Способ генерации высокочастотных сигналов и устройство его реализации

Изобретения относятся к устройствам генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. Технический результат 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 нелинейного трехполюсного элемента. В способе преобразуют энергию источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, при взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, трехполюсным нелинейным элементом и цепью внешней обратной связи, выполнении условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых высокочастотных сигналов. При этом нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, подключенного к управляющему электроду трехполюсного нелинейного элемента в поперечную цепь, условия возбуждения выполняют в виде баланса амплитуд и баланса фаз, а условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет выбора значений мнимых составляющих сопротивлений первого Xnm и второго X0m двухполюсников из условия обеспечения стационарного режима генерации в виде равенствам нулю знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления одновременно на всех заданных частотах генерируемых высокочастотных сигналов при неизменной амплитуде источника постоянного напряжения в соответствии с математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

 

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, последовательно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, 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 Xnm и второго X0m 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=x11m; B=A1-rнm-r11m+r0m(r22m-rнm); C=-1; D=x22m; X=-r11m-r0m;

Y=2x22mr0m+r11mr22m-x11mr22m+B1; Z = r 0 m [ ( r 22 m r н m ) 2 + x 22 m 2 ] + r н m r 11 m ( r 22 m r н m ) + r н m ( x 11 m x 22 m + A 1 ) r 22 m A 1 x 22 m B 1 ;

A1=r11mr22m-x11mx22m-r12mr21m+x12mx21m; B1=x11mr22m+r11mx22m-x12mr21m-r12mx21m;

r0m, X0m - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на заданном количестве частот; r, X - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления нагрузки на заданном количестве частот; r11m, x11m, r12m, x12m, r21m, x21m, r22m, x22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений 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, последовательно соединенного 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 сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления реализована в виде последовательного колебательного контура из элементов с параметрами L1, C1, параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением х0, мнимая составляющая сопротивления нагрузки сформирована в виде параллельного колебательного контура из элементов с параметрами L2, C2, последовательно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением xн, причем значения параметров определены из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:

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

L 2 = ( 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 1 X н 1 ) + ω 2 ( X н 2 x н 2 ) ] ; C 2 = ω 2 ( x н 1 X н 1 ) + ω 1 ( X н 2 x н 2 ) ( X н 2 x н 2 ) ( x н 1 X н 1 ) ( 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=x11m; B=A1-rнm-r11m+r0m(r22m-rнm); C=-1; D=x22m; X=-r11m-r0m;

Y=2x22mr0m+r11mr22m-x11mr22m+B1; Z = r 0 m [ ( r 22 m r н m ) 2 + x 22 ь 2 ] + r н m r 11 m ( r 22 m r н m ) + r н m ( x 11 m x 22 m + A 1 ) r 22 m A 1 x 22 m B 1 ;

A1=r11mr22m-x11mx22m-r12mr21m+x12mx21m; B1=x11mr22m+r11mx22m-x12mr21m-r12mx21m;

X0m; Xнm - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданных двух частотах ωm=2πfm; m=1, 2 - номер частоты; r0m - заданные значения действительной составляющей сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на двух частотах; rnm - заданные значения действительной составляющей сопротивления нагрузки на двух частотах; r11m, x11m, r12m, x12m, r21m, x21m, r22m, x22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи на заданных частотах; x0m, xнm - заданные значения сопротивлений произвольных двухполюсников, входящих в состав мнимых составляющих X0m; Хнm 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 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, 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 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 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 матрицы сопротивлений z 11 m V T = r 11 m V T + j x 11 m V T , z 12 m V T = r 12 m V T + j x 12 m V T , z 21 m V T = r 21 m V T + j x 21 m V T , z 22 m V T = r 22 m V T + j x 22 m V T 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 z0m=r0m+jx0m - 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 zнm=rнm+jxнm на заданных частотах. Последовательно к нелинейному элементу как к четырехполюснику 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 матрицы сопротивлении z 11 m O C = r 11 m O C + j x 11 m O C , z 12 ь O C = r 12 m O C + j x 12 m O C , z 21 m O C = r 21 m O C + j x 21 m O C , z 22 m O C = r 22 m O C + j x 22 m O C 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 ωn=Iω1±Kω2, I, K=0, 1, 2….

