RU2595928C1 - Method of generating high-frequency signals and device therefor - Google Patents
Method of generating high-frequency signals and device therefor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2595928C1 RU2595928C1 RU2014154188/08A RU2014154188A RU2595928C1 RU 2595928 C1 RU2595928 C1 RU 2595928C1 RU 2014154188/08 A RU2014154188/08 A RU 2014154188/08A RU 2014154188 A RU2014154188 A RU 2014154188A RU 2595928 C1 RU2595928 C1 RU 2595928C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- complex
- terminal
- resistance
- circuit
- frequencies
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных частотных характеристиках нагрузки, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать эффективные средства радиосвязи с заданным количеством радиоканалов.The invention relates to the field of radio communications and can be used to create devices for generating high-frequency signals at a given number of frequencies at arbitrary frequency characteristics of the load, which allows you to generate complex signals and create effective radio communications with a given number of radio channels.
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).A known method of generating a high-frequency signal, based on the conversion of the energy of a constant voltage source into the energy of a high-frequency signal, organizing internal feedback in a non-linear element by using a bipolar non-linear element with negative differential resistance, fulfilling the excitation conditions in the form of amplitude balance and phase balance, which determine respectively, the amplitude and frequency of the generated high-frequency signal, and non-linear matching conditions element with a load, (see Gonorovsky IS Radio engineering circuits and signals - M: “Bustard.”, - 2006, p. 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).A device for generating a high-frequency signal, consisting of a constant voltage source that sets the operating point in the middle of the falling section of the current-voltage characteristics of a bipolar nonlinear element with negative differential resistance, a four-terminal reactive load in the form of a parallel oscillatory circuit, while the parameters of the bipolar nonlinear element and varicap are selected from conditions for ensuring the given amplitude and frequency of the generated high-frequency signal ala, (see Gonorovsky IS Radio engineering circuits and signals - M: "Bustard.", - 2006, p. 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.The principle of operation of this device is as follows. When a constant voltage (current) source is turned on, due to an abrupt change in the amplitude, oscillations arise in the entire circuit, the spectrum of which occupies the entire frequency radio range. The amplitudes of these oscillations decay quickly. However, due to the presence of internal feedback in a bipolar nonlinear element, a negative differential resistance arises in the section with a falling current-voltage characteristic, which, by matching with a reactive four-terminal, compensates for losses in the circuit. Due to this, the oscillation with a frequency equal to the resonant frequency of the oscillatory circuit is amplified until the amplitude of this oscillation increases to a level at which the amplitude goes beyond the falling section of the current-voltage characteristic. There is a stationary mode.
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).The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is a method of generating a high-frequency signal based on converting the energy of a constant voltage source into the energy of a high-frequency signal, organizing external positive feedback between the load and the control electrode of a three-pole nonlinear element, and fulfilling the excitation conditions in the form of an amplitude balance and phase balance, respectively determining the amplitude and frequency of the generated high-frequency signal, and conditions oglasovaniya nonlinear element to the load (. cm Gonorovsky IS Radio circuits and signals - M:.. "Bustard" - 2006, p 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).The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is a device for generating a high-frequency signal, consisting of a constant voltage source that sets the operating point in the middle of the quasilinear section of the current-voltage characteristic of the transistor, reactive four-terminal, load in the form of a parallel oscillatory circuit, external positive RC-circuit feedback between the load and the control electrode of the transistor, while the parameters of the circuit, transistor and varicap selected to provide predetermined amplitude and frequency of the generated high-frequency signal (see Gonorovsky IS Radio circuits and signals - M:. "Bustard" - 2006, p 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.The principle of operation of this device is as follows. When a constant voltage (current) source is turned on, due to an abrupt change in the amplitude, oscillations arise in the entire circuit, the spectrum of which occupies the entire frequency radio range. The amplitudes of these oscillations decay quickly. However, due to the presence of a positive feedback circuit, the oscillation with a frequency equal to the resonant frequency of the oscillatory circuit is supplied to the control electrode of the transistor, which, by matching with the reactive four-terminal device, starts to operate in the amplification mode until the amplitude of this oscillation increases to the level at which saturation mode (amplitude limits). There is a stationary mode.
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.The disadvantage of these methods and devices is the generation of a high-frequency signal at only one frequency. In addition, it does not indicate how it is necessary to choose the values of the parameters of the reactive four-port network at which the excitation mode and the stationary mode occur. This question arises especially sharply when designing generation devices in the HF and UHF bands, on which the reactive components of the parameters of nonlinear elements must be taken into account. Currently, the classical theory of radio circuits does not take this into account. Another disadvantage should be considered the lack of the possibility of generation at arbitrary complex load resistances.
