RU2599963C2

RU2599963C2 - Method for generating and frequency modulating high-frequency signals and respective device

Info

Publication number: RU2599963C2
Application number: RU2015107413/08A
Authority: RU
Inventors: Александр Афанасьевич Головков; Александр Владиславович Рагозин; Александр Александрович Чаплыгин; Александр Германович Волобуев
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2016-10-20
Also published as: RU2015107413A

Abstract

FIELD: wireless communications.

SUBSTANCE: invention relates to radio communication. Method for generation and frequency modulation of high-frequency signals is characterised by that four-terminal element is resistive, external feedback circuit used is an arbitrary four-terminal element, series-connected to three-pole nonlinear element, three-pole nonlinear element and feedback circuit as integral unit cascade include between output of resistive four-terminal element and load, load is made in form of first bi-pole with complex resistance, to input of the resistive four-pole element in transverse circuit is connected second bi-pole with complex resistance imitating signal source resistance of generator in amplification mode, excitation conditions in form of amplitude and phase balance and matching conditions are made at quasi-linear dependence of generation frequency of amplitude of control signal.

EFFECT: technical result consists in improvement of efficiency of devices for generation and frequency modulation owing to increasing linear section of frequency modulation characteristic at arbitrary characteristics of nonlinear element.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретения относятся к областям радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоэлектронной борьбы и могут быть использованы для создания устройств генерации и частотной модуляции с увеличенным линейным участком частотной модуляционной характеристики при произвольных характеристиках нелинейного элемента, цепи внешней обратной связи и параметрах резистивного четырехполюсника.The invention relates to the fields of radio communication, radar, radio navigation and electronic warfare and can be used to create devices for generating and frequency modulation with an increased linear portion of the frequency modulation characteristic for arbitrary characteristics of a nonlinear element, an external feedback circuit, and parameters of a resistive four-terminal device.

Известен способ генерации и частотной модуляции высокочастотного сигнала, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, организации внутренней обратной связи в первом 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 первого нелинейного элемента с нагрузкой, изменении частоты генерируемого высокочастотного сигнала путем изменения баланса фаз за счет изменения параметра второго нелинейного элемента, включенного в избирательную нагрузку, по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего (первичного, информационного) сигнала [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М: «Дрофа»., 2006, с. 414-417, 434-437].A known method of generating and frequency modulating 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 the first non-linear element by using a bipolar non-linear element with negative differential resistance as it, fulfilling 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 signal, and s approval of the first non-linear element to the load, changing the frequency of the high frequency signal generated by changing the phase balance by changing the parameter of the second non-linear element included in the selective loading according to the law of change of amplitude of low-frequency control (primary, informational) signals [IS Gonorovsky Radio circuits and signals. - M: “Bustard.”, 2006, p. 414-417, 434-437].

Известно устройство генерации и частотной модуляции 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 с включенным варикапом, подключенным к источнику управляющего сигнала, при этом параметры контура, двухполюсного нелинейного элемента и варикапа выбраны из условия обеспечения заданных амплитуды и диапазона изменения частоты генерируемого высокочастотного сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего (первичного, информационного) сигнала [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Дрофа», 2006, с. 414-417, 434-437].A device for generating and frequency modulating 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 reactive four-terminal, load in the form of a parallel oscillatory circuit with a varicap connected to the control signal source , while the parameters of the circuit, bipolar nonlinear element and varicap selected anes conditions of maintenance of the set amplitude and frequency change range generated by the high frequency signal by the low frequency control law of the amplitude change (primary, informational) signals [IS Gonorovsky Radio circuits and signals. - M.: “Bustard”, 2006, p. 414-417, 434-437].

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. В этом режиме изменение емкости варикапа под действием управляющего сигнала приводит к изменению частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного сигнала.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 a 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. In this mode, a change in the capacitance of a varicap under the action of a control signal leads to a change in the frequency of the generated signal according to the law of change in the amplitude of the low-frequency signal.

Недостатком способа и устройства является наличие двух нелинейных элементов, один из которых работает в качестве усилителя и ограничителя, а второй используется для изменения частоты генерируемого высокочастотного сигнала.The disadvantage of this method and device is the presence of two non-linear elements, one of which works as an amplifier and limiter, and the second is used to change the frequency of the generated high-frequency signal.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ генерации и частотной модуляции высокочастотного сигнала, основанный на преобразовании энергии источника постоянного напряжения в энергию высокочастотного сигнала, построении цепи прямой передачи между выходным электродом трехполюсного нелинейного элемента и нагрузкой, 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 трехполюсного нелинейного элемента с нагрузкой, изменении частоты генерируемого высокочастотного сигнала путем изменения баланса фаз за счет изменения параметра двухполюсного нелинейного элемента, включенного в избирательную нагрузку, по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего (первичного, информационного) сигнала [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Дрофа», 2006, с. 434-437].The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is a method for generating and frequency modulating a high-frequency signal, based on converting the energy of a constant voltage source into energy of a high-frequency signal, building a direct transfer circuit between the output electrode of a three-pole nonlinear element and the load, organizing external positive feedback between the load and the control electrode of a three-pole nonlinear element, the fulfillment of the excitation conditions in the form of ba the amplitude balance and the phase balance, which respectively determine the amplitude and frequency of the generated high-frequency signal, and the conditions for matching the three-pole nonlinear element with the load, change the frequency of the generated high-frequency signal by changing the phase balance by changing the parameter of the two-pole nonlinear element included in the selective load, according to the law of amplitude change low-frequency control (primary, informational) signal [Gonorovsky I.S. Radio circuits and signals. - M.: “Bustard”, 2006, p. 434-437].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство генерации и частотной модуляции высокочастотного сигнала, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики транзистора, цепи прямой передачи в виде первого четырехполюсника для согласования выходного электрода транзистора и нагрузки, нагрузки в виде параллельного колебательного контура, в который включен варикап, подключенный к источнику управляющего сигнала, RC-цепи внешней положительной обратной связи (в общем виде - второго четырехполюсника для согласования управляющего электрода транзистора и нагрузки) между нагрузкой и управляющим электродом транзистора, при этом параметры контура, цепи прямой передачи, цепи обратной связи, транзистора и варикапа выбраны из условия обеспечения заданных амплитуды и диапазона изменения частоты генерируемого высокочастотного сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего (первичного, информационного) сигнала [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Дрофа», 2006, с. 434-437].The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is a device for generating and frequency modulating a high-frequency signal, consisting of a constant voltage source that sets an operating point in the middle of the quasilinear section of the transient current-voltage characteristic of the transistor, a direct transmission circuit in the form of a first four-terminal device for matching the output transistor electrode and loads, loads in the form of a parallel oscillatory circuit, which includes a varicap connected to the source of the control signal, the RC circuit of the external positive feedback (in general, the second four-terminal network for matching the control electrode of the transistor and the load) between the load and the control electrode of the transistor, while the parameters of the circuit, direct current circuit, feedback circuit, transistor and varicap are selected from the condition of providing the specified amplitude and frequency range of the generated high-frequency signal according to the law of changing the amplitude of the low-frequency control (primary, information) signal [Honorovsky I.S. Radio circuits and signals. - M.: “Bustard”, 2006, p. 434-437].

