RU2706481C1

RU2706481C1 - Tunable harmonic generator

Info

Publication number: RU2706481C1
Application number: RU2019114601A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Баранов
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют"
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2019-11-19

Abstract

FIELD: radio equipment.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used in various transceiving radio equipment operating up to UHF range. Self-contained generator comprises two harmonics controlled by the voltage of the self-excited generator, which are arranged in the same circuit on two bipolar transistors connected as per the common base circuit. To isolate microwave circuits as to power supply in each of self-contained generators there used are in-series connected four pairs of decoupling inductors and interlocking capacitors. Every said self-contained generator comprises three circuits: emitter, base and collector circuits. Thus, when selecting values of frequency-setting elements of two self-oscillator harmonics depending on the selected method of mutual synchronization in the proposed device, simultaneous increase of power levels of the separated k-th and n-th harmonics in relation to output power of their fundamental frequency oscillations is achieved.

EFFECT: technical result consists in improvement of power levels of separated k-th and n-th harmonics of tunable generators relative to output power of their fundamental frequency oscillations.

1 cl, 8 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в различной приемо-передающей радиоаппаратуре, работающей вплоть до СВЧ диапазона. В частности, это устройство относится к СВЧ генераторам, управляемым напряжением (ГУН), которые одновременно формируют колебания основной частоты и частот k-ой и n-ой гармоник, необходимых для работы в современных синтезаторах частот.The proposed device relates to the field of radio engineering and can be used in various transceiver radio equipment operating up to the microwave range. In particular, this device relates to voltage-controlled microwave generators (VCOs), which simultaneously generate oscillations of the fundamental frequency and the frequencies of the kth and nth harmonics necessary for operation in modern frequency synthesizers.

Известен автогенератор гармоники СВЧ (См. Малышев, В.А. Автогенератор гармоники СВЧ / В.А. Малышев, С.П. Бровченко // Авторское свидетельство СССР № SU 1054864 А. - Опубл. 15.11.83 в БИ №42). Данное устройство, блок-схема которого изображено на фиг. 1, состоит из автогенератора (АГ) 1 на транзисторе, включенного по схеме с общей базой, фильтра холостого хода (ФХХ) 2 и фильтра выделяемой гармоники (ФВГ) 3. Автогенератор 1 представлен в виде обобщенной схемы, содержащей активный 4 и пассивный 5 элементы. Нелинейный режим работы АГ приводит к генерации колебаний основной частоты и ее гармоник. В данном устройстве реализуется режим «холостого хода» по основной частоте ƒ₀, а при помощи фильтра ФВГ на частоте kƒ₀ выделяется выходная мощность k-ой гармоники. Применение фильтра 3 приводит здесь к повышению уровня выходной мощности гармоники на (30-40)%, так как при наличии ненагруженного контура в коллекторной цепи транзистора происходит не только прямое, но и промежуточное преобразование мощности первой гармоники в мощность выделяемой гармоники. Очевидно также, что, перестроив фильтр ФВГ должным образом, можно выделить n-ую гармонику, а при его правильной настройке возможно одновременное получение как k-ой, так и n-ой гармоник.A well-known microwave harmonic oscillator (See. Malyshev, V.A. Microwave harmonic oscillator / V.A. Malyshev, S.P. Brovchenko // USSR Author's Certificate No. SU 1054864 A. - Publish. 15.11.83 in BI No. 42). This device, a block diagram of which is shown in FIG. 1, consists of a self-oscillator (AG) 1 on a transistor switched on according to a common base circuit, an idle filter (IFC) 2 and a filter for emitted harmonic (FHG) 3. The self-oscillator 1 is presented in the form of a generalized circuit containing active 4 and passive 5 elements . The nonlinear operating mode of the AG leads to the generation of oscillations of the fundamental frequency and its harmonics. This device implements the “idling” mode at the fundamental frequency ƒ ₀ , and with the help of the HVG filter at the frequency kƒ ₀ , the output power of the k-th harmonic is released. The use of filter 3 here leads to an increase in the output harmonic power level by (30-40)%, since in the presence of an unloaded circuit in the collector circuit of the transistor, not only direct, but also intermediate conversion of the power of the first harmonic to the power of the emitted harmonic occurs. It is also obvious that by rearranging the HVG filter properly, it is possible to select the nth harmonic, and if it is correctly tuned, it is possible to simultaneously obtain both the kth and nth harmonics.

Недостатком данного аналога является относительно невысокий уровень мощности выделяемых гармоник, который определяется нелинейным режимом работы транзистора. Так, по отношению к выходной мощности основного («несущего») колебания типовые уровни мощностей второй и третьей гармоник, например, находятся обычно в пределах -(10-20) и -(20-35) дБн, соответственно (см. фиг. 5-28 и 5-29 в [1]).The disadvantage of this analogue is the relatively low power level of the generated harmonics, which is determined by the non-linear mode of operation of the transistor. So, in relation to the output power of the main (“carrier”) oscillation, typical power levels of the second and third harmonics, for example, are usually in the range of - (10-20) and - (20-35) dBc, respectively (see Fig. 5 -28 and 5-29 in [1]).