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 результатаThe technical result of the invention is to increase the range of generated oscillations, generate high-frequency signals at a given number of frequencies for arbitrary complex load resistances, which allows you to generate complex signals and create efficient generation devices for radio communications with a given number of radio channels for any given frequency characteristics of the load, for example, an antenna. The possibility of using various options for including a three-pole non-linear element relative to a four-terminal and various types of feedback, as well as the choice of these four-terminal integrated systems expand the possibilities of the physical realizability of this result
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, подключенный к цепи прямой передачи по последовательно-параллельной схеме, 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 zнn 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:1. The specified result is achieved by the fact that in the known method of generating high-frequency signals, based on the conversion of the energy of a constant voltage source into the energy of a high-frequency signal, the interaction of a high-frequency signal with a direct transmission circuit made of a three-pole nonlinear element and a four-pole, load and external feedback circuit, the fulfillment of the excitation conditions in the form of a balance of amplitudes and a phase balance, which respectively determine the amplitude and frequency of the generated high-frequency signals conditions for matching the direct transmission circuit with the load and the conditions for matching the load with the control electrode of a three-pole nonlinear element, additionally, the direct transmission circuit is made of cascade-connected complex four-terminal and three-pole nonlinear element, the load is performed as the first two-terminal with complex resistance, as an external circuit feedback use an arbitrary complex quadrupole connected to a direct transmission circuit in series-parallel circuits , the direct-drive circuit and the feedback circuit as a single unit cascade between the introduced second bipolar with a complex resistance simulating the resistance of the generator signal source in the amplification mode and the load, the excitation conditions in the form of amplitude balance and phase balance and matching conditions are simultaneously satisfied for a given number frequency by selecting the resistance values of the first two-terminal network that implements a load impedance z Hn, the condition providing a stationary lasing as is Twa zero denominator coefficient gain mode simultaneously on all given frequencies generated by the high-frequency signal at a constant amplitude DC voltage source in accordance with the following mathematical expression:
где ; |h|=h11h22-h12h21;Where ; | h | = h 11 h 22 -h 12 h 21 ;
an, bn, cn, dn - заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах;
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, 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 в режиме усиления, и нагрузкой, первый двухполюсник с комплексным сопротивлением zнn выполнен из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1, катушки с индуктивностью L, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z0=R0+jX0 и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2 и конденсатора с емкостью С, а значения параметров определены из условия равенства нулю знаменателя коэффициента передачи на двух частотах с помощью следующих математических выражений:2. The specified result is achieved by the fact that in the device for generating high-frequency signals, consisting of a constant voltage source, a direct transmission circuit of a three-pole nonlinear element and a four-terminal network, a load and an external feedback circuit, an additional direct transmission circuit is made of a cascade-connected complex four-terminal and a three-pole circuit nonlinear element, the load is made in the form of the first two-terminal with complex resistance, arbitrarily used as an external feedback circuit the fourth complex four-terminal connected to the direct transmission circuit in series-parallel circuit, the direct transmission circuit and the feedback circuit as a single node are cascaded between the introduced second two-terminal with complex resistance simulating the resistance of the generator signal source in gain mode and the load, the first two-terminal with complex impedance z Hn formed of series-connected two-terminal of the first resistor with a resistance R 1, the coil with inductance L, an arbitrary compl ksnogo two-terminal network with an impedance Z 0 = R 0 + jX 0 and connected in parallel between a second resistive two-terminal resistance R 2 and a capacitor with capacitance C, and the values of the parameters determined from the condition that the denominator of the transfer coefficient at the two frequencies by the following mathematical expressions:
где Where
r1=Rr1-R01, r2=Rr2-R02, х1=Xr1-Х01, х2=Xr2-X02; Rvn=Re(zнn); Xvn=Im(zнn);r 1 = R r1 -R 01 , r 2 = R r2 -R 02 , x 1 = X r1 -X 01 , x 2 = X r2 -X 02 ; R vn = Re (z nn ); X vn = Im (z nn );
|h|=h11h22-h12h21; | h | = h 11 h 22 -h 12 h 21 ;
an, bn, cn, dn - заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах fn; ωn=2πfn;
На фиг. 1 показана схема устройства генерации высокочастотных сигналов (прототип), реализующего способ-прототип.In FIG. 1 shows a diagram of a device for generating high-frequency signals (prototype) that implements the prototype method.