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 внешней положительной обратной связи колебание с частотой, равной резонансной частоте колебательного контура, поступает на управляющий электрод транзистора, который в силу согласования с помощью двух четырехполюсников начинает работать в режиме усиления до момента увеличения амплитуды этого колебания до уровня, при котором наступает режим насыщения (ограничения амплитуды). Наступает стационарный режим. В этом режиме изменение емкости варикапа под действием управляющего сигнала приводит к изменению частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного сигнала.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 an external 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 help of two four-terminal devices, starts to operate in the amplification mode until the amplitude of this oscillation increases to the level at which the mode saturation (amplitude limits). There is a stationary mode. In this mode, a change in the capacitance of a varicap under the action of a control signal leads to a change in the frequency of the generated signal according to the law of change in the amplitude of the low-frequency signal.

Недостатки этих способа и устройства состоят в необходимости использования двух нелинейных элементов (одного для усиления и ограничения амплитуды, второго для изменения частоты) и малом линейном участке модуляционной характеристики в силу малости линейного участка вольт-фарадной характеристики варикапа. Кроме того, не указывается, каким образом необходимо выбирать значения параметров согласующих устройств, при которых наступает режим возбуждения и стационарный режим. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств генерации и частотной модуляции в диапазонах ВЧ и УВЧ, на которых, кроме того, обязательно нужно учитывать реактивные составляющие параметров нелинейных элементов. В настоящее время классическая теория радиотехнических цепей это не учитывает. Кроме того, частотную модуляцию можно обеспечить при наличии резистивных четырехполюсников, параметры которых не зависят от частоты в достаточно большом диапазоне частот, что позволяет увеличить квазилинейный участок частотной модуляционной характеристики.The disadvantages of this method and device are the need to use two nonlinear elements (one to enhance and limit the amplitude, the second to change the frequency) and a small linear section of the modulation characteristic due to the smallness of the linear section of the capacitance-voltage characteristic of the varicap. In addition, it does not indicate how it is necessary to select the values of the parameters of the matching devices at which the excitation mode and the stationary mode occur. This question arises especially sharply when designing generation and frequency modulation devices in the HF and UHF bands, on which, in addition, it is necessary to take into account the reactive components of the parameters of nonlinear elements. Currently, the classical theory of radio circuits does not take this into account. In addition, frequency modulation can be achieved with resistive four-terminal devices whose parameters are independent of the frequency in a sufficiently large frequency range, which makes it possible to increase the quasilinear portion of the frequency modulation characteristic.

Техническим результатом изобретения является генерация и частотная модуляция высокочастотного сигнала с помощью устройства с увеличенным квазилинейным участком частотной модуляционной характеристики при использовании одного нелинейного элемента и цепи внешней обратной связи и благодаря наличию резистивного четырехполюсника и согласования с помощью мнимых составляющих сопротивлений нагрузки и источника сигнала генератора и модулятора в режиме усиления, что позволяет создавать эффективные устройства генерации и частотной модуляции. Возможность использования различных вариантов включения трехполюсного нелинейного элемента относительно резистивного четырехполюсника и различных видов обратной связи расширяет возможности физической реализуемости этого результата.The technical result of the invention is the generation and frequency modulation of a high-frequency signal using a device with an enlarged quasilinear portion of the frequency modulation characteristic when using one nonlinear element and an external feedback circuit and due to the presence of a resistive four-terminal network and matching with the imaginary components of the load resistances and the signal source of the generator and modulator in gain mode, which allows you to create efficient generation devices and a frequency module tion. The possibility of using various options for including a three-pole nonlinear element with respect to a resistive four-terminal and various types of feedback expands the possibilities of the physical feasibility of this result.

1. Указанный результат достигается тем, что в известном способе генерации и частотной модуляции 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, изменении частоты генерируемых колебаний по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего сигнала путем соответствующего изменения баланса фаз, дополнительно четырехполюсник выполняют резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный четырехполюсник, последовательно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между выходом резистивного четырехполюсника и нагрузкой, нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, к входу резистивного четырехполюсника 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 выполняют при квазилинейной зависимости частоты генерации от амплитуды управляющего сигнала за счет выбора частотных зависимостей мнимых составляющих сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки х_н из условия обеспечения режима возбуждения генерации в виде равенства нулю мнимой составляющей и равенства неположительному числу δ≤0 действительной составляющей знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления в заданной полосе изменения частоты и заданном диапазоне изменении амплитуды низкочастотного управляющего сигнала в соответствии со следующими математическими выражениями:1. The specified result is achieved by the fact that in the known method of generating and frequency modulating 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 circuit feedback, the fulfillment of the excitation conditions in the form of a balance of amplitudes and a balance of phases, which determine respectively the amplitude and frequency of the generated high-frequency signals, matching conditions of the direct transmission circuit with the load and conditions of matching the load with the control electrode of a three-pole nonlinear element, changing the frequency of the generated oscillations according to the law of changing the amplitude of the low-frequency control signal by correspondingly changing the phase balance, additionally, the four-terminal is made resistive, use as an external feedback circuit arbitrary four-terminal connected in series to a three-pole nonlinear element, tr the non-polar non-linear element and the feedback circuit as a single node cascade between the output of the resistive four-terminal and the load, the load is performed in the form of the first two-terminal with complex resistance, the second two-terminal with complex resistance, simulating the resistance of the generator signal source in the mode, is connected to the input of the resistive four-terminal amplification, excitation conditions in the form of a balance of amplitudes and phase balance and matching conditions are fulfilled with a quasilinear dependence of h simplicity of generation of the control signal amplitude by selecting the frequency dependences of the imaginary components of the signal source resistance mode gain x ₀ and x _n of load conditions to ensure generation of excitation modes as equal to zero and an imaginary component equal to the number of nonpositive δ≤0 real component of the denominator coefficient a gain mode in a given frequency change band and a given range of the amplitude change of the low-frequency control signal in accordance with the following athematic expressions:

;

,

;

,

где X=AB₀-BA₀; Y=AD₀+CB₀-(D-δ)A₀-BC₀; Z=CD₀-(D-δ)C₀;where X = AB ₀ -BA ₀ ; Y = AD ₀ + CB ₀ - (D-δ) A ₀ -BC ₀ ; Z = CD ₀ - (D-δ) C ₀ ;

А₁=r₁₁r₂₂-x₁₁x₂₂-r₁₂r₂₁+x₁₂x₂₁; B₁=r₁₁x₂₂+x₁₁r₂₂-r₁₂x₂₁-x₁₂r₂₁;

,

;

- заданные зависимости отношений соответствующих элементов классической матрицы передачи от частоты на заданной полосе частот; а, b, с, d - элементы классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника; r₀, r_н - заданные зависимости действительных составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки от частоты на заданной полосе частот; x₀, x_н - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот; r₁₁,х₁₁, r₁₂,х₁₂, r₂₁,х₂₁, r₂₂,х₂₂ - заданные суммарные зависимости действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента от частоты в заданной полосе частот при соответствующем изменении амплитуды низкочастотного управляющего сигнала и соответствующих зависимостей действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи от частоты в заданной полосе частот.A ₁ = r ₁₁ r ₂₂ -x ₁₁ x ₂₂ -r ₁₂ r ₂₁ + x ₁₂ x ₂₁ ; B ₁ = r ₁₁ x ₂₂ + x ₁₁ r ₂₂ -r ₁₂ x ₂₁ -x ₁₂ r ₂₁ ;

,

;

- given dependencies of the relations of the corresponding elements of the classical transmission matrix on the frequency in a given frequency band; a, b, c, d - elements of the classical transmission matrix of a resistive four-terminal network; r ₀ , r _n - the given dependences of the actual components of the resistances of the source of the input high-frequency signal of the generator in the amplification and load mode on the frequency in a given frequency band; x ₀ , x _n are the optimal values of the imaginary components of the resistance of the source of the input high-frequency signal of the generator in the amplification and load mode for a given number of frequencies; r ₁₁ , x ₁₁ , r ₁₂ , x ₁₂ , r ₂₁ , x ₂₁ , r ₂₂ , x ₂₂ are the given total dependences of the real and imaginary components of the elements of the resistance matrix of a three-pole nonlinear element on the frequency in a given frequency band with a corresponding change in the amplitude of the low-frequency control signal and corresponding dependences of the real and imaginary constituent elements of the resistance matrix of the external feedback circuit on the frequency in a given frequency band.

2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов, состоящем из источника постоянного напряжения и низкочастотного управляющего сигнала, цепи прямой передачи из трехполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника, нагрузки и цепи внешней обратной связи, дополнительно четырехполюсник выполнен резистивным в виде произвольного соединения резистивных двухполюсников, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный четырехполюсник, последовательно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между выходом резистивного четырехполюсника и нагрузкой, нагрузку выполняют в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, к входу резистивного четырехполюсника в поперечную цепь подключают второй двухполюсник с комплексным сопротивлением, имитирующим сопротивление источника сигнала генератора в режиме усиления, мнимые составляющие сопротивления источника сигнала в режиме усиления х₀ и сопротивления нагрузки х_н реализованы в виде реактивных двухполюсников, выполненных в виде последовательно соединенных параллельного контура из элементов с параметрами L_1k,C_1k и последовательного контура из элементов с параметрами L_2k,C_2k, причем значения этих параметров определены из условия обеспечения стационарного режима генерации на четырех частотах генерируемого сигнала и соответствующих четырех значениях амплитуды низкочастотного управляющего сигнала с помощью следующих математических выражений:2. This result is achieved by the fact that in the device for generating and frequency modulating high-frequency signals, consisting of a constant voltage source and a low-frequency control signal, a direct transmission circuit of a three-pole nonlinear element and a four-terminal, load and external feedback circuit, an additional four-terminal is made resistive in the form arbitrary connection of resistive two-terminal, as an external feedback circuit used an arbitrary four-terminal, sequentially connected connected to a three-pole nonlinear element, the three-pole nonlinear element and the feedback circuit as a single node are cascaded between the output of the resistive four-terminal and the load, the load is performed in the form of the first two-terminal with complex resistance, the second two-terminal with complex resistance is connected to the input of the resistive four-terminal in the transverse circuit, it the resistance of the signal source of the generator in the amplification mode, the imaginary components of the resistance of the signal source in the amplification mode x ₀ and load resistances x _{n are} realized in the form of reactive two-terminal circuits made in the form of series-connected parallel circuit of elements with parameters L _1k , C _1k and series circuit of elements with parameters L _2k , C _2k , and the values of these parameters are determined from the condition of providing a stationary generation mode at the four frequencies of the generated signal and the corresponding four values of the amplitude of the low-frequency control signal using the following mathematical expressions:

где A₃=А₂С₄-А₄С₂; В₃=A₂D₄+В₂С₄-A₄D₂-В₄С₂; С₃=B₂D₄-B₄D₂;where A ₃ = A ₂ C ₄ -A ₄ C ₂ ; B ₃ = A ₂ D ₄ + B ₂ C ₄ -A ₄ D ₂ -B ₄ C ₂ ; C ₃ = B ₂ D ₄ -B ₄ D ₂ ;