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Исходными также являются зависимости элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента z 11 V T = r 11 V T + j x 11 V T , z 12 V T = r 12 V T + j x 12 V T , z 21 V T = r 21 V T + j x 21 V T , z 22 V T = r 22 V T + j x 22 V T и цепи обратной связи z 11 O C = r 11 O C + j x 11 O C , z 12 O C = r 12 O C + j x 12 O C , z 21 O C = r 21 O C + j x 21 O C , z 22 O C = r 22 O C + j x 22 O C , от частоты. При последовательном соединении четырехполюсников элементы их матриц сопротивлений складываются. Суммарные зависимости элементов матриц сопротивлений цепи прямой передачи в виде нелинейного элемента и цепи обратной связи от частоты: z11=r11+jx11, z12=r12+jx12, z21=r21+jx21, z22=r22+jx22. Для простоты аргумент (частота) опущен.

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

Z = | z 11 z 12 z 21 z 22 | ; A = | z 11 z 21 z н z 0 | z | z 21 1 z 0 z н 1 z 21 z 0 z н z 22 z 21 z 0 z н | ,                                              (1)

где: |z|=z11z22-z12z21.

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

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

Преобразуем знаменатель коэффициента передачи и запишем его в виде, соответствующем условию возникновения стационарного режима генерации 1 z н z 11 | z | ( z 22 z н ) z 0 = 0, или условию баланса амплитуд и баланса фаз 1-КВ=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 z 21 ( z 22 z н ) z 0 - коэффициент передачи цепи прямой передачи; B = z н z 11 | z | ( z 22 z н ) z 0 - 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 11 + r 0 ) r 22 r 0 A 1 + x 0 ( x 22 x н ) x н x 11 = 0 ; x н ( r 11 + r 0 ) + r н ( x 11 + x 0 ) r 22 x 0 r 0 x 22 B 1 = 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=x11; B=A1-rнr11+r0(r22-rн); C=-1; D=x22; X=-r11-r0;

Y=2x22r0+r11r22-x11r22+B1; Z = r 0 [ ( r 22 r н ) 2 + x 22 2 ] + r н r 11 ( r 22 r н ) + r н ( x 11 x 22 + A 1 ) r 22 A 1 x 22 B 1 ;

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 0 m ( ω m 2 L 1 C 1 1 ) ( ω m L 1 + x 0 m ) ω m C 1 1 = X 0 m , m = 1, 2 ; ω m = 2 π f m                                                (5)

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

Параллельный колебательный контур, последовательно соединенный с произвольным реактивным двухполюсником (фиг.4):

ω m L 2 1 ω m 2 L 2 C 2 + x н m = X н m , m = 1, 2 ;                                                   (6)

L 2 = ( 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 1 X н 1 ) + ω 2 ( X н 2 x н 2 ) ] ; C 2 = ω 2 ( x н 1 X н 1 ) + ω 1 ( X н 2 x н 2 ) ( X н 2 x н 2 ) ( x н 1 X н 1 ) ( ω 1 2 ω 2 2 ) .

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 ωn=Iω1±Kω2, 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 (выполнение цепи внешней обратной связи в виде произвольного четырехполюсника на комплексных сопротивлениях, последовательно соединенного с трехполюсным нелинейным элементом (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 трехполюсного элемента, включенного между источником высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузкой), обеспечивает одновременно формирование высокочастотных сигналов на заданных частотах.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью трехполюсные нелинейные элементы (транзисторы или лампы), 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 нелинейного трехполюсного элемента, что с учетом нелинейного взаимодействия позволяет формировать сложные сигналы и создавать средства радиосвязи, функционирующие на заданном количестве радиоканалов.

