f 21 f 22 | ;   A = | 1 f 21 z н z 0 − f 22 f 21 1 z 0 z н f 11 f 21 z 0 z н − | f | f 21 z 0 z н | ,                                              (1)

где |f|=f₁₁f₂₂-f₁₂f₂₁.

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 (6), получим выражение для коэффициента передачи генератора/модулятора в режиме усиления:

S 21 = 2f 21 z 0 z н z н -f 22 -z 0 ( | f | -z н f 11 ) .                                                                       (2)

Преобразуем знаменатель коэффициента передачи и запишем его в виде, соответствующем условию возникновения стационарного режима генерации 1 − z н − f 22 ( | f | − f 11 z н ) z 0 = 0 , или условию баланса амплитуд и баланса фаз 1-KB=0 (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Дрофа». - 2006, с.383-401) для цепи с внешней положительной обратной связью. Для данного вида генератора и частотного модулятора K = z н − f 22 z 0 - коэффициент передачи цепи прямой передачи; B = 1 | f | − f 11 z н - коэффициент усиления цепи обратной связи.

Возможны и другие варианты представления величин K и B. Это различие для изобретения не имеет принципиального значения. В любом случае условия баланса амплитуд и баланса фаз соответствуют равенству нулю знаменателя коэффициента передачи.

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

r н − r 22 + r 0 ( r 11 r н − A 1 ) + x 0 ( B 1 − r 11 x н − x 11 r н ) − x x 11 н r 0 = 0 ; x н − x 22 + x 0 ( r 11 r н − A 1 ) − r 0 ( B 1 − r 11 x н − x 11 r н ) − x н x x 11 0 = 0.                                   (3)

Решение системы уравнений (3) имеет вид:

X 0 = A X н + B C X н + D ;   X н = − Y ± Y 2 − 4 X Z 2 X ,                                                                 (4)

где A=x₁₁r₀; B=r₀A₁+r₂₂-r_н-r₁₁r₀r_н; C=-r₁₁; D=B₁-x₁₁r_н; X=C(r₁₁r₀+1)-x₁₁A;

Y=C[r₀(x₁₁r_н-B₁)-x₂₂]+D(1+r₀r₁₁)+A(r₁₁r_н-A₁)-x₁₁B; Z=D[r₀(x₁₁r_н-B₁)-x₂₂]+B(r₁₁r_н-A₁);

A₁=r₁₁r₂₂-x₁₁x₂₂-r₁₂r₂₁+x₁₂x₂₁; B₁=x₁₁r₂₂+r₁₁x₂₂-x₁₂r₂₁-r₁₂x₂₁.

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.3):

x н m ( ω m 2 L 1 C 1 − 1 ) ( ω m L 1 + x н m ) ω m C 1 − 1 = X н m ,   m = 1,   2 ;   ω m = 2 π f m                                                (5)

L 1 = ω 1 X н 1 x н 1 ( X н 2 − x н 2 ) + ω 2 X н 2 x н 2 ( x н 1 − X н 1 ) ( X 02 − x 02 ) ( x 01 − X 01 ) ( ω 1 2 − ω 2 2 )