,

;

- заданные значения отношений соответствующих элементов классической матрицы передачи на заданных частотах; а, b, с, d - элементы классической матрицы передачи выбранного типового резистивного четырехполюсника; r_0m,r_нm - заданные значения действительных составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот; x_m0,х_mн - оптимальные значения мнимых составляющих сопротивлений источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления и нагрузки на заданном количестве частот; r_11m,x_11m, r_12m,x_12m, r_21m,x_21m, r_22m, x_22m - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента при заданных четырех значениях амплитуды управляющего сигнала и соответствующих действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи на заданных частотах; m=1, 2, 3, 4 - номера частот; δ≤0 - условие возбуждения колебаний; ω_1,2,3,4=2πf_1,2,3,4; f_1,2,3,4 - заданные частоты; k=0,н - индекс, характеризующий принадлежность параметров к формированию двухполюсников с сопротивлениями X_mk=x_mk.

,

;

- the set values of the relations of the corresponding elements of the classical transmission matrix at the given frequencies; a, b, c, d - elements of the classical transmission matrix of the selected typical resistive four-terminal network; r _0m, r _nM - setpoints real components of the input resistance RF generator source mode gain and a load at a predetermined number of frequencies; x _m0 , x _mn are the optimal values of the imaginary components of the resistance of the source of the input high-frequency signal of the generator in the amplification and load mode for a given number of frequencies; r _11m , x _11m , r _12m , x _12m , r _21m , x _21m , r _22m , x _22m - given total values of the real and imaginary components of the resistance matrix of a three-pole nonlinear element for four given values of the amplitude of the control signal and the corresponding real and imaginary components elements of the resistance matrix of the external feedback circuit at given frequencies; m = 1, 2, 3, 4 - frequency numbers; δ≤0 - condition for the excitation of oscillations; ω _1,2,3,4 = 2πf _1,2,3,4 ; f _1,2,3,4 - set frequencies; k = 0, n is the index characterizing the belonging of the parameters to the formation of two-terminal networks with resistances X _mk = x _mk .

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 по п. 2, реализующая предлагаемый способ генерации по п. 1 в режиме усиления.In FIG. 2 shows a structural diagram of the proposed device according to claim 2, which implements the proposed method of generation according to claim 1 in amplification mode.

На фиг. 3 приведена схема реактивного двухполюсника, реализующего мнимые составляющие сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки х_н предлагаемого устройства (фиг. 2).In FIG. 3 shows a diagram of a reactive bipolar, realizing the imaginary components of the resistance of the signal source in the amplification mode x ₀ and load x _{n of the} proposed device (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 нагрузки в виде колебательного контура на элементах L - 4, R - 5, С(t) - 6. Первое СФУ-3 включено между выходным электродом трехполюсного нелинейного элемента и нагрузкой. Управляемая емкость С(t), реализуемая варикапом - 6, подключена к источнику низкочастотного управляющего (информационного) сигнала - 7. 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.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 (the first reactive four-terminal or the first matching four-terminal) and the load in the form of an oscillatory circuit on the elements L - 4, R - 5, C (t) - 6. The first SFU-3 is connected between the output electrode of the three-pole nonlinear element and the load. The controlled capacitance C (t) sold by the varicap - 6 is connected to the source of the low-frequency control (information) signal - 7. 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 it the input of the first two-terminal - 8 and the output of the second two-terminal - 10 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 и модуляции высокочастотных сигналов (прототипа), реализующего способ-прототип, состоит в следующем.The principle of operation of the device for generating and modulating 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(t) - 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. В этом режиме изменение емкости варикапа С(t) - 6 под действием управляющего сигнала источника - 7 приводит к изменению частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды этого сигнала.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 (t) - 6. Due to this, the reverse I the connection becomes positive and the conditions for 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. In this mode, a change in the capacitance of the varicap C (t) - 6 under the action of the control signal of the source - 7 leads to a change in the frequency of the generated signal according to the law of the amplitude of this signal.

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 трехполюсный нелинейный элемент - 1 с известными элементами матрицы сопротивлений

,

на заданных частотах генерируемых сигналов, подключенный к источнику постоянного напряжения и низкочастотного управляющего сигнала - 2 и соединенный по высокой частоте последовательно (входы соединены последовательно и выходы - последовательно) с цепью внешней обратной связи, выполненной в виде произвольного четырехполюсника - 14, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Четырехполюсник - 14 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы сопротивлений

,

на заданных частотах (m=1, 2 - номер частоты). Трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единое целое каскадно включены между выходом резистивного четырехполюсника - 12 и нагрузкой - 13 с заданными сопротивлениями z_нm=r_нm+jx_нm на заданных частотах. К входу четырехполюсника - 12 подключен источник входного высокочастотного сигнала в режиме усиления с сопротивлением z_0m=r_0m+jx_0m-11 на заданных частотах, имитирующим сопротивление источника высокочастотных колебаний, возникающих при включении источника постоянного напряжения - 2 в момент скачкообразного изменения амплитуды его напряжения в режиме генерации. Четырехполюсник - 12 также может быть выполнен в виде произвольного соединения произвольного количества резистивных двухполюсников. Этот четырехполюсник описывается известными элементами классической матрицы передачи a, b, c, d. Синтез генератора (выбор оптимальных частотных зависимостей мнимых составляющих сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки х_н) осуществлен по критерию обеспечения режима возбуждения генерации в виде равенства нулю мнимой составляющей и равенства неположительному числу δ≤0 действительной составляющей знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления в заданной полосе изменения частоты и заданном диапазоне изменении амплитуды низкочастотного управляющего сигнала. Реализация этих частотных характеристик осуществлена путем выбора схем формирования этих двухполюсников (фиг. 3) и значений параметров их элементов по критерию совпадения их частотных характеристик и оптимальных на четырех заданных частотах. В результате реализуется увеличенный квазилинейный участок частотной модуляционной характеристики. В режиме генерации и частотной модуляции источник входного высокочастотного сигнала отключается и вместо него устанавливается короткозамыкающая перемычка.The proposed device according to p. 2 (Fig. 2), which implements the proposed method according to p. 1, contains a three-pole nonlinear element - 1 with known elements of the resistance matrix