Известен СВЧ автогенератор субгармоник (см. HMC530LP5/530LPE MMIC VCO w/Half frequency output & divide-by-4 9.5 - 10.8 GHz, VCOs & PLOs - SMT [Электронный ресурс] // Hittite microwave corporation - 2010. - Режим доступа: http://www.hittite.com). Его блок-схема изображена на фиг. 2. Данный автогенератор субгармоник выполнен в виде микросхемы 6 размером 5×5 мм, в состав которой входит генератор, управляемый напряжением 7, усилитель мощности 8, варакторный делитель частоты на два 9 и разделительные конденсаторы 10 и 11. Для генерации колебаний основной частоты ƒ₀ на выходе 12 в ГУН 7 реализуется необходимое отрицательное сопротивление, а для получения на выходе 13 колебаний с половинной частотой ƒ₀/2 вместе с ГУН 7 и усилителем мощности 8 используется встроенный в генератор делитель частоты на варакторных диодах. Чтобы получить на выходе 14 колебания с частотой ƒ₀/4, в автогенераторе субгармоник 6 используется еще один варакторный делитель частоты на два 9. Для подачи питающих напряжений +Е_пит на ГУН 7, на усилитель мощности 8 и на делитель частоты 9 используются клеммы 15-17. А через клемму 18 в ГУН 7 подается управляющее напряжение +Е_упр, с помощью которого перестраиваются все частоты.Known microwave subharmonic generator (see HMC530LP5 / 530LPE MMIC VCO w / Half frequency output & divide-by-4 9.5 - 10.8 GHz, VCOs & PLOs - SMT [Electronic resource] // Hittite microwave corporation - 2010. - Access mode: http : //www.hittite.com). Its block diagram is shown in FIG. 2. This subharmonic oscillator is made in the form of a microcircuit 6 with a size of 5 × 5 mm, which includes a voltage-controlled oscillator 7, a power amplifier 8, a varactor frequency divider into two 9 and isolation capacitors 10 and 11. To generate oscillations of the fundamental frequency ƒ ₀ at the output 12 of the VCO 7 is implemented in the required negative resistance, and to obtain at the output 13 with half the oscillation frequency ƒ _0/2 together with the VCO 7 and the power amplifier 8 uses a built-in oscillator frequency divider to varactor diodes. In order to obtain at the output 14 of oscillation with frequency ƒ _0/4 in the sub-frequency oscillator 6 is used one varactor two frequency divider 9. In order to feed the supply voltage + E _pit at the VCO 7, to the power amplifier 8 and a frequency divider 9, the terminals 15 are used -17. A via terminal 18 to the VCO 7 is fed the control voltage + E _exercise by which all frequencies are rearranged.

Недостатком данного устройства, а также других, выполненных по схеме на фиг. 2 автогенераторов субгармоник (см. HMC510LP5, HMC512LP5, HMC513LP5, HMC515LP5, HMC534LP5, HMC582LP5, HMC584LP5) является относительно невысокий уровень мощности субгармоник. Так, уровень колебания с частотой ƒ₀/4 на выходе 14 отличается от основного колебания на выходе 12 до 22 дБ. А чтобы выровнять уровни колебаний на выходах 12 и 13 приходится применять дополнительный усилитель мощности 8.The disadvantage of this device, as well as others, made according to the scheme in FIG. 2 subharmonic oscillators (see HMC510LP5, HMC512LP5, HMC513LP5, HMC515LP5, HMC534LP5, HMC582LP5, HMC584LP5) is a relatively low power level of subharmonics. Thus, the level of vibrations with a frequency ƒ _0/4 on output 14 is different from the fundamental oscillation at the output 12 up to 22 dB. And in order to equalize the oscillation levels at outputs 12 and 13, an additional power amplifier 8 has to be used.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является СВЧ автогенератор гармоники (см. Баранов, А.В. Перестраиваемый автогенератор гармоники // Патент РФ на изобретение №2685387 по заявке на изобретение №2018100517/08(000639) от 09.01.2018, МПК - 2006.01 НО3В 5/36, Опубл. 17.04.2019, Бюл. №11). Устройство выполнено на биполярном транзисторе 19, включенном по схеме с общей базой (см. фиг. 3). В СВЧ диапазоне основными частотозадающими элементами АГ являются емкость перехода «коллектор-эмиттер» транзистора С_КЭ, емкости конденсаторов 20-23 и варикапа 24, а также индуктивности 25, 26 и 28. Кроме этого устройство содержит индуктивные 27-30 и емкостные 31-34 элементы развязки СВЧ цепей по питанию, которые также могут незначительно влиять на основную частоту и почти не влиять на ее гармоники. Данный автогенератор подключен к 50-Омному выходу через разделительный конденсатор 35. Для подачи запирающего напряжения на варикап 24 используется клемма 36, а для ввода напряжений питания на электроды транзистора - клеммы 37-39.Closest to the proposed technical solution is a microwave harmonic oscillator (see A. Baranov, Tunable harmonic oscillator // RF patent for invention No. 2685387 for application for invention No. 2018100517/08 (000639) dated 01/09/2018, IPC - 2006.01 NO3V 5/36, publ. 04/17/2019, bull. No. 11). The device is made on a bipolar transistor 19, included in the scheme with a common base (see Fig. 3). In the microwave range, the main frequency-determining elements of the AG are the collector-emitter junction capacitance of the _CE transistor, capacitors 20-23 and varicap 24, as well as inductances 25, 26 and 28. In addition, the device contains inductance 27-30 and capacitive 31-34 decoupling elements of microwave circuits according to power, which can also slightly affect the fundamental frequency and hardly affect its harmonics. This oscillator is connected to the 50-Ohm output through an isolation capacitor 35. To apply the blocking voltage to the varicap 24, use terminal 36, and to enter the supply voltage to the transistor electrodes, use terminals 37-39.

Особенностью работы данного устройства является то, что в нем созданы условия для одновременной генерации приблизительно равных по уровню колебаний на основной частоте и ее k-ой гармонике. Создание этих условий предполагает реализацию емкостной треугольной трехточечной схемы автогенератора на основной частоте (см. фиг. 4а)), а на ее k-ой гармонике - звездообразной схемы индуктивной трехточки автогенератора (см. фиг. 4б). Треугольная схема представляет собой обычную схему емкостной трехточки, точки которой отмечены буквами а, в и с. Звездообразная схема получена в работе [2] из типовой треугольной схемы индуктивной трехточки на основе общих взаимных условий эквивалентных преобразований треугольника сопротивлений в звезду и наоборот - преобразования сопротивлений звезды в треугольник. В звездообразной схеме на фиг. 4б) точки отмечены также буквами а, в и с, а в качестве центральной точки звезды используется корпус прибора.A feature of the operation of this device is that it creates conditions for the simultaneous generation of approximately equal oscillation levels at the fundamental frequency and its kth harmonic. The creation of these conditions involves the implementation of a capacitive triangular three-point circuit of the oscillator at the fundamental frequency (see Fig. 4a)), and at its k-th harmonic - a star-shaped circuit of the inductive three-point circuit of the oscillator (see Fig. 4b). The triangular circuit is a conventional capacitive three-point circuit, the points of which are marked with the letters a, b and c. The star-shaped circuit was obtained in [2] from a typical triangular inductive three-point circuit based on the general mutual conditions of equivalent transformations of the triangle of resistances into a star and vice versa - the transformation of the resistances of a star into a triangle. In the star configuration of FIG. 4b) the points are also marked with the letters a, b and c, and the instrument case is used as the center point of the star.