На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого устройства генерации по п. 2, реализующая предлагаемый способ по п. 1.In FIG. 2 shows a structural diagram of the proposed generation device according to
На фиг. 3 приведена схема комплексного двухполюсника, реализующего на двух частотах оптимальные значения сопротивления нагрузки генератора, схема которого представлена на фиг. 2.In FIG. 3 is a diagram of a complex two-terminal network that realizes at two frequencies the optimal values of the generator load resistance, the circuit of which is shown in FIG. 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 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.The prototype device (Fig. 1) that implements the prototype method contains a direct transmission circuit in the form of a three-pole non-linear element VT-1 connected to a constant voltage source - 2, the first matching filtering device (SFU) -3 (first reactive four-terminal or the first matching four-terminal network) and the oscillating circuit on the elements L-4, R-5, C-6, which is the load - 7. The first SFU-3 is connected between the output electrode of the three-pole nonlinear element and the load. Between the load and the control electrode of the three-pole nonlinear element, the second SFU-9 (second reactive four-terminal or second matching four-terminal) is connected with the first two-terminal - 8 connected to its input and 10 with the second two-terminal output with complex resistances in the transverse circuits. All this together forms an external feedback circuit. The first two-terminal - 8 is connected to the load. The second two-terminal - 10 is connected to the control electrode of a three-pole nonlinear element.
Принцип действия устройства генерации высокочастотных сигналов (прототипа), реализующего способ-прототип, состоит в следующем.The principle of operation of the device for generating high-frequency signals (prototype) that implements the prototype method is as follows.
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.When you turn on the DC voltage source - 2 due to the abrupt change in the amplitude in the entire circuit, oscillations occur, the spectrum of which occupies the entire frequency radio range. The amplitudes of these oscillations decay quickly. However, due to the presence of external feedback, matching with the first reactive four-terminal device - 3 output electrodes of a three-pole nonlinear element and load (direct transfer circuit), matching with a feedback circuit (first two-terminal device - 8 with complex resistance, second reactive four-terminal device - 9 and the second bipolar - 10 with complex resistance) of the load and the control electrode of a three-pole nonlinear element compensates for losses in the circuit L-4, R-5, C-6. Due to this, the feedback becomes positive and the conditions of the balance of phases and amplitudes are realized - the conditions for the excitation of electromagnetic oscillations. As a result, the oscillation with a frequency equal to the resonant frequency of the oscillatory circuit is supplied to the control electrode of a three-pole nonlinear element, which at the initial stage operates in amplification mode. The amplitude of this oscillation is amplified until it increases to a level at which the limiting state of a three-pole nonlinear element occurs. The stationary mode of generation sets in.
Недостатки способа-прототипа и устройства его реализации описаны выше.The disadvantages of the prototype method and device for its implementation are described above.
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 an, bn, cn, dn на заданных частотах генерируемых сигналов и трехполюсного нелинейного элемента - 1 с известными элементами смешанной матрицы H
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.The proposed device operates as follows.
При включении источника постоянного напряжения - 2 (на фиг. 2 не показан) в силу скачкообразного изменения амплитуды во всей цепи возникают колебания, спектр которых занимает весь частотный радиодиапазон. Амплитуды этих колебаний быстро затухают. Однако, благодаря наличию внешней обратной связи и в силу указанного выбора значений параметров R1, C, L, R2 и схемы формирования двухполюсника - 14 (фиг. 3) обратная связь становится положительной что эквивалентно возникновению в цепи отрицательного сопротивления (h11 и h22), которое компенсирует потери во всей цепи одновременно на двух заданных частотах. Поэтому амплитуды колебаний с заданными частотами усиливаются до определенных уровней и затем ограничиваются. Благодаря этому, колебания с заданными двумя частотами усиливаются до момента увеличения амплитуд этих колебаний до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики. Наступает стационарный режим. Окончательно в результате взаимодействия сигналов на двух частотах с нелинейным элементом в режиме генерации возникают продукты нелинейного взаимодействия с комбинационными частотами ωn=Iω1±Кω2, I,К=0,1,2…. Так как нагрузка и четырехполюсники - 11, 12 выбраны комплексными, то это приводит к увеличению области физической реализуемости стационарного режима генерации на заданном количестве частот.When you turn on the constant voltage source - 2 (not shown in Fig. 2) due to the abrupt change in the amplitude, oscillations arise in the entire circuit, the spectrum of which occupies the entire frequency radio frequency range. The amplitudes of these oscillations decay quickly. However, due to the presence of external feedback and due to the indicated choice of the values of the parameters R 1 , C, L, R 2 and the two-terminal formation scheme - 14 (Fig. 3), the feedback becomes positive, which is equivalent to the occurrence of negative resistance in the circuit (h 11 and h 22 ), which compensates for losses in the entire circuit simultaneously at two given frequencies. Therefore, the oscillation amplitudes with given frequencies are amplified to certain levels and then limited. Due to this, the oscillations with the given two frequencies are amplified until the amplitudes of these oscillations increase to a level at which the amplitude goes beyond the quasilinear section of the current-voltage characteristic. There is a stationary mode. Finally, as a result of the interaction of signals at two frequencies with a nonlinear element in the generation mode, products of nonlinear interaction with combination frequencies ω n = Iω 1 ± Kω 2 , I, K = 0,1,2 ... arise. Since the load and the quadripoles - 11, 12 are selected complex, this leads to an increase in the field of physical realizability of the stationary generation mode at a given number of frequencies.