1. Способ генерации высокочастотных сигналов, основанный 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, отличающийся тем, что цепь прямой передачи выполняют из трехполюсного нелинейного элемента, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный четырехполюсник, последовательно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, 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 Xnm и второго X0m 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=x11m; B=A1-rнm-r11m+r0m(r22m-rнm); C=-1; D=x22m; X=-r11m-r0m;
Y=2x22mr0m+r11mr22m-x11mr22m+B1;
Z = r 0 m [ ( r 22 m r н m ) 2 + x 22 m 2 ] + r н m r 11 m ( r 22 m r н m ) + r н m ( x 11 m x 22 m + A 1 ) r 22 m A 1 x 22 m B 1 ;
A1=r11mr22m-x11mx22m-r12mr21m+x12mx21m; B1=x11mr22m+r11mx22m-x12mr21m-r12mx21m;
r0m, X0m - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на заданном количестве частот; r, Х - заданные значения действительной составляющей и оптимальные значения мнимой составляющей сопротивления нагрузки на заданном количестве частот; r11m, x11m, r12m, x12m, r21m, x21m, r22m, x22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи на заданных частотах; m=1, 2…N - номера частот.

2. Устройство генерации высокочастотных сигналов, состоящее из источника постоянного напряжения, трехполюсного нелинейного элемента, цепи внешней обратной связи и нагрузки, отличающееся тем, что цепь внешней обратной связи выполнена в виде произвольного четырехполюсника, последовательно соединенного 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 сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления реализована в виде последовательного колебательного контура из элементов с параметрами L1, C1, параллельно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением x0, мнимая составляющая сопротивления нагрузки сформирована в виде параллельного колебательного контура из элементов с параметрами L2, С2, последовательно соединенного с произвольным реактивным двухполюсником с сопротивлением xн, причем значения параметров определены из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах с помощью следующих математических выражений:
L 1 = ω 1 X 01 x 01 ( X 02 x 02 ) + ω 2 X 02 x 02 ( x 01 X 01 ) ( X 02 x 02 ) ( x 01 X 01 ) ( ω 1 2 ω 2 2 ) ;
C 1 = ( ω 1 2 ω 2 2 ) ( x 01 X 01 ) ( X 02 x 02 ) ω 1 ω 2 [ ω 1 X 02 x 02 ( x 01 X 01 ) + ω 2 X 01 x 01 ( X 02 x 02 ) ] ;
L 2 = ( 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 1 X н 1 ) + ω 2 ( X н 2 x н 2 ) ] ; C 2 = ω 2 ( x н 1 X н 1 ) + ω 1 ( X н 2 x н 2 ) ( X н 2 x н 2 ) ( x н 1 X н 1 ) ( 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=x11m; B=A1-rнm-r11m+r0m(r22m-rнm); C=-1; D=x22m; X=-r11m-r0m;
Y=2x22mr0m+r11mr22m-x11mr22m+B1;
Z = r 0 m [ ( r 22 m r н m ) 2 + x 22 m 2 ] + r н m r 11 m ( r 22 m r н m ) + r н m ( x 11 m x 22 m + A 1 ) r 22 m A 1 x 22 m B 1 ;
A1=r11mr22m-x11mx22m-r12mr21m+x12mx21m; B1=x11mr22m+r11mx22m-x12mr21m-r12mx21m;
X0m; Хнm - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданных двух частотах ωm=2pfm; m=1, 2 - номер частоты; r0m - заданные значения действительной составляющей сопротивления источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления на двух частотах; rnm - заданные значения действительной составляющей сопротивления нагрузки на двух частотах; r11m, x11m, r12m, x12m, r21m, x21m, r22m, x22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента при заданной амплитуде постоянного напряжения и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи на заданных частотах; x0m, xнm - заданные значения сопротивлений произвольных двухполюсников, входящих в состав мнимых составляющих X0m; Хнm комплексных сопротивлений источника сигнала в режиме усиления и нагрузки, на двух частотах.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные средства радиосвязи с заданным количеством радиоканалов.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные средства радиосвязи с заданным количеством радиоканалов.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. .

