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 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 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. Еще одним недостатком следует считать отсутствие возможности генерации при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки.

Техническим результатом изобретения является повышение диапазона генерируемых колебаний, генерация 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 четырехполюсника и различных видов обратной связи, а также выбор этих четырехполюсников комплексными расширяют возможности физической реализуемости этого. 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, выполненной из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузкой 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 цепи прямой передачи с нагрузкой и условий согласования нагрузки с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, дополнительно цепь прямой передачи выполняют из каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника и трехполюсного нелинейного элемента, нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к цепи прямой передачи, цепь прямой передачи 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 нагрузкой, условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз и условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет выбора значений сопротивлений первого двухполюсника, реализующего сопротивление z_нп нагрузки, 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:

z н п = − d 0 z 0 n + b 0 c 0 z 0 n + a 0 ,

где a 0 = z 11 z 21 ; b 0 = − | z | z 21 ; c 0 = 1 z 21 ; d 0 = − z 22 z 21 ; | z | = z 11 z 22 − z 12 z 21 ;

z 11 = z 11 n O C = a 11 a 21 ; z 12 = z 12 n O C + − | a | a 21 ; z 21 = z 21 n O C + 1 a 21 ; z 22 = z 22 n O C + − a 22 a 21 ; | a | = a 11 a 22 − a 12 a 21 ;

a 11 = a n z 11 n V T + b n z 21 n V T ; a 12 = − ( a n | z V T | + b n z 22 n V T ) z 21 n V T ; a 21 c n z 11 n V T + b n z 21 n V T ; a 22 = − ( c n | z V T | + d n z 22 n V T ) z 21 n V T ; | z V T | = z 11 n V T z 22 n V T − z 12 n V T z 21 n V T ;

a_n, b_n, c_n, d_n заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах; z 11 n V T , z 12 n V T , z 21 n V T , z 22 n V T - заданные значения комплексных элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента в цепи прямой передачи на заданных частотах; z 11 n O C , z 12 n O C , z 21 n O C , z 22 n O C - заданные значения комплексных элементов матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника цепи обратной связи на заданных частотах; z_0n - заданные значения комплексных сопротивлений источника сигнала генератора в режиме усиления на заданных частотах; n=1, 2…Ν - номера заданных частот.

2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузки и цепи внешней обратной связи, дополнительно цепь прямой передачи выполнена из каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника и трехполюсного нелинейного элемента, нагрузка выполнена в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к цепи прямой передачи, цепь прямой передачи и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, и нагрузкой, первый двухполюсник с комплексным сопротивлением z_нп выполнен из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R₁, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с заданным сопротивлением Z_0n=R_0n+jX_0n и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R₂ и катушки с индуктивностью L, а значения параметров определены из условия равенства нулю знаменателя коэффициента передачи на двух частотах с помощью следующих математических выражений:

R 1 = ω 2 3 r 1 x 2 ( ω 2 x 2 − 2 ω 1 x 1 ) − ω 1 3 x 1 r 2 ( ω 1 x 1 − 2 ω 2 x 2 ) + ω 1 2 ω 2 2 [ ( r 1 − r 2 ) 3 + r 1 x 1 2 − r 2 x 2 2 ] ( ω 2 2 ω 1 2 ) ( ω 2 x 2 − ω 1 x 1 ) 2 ;

R 2 = ω 1 4 A + ω 2 ω 1 3 B + ω 1 2 ω 2 2 C 1 + ω 1 ω 2 3 D + ω 2 4 E ( r 2 − r 1 ) ( ω 2 2 − ω 1 2 ) ( x 1 ω 1 − x 2 ω 2 ) 2 ; C = ( ω 1 2 − ω 2 2 ) ( ω 1 x 1 − ω 2 x 2 ) ω 1 ω 2 ( ω 1 ω 2 [ ( r 1 − r 2 ) 2 + x 1 2 + x 2 2 ] − x 1 x 2 ( ω 1 2 + ω 2 2 ) ) ;

L = ω 1 4 A + ω 2 ω 1 3 B + ω 1 2 ω 2 2 C 1 + ω 1 ω 2 3 D + ω 2 4 E ( ω 1 2 − ω 2 2 ) ( x 1 ω 1 − x 2 ω 2 ) 3 , где A = x 1 2 [ ( r 1 − r 2 ) 2 + x 1 2 ]   ; B = − 2 x 1 x 2 [ ( r 1 − r 2 ) 2 + 2 x 1 2 ]   ;  