Треугольная трехточечная схема генератора на фиг. 4а) реализуется на основной частоте, если под элементами 40, 41 и 42 понимать следующие реактивности. Элемент 40 образован емкостью перехода «активного элемента» 43 - С_АЭ или емкостью «коллектор-эмиттер» транзистора С_КЭ. Элемент 41 представляет собой емкость «обратной связи» - С_ОС или эквивалентную емкость работающих на основной частоте последовательно соединенных эмиттерного и базового контуров. Эмиттерный контур здесь образован индуктивностью 28 и емкостями варикапа 24 и конденсаторов 20, 32, а базовый контур - конденсаторами 21, 22 и индуктивностью 25. Элемент 42 выполняет функцию эквивалентной индуктивности цепи - «колебательного контура» L_KK. Эта цепь состоит из последовательно соединенных базового и коллекторного контуров. Причем коллекторный контур образован индуктивностью 26 и конденсатором 23 и работает на основной частоте.The triangular three-point circuit of the generator of FIG. 4a) is implemented at the fundamental frequency, if by elements 40, 41 and 42 we mean the following reactivities. Element 40 is formed by the capacitance of the transition of the "active element" 43 - C _AE or the capacity of the collector-emitter of the transistor C _CE . Element 41 is a “feedback” capacitance — C _OS or equivalent capacitance of the emitter and base loops operating in series at the fundamental frequency. The emitter circuit here is formed by inductance 28 and capacitances of the varicap 24 and capacitors 20, 32, and the basic circuit by capacitors 21, 22 and inductance 25. Element 42 performs the function of the equivalent circuit inductance - “oscillatory circuit” L _KK . This circuit consists of series-connected base and collector circuits. Moreover, the collector circuit is formed by an inductance 26 and a capacitor 23 and operates at a fundamental frequency.

Звездообразная трехточечная схема генератора реализуется на k-ой гармонике, если под элементами 44-46 на фиг. 4б) понимать следующие реактивности. Элементом 44 является эквивалентная емкость С_Э эмиттерного контура, связанного при работе на k-ой гармонике основного колебания с коллекторным контуром при помощи конденсатора С_КЭ. Элементы 45, 46 представляют собой эквивалентную индуктивность L_Б базового контура, работающего на k-ой гармонике основного колебания, и, соответственно, эквивалентную индуктивность L_К коллекторного контура, связанного при помощи конденсатора С_КЭ с эмиттерным контуром в процессе работы на k-ой гармонике основного колебания.A star-shaped three-point generator circuit is implemented at the k-th harmonic, if under elements 44-46 in FIG. 4b) understand the following reactivity. Element 44 is the equivalent capacitance C _{E of the} emitter circuit associated when operating at the k-th harmonic of the main oscillation with the collector circuit using a capacitor C _KE . Elements 45, 46 represent the equivalent inductance L _{B of the} basic circuit operating at the k-th harmonic of the main oscillation, and, accordingly, the equivalent inductance L _{K of the} collector circuit connected by the capacitor C _FE to the emitter circuit during operation at the k-th harmonic main fluctuation.

При выборе номиналов частотозадающих элементов в соответствии с выражением:When choosing the values of the frequency-setting elements in accordance with the expression:

в прототипе реализуются условия одновременной генерации колебаний основной частоты и ее k-ой гармоники. В результате генерации на данных частотах уровень выходной мощности k-ой гармоники становится соизмеримым с уровнем выходной мощности колебания основной частоты. К сожалению, выделить эффективным образом еще одну (например, n-ую), гармонику (n≠k) в данном устройстве не представляется возможным.the prototype implements the conditions for the simultaneous generation of oscillations of the fundamental frequency and its kth harmonic. As a result of generation at these frequencies, the output power level of the k-th harmonic becomes comparable with the output power level of the fundamental frequency oscillation. Unfortunately, it is not possible to single out one more (for example, the nth) harmonic (n ≠ k) in this device.

Таким образом, несмотря на то, что прототип является устройством эффективного выделения k-ой гармоники, его недостатком является относительно низкий (определяемый лишь нелинейным режимом работы его транзистора) уровень мощности n-ой гармоники.Thus, despite the fact that the prototype is a device for the efficient separation of the kth harmonic, its disadvantage is the relatively low (determined only by the non-linear mode of operation of its transistor) power level of the n-th harmonic.

Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в одновременном повышении уровней мощности выделяемых k-ой и n-ой гармоник перестраиваемых генераторов по отношению к выходной мощности их колебаний основной частоты (n≠k, k≥2, n≥2).The technical effect to which the proposed solution is aimed is to simultaneously increase the power levels of the emitted kth and nth harmonics of tunable generators with respect to the output power of their oscillations of the fundamental frequency (n ≠ k, k≥2, n≥2).