,

at given frequencies of generated signals, connected to a constant voltage source and a low-frequency control signal - 2 and connected at a high frequency in series (inputs are connected in series and outputs - in series) with an external feedback circuit made in the form of an arbitrary four-terminal - 14, formed in the general case on bipolar with complex resistances. The four-terminal - 14 is also characterized by the known values of the elements of the resistance matrix

,

at given frequencies (m = 1, 2 - frequency number). A three-pole nonlinear element and a feedback circuit as a whole are cascaded between the output of the resistive four-terminal - 12 and the load - 13 with the given resistances z _нm = r _нm + jx _нm at the given frequencies. An input of a high-frequency signal in a gain mode with a resistance of z _0m = r _0m + jx _0m -11 at given frequencies simulating the resistance of a source of high-frequency oscillations that occur when a constant-voltage source is turned on - 2 at the time of an abrupt change in its voltage amplitude is connected to the input of a four-terminal - 12 in generation mode. The four-terminal - 12 can also be made in the form of an arbitrary connection of an arbitrary number of resistive two-terminal. This quadrupole is described by the well-known elements of the classical transfer matrix a, b, c, d. The synthesis of the generator (the choice of the optimal frequency dependences of the imaginary components of the resistance of the signal source in the gain mode x ₀ and load x _n ) was carried out according to the criterion for ensuring the excitation mode of generation in the form of equal to zero the imaginary component and equality to the nonpositive number δ≤0 of the real component of the denominator of the transmission coefficient in gain mode in a given band of frequency change and a given range of change in the amplitude of the low-frequency control signal. The implementation of these frequency characteristics is carried out by selecting the schemes for the formation of these two-terminal networks (Fig. 3) and the values of the parameters of their elements according to the criterion for the coincidence of their frequency characteristics and optimal at four given frequencies. As a result, an enlarged quasilinear section of the frequency modulation characteristic is realized. In the generation and frequency modulation mode, the input source of the high-frequency signal is turned off and a short-circuit jumper is installed instead.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.The proposed device operates 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 и в силу указанного выбора значений мнимых составляющих сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки х_н и схем их формирования обратная связь становится положительной, что эквивалентно возникновению в цепи отрицательного сопротивления (r₂₁ или r₁₂), которое компенсирует потери во всей цепи на заданной частоте. Поэтому амплитуда колебаний с заданной начальной частотой усиливается до определенного уровня и затем ограничивается. При этом амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики. Наступает стационарный режим. В этом режиме изменение рабочей точки нелинейного элемента под действием низкочастотного сигнала приводит к изменению частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды управляющего сигнала.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 and due to the indicated choice of the values of the imaginary components of the resistance of the signal source in the amplification mode x ₀ and load x _n and the schemes of their formation, the feedback becomes positive, which is equivalent to the occurrence of negative resistance in the circuit (r ₂₁ or r ₁₂ ), which compensates for losses in the entire circuit at a given frequency. Therefore, the amplitude of the oscillations with a given initial frequency is amplified to a certain level and then limited. In this case, the amplitude goes beyond the quasilinear section of the current-voltage characteristic. There is a stationary mode. In this mode, a change in the operating point of a nonlinear element under the influence of a low-frequency signal leads to a change in the frequency of the generated signal according to the law of change in the amplitude of the control signal.

Докажем возможность реализации указанных свойств.Let us prove the feasibility of implementing these properties.

Введем обозначения искомых зависимостей сопротивления источника сигнала в режиме усиления z₀=r₀+jx₀, нагрузки z_n=r_n+jx_n и известных зависимостей элементов матрицы сопротивлений нелинейного элемента (VT)

,

и элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи (ОС)

,

от частоты. При последовательном соединении четырехполюсников элементы их матриц сопротивлений складываются Суммарные зависимости элементов матриц сопротивлений от частоты: z₁₁=r₁₁+jx₁₁, z₁₂=r₁₂+jx₁₂, z₂₁=r₂₁+jx₂₁, z₂₂=r₂₂+jx₂₂. При синтезе частотного модулятора параметры нелинейного элемента зависит, кроме того, от амплитуды низкочастотного управляющего сигнала. Таким образом, каждому значению амплитуды низкочастотного управляющего сигнала соответствует определенная частота генерируемого сигнала. Для простоты аргументы (амплитуда и частота) опущены. На первом этапе синтеза требуется определить частотные зависимости сопротивлений х₀, x_n (аппроксимирующие функции), оптимальные по критерию обеспечения условий стационарного режима генерации в заданных диапазонах изменения частоты и амплитуды низкочастотного управляющего сигнала на нелинейном элементе. При изменении амплитуды управляющего сигнала и таких частотных зависимостях сопротивлений х₀, x_n будет теоретически реализована линейная частотная модуляционная характеристика. Реализация оптимальных частотных зависимостей сопротивлений х₀, x_n обеспечивает квазилинейную частотную модуляционную характеристику.Let us introduce the designations of the desired dependences of the resistance of the signal source in the amplification mode z ₀ = r ₀ + jx ₀ , the load z _n = r _n + jx _n and the known dependences of the elements of the resistance matrix of a nonlinear element (VT)

,

and elements of the resistance matrix of the external feedback circuit (OS)

,

from frequency. In a series connection of two-elements of impedance parameters consist total dependence matrix elements resistances frequency: z ₁₁ = r ₁₁ + jx _11, z ₁₂ = r ₁₂ + jx _12, z ₂₁ = r ₂₁ + jx _21, z ₂₂ = r ₂₂ + jx ₂₂ . In the synthesis of a frequency modulator, the parameters of the nonlinear element depend, in addition, on the amplitude of the low-frequency control signal. Thus, each value of the amplitude of the low-frequency control signal corresponds to a certain frequency of the generated signal. For simplicity, the arguments (amplitude and frequency) are omitted. At the first stage of the synthesis, it is necessary to determine the frequency dependences of the resistances x ₀ , x _n (approximating functions) that are optimal according to the criterion for ensuring the conditions of the stationary generation mode in the given ranges of changes in the frequency and amplitude of the low-frequency control signal on a nonlinear element. With a change in the amplitude of the control signal and such frequency dependences of the resistances x ₀ , x _n , a linear frequency modulation characteristic will theoretically be realized. The implementation of the optimal frequency dependences of the resistances x ₀ , x _n provides a quasilinear frequency modulation characteristic.