Докажем возможность реализации указанных свойств.Let us prove the feasibility of implementing these properties.
Пусть цепь прямой передачи, состоящая из каскадно-соединенных между собой трехполюсного нелинейного элемента и КЧ, подключена к цепи обратной связи по последовательно-параллельной схеме (фиг. 2). Введем обозначения зависимостей сопротивления источника сигнала в режиме усиления z0=r0+jx0, нагрузки zn=rn+jxn и известных зависимостей элементов смешанной матрицы H трехполюсного нелинейного элемента
, ,
где Where
Комплексный четырехполюсник (КЧ) характеризуется матрицей передачи:The complex four-terminal network (CC) is characterized by a transfer matrix:
где a, b, c, d - комплексные элементы классической матрицы передачи.where a, b, c, d are complex elements of the classical transfer matrix.
Для цепи прямой передачи элементы ненормированной классической матрицы передачи получаются путем перемножения матриц передачи (2) и (1):For the direct transmission chain, the elements of the non-normalized classical transmission matrix are obtained by multiplying the transmission matrices (2) and (1):
Соответствующие элементы смешанной матрицей H цепи прямой передачи (вторые слагаемые в (4)) и элементы смешанной матрицей H цепи ОС складываются:The corresponding elements of the mixed matrix H of the direct transmission chain (second terms in (4)) and the elements of the mixed matrix H of the OS chain are added:
где |a|=a11a22-a12a21.where | a | = a 11 a 22 -a 12 a 21 .
Ненормированные элементы матрицы передачи всего устройства:Unnormalized transfer matrix elements of the entire device:
где |h|=h11h22-h12h21. С учетом условий нормировки получим общую нормированную матрицу передачи всего устройства:where | h | = h 11 h 22 -h 12 h 21 . Taking into account the normalization conditions, we obtain the general normalized transfer matrix of the entire device:
Передаточная функция генератора в режиме усиления:Generator transfer function in gain mode:
Знаменатель (7) можно привести к виду, соответствующему иммитансному критерию устойчивости (Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. М - Л.: ГЭИ, 1962, 192 с.):The denominator (7) can be reduced to the form corresponding to the immitance stability criterion (Kulikovsky A.A. Stability of active linearized circuits with amplifiers of a new type. M - L .: SEI, 1962, 192 pp.):
Первое слагаемое - это комплексное сопротивление пассивной части (сопротивление источника сигнала в режиме усиления). Второе слагаемое - это входное сопротивление активной части устройства (остальной части генератора справа от z0). Иммитансный критерий устойчивости (8) соответствует балансу амплитуд и фаз (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы.: М.: «Дрофа», 2006, с. 386):The first term is the complex resistance of the passive part (the resistance of the signal source in amplification mode). The second term is the input resistance of the active part of the device (the rest of the generator to the right of z 0 ). The immitance stability criterion (8) corresponds to the balance of amplitudes and phases (I. Gonorovsky, Radio engineering circuits and signals: M .: “Drofa”, 2006, p. 386):
Из равенства нулю знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления можно найти ограничение на любую из используемых величин, например на zнn:From the fact that the denominator of the transmission coefficient in gain mode is equal to zero, one can find a restriction on any of the quantities used, for example, on z нn :
Решение (10) имеет смысл зависимостей величин zm от частоты, оптимальных по критерию обеспечения генерации сигнала во всем спектре частот. Сопротивление z0n может быть выбрано произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. Индекс n необходимо ввести и в другие обозначения физических величин, явным образом зависящих от частоты. Физический смысл решения (10) состоит также в том, что частотная зависимость комплексного сопротивления источника сигнала в режиме усиления должна быть равной частотной зависимости входного комплексного сопротивления остальной части генератора слева от zн, взятой с обратным знаком. При этом обеспечивалась бы генерация на всем спектре частот. Однако реализация (10) в сплошной, даже очень узкой полосе частот, не возможна.Solution (10) makes sense of the dependences of the values of z m on the frequency, optimal according to the criterion of ensuring signal generation in the entire frequency spectrum. The resistance z 0n can be chosen arbitrarily or on the basis of any other physical considerations. The index n must also be introduced in other notation of physical quantities that explicitly depend on the frequency. The physical meaning of solution (10) also consists in the fact that the frequency dependence of the complex resistance of the signal source in the amplification mode should be equal to the frequency dependence of the input complex resistance of the rest of the generator to the left of z n , taken with the opposite sign. In this case, generation would be ensured over the entire frequency spectrum. However, the implementation of (10) in a continuous, even very narrow frequency band, is not possible.