Этот эффект достигается тем, что в перестраиваемом автогенераторе гармоник, состоящем из первого управляемого напряжением автогенератора гармоники, который выполнен на транзисторе 19, включенном по схеме с общей базой, и содержит последовательно соединенные между собой индуктивности и конденсаторы под номерами 27 и 31, 28 и 32, 29 и 34, 30 и 33, соответственно, где вторые обкладки всех конденсаторов 31-34 подключены к общей шине, а общие точки каждой пары элементов соединены с клеммами 36 и 38, 37, 39 источников подачи напряжения управления варикапом 24 и напряжений питания на электроды транзистора 19, причем анод варикапа 24 подключен к общей шине, а его катод - к свободному выводу индуктивности 27 и к конденсатору 20, второй вывод которого соединен со свободным выводом индуктивности 28 и с эмиттером транзистора 19, а его база подключена к конденсатору 21 и одновременно к индуктивности 25, соединенной последовательно с конденсатором 22, при этом вторые обкладки конденсаторов 21 и 22 присоединены к общей шине, а свободный вывод индуктивности 29 подключен к общей точке соединения индуктивности 25 и конденсатора 22, коллектор транзистора 19 имеет общий контакт и со свободным выводом индуктивности 30 и с конденсатором 35 и с индуктивностью 26, соединенной последовательно с конденсатором 23, в свою очередь, вторая обкладка конденсатора 23 подключена к общей шине, а вторая обкладка конденсатора 35 - к выходу первого перестраиваемого автогенератора гармоники, в котором величины основных элементов удовлетворяют соотношению:This effect is achieved by the fact that in a tunable harmonic oscillator, consisting of the first voltage-controlled harmonic oscillator, which is made on a transistor 19, connected according to a common base circuit, and contains inductors and capacitors connected in series with each other under numbers 27 and 31, 28 and 32 , 29 and 34, 30 and 33, respectively, where the second plates of all capacitors 31-34 are connected to a common bus, and the common points of each pair of elements are connected to the terminals 36 and 38, 37, 39 of the voltage control supply sources of the varicap 24 and voltage supply to the electrodes of transistor 19, and the varicap anode 24 is connected to a common bus, and its cathode is connected to a free terminal of inductance 27 and to a capacitor 20, the second terminal of which is connected to a free terminal of inductance 28 and to the emitter of transistor 19, and its base is connected to the capacitor 21 and simultaneously to the inductance 25 connected in series with the capacitor 22, while the second plates of the capacitors 21 and 22 are connected to a common bus, and the free terminal of the inductance 29 is connected to a common connection point of the inductance 25 and the capacitor of the torus 22, the collector of the transistor 19 has a common contact with the free terminal of the inductance 30 and with the capacitor 35 and the inductance 26 connected in series with the capacitor 23, in turn, the second lining of the capacitor 23 is connected to the common bus, and the second lining of the capacitor 35 is connected to the output of the first tunable harmonic oscillator, in which the values of the main elements satisfy the ratio:

где ƒ₀ - основная частота генерации устройства, k=2, 3, … - номер выделяемой гармоники, индексом «1» здесь и далее отмечены все элементы, относящиеся к первому автогенератору гармоники, С_АЭ1 - емкость перехода коллектор-эмиттер выбранного транзистора 19, C_OC1 - эквивалентная емкость работающих на основной частоте в первом автогенераторе последовательно соединенных его эмиттерного и базового контуров: эмиттерный контур образован индуктивностью 28 и емкостями варикапа 24 и конденсатора 20, базовый контур - индуктивностью 25 и конденсаторами 21 и 22, L_KK1 - эквивалентная индуктивность последовательно соединенных базового и коллекторного контуров, последний образован индуктивностью 26 и конденсатором 23 и работает в первом автогенераторе на основной частоте, С_Э1 - эквивалентная емкость эмиттерного контура, связанного при работе на k-ой гармонике основного колебания с коллекторным контуром при помощи конденсатора С_АЭ1, L_Б1 - эквивалентная индуктивность базового контура, работающего на k-ой гармонике основного колебания, L_K1 - эквивалентная индуктивность коллекторного контура, связанного при помощи конденсатора С_АЭ1 с эмиттерным контуром в процессе работы на k-ой гармонике основного колебания, согласно изобретению вводится второй, выполненный по схеме первого, управляемый напряжением автогенератор гармоники, выход которого, с одной стороны, через последовательно соединенные согласованные элементы связи 64 и 65 подключен к выходу первого управляемого напряжением автогенератора гармоник, а с другой стороны, через последовательно соединенные согласованные элементы связи 64 и 66 - к выходу устройства в целом, причем, если первый и второй автогенераторы взаимно синхронизированы на частоте ƒ₀, то величины основных элементов второго автогенератора гармоники удовлетворяют соотношению:where ƒ ₀ is the main frequency of the device’s generation, k = 2, 3, ... is the number of the harmonic emitted, the index “1” hereinafter marks all the elements related to the first harmonic oscillator, C _AE1 is the collector-emitter junction capacitance of the selected transistor 19, C _OC1 is the equivalent capacitance of the emitter and base circuits connected in series at the first oscillator in the first oscillator: the emitter circuit is formed by the inductance 28 and the capacitances of the varicap 24 and the capacitor 20, the basic circuit is formed by the inductance 25 and the capacitors 21 and 22, L _{KK 1} - equivalent inductance of series-connected base and collector circuits, the latter is formed by inductance 26 and capacitor 23 and operates in the first oscillator at the fundamental frequency, C _E1 is the equivalent capacitance of the emitter circuit, connected when working at the k-th harmonic of the main oscillation with the collector circuit using _AE1 capacitor C, L _B1 - base equivalent inductance circuit operating at k-th harmonic of the fundamental oscillation, L _K1 - the equivalent inductance of the collector circuit connected n and assist capacitor C _AE1 with emitter circuit during operation at k-th harmonic of the fundamental oscillation, according to the invention is administered second, taken along the circuit of the first voltage controlled oscillator harmonic, the output of which, on the one hand, through the series connected concerted coupling elements 64 and 65 connected to the output of the first harmonics controlled by the voltage of the oscillator, and on the other hand, through series-connected matched communication elements 64 and 66, to the output of the device as a whole, and if the first and the second oscillators are mutually synchronized at a frequency of ƒ ₀ , then the values of the main elements of the second harmonic oscillator satisfy the relation:

где n=2, 3, … - номер выделяемой при n≠k гармоники колебания с частотой ƒ₀, здесь и далее индексом «2» отмечены все элементы, относящиеся ко второму автогенератору гармоники, С_АЭ2 - емкость перехода коллектор-эмиттер второго выбранного транзистора 47, С_ОС2 - эквивалентная емкость работающих на основной частоте соединенных последовательно эмиттерного и базового контуров: эмиттерный контур образован индуктивностью 56 и емкостями варикапа 52 и конденсатора 48, базовый контур - индуктивностью 53 и конденсаторами 49 и 50, L_KK2 - эквивалентная индуктивность последовательно соединенных базового и коллекторного контуров, последний образован индуктивностью 54 и конденсатором 51 и работает во втором автогенераторе на основной частоте, С_Э2 - эквивалентная емкость эмиттерного контура, связанного при помощи конденсатора С_АЭ2 с коллекторным контуром и работающего во втором автогенераторе на n-ой гармонике основного колебания nƒ₀, L_Б2 - эквивалентная индуктивность базового контура, который работает во втором автогенераторе на n-ой гармонике с частотой nƒ₀, L_K2 - эквивалентная индуктивность коллекторного контура, связанного с эмиттерным контуром при помощи конденсатора С_АЭ2 в процессе работы на n-ой гармонике основного колебания nƒ₀ во втором автогенераторе, вместе с тем, если в устройстве первый и второй автогенераторы взаимно синхронизированы на частоте kƒ₀, то величины основных элементов второго автогенератора гармоники удовлетворяют соотношению:where n = 2, 3, ... is the number of the harmonic emitted at n ≠ k with a frequency of ƒ ₀ , hereinafter, the index "2" marks all the elements related to the second harmonic oscillator, C _AE2 is the collector-emitter junction capacitance of the second selected transistor 47 C _OC2 - equivalent capacitance operating at the fundamental frequency connected in series and the base emitter circuits: an emitter circuit formed by the inductance 56 and the capacitance of capacitor 52 and varactor 48, the basic circuit - inductance 53 and the capacitors 49 and 50, L _KK2 - equivalent induktivnos L serially connected base and collector circuits, the latter is formed by the inductance 54 and the capacitor 51, and operates in a second oscillator for the fundamental frequency, C _A2 - the equivalent capacitance of the emitter circuit, connected by means of the capacitor C _AE2 to the collector circuit and operating in the second oscillator on the n-th harmonic of the fundamental oscillation nƒ _0, L _B2 - base equivalent inductance circuit which operates in the second oscillator on the n-th harmonic with frequency ₀ nƒ, L _K2 - equivalent inductance Collect molecular circuit associated with the emitter circuit using the capacitor C _AE2 during operation on the n-th harmonic of the fundamental oscillation nƒ ₀ second oscillator, however, if the device in the first and second oscillators are mutually synchronized at the frequency kƒ _0, the value of the basic elements the second harmonic oscillator satisfy the ratio:

где n=2, 3, … - номер выделяемой гармоники колебания с частотой kƒ₀, C_OC2 ^* - эквивалентная емкость соединенных последовательно эмиттерного и базового контуров, которые работают на основной для второго автогенератора частоте - kƒ₀, L_KK2 ^* - эквивалентная индуктивность последовательно соединенных базового и коллекторного контуров, работающих во втором автогенераторе на той же частоте - kƒ₀, С_Э2 ^* - эквивалентная емкость эмиттерного контура, связанного при помощи конденсатора С_АЭ2 с коллекторным контуром и работающего во втором автогенераторе на частоте его n-ой гармоники - nkƒ₀, L_Б2 ^* - эквивалентная индуктивность базового контура, который во втором автогенераторе работает на частоте его n-ой гармоники - nkƒ₀, L_K2 ^* - эквивалентная индуктивность коллекторного контура, связанного с эмиттерным контуром при помощи конденсатора С_АЭ2 в процессе работы на частоте гармоники nkƒ₀ во втором автогенераторе.where n = 2, 3, ... is the number of the emitted harmonic of the oscillation with frequency kƒ ₀ , C _OC2 ^* is the equivalent capacitance of the emitter and base loops connected in series, which operate at the fundamental frequency for the second oscillator — k - ₀ , L _KK2 ^* is the equivalent inductance in series and collector connected to the base circuits in the second oscillator operating at the same frequency - kƒ _0, C ^* _A2 - the equivalent capacitance of the emitter circuit, connected by means of the capacitor C _AE2 to the collector circuit and the second oscillator operating at pilots at its n-th harmonic - nkƒ _0, L _B2 ^* - equivalent inductance of the base contour, which in the second oscillator runs at its n-th harmonic - nkƒ _0, L _K2 ^* - equivalent inductance of the collector circuit, associated with the emitter circuit using capacitor C _AE2 during operation at the harmonic frequency nkƒ ₀ in the second oscillator.

Принципиальная схема предложенного автогенератора гармоник представлена на фиг. 5. Устройство состоит из двух перестраиваемых автогенераторов гармоник, которые выполнены по одинаковой схеме на двух биполярных транзисторах 19 и 47, включенных по схеме с общей базой. В СВЧ диапазоне основными частотозадающими элементами первого автогенератора гармоник являются емкость перехода «коллектор-эмиттер» первого транзистора С_КЭ1 и емкости конденсаторов 20-23 и первого варикапа 24, а также индуктивности 25, 26 и 28. Во втором автогенераторе гармоник такими элементами являются, соответственно, емкость перехода «коллектор-эмиттер» второго транзистора С_КЭ2 и емкости конденсаторов 48-51 и второго варикапа 52, а также индуктивности 53 и 54. Кроме этого устройство содержит индуктивные 55-58 и емкостные 59-62 элементы развязки СВЧ цепей по питанию, которые также могут незначительно влиять на основную частоту и почти не влиять на ее гармоники. Первый и второй автогенераторы гармоник подключены к соответствующим 50-Омным выходам через разделительные конденсаторы 35 и 63. В свою очередь, первый и второй выходы генераторов соединены между собой и с выходом всего устройства при помощи согласованных элементов связи 64-66. Для подачи запирающего напряжения на варикапы 24 и 52 используется клемма 36, а для ввода напряжений питания на электроды транзистора - клеммы 37-39.A schematic diagram of the proposed harmonic oscillator is shown in FIG. 5. The device consists of two tunable harmonic oscillators, which are made in the same way on two bipolar transistors 19 and 47, connected according to the scheme with a common base. In the microwave range, the main frequency-driving elements of the first harmonic oscillator are the collector-emitter junction capacitance of the first transistor C _KE1 and capacitors 20-23 and the first varicap 24, as well as the inductance 25, 26 and 28. In the second harmonic oscillator, these elements are, respectively , the capacitance of transition "collector-emitter" C _KE2 second transistor and capacitors 48-51 and the second varactor 52, as well as inductance 53 and 54. Furthermore, the device comprises 55-58 inductive and capacitive decoupling elements 59-62 C H chains for food, which can also significantly affect the fundamental frequency and almost no effect on its harmonics. The first and second harmonic oscillators are connected to the corresponding 50-Ohm outputs through isolation capacitors 35 and 63. In turn, the first and second outputs of the generators are connected to each other and to the output of the entire device using matched 64-66 communication elements. To apply the blocking voltage to the varicaps 24 and 52, terminal 36 is used, and to input the supply voltages to the transistor electrodes, terminals 37-39 are used.