Генератор // 2453983
Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к области электронной техники. .

Изобретение относится к области радиотехники и измерительной техники. .

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в качестве формирователей сигналов в радиостанциях, измерительных устройствах, передатчиках помех различного назначения и т.д.

Изобретения относятся к области радиосвязи и могут быть использованы для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. Технический результат заключается в повышении диапазона генерируемых колебаний, генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот и уменьшении количества реактивных элементов. Для этого способ генерации высокочастотных сигналов основан на взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, трехполюсным нелинейным элементом и цепью внешней обратной связи, при этом 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 Хnm и второго Х0m двухполюсников в соответствии с математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретения относятся к области радиосвязи и могут быть использованы для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. Технический результат заключается в повышении диапазона генерируемых колебаний, генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот и уменьшении количества реактивных элементов. Для этого способ генерации высокочастотных сигналов основан на взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, трехполюсным нелинейным элементом и цепью обратной связи, при этом цепь прямой передачи выполняют из трехполюсного нелинейного элемента, в качестве цепи обратной связи используют внутреннюю обратную связь трехполюсного нелинейного элемента, образованную за счет его межэлектродных связей, 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 Xnm и второго Х0m двухполюсников в соответствии с математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано 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. Способ генерации и частотной модуляции высокочастотного сигнала отличается тем, что цепь прямой передачи выполняют из трехполюсного нелинейного элемента, в качестве цепи обратной связи используют внешнюю обратную связь в виде произвольного четырехполюсника, соединенного с трехполюсным нелинейным элементом по параллельно-последовательной схеме. Технический результат изобретения заключается в повышении диапазона генерируемых колебаний и использовании реактивного базиса с сосредоточенными параметрами. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в различных технологических процессах, идущих с использованием ультразвуковых колебаний, формируемых пьезоэлектрическими излучателями. Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы на резко переменную высокодобротную нагрузку типа пьезокерамического излучателя при повышенных значениях эквивалентной технологической нагрузки. Транзисторный генератор для резонансных нагрузок содержит полумостовой инвертор на IGBT транзисторах, управляемых включенным по типовой схеме драйвером полумоста с внутренним генератором и внешней времязадающей RC-цепью, генератор содержит выходной трансформатор, оптронное командное устройство и трансформатор тока, информационный выход которого подсоединен к конденсатору, который через RC-цепь подключен параллельно конденсатору внешней времязадающей RC-цепи драйвера, трансформатор тока снабжен двумя первичными обмотками, причем основная включена в первую цепь вторичной обмотки выходного трансформатора последовательно с резонансной нагрузкой, а дополнительная через дополнительные конденсатор и высокочастотный дроссель включена во вторую цепь вторичной обмотки выходного трансформатора. 1 ил