D = − 2 x 1 x 2 [ ( r 1 − r 2 ) 2 + 2 x 2 2 ]   ; C 1 = ( x 1 2 + x 2 2 ) ( r 1 − r 2 ) 2 + 6 ( r 1 2 r 2 2 + x 1 2 x 2 2 ) + r 1 4 r 1 4 − 4 r 1 r 2 ( r 1 2 + r 2 2 ) ;

E = x 2 2 [ ( r 1 − r 2 ) 2 + x 2 2 ]   ; r 1 = R r 1 − R 01 , r 2 = R r 2 − R 02 , x 1 = X r 1 − X 01 , x 2 = X r 2 − X 02 ; R v n = Re ( z н п ) ; X v n = Im ( z н п ) ;

z н п = − d 0 z 0 n + b c 0 z 0 n + a 0 ; a 0 = z 11 z 21 ; b 0 = − | z | z 21 ; c 0 = 1 z 21 ; d 0 = − z 22 z 21 ; | z | = z 11 z 22 − z 12 z 21 ;

z 11 = z 11 n O C + a 11 a 21 ; z 12 = z 12 n O C + − | a | a 21 ; z 21 = z 21 n O C + 1 a 21 ; z 22 = z 22 n O C + − a 22 a 21 ; | a | = a 11 a 22 − a 12 a 21 ;

a 11 = a n z 11 n V T + b n z 21 n V T ; a 12 = − ( a n | z V T | + b n z 22 n V T ) z 21 n V T ; a 21 = c n z 11 n V T + d n z 21 n V T ; a 22 = − ( c n | z V T | + d n z 22 n V T ) z 21 n V T ; | z V T | = z 11 n V T z 22 n V T − z 12 n V T z 21 n V T ;

a_n, b_n, c_n, d_n, заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах ƒ_n; ω_n=2πƒ_n; z 11 n V T , z 12 n V T , z 21 n V T , z 22 n V T - заданные значения комплексных элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента в цепи прямой передачи на заданных частотах; z 11 n O C , z 12 n O C , z 21 n O C , z 22 n O C - заданные значения комплексных элементов матрицы сопротивлений комплексного четырехполюсника цепи обратной связи на заданных частотах; z_0n - заданные значения комплексных сопротивлений источника сигнала генератора в режиме усиления на заданных частотах; R_r1, R_r2, X_r1, X_r2 - оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления z_нп нагрузки на двух частотах; n=1, 2 - номера заданных частот.

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

На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого устройства генерации по п. 2., реализующая предлагаемый способ по п. 1.

На фиг. 3 приведена схема комплексного двухполюсника, реализующего на двух частотах оптимальные значения нагрузки генератора, схема которого представлена на фиг. 2.

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 L-4, R-5, С-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 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.

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 двухполюс-ника-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 цепь прямой передачи из каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника-11 с известными элементами классической матрицы передачи a_n, b_n, c_n, d_n на заданных частотах генерируемых сигналов и трехполюсного нелинейного элемента-1 с известными элементами матрицы сопротивлений z 11 n V T = r 11 n V T + j x 11 n V T , z 12 n V T = r 12 n V T + j x 12 n V T , z 21 n V T = r 21 n V T + j x 21 n V T , z 22 n V T = r 22 n V T + j x 22 n V T на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенного к источнику постоянного напряжения-2 (на фиг. 2 не показан). Цепь прямой передачи из четырехполюсника-11 и нелинейного элемента-1 последовательно соединена по высокой частоте с цепью внешней обратной связи (входы соединены последовательно и выходы - последовательно), выполненной в виде произвольного комплексного четырехполюсника-12, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Цепь прямой передачи и цепь внешней обратной связи как единый узел каскадно включены по высокой частоте между источником входного высокочастотного сигнала в режиме усиления с заданным сопротивлением z_0n=r_0n+jx_0n - 13 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 комплексной нагрузкой-14, с оптимальными сопротивлениями z_нп=r_нп+jx_нп на заданных частотах (первый двухполюсник с комплексным сопротивлением). Произвольный четырехполюсник-12 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы сопротивлений z 11 n O C = r 11 n O C + j x 11 n O C , z 12 n O C = r 12 n O C + j x 12 n O C , z 21 n O C = r 21 n O C + j x 21 n O C , z 22 n O C = r 22 n O C + j x 22 n O C , на заданных частотах (n=1, 2 - номер частоты). Сопротивление z_нп (первый двухполюсник с комплексным сопротивлением) реализовано (фиг. 3) из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R₁, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с заданным сопротивлением Z_0n=R_0n+jX_0n и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R₂ и катушки