Для реализации оптимальной аппроксимации (10) на конечном числе частот методом интерполяции необходимо сформировать двухполюсник с сопротивлением zнn из не менее, чем 2N (n=1,2…N; N - число частот интерполяции) элементов типа R, L, C, найти выражения для его сопротивления, приравнять его оптимальным значениям сопротивлений двухполюсника на заданных частотах, определенным по формулам (10), и решить сформированную таким образом систему 2N уравнений относительно 2N выбранных параметров R, L, C. Значения параметров остальных элементов могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений, например, из условия физической реализуемости.To implement the optimal approximation (10) on a finite number of frequencies by interpolation, it is necessary to form a two-terminal network with a resistance z нn of at least 2N (n = 1,2 ... N; N is the number of interpolation frequencies) of elements of type R, L, C, find expressions for its resistance, equate it with the optimal values of the two-terminal resistances at the given frequencies, determined by formulas (10), and solve the system of 2N equations thus formed with respect to the 2N selected parameters R, L, C. The values of the parameters of the remaining elements can be selected by randomly or on the basis of any other physical considerations, for example, from the condition of physical realizability.
Пусть двухполюсник с сопротивлением zн сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1, катушки с индуктивностью L, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z0=R0+jX0 и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2 и конденсатора с емкостью С (фиг. 3). Комплексное сопротивление этого двухполюсника:Let a two-terminal device with resistance z n be formed from a series-connected first resistive two-terminal device with resistance R 1 , an inductor L, an arbitrary complex two-terminal device with resistance Z 0 = R 0 + jX 0 and a second resistive two-terminal device with resistance R 2 and a capacitor connected in parallel with capacity C (Fig. 3). The complex resistance of this bipolar:
Разделим в (11) между собой действительную и мнимую части и составим систему четырех уравнений:We divide in (11) the real and imaginary parts and compose a system of four equations:
Решение:Decision:
где Where
r1=Rr1-R01, r2=Rr2-R02, x1=Xr1-X01, x2=Xr2-X02; Rr1, Rr2, Xr1, Xr2 - оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления zнn нагрузки на двух частотах: Rvn=Re(zнn); Xvn=Im(zнn); n=1,2 - номера заданных частот fn; ωn=2πfn.r 1 = R r1 -R 01 , r 2 = R r2 -R 02 , x 1 = X r1 -X 01 , x 2 = X r2 -X 02 ; R r1 , R r2 , X r1 , X r2 - the optimal values of the real and imaginary components of the resistance z nn of the load at two frequencies: R vn = Re (z нn ); X vn = Im (z nn ); n = 1,2 - numbers of the given frequencies f n ; ω n = 2πf n .
Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик сопротивления источника сигнала генератора в режиме усиления (10) с помощью (11), (13), обеспечивает реализацию условия баланса амплитуд и баланса фаз одновременно на двух заданных частотах. В результате взаимодействия сигналов на двух частотах с нелинейным элементом в режиме генерации возникают продукты нелинейного взаимодействия с комбинационными частотами ωn=Iω1±Кω2, I,К=0,1,2….The implementation of optimal approximations of the frequency characteristics of the resistance of the source of the generator signal in the amplification mode (10) using (11), (13), provides the implementation of the condition of the balance of amplitudes and phase balance simultaneously at two given frequencies. As a result of the interaction of signals at two frequencies with a nonlinear element in the generation mode, products of nonlinear interaction arise with Raman frequencies ω n = Iω 1 ± Kω 2 , I, K = 0,1,2 ....
Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений неизвестны способ и устройство генерации высокочастотных колебаний, обеспечивающие генерацию сигналов на заданном количестве частот при использовании произвольных комплексных четырехполюсников в цепи прямой передачи и цепи обратной связи и оптимального первого комплексного двухполюсников в качестве нагрузки, показанного на фиг. 3, причем цепь прямой передачи выполнена из каскадно-соединенных комплексного четырехполюсника и трехполюсного нелинейного элемента и соединена с цепью обратной связи по последовательно-параллельной схеме (фиг. 2), а сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления реализовано произвольным вторым комплексным двухполюсником, Значения параметров первого комплексного двухполюсника выбраны в соответствии со специальными математическими выражениями.The proposed technical solutions are new, since the method and device for generating high-frequency oscillations that generate signals at a given number of frequencies when using arbitrary complex four-terminal circuits in the direct transmission and feedback circuits and the optimal first complex two-terminal circuit as the load shown in FIG. . 3, and the direct transmission circuit is made of a cascade-connected complex four-pole and a three-pole nonlinear element and is connected to the feedback circuit in a serial-parallel circuit (Fig. 2), and the resistance of the generator signal source in the amplification mode is realized by an arbitrary second complex two-pole, Parameter values the first complex two-terminal are selected in accordance with special mathematical expressions.
Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (выполнение устройства генерации в виде, показанном на фиг. 2, выполнение четырехполюсников в цепи прямой передачи и цепи обратной связи комплексными, использовании оптимальной нагрузки (первого двухполюсника комплексным сопротивлением), формирования первого комплексного двухполюсника из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1, катушки с индуктивностью L, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z0=R0+jX0 и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2 и конденсатора с емкостью С (фиг. 3),, выбора значений параметров R1, C, L, R2 из условия обеспечения стационарного режима генерации на двух частотах при неизменном состоянии нелинейного трехполюсного элемента), обеспечивает одновременно формирование высокочастотных сигналов на заданных частотах при постоянной амплитуде источника постоянного напряжения и расширение области физической реализуемости.The proposed technical solutions have an inventive step, since it does not explicitly follow from the published scientific data and the known technical solutions that the claimed sequence of operations (the implementation of the generation device in the form shown in Fig. 2, the execution of the four-terminal circuits in the direct transmission and feedback circuits are complex, using the optimal load (the first two-terminal with complex resistance), the formation of the first complex two-terminal from series-connected first ezistivnogo two-terminal resistance R 1, the coil with inductance L, two-terminal network with arbitrary complex impedance Z 0 = R 0 0 + jX and connected in parallel between a second two-terminal resistive with a resistance R 2 and a capacitor with capacitance C (FIG. 3) ,, selection values of the parameters R 1, C, L, R 2 provide conditions of steady state lasing at two frequencies at a constant state of the nonlinear three-pole element) provides simultaneous formation of high-frequency signals at predetermined frequencies at a constant constant amplitude DC voltage and expanding the field of physical realizability.
Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью нелинейные трехполюсные элементы (лампы или транзисторы), индуктивности, резисторы и емкости, сформированные в заявленную схему генератора. Оптимальные значения параметров индуктивностей, резистивных элементов и емкостей, входящих в схему формирования первого комплексного двухполюсника, могут быть однозначно определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.The proposed technical solutions are practically applicable, since nonlinear three-pole elements (lamps or transistors), inductors, resistors and capacitances formed in the declared generator circuit can be used commercially available from the industry. The optimal values of the parameters of inductances, resistive elements and capacitances included in the circuit for the formation of the first complex two-terminal network can be uniquely determined using mathematical expressions given in the claims.
Технико-экономическая эффективность предложенных способа и устройства заключается в одновременном обеспечении генерации высокочастотного сигнала на заданном количестве частот за счет выбора схемы и значений параметров элементов R, L, C первого комплексного двухполюсника по критерию обеспечения условий баланса фаз и амплитуд на этих частотах при неизменном состоянии нелинейного трехполюсного элемента, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать средства радиосвязи, функционирующие на заданном количестве радиоканалах при оптимальных характеристиках нагрузки.The technical and economic efficiency of the proposed method and device consists in simultaneously ensuring the generation of a high-frequency signal at a given number of frequencies by selecting the circuit and parameter values of the elements R, L, C of the first complex two-terminal network according to the criterion of ensuring the conditions of phase balance and amplitudes at these frequencies with a non-linear state a three-pole element, which allows you to generate complex signals and create radio communications that operate on a given number of radio channels with ptimalnyh characteristics of the load.