Предложенное устройство работает следующим образом. Если в первом автогенераторе гармоники прототипа создать условия для одновременной генерации колебаний на основной частоты ƒ₀₁ и на ее k-ой гармонике kƒ₀₁, то на данных частотах возможно получение колебаний с приблизительно равными уровнями их выходных мощностей. Такое равенство уровней достигается, если на основной частоте и на ее k-ой гармонике коэффициенты передач активной и пассивной цепей первого автогенератора гармоники, а также динамический диапазон по выходной мощности выбранного транзистора мало отличаются друг от друга. Если во втором автогенераторе гармоники создать подобные условия для одновременной генерации колебаний на основной частоте ƒ₀₂ и на ее n-ой гармонике nƒ₀₂, то можно также получить приблизительно равные уровни выходных мощностей этих колебаний. Тогда величины основных элементов первого и второго автогенераторов гармоник связаны аналогичными соотношению (1) уравнениями:The proposed device operates as follows. If in the first prototype harmonic oscillator to create conditions for the simultaneous generation of oscillations at the fundamental frequency ƒ ₀₁ and at its k-th harmonic kƒ ₀₁ , then at these frequencies it is possible to obtain oscillations with approximately equal levels of their output powers. Such level equality is achieved if the transmission coefficients of the active and passive circuits of the first harmonic oscillator, as well as the dynamic range in terms of the output power of the selected transistor, differ little from each other at the fundamental frequency and at its kth harmonic. If we create similar conditions in the second harmonic oscillator for the simultaneous generation of oscillations at the fundamental frequency ƒ ₀₂ and at its nth harmonic nƒ ₀₂ , then we can also obtain approximately equal output power levels of these oscillations. Then the values of the main elements of the first and second harmonic oscillators are related by equations similar to relation (1):

Так как первый и второй автогенераторы гармоник объединены между собой при помощи согласованных элементов связи 64-66 и имеют общую нагрузку, то данные взаимосвязанные автогенераторы могут быть синхронизированы либо на основной частоте ƒ₀=ƒ₀₁-ƒ₀₂, либо на k-ой гармонике основной частоты первого автогенератора и основной частоте второго автогенератора, равных kƒ₀. Если оба автогенератора гармоник синхронизированы на основной частоте ƒ₀, то при n≠k номиналы их частотных элементов в выражениях (2) рассчитываются по формулам:Since the first and second harmonic oscillators are interconnected using matched 64-66 communication elements and have a common load, these interconnected oscillators can be synchronized either at the fundamental frequency ƒ ₀ = ƒ ₀₁ -ƒ ₀₂ , or at the k-th harmonic the frequency of the first oscillator and the fundamental frequency of the second oscillator equal to kƒ ₀ . If both harmonic oscillators are synchronized at the fundamental frequency ƒ ₀ , then for n ≠ k the nominal values of their frequency elements in expressions (2) are calculated by the formulas:

Если же данные автогенераторы синхронизируются на частоте kƒ₀, то при n=2, 3, … номиналы их частотных элементов в выражениях (2) выбираются следующим образом:If these oscillators are synchronized at a frequency kƒ ₀ , then for n = 2, 3, ... the nominal values of their frequency elements in expressions (2) are selected as follows:

То есть, при выборе в автогенераторах номиналов их частотных элементов в соответствии с формулами (4) реализуется режим синхронизации двух колебаний: выходного колебания первого генератора с частотой kƒ₀ и основного колебания с той же частотой во втором генераторе. В результате, на выходе всего устройства присутствуют три приблизительно равных по уровню мощности колебания с частотами ƒ₀, kƒ₀ и nkƒ₀. Например, при k=2 и n=2 это могут быть основная частота, а также ее вторая и четвертая гармоники.That is, when choosing the values of their frequency elements in auto-generators in accordance with formulas (4), the synchronization mode of two oscillations is implemented: the output oscillation of the first generator with a frequency kƒ ₀ and the main oscillation with the same frequency in the second generator. As a result, at the output of the entire device there are three oscillations approximately equal in power level with frequencies ƒ ₀ , kƒ ₀ and nkƒ ₀ . For example, for k = 2 and n = 2, this can be the fundamental frequency, as well as its second and fourth harmonics.