Нелинейный элемент и цепь ОС как единое целое описываются матрицей сопротивлений и соответствующей классической матрицей передачи:The nonlinear element and the OS circuit as a whole are described by the resistance matrix and the corresponding classical transfer matrix:

где

. Резистивный четырехполюсник (РЧ) характеризуется матрицей передачи:Where

. Resistive four-terminal (RF) is characterized by a transmission matrix:

где

;

; а, b, с, d - элементы классической матрицы передачи.Where

;

; a, b, c, d - elements of the classical transmission matrix.

Общая нормированная классическая матрица передачи генератора/модулятора получается путем перемножения матриц передачи (2) и (1) с учетом условий нормировки:The general normalized classical transfer matrix of the generator / modulator is obtained by multiplying the transfer matrices (2) and (1) taking into account normalization conditions:

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 (3), с учетом условий нормировки получим выражение для коэффициента передачи генератора в режиме усиления:Using the well-known connection between the elements of the scattering matrix and the elements of the classical transmission matrix (Feldstein A.L., Yavich L.R. Synthesis of four-terminal and eight-terminal devices on a microwave. M: Communication, 1971, p. 34-36) and a transmission matrix (3), taking into account the normalization conditions, we obtain the expression for the gain of the generator in amplification mode:

Знаменатель коэффициента передачи в режиме усиления представим в виде, соответствующем условию возникновения стационарного режима генерации (Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. М-Л.: ГЭИ, 1962, 192 с.):

, где первое слагаемое - это сопротивление z₀ пассивной части генератора; второе слагаемое с учетом матриц передачи (1) и (2) - это входное сопротивление активной части генератора в виде РЧ, нагруженного на сопротивление

, нагруженного на сопротивление нагрузки z_n. Если это условие записать в виде другого равенства

, то ее можно трактовать как условие баланса амплитуд и баланса фаз 1-KB=0 (Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Дрофа», - 2006, с. 383-401) для эквивалентной цепи с внешней положительной ОС. Для данного вида генератора и частотного модулятора

- коэффициент передачи цепи ОС;

- коэффициент усиления цепи прямой передачи.The denominator of the gain in gain mode is represented in the form corresponding to the condition for the emergence of a stationary generation mode (A. Kulikovsky. Stability of active linearized circuits with amplifiers of a new type. M-L.: SEI, 1962, 192 pp.):

where the first term is the resistance z _{0 of the} passive part of the generator; the second term, taking into account the transfer matrices (1) and (2), is the input impedance of the active part of the generator in the form of an RF loaded with resistance

loaded on load resistance z _n . If this condition is written as another equality

, then it can be interpreted as a condition for the balance of amplitudes and phase balance 1-KB = 0 (Gonorovsky IS Radio engineering circuits and signals. - M.: “Drofa”, - 2006, p. 383-401) for an equivalent circuit with an external positive OS. For this type of generator and frequency modulator

- transmission coefficient of the OS circuit;

- gain of the direct transmission circuit.

В соответствии с иммитансным критерием устойчивости (Куликовский А.А. Устойчивость активных линеаризованных цепей с усилительными приборами нового типа. М-Л.: ГЭИ, 1962, 192 с.) запишем условие возбуждения и разделим между собой действительную и мнимую части. Получим систему уравнений:In accordance with the immitance stability criterion (Kulikovsky A.A. Stability of active linearized circuits with amplifiers of a new type. M-L .: SEI, 1962, 192 p.), We write the excitation condition and separate the real and imaginary parts. We get the system of equations:

где A₀=-γх₁₁; B₀=r₀+β+(α+γr₀)r₁₁; C₀=r_н-r₂₂-γ(A₁-r₁₁r_н); D₀=-x₂₂(r₀+β)-(α+γr₀)(B₁-x₁₁r_н);where A ₀ = -γx ₁₁ ; B ₀ = r ₀ + β + (α + γr ₀ ) r ₁₁ ; C ₀ = r _n -r ₂₂ -γ (A ₁ -r ₁₁ r _n ); D ₀ = -x ₂₂ (r ₀ + β) - (α + γr ₀ ) (B ₁ -x ₁₁ r _n );

А₁=r₁₁r₂₂-x₁₁x₂₂-r₁₂r₂₁+x₁₂x₂₁; B₁=r₁₁x₂₂+x₁₁r₂₂-r₁₂x₂₁-x₁₂r₂₁; δ≤0 - условие возбуждения колебаний.A ₁ = r ₁₁ r ₂₂ -x ₁₁ x ₂₂ -r ₁₂ r ₂₁ + x ₁₂ x ₂₁ ; B ₁ = r ₁₁ x ₂₂ + x ₁₁ r ₂₂ -r ₁₂ x ₂₁ -x ₁₂ r ₂₁ ; δ≤0 - condition for the excitation of oscillations.

Решение (5) представляет собой зависимости величин х₀, x_n от частоты, оптимальные по критерию обеспечения генерации сигнала во всем спектре частот:Solution (5) is the dependence of the values of x ₀ , x _n on the frequency, optimal according to the criterion of ensuring signal generation in the entire frequency spectrum:

где Х=АВ₀-ВА₀; Y=AD₀+CB₀-(D-δ)A₀-BC₀; Z=CD₀-(D-δ)C₀.where X = AB ₀ -BA ₀ ; Y = AD ₀ + CB ₀ - (D-δ) A ₀ -BC ₀ ; Z = CD ₀ - (D-δ) C ₀ .