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано в системах тактовой синхронизации микропроцессорных устройств. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей путем генерирования сигналов типа меандра-трапеции, кроме сигналов типа синусоидальных. Кольцевой генератор на КМДП транзисторах содержит нечетное число инверторов, соединенных последовательно, причем выход последнего подключен к входу первого, первый инвертирующий элемент, содержащий последовательно соединенные транзисторы p-типа и n-типа, точка соединения которых являются выходом инвертирующего элемента, а также второй инвертирующий элемент, идентичный первому, затворы транзисторов р-типа первого и второго инвертирующих элементов подключены соответственно к входу и к выходу одного из инверторов, затвор транзистора n-типа первого инвертирующего элемента подключен к выходу второго инвертирующего элемента, а затвор транзистора n-типа второго инвертирующего элемента подключен к выходу первого инвертирующего элемента, причем выходы инвертирующих элементов являются выходами устройства. 2 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. Технический результат изобретения заключается в повышении диапазона генерируемых колебаний, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные средства радиосвязи с заданным количеством радиоканалов. Способ генерации высокочастотных сигналов основан 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, при этом нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, параллельно подключенный к цепи прямой передачи. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. Технический результат заключается в генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. Устройство генерации высокочастотных сигналов состоит из источника постоянного напряжения, активного двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением, четырехполюсника и нагрузки, при этом четырехполюсник выполнен комплексным в виде Г-образного соединения двух двухполюсников с комплексными сопротивлениями, второй двухполюсник Г-образного соединения сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1, катушки с индуктивностью L и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2 и конденсатора с емкостью С, к входу комплексного четырехполюсника подключен дополнительный двухполюсник, двухполюсный нелинейный элемент включен между выходом комплексного четырехполюсника и нагрузкой в продольную цепь, значения параметров второго двухполюсника Г-образного соединения определяются в соответствии с приведенными математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания средств радиосвязи. Достигаемый технический результат - увеличение диапазона генерируемых колебаний, генерация высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки. Способ генерации высокочастотных сигналов основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, выполненной из трехполюсного нелинейного элемента и реактивного четырехполюсника, нагрузкой и цепью внешней обратной связи, на выполнении условий возбуждения, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых высокочастотных сигналов, условий согласования цепи прямой передачи с нагрузкой и условий согласования нагрузки с трехполюсным нелинейным элементом, при этом нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный четырехполюсник, а значения параметров реактивного четырехполюсника выбирают в соответствии с заданными математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы. 4 ил. .

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания эффективных средств связи с заданным количеством радиоканалов. Достигаемый технический результат - увеличение диапазона генерируемых колебаний путем генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки. Способ генерации высокочастотных сигналов основан на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, трехполюсным нелинейным элементом, реактивным четырехполюсником, нагрузкой и цепью внешней обратной связи, выполненной в виде произвольного четырехполюсника, 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, а параметры реактивного четырехполюсника выбирают в соответствии с заданными математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов. Техническим результатом изобретения является генерация и частотная модуляция высокочастотного сигнала с увеличенным линейным участком частотной модуляционной характеристики при использовании одного нелинейного элемента. Устройство генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов состоит из источника постоянного напряжения и низкочастотного управляющего сигнала, цепи прямой передачи из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузки и цепи внешней обратной связи, при этом 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, подключенный к цепи прямой передачи по последовательно-параллельной схеме, цепь прямой передачи и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между введенным вторым двухполюсником с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора и частотного модулятора в режиме усиления, и нагрузкой, мнимые составляющие первого и второго двухполюсников с комплексными сопротивлениям zнn и z0n выполнены из параллельного колебательного контура с параметрами L1k, C1k, последовательно соединенного с индуктивностью L0k. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретения относятся к устройствам генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. Технический результат 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 нелинейного трехполюсного элемента. В способе преобразуют энергию источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, при взаимодействии высокочастотного сигнала с цепью прямой передачи, трехполюсным нелинейным элементом и цепью внешней обратной связи, выполнении условия возбуждения в виде баланса амплитуд и баланса фаз, определяющих соответственно амплитуду и частоту генерируемых высокочастотных сигналов. При этом нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, подключенного к управляющему электроду трехполюсного нелинейного элемента в поперечную цепь, условия возбуждения выполняют в виде баланса амплитуд и баланса фаз, а условия согласования одновременно выполняют на заданном количестве частот за счет выбора значений мнимых составляющих сопротивлений первого Xnm и второго X0m двухполюсников из условия обеспечения стационарного режима генерации в виде равенствам нулю знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления одновременно на всех заданных частотах генерируемых высокочастотных сигналов при неизменной амплитуде источника постоянного напряжения в соответствии с математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Наверх