Таким образом, в предлагаемом устройстве достигается одновременное повышение уровней мощности выделяемых k-ой и n-ой гармоник перестраиваемых генераторов по отношению к выходной мощности их колебаний основной частоты. Здесь эффективное выделение k-ой и n-ой гармоник происходит с учетом отмеченных выше особенностей: k≥2, n≥2 и при n≠k для системы (3) и k≥2, n≥2 для уравнений (4). Причем по сравнению с известными генераторами гармоник указанный положительный эффект имеет место без обязательной настройки различных (ненагруженных, нагруженных, запредельных и других) контуров на их выходах. В данном случае положительный эффект обеспечивается без использования делителей частоты колебаний с последующим усилением их мощности. Кроме того, предлагаемое устройство обладает дополнительным полезным свойством, когда при взаимной синхронизации двух генераторов в нем на 3 дБ уменьшается уровень спектральной плотности мощности фазовых шумов [3].Thus, in the proposed device, a simultaneous increase in the power levels of the emitted kth and nth harmonics of tunable generators is achieved with respect to the output power of their oscillations of the fundamental frequency. Here, the effective separation of the kth and nth harmonics takes into account the above-mentioned features: k≥2, n≥2 and for n ≠ k for system (3) and k≥2, n≥2 for equations (4). Moreover, in comparison with the known harmonic generators, this positive effect takes place without the obligatory adjustment of various (unloaded, loaded, transcendental and other) circuits at their outputs. In this case, a positive effect is achieved without the use of oscillation frequency dividers with the subsequent amplification of their power. In addition, the proposed device has an additional useful property, when the mutual synchronization of two generators in it by 3 dB decreases the level of spectral power density of phase noise [3].

Пример конкретного выполнения устройства. Рассмотрим перестраиваемый автогенератор гармоник, который одновременно генерирует колебания на основной частоте, а также на второй и четвертой гармониках в окрестностях частот 2.5, 5 и 10 ГГц. Один автогенератор при k=2 генерирует колебания в окрестностях частот 2.5 и 5 ГГц, другой - в окрестностях 5 и 10 ГГц при n=2, если взаимная синхронизация реализована на частоте kƒ₀≈5 ГГц. Реализация макета с выбранным способом синхронизации представляет больший интерес по сравнению со случаем, когда взаимная синхронизация двух автогенераторов осуществляется на основной частоте. В соответствии со схемой на фиг. 5 каждый из генераторов реализован по гибридно-интегральной технологии на поликоровой подложке размером 10×12.5×0.5 мм, которая расположена в корпусе с габаритными размерами 12.5×20×5 мм (см. фиг. 6). Первый и второй автогенераторы гармоник объединены между собой и подключены к общей выходной нагрузке при помощи согласованных элементов связи, в качестве которых используются чип резисторы 12 Ом с типовым размером 0402. Оба генератора выполнены на кристаллах кремниевых биполярных транзисторах 19 и 47 типа 2Т3202А-5, которые схеме с общим эмиттером имеют граничную частоту 7.5 ГГц, а в схеме с общей базой могут работать вплоть до ≈12 ГГц. То есть, выбранные транзисторы имеют гарантированный техническими условиями коэффициент усиления колебаний, как на частоте (например, в окрестности 5 ГГц), так и на ее второй гармонике. В разработанном макете устройства применены керамические чип конденсаторы К10-71 с минимально возможными размерами, а в качестве индуктивных элементов - золотые проволочки толщиной 15 мкм. Для оценки величин элементов С_КЭ1 и С_КЭ2 использовано значение емкости перехода коллектор-эмиттер С_КЭ=0.1 пФ из эквивалентной схемы транзистора 2Т648А-2, который является аналогом выбранного транзистора и на котором собран макет прототипа. В качестве диодов с переменной емкостью 24 и 52 применены кристаллы кремниевого варикапа 2В174А9, емкость которого меняется в диапазоне от 0.7 до 2.5 пФ.An example of a specific implementation of the device. Consider a tunable harmonic oscillator, which simultaneously generates oscillations at the fundamental frequency, as well as at the second and fourth harmonics in the vicinity of 2.5, 5 and 10 GHz frequencies. One oscillator at k = 2 generates oscillations in the vicinity of frequencies 2.5 and 5 GHz, the other - in the vicinity of 5 and 10 GHz at n = 2, if mutual synchronization is implemented at a frequency kƒ ₀ ≈5 GHz. The implementation of the layout with the selected synchronization method is of greater interest compared to the case when the mutual synchronization of two oscillators is carried out at the main frequency. In accordance with the circuit of FIG. 5, each of the generators is implemented using hybrid integrated technology on a polycrust substrate of size 10 × 12.5 × 0.5 mm, which is located in a case with overall dimensions of 12.5 × 20 × 5 mm (see Fig. 6). The first and second harmonic oscillators are interconnected and connected to a common output load using matched coupling elements, which are 12 ohm chip resistors with a typical size of 0402. Both oscillators are made on silicon bipolar transistors 19 and 47 of type 2T3202A-5, which a circuit with a common emitter has a cutoff frequency of 7.5 GHz, and in a circuit with a common base they can work up to ≈12 GHz. That is, the selected transistors have an oscillation gain guaranteed by the technical conditions, both at the frequency (for example, in the vicinity of 5 GHz) and at its second harmonic. The developed device layout uses K10-71 ceramic chip capacitors with the smallest possible sizes, and gold wires 15 microns thick as inductive elements. To assess the elements C values _KE1 and _KE2 C conversion value applied collector-to-emitter capacitance C = 0.1 pF _TBE equivalent circuit of 2T648A 2-transistor, which is an analog of the selected transistor and wherein the prototype layout assembled. Silicon varicap crystals 2V174A9, the capacitance of which varies in the range from 0.7 to 2.5 pF, were used as diodes with a variable capacitance of 24 and 52.