На втором этапе синтеза для реализации оптимальных аппроксимаций (7) методом интерполяции необходимо сформировать двухполюсники с сопротивлениями х₀, x_n из не менее чем N (числа частот интерполяции) реактивных элементов, найти выражения для их сопротивлений, приравнять их оптимальным значениям сопротивлений двухполюсников на заданных частотах, определенным по формулам (7), и решить сформированную таким образом систему N уравнений относительно N выбранных параметров реактивных элементов. Значения параметров остальных элементов могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений, например из условия физической реализуемости.At the second stage of the synthesis, in order to implement the optimal approximations (7) by the interpolation method, it is necessary to form two-terminal networks with resistances x ₀ , x _n from at least N (the number of interpolation frequencies) of the reactive elements, find expressions for their resistances, equate them with the optimal values of the two-terminal resistances at given frequencies determined by formulas (7), and solve the thus formed system of N equations with respect to N selected parameters of reactive elements. The values of the parameters of the remaining elements can be chosen arbitrarily or on the basis of any other physical considerations, for example, from the condition of physical realizability.

В соответствии с этим алгоритмом получены математические выражения для определения значений параметров реактивного двухполюсника в виде последовательно соединенных параллельного L_1k, C_1k и последовательного L_2k, C_2k контуров (фиг. 3), оптимальных по критерию обеспечения условий стационарного режима генерации на четырех частотах ω_m=2πf_m.In accordance with this algorithm, mathematical expressions are obtained for determining the values of the parameters of a reactive bipolar in the form of series-connected parallel L _1k , C _1k and serial L _2k , C _2k circuits (Fig. 3) that are optimal by the criterion for ensuring the conditions of a stationary generation mode at four frequencies ω _{_m} = 2πf _m.

Исходная система уравнений:The original system of equations:

Решение для четырех частот:Solution for four frequencies:

где A₃=A₂C₄-A₄C₂; В₃=A₂D₄+В₂С₄-A₄D₂-В₄С₂; C₃=B₂D₄-B₄D₂;where A ₃ = A ₂ C ₄ -A ₄ C ₂ ; B ₃ = A ₂ D ₄ + B ₂ C ₄ -A ₄ D ₂ -B ₄ C ₂ ; C ₃ = B ₂ D ₄ -B ₄ D ₂ ;

Обобщенный индекс к введен для определения мнимой составляющей сопротивления двухполюсника мнимой составляющей источника сигнала в режиме-усиления при k=0 (при этом X_mk=x_m0 (6)) и мнимой составляющей сопротивления нагрузки при k=н (при этом X_mk=х_mн (6)), m=1, 2, 3, 4 - номера частот. Индекс m надо ввести и для остальных параметров, зависящих от частоты.The generalized index k was introduced to determine the imaginary component of the two-terminal resistance of the imaginary component of the signal source in gain mode at k = 0 (in this case, X _mk = x _m0 (6)) and the imaginary component of the load resistance at k = n (in this case, X _mk = x _mн (6)), m = 1, 2, 3, 4 - frequency numbers. The index m must also be introduced for the remaining parameters depending on the frequency.

Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик параметры х₀, x_n (6) с помощью (7), (8) обеспечивает увеличение диапазона изменения частоты генерируемого сигнала, поскольку реализует условие баланса амплитуд и баланса фаз на четырех частотах заданной модуляционной характеристики или заданного диапазона изменения частоты, соответствующих четырем заданным значениям или заданному диапазону изменения амплитуды низкочастотного управляющего сигнала на нелинейном элементе. Это позволяет при разумном выборе положений заданных частот относительно друг друга ω₁-ω₂, ω₁-ω₃, ω₁-ω₄, ω₂-ω₃, ω₂-ω₄, ω₃-ω₄ расширить квазилинейный участок частотной модуляционной характеристики.Implementation optimal approximations frequency performance parameters x _0, x _n (6) through (7), (8) provides an increase in range of change of the generated signal frequency because implements amplitude balance condition and phase balance on the four frequencies of a predetermined modulation characteristic or predetermined frequency variation range corresponding to four predetermined values or a predetermined range of variation in the amplitude of the low-frequency control signal on a non-linear element. This allows for a reasonable choice of the positions of the given frequencies relative to each other ω ₁ -ω ₂ , ω ₁ -ω ₃ , ω ₁ -ω ₄ , ω ₂ -ω ₃ , ω ₂ -ω ₄ , ω ₃ -ω ₄ to expand the quasilinear section of the frequency modulation characteristics.

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, последовательно соединенного с трехполюсным нелинейным элементом, включение трехполюсного нелинейного элемента и цепи обратной связи как единого узла между выходом резистивного четырехполюсника и нагрузкой, выполнение нагрузки в виде первого двухполюсника с комплексным сопротивлением, подключение к входу резистивного четырехполюсника в поперечную цепь второго двухполюсника с комплексным сопротивлением, которое имитирует сопротивление источника входного высокочастотного сигнала генератора в режиме усиления (фиг. 2)), выбор частотных характеристик мнимых составляющих сопротивлений источника сигнала в режиме усиления х₀ и нагрузки х_н, формирование их схем в указанном виде (фиг. 3), выбор значений их параметров из условия обеспечения режима возбуждения генерации в виде равенства нулю мнимой составляющей и равенства неположительному числу δ≤0 действительной составляющей знаменателя коэффициента передачи в режиме усиления в заданной полосе изменения частоты и заданном диапазоне изменении амплитуды низкочастотного управляющего сигнала) обеспечивает модуляцию частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного управляющего сигнала с увеличенной девиацией частоты.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 (execution of an external feedback circuit in the form of an arbitrary four-terminal network connected in series with a three-pole non-linear element, inclusion of a three-pole non-linear element and a feedback circuit communication as a single node between the output of the resistive four-terminal and the load, the load in the form of the first two x-terminal with complex resistance, connecting to the input of the resistive four-terminal in the transverse circuit of the second two-terminal with complex resistance, which simulates the resistance of the source of the input high-frequency signal of the generator in amplification mode (Fig. 2)), the choice of frequency characteristics of the imaginary components of the resistance of the signal source in amplification mode x ₀ x is _H and load, the formation of circuits in the specified (FIG. 3), the choice of values of parameters of the driving conditions ensure lasing in the form of equalities a zero imaginary component and equality nonpositive number δ≤0 real component of the denominator coefficient mode gain in a predetermined frequency band and changes a predetermined range changing baseband amplitude control signal) provides a frequency modulation signal generated by the low frequency control law of change of signal amplitude with increased frequency deviation.