Claims (2)
где
an, bn, cn, dn - заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах; , , , - заданные значения комплексных элементов смешанной матрицы H трехполюсного нелинейного элемента в цепи прямой передачи на заданных частотах; , , , - заданные значения комплексных элементов смешанной матрицы H комплексного четырехполюсника цепи обратной связи на заданных частотах; z0n - заданные значения комплексных сопротивлений источника сигнала генератора в режиме усиления на заданных частотах; n=1, 2…N - номера заданных частот.1. The method of generating high-frequency signals based on the conversion of the energy of a constant voltage source into the energy of a high-frequency signal, the interaction of a high-frequency signal with a direct transmission circuit made of a three-pole nonlinear element and a four-terminal, load and external feedback circuit, the fulfillment of the excitation conditions in the form of a balance of amplitudes and phase balance, respectively determining the amplitude and frequency of the generated high-frequency signals, matching conditions of the direct transmission circuit with heat different conditions of the load matching with the control electrode of a three-pole nonlinear element, characterized in that the direct transmission circuit is made of cascade-connected complex four-terminal and three-pole non-linear element, the load is performed in the form of the first two-terminal with complex resistance, an arbitrary complex circuit is used as the external feedback circuit a four-terminal connected to a direct transmission circuit in series-parallel circuit, a direct transmission circuit and a feedback circuit a single node is cascaded between the introduced second two-terminal with complex resistance, simulating the resistance of the generator signal source in the amplification mode, and the load, the excitation conditions in the form of a balance of amplitudes and phase balance and matching conditions are simultaneously satisfied at a given number of frequencies by choosing the values of the resistance of the first two-terminal, realizing the resistance z нn of the load, from the condition of providing a stationary generation mode in the form of equality to zero of the denominator of the transfer coefficient in p gain mode simultaneously at all given frequencies of the generated high-frequency signals with a constant amplitude of the constant voltage source in accordance with the following mathematical expressions:
Where
a n , b n , c n, d n - given values of the complex elements of the classical transmission matrix of a complex four-terminal network in a direct transmission circuit at given frequencies; , , , - setpoints of complex elements of a mixed matrix H of a three-pole nonlinear element in a direct transmission circuit at given frequencies; , , , - setpoints of the complex elements of the mixed matrix H of a complex quadrupole feedback circuit at given frequencies; z 0n - set values of the complex resistances of the signal source of the generator in the amplification mode at specified frequencies; n = 1, 2 ... N - numbers of the given frequencies.
где
r1=Rr1-R01, r2=Rr2-R02, x1=Xr1-X01, x2=Xr2-X02; Rvn=Re(zнn); Xvn=Im(zнn);
an, bn, cn, dn - заданные значения комплексных элементов классической матрицы передачи комплексного четырехполюсника в цепи прямой передачи на заданных частотах fn; ωn=2πfn; , , , - заданные значения комплексных элементов смешанной матрицы H трехполюсного нелинейного элемента в цепи прямой передачи на заданных частотах; , , , - заданные значения комплексных элементов смешанной матрицы H комплексного четырехполюсника цепи обратной связи на заданных частотах; z0n - заданные значения комплексных сопротивлений источника сигнала генератора в режиме усиления на заданных частотах; Rr1, Rr2, Xr1, Xr2 - оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления zнn нагрузки на двух частотах; n=1, 2 - номера заданных частот. 2. A device for generating high-frequency signals, consisting of a constant voltage source, a direct transmission circuit of a three-pole nonlinear element and a four-terminal network, a load and an external feedback circuit, characterized in that the direct transmission circuit is made of cascade-connected complex four-terminal and a three-pole nonlinear element, load made in the form of the first two-terminal with complex resistance, an arbitrary complex four-terminal is used as an external feedback circuit, under connected to the direct transfer circuit in a serial-parallel circuit, the direct transfer circuit and the feedback circuit as a single node are cascaded between the introduced second two-terminal with complex resistance, simulating the resistance of the generator signal source in amplification mode, and the load, the first two-terminal with complex resistance z нn made of series-connected first resistive bipolar with resistance R 1 , coil with inductance L, arbitrary complex bipolar with resistance Z 0 = R 0 + jX 0 and in parallel connected to each other a second resistive bipolar with resistance R 2 and a capacitor with capacitance C, and the parameter values are determined from the condition that the denominator of the transmission coefficient at two frequencies is equal to zero using the following mathematical expressions:
Where
r 1 = R r1 -R 01 , r 2 = R r2 -R 02 , x 1 = X r1 -X 01 , x 2 = X r2 -X 02 ; R vn = Re (z nn ); X vn = Im (z nn );
a n , b n , c n , d n - given values of the complex elements of the classical transmission matrix of a complex four-terminal network in a direct transmission circuit at given frequencies f n ; ω n = 2πf n ; , , , - setpoints of complex elements of a mixed matrix H of a three-pole nonlinear element in a direct transmission circuit at given frequencies; , , , - setpoints of the complex elements of the mixed matrix H of a complex quadrupole feedback circuit at given frequencies; z 0n - set values of the complex resistances of the signal source of the generator in the amplification mode at specified frequencies; R r1 , R r2 , X r1 , X r2 - the optimal values of the real and imaginary components of the resistance z nn load at two frequencies; n = 1, 2 - numbers of the given frequencies.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014154188/08A RU2595928C1 (en) | 2014-12-29 | 2014-12-29 | Method of generating high-frequency signals and device therefor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014154188/08A RU2595928C1 (en) | 2014-12-29 | 2014-12-29 | Method of generating high-frequency signals and device therefor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2595928C1 true RU2595928C1 (en) | 2016-08-27 |
Family
ID=56892036
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014154188/08A RU2595928C1 (en) | 2014-12-29 | 2014-12-29 | Method of generating high-frequency signals and device therefor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2595928C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5392009A (en) * | 1993-12-22 | 1995-02-21 | American Nucleonics Corporation | Low current vector modulator |
RU2403672C2 (en) * | 2007-06-26 | 2010-11-10 | Вадим Георгиевич Прокопенко | Generator of chaotic oscillations |
RU2486638C1 (en) * | 2011-11-15 | 2013-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method of generating high-frequency signals and apparatus for realising said method |
-
2014
- 2014-12-29 RU RU2014154188/08A patent/RU2595928C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5392009A (en) * | 1993-12-22 | 1995-02-21 | American Nucleonics Corporation | Low current vector modulator |
RU2403672C2 (en) * | 2007-06-26 | 2010-11-10 | Вадим Георгиевич Прокопенко | Generator of chaotic oscillations |
RU2486638C1 (en) * | 2011-11-15 | 2013-06-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method of generating high-frequency signals and apparatus for realising said method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2486638C1 (en) | Method of generating high-frequency signals and apparatus for realising said method | |
RU120515U1 (en) | HIGH-FREQUENCY SIGNAL GENERATOR | |
RU2496222C2 (en) | Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method | |
RU2496192C2 (en) | Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method | |
RU2486639C1 (en) | Method for generation and frequency-modulation of high-frequency signals and apparatus for realising said method | |
RU2462811C2 (en) | High-frequency signal generation method, and device for its implementation | |
RU2599352C2 (en) | Method of generating high-frequency signals and device therefor | |
RU2599531C2 (en) | Method for generating and frequency modulating high-frequency signals and respective device | |
RU2494527C2 (en) | Method to generate high-frequency signals and device for its realisation | |
RU2589305C1 (en) | High-frequency signal generation method and device for its implementation | |
RU117236U1 (en) | DEVICE FOR GENERATION AND FREQUENCY MODULATION OF HIGH FREQUENCY SIGNALS | |
RU2595928C1 (en) | Method of generating high-frequency signals and device therefor | |
RU2595571C2 (en) | Method for generating and frequency modulating high-frequency signals and respective device | |
RU2598689C2 (en) | Method of generating high-frequency signals and device therefor | |
RU2587434C1 (en) | Method of generating high-frequency signals and apparatus therefor | |
RU2592423C2 (en) | High-frequency signal generation method and device for its implementation | |
RU2589407C1 (en) | Method of generating high-frequency signals and device therefor | |
RU2568375C1 (en) | Method for generation and frequency modulation of high-frequency signals and apparatus therefor | |
RU2568379C1 (en) | Generation method of high-frequency signals and device for its implementation | |
RU2475934C1 (en) | Method to generate high-frequency signals | |
RU2709602C1 (en) | Method for generation of high-frequency signals and device for its implementation | |
RU2592401C1 (en) | High-frequency signal generation method and device for its implementation | |
RU2568374C1 (en) | Method of generating high-frequency signals and apparatus therefor | |
RU2698543C1 (en) | Method for generation of high-frequency signals and device for its implementation | |
RU2461952C1 (en) | Method for generating high-frequency signals and device for its realisation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161230 |