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). Значения параметров индуктивностей и емкостей этих схем могут быть однозначно определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.The proposed technical solutions are practically applicable, since for their implementation three-pole non-linear elements (transistors or lamps) commercially available by the industry, reactive elements formed in the declared schemes of reactive two-terminal circuits (Fig. 3) can be used. The values of the parameters of the inductances and capacitances of these circuits can be uniquely determined using mathematical expressions given in the claims.

Технико-экономическая эффективность предложенного устройства заключается в одновременном обеспечении генерации и частотной модуляции высокочастотного сигнала за счет выбора схемы и значений параметров реактивных элементов колебательных контуров по критерию обеспечения изменения частоты генерируемого сигнала по закону изменения амплитуды низкочастотного сигнала, что упрощает устройство, увеличивает квазилинейный участок частотной модуляционной характеристики и девиацию частоты.The technical and economic efficiency of the proposed device consists in simultaneously providing generation and frequency modulation of a high-frequency signal by selecting a circuit and parameters of the reactive elements of the oscillatory circuits according to the criterion of ensuring a change in the frequency of the generated signal according to the law of the amplitude of the low-frequency signal, which simplifies the device, increases the quasilinear frequency modulation section characteristics and frequency deviation.

Claims

1. The method of generation and frequency modulation of 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 amplitude balance and phase balance, respectively determining the amplitude and frequency of the generated high-frequency signals, matching conditions of the circuit direct transmission with the load and conditions for matching the load with the control electrode of a three-pole nonlinear element, changing the frequency of the generated oscillations according to the law of changing the amplitude of the low-frequency control signal by correspondingly changing the phase balance, characterized in that the four-terminal is resistive, an arbitrary four-terminal is used as the external feedback circuit, connected in series to a three-pole non-linear element, a three-pole non-linear element and a reverse circuit with the link as a single node cascade between the output of the resistive four-terminal and the load, the load is performed in the form of the first two-terminal with complex resistance, the second two-terminal with complex resistance imitating the resistance of the generator signal source in the amplification mode is connected to the input of the resistive four-terminal in the transverse circuit, the excitation conditions are in the form amplitude balance and phase balance and matching conditions are fulfilled with a quasilinear dependence of the generation frequency on the amplitude of the control signal ala by selecting the frequency dependences of the imaginary signal source impedance is in the mode gain x ₀ and x _n of load conditions to ensure generation of excitation modes as equal to zero and an imaginary component equal to the number of nonpositive δ≤0 real part of the denominator in the gain amplification mode in a predetermined band changes in frequency and a given range of changes in the amplitude of the low-frequency control signal in accordance with the following mathematical expressions:

Where

- given dependencies of the relations of the corresponding elements of the classical transmission matrix on the frequency in a given frequency band; a, b, c, d - elements of the classical transmission matrix of a resistive four-terminal network; r ₀ , r _n - the given dependences of the actual components of the resistances of the source of the input high-frequency signal of the generator in the amplification and load mode on the frequency in a given frequency band; x ₀ , x _n are the optimal values of the imaginary components of the resistance of the source of the input high-frequency signal of the generator in the gain and load mode for a given number of frequencies; r ₁₁ , x ₁₁ , r ₁₂ , x ₁₂ , r ₂₁ , x ₂₁ , r ₂₂ , x ₂₂ are the given total dependences of the real and imaginary components of the elements of the resistance matrix of a three-pole nonlinear element on the frequency in a given frequency band with a corresponding change in the amplitude of the low-frequency control signal and corresponding dependences of the real and imaginary constituent elements of the resistance matrix of the external feedback circuit on the frequency in a given frequency band.

2. Device for the generation and frequency modulation of high-frequency signals, consisting of a constant voltage source and a low-frequency control signal, a direct transmission circuit of a three-pole nonlinear element and a four-terminal, load and external feedback circuit, characterized in that the four-terminal is made resistive in the form of an arbitrary connection of resistive two-terminal , as an external feedback circuit, an arbitrary four-terminal network connected in series to a three-pole nonlinear element, a three-pole nonlinear element and a feedback circuit as a single node are cascaded between the output of the resistive four-terminal and the load, the load is performed in the form of the first two-terminal with complex resistance, a second two-terminal with complex resistance imitating the resistance of the generator signal source is connected to the input of the resistive four-terminal under amplification conditions, the imaginary components of the signal source impedance mode gain x ₀ and x _n load resistance is realized anes as reactive two-terminal, performed in a series-connected parallel circuit of elements with parameters L _1k, C _1k and sequential circuit element with the parameters L _{_2k,} C _2k, where the values of these parameters are determined from the condition of providing a stationary lasing at four frequencies generated signal and the corresponding four values of the amplitude of the low-frequency control signal using the following mathematical expressions:

- the set values of the relations of the corresponding elements of the classical transmission matrix at the given frequencies; a, b, c, d - elements of the classical transmission matrix of the selected typical resistive four-terminal network; r _0m , r _nm - set values of the actual components of the resistance of the source of the input high-frequency signal of the generator in the amplification and load mode for a given number of frequencies; x _m0 , x _mn are the optimal values of the imaginary components of the resistance of the source of the input high-frequency signal of the generator in the amplification and load mode for a given number of frequencies; r _11m , x _11m , r _12m , x _12m , r _21m , x _21m , r _22m , x _22m - given total values of the real and imaginary components of the resistance matrix of a three-pole nonlinear element for four given values of the amplitude of the control signal and the corresponding real and imaginary components elements of the resistance matrix of the external feedback circuit at given frequencies; m = 1, 2, 3, 4 - frequency numbers; δ≤0 - condition for the excitation of oscillations; ω _1,2,3,4 = 2πƒ _1,2,3,4 ; ƒ _1,2,3,4 - set frequencies; k = 0, n - index characterizing parameters belonging to the formation of two-terminal resistors with X _{_mk} = x _mk.