В автогенераторе гармоник, который генерирует колебания в окрестностях 5 и 10 ГГц использованы номиналы элементов, полученные для примера конкретной реализации прототипа. В этом генераторе в качестве емкостных элементов использованы следующие их номиналы: ≈0.2 пФ (для элементов 20, 21), 1.5 пФ (для элементов 22, 23), 47 пФ (для элементов 31-34), 15 пФ (для элемента 35). В качестве индуктивных элементов 27-30 в схеме здесь использованы золотые проволочки толщиной 15 мкм и длиной от 4.5 до 5.5 мм с расчетными величинами индуктивностей от 5.5 до 6.5 нГн. Величины индуктивных элементов 25 и 26 (в виде 15 мкм золотых проволочек) являются также расчетными и составляют ≈0.6 и ≈2.5 нГн, соответственно. Используя в формулах (4) выбранные и расчетные величины элементов схемы первого автогенератора на фиг. 5, проведены оценки его частот. Их величины составляют 5.6 и 10.2 ГГц.In the harmonic oscillator, which generates oscillations in the vicinity of 5 and 10 GHz, the values of the elements obtained for an example of a specific implementation of the prototype are used. The following nominal values were used in this generator as capacitive elements: ≈0.2 pF (for elements 20, 21), 1.5 pF (for elements 22, 23), 47 pF (for elements 31-34), 15 pF (for element 35) . As inductive elements 27-30 in the circuit, gold wires with a thickness of 15 μm and a length of 4.5 to 5.5 mm with calculated inductances from 5.5 to 6.5 nH are used here. The values of inductive elements 25 and 26 (in the form of 15 μm gold wires) are also calculated and are ≈0.6 and ≈2.5 nH, respectively. Using in the formulas (4) the selected and calculated values of the circuit elements of the first oscillator in FIG. 5, estimates of its frequencies are carried out. Their values are 5.6 and 10.2 GHz.

В другом автогенераторе гармоник использованы элементы, номиналы которых в соответствии с формулой (1) выбраны для генерирования колебаний в окрестностях частот 2.5 и 5 ГГц. Так, в данном генераторе применены следующие номиналы емкостных элементов: ≈0.4 пФ (для элементов 48, 49), 2.2 пФ (для элементов 50, 51) и использованы также индуктивные элементы 53 и 54 с номиналами: ≈1 и ≈3.5 нГн, соответственно.In another harmonic oscillator, elements are used whose values in accordance with formula (1) are selected to generate oscillations in the vicinity of frequencies of 2.5 and 5 GHz. So, in this generator, the following values of capacitive elements are used: ≈0.4 pF (for elements 48, 49), 2.2 pF (for elements 50, 51) and inductive elements 53 and 54 with values: ≈1 and ≈3.5 nH, respectively .

При проведении частотных оценок в обоих автогенераторах гармоник учитывались паразитные индуктивности между точками подключения соответствующих «земляных» контактов к общей шине.When conducting frequency evaluations in both harmonic oscillators, parasitic inductances between the connection points of the corresponding ground contacts to the common bus were taken into account.

Разработанное устройство генерирует колебания основной частоты (≈2.65 ГГц), второй (≈5.3 ГГц) и четвертой (≈10.6 ГГц) гармоник общей мощностью ≈0.65 мВт при коллекторном напряжении питания +6 В и токе потребления ~52 мА. При изменении управляющего напряжения от 1 до 4.5 В частота второй гармоники меняется от 5.29 до 5.33 ГГц. Для изготовленного макета, работающего при управляющем напряжении +2.8 В, на фиг 7 приведен спектр его выходного колебания, который получен с помощью анализатора спектра FSUP-26 (ROHDE&SCHWARZ). Из фиг. 7 видно, что уровень второй гармоники на ≈8 дБ выше, а уровень четвертой гармоники на ≈3.5 дБ ниже уровня выходной мощности колебания основной частоты. При этом по отношению к основной частоте уровни паразитных гармоник находятся в пределах -(30-50) дБ. Полученный экспериментально вид спектра подтверждает заявленный положительный эффект.The developed device generates oscillations of the fundamental frequency (≈2.65 GHz), second (≈5.3 GHz) and fourth (≈10.6 GHz) harmonics with a total power of ≈0.65 mW at a collector supply voltage of +6 V and a consumption current of ~ 52 mA. When the control voltage changes from 1 to 4.5 V, the frequency of the second harmonic changes from 5.29 to 5.33 GHz. For a fabricated model operating at a control voltage of +2.8 V, Fig. 7 shows the spectrum of its output oscillation, which was obtained using a spectrum analyzer FSUP-26 (ROHDE & SCHWARZ). From FIG. Figure 7 shows that the level of the second harmonic is ≈8 dB higher, and the level of the fourth harmonic is ≈3.5 dB lower than the level of the output power of the fundamental frequency. In this case, with respect to the fundamental frequency, the levels of spurious harmonics are in the range - (30-50) dB. The experimentally obtained form of the spectrum confirms the claimed positive effect.

Особенностью разработанного макета является не совсем обычное соотношение уровней частотных составляющих, когда в первом генераторе вторая гармоника выше основного колебания, а во втором генераторе - ниже. Это связано только с тем, что выбранный транзистор имеет меньшую граничную частоту по сравнению, например, с транзистором 2Т648А-5 в прототипе, где уровень мощности гармоники в окрестности частоты 10 ГГц выше на ≈5 дБ уровня мощности основного колебания на частоте ≈5 ГГц. Хотя используемые в макете предлагаемого устройства транзисторы и не демонстрируют максимально возможный положительный эффект - эффективное выделение одновременно k-ой и n-ой гармоник колебаний основной частоты, они обеспечивают по сравнению с транзистором 2Т648А-5 меньшие уровни фазовых шумов устройства в целом. На фиг. 8 приведены типовые зависимости спектральной плотности мощности фазовых шумов от частоты отстройки. Измеренные на частотах ≈2.65 и ≈10.6 ГГц характеристики фазовых шумов имеют похожий (с учетом стандартных пересчетов) вид. Интервал перестройки частот при изменении управляющего напряжения от 1 до 4.5 В соответствует диапазону частот, где сохраняются режим взаимной синхронизации двух генераторов, а также связанный с ней эффект уменьшения фазовых шумов.A feature of the developed layout is not quite the usual ratio of the levels of frequency components, when in the first generator the second harmonic is higher than the main oscillation, and in the second generator it is lower. This is only due to the fact that the selected transistor has a lower cutoff frequency compared to, for example, the 2T648A-5 transistor in the prototype, where the harmonic power level in the vicinity of the 10 GHz frequency is ≈5 dB higher than the main oscillation power level at the frequency of ≈5 GHz. Although the transistors used in the model of the proposed device do not show the maximum possible positive effect - the effective separation of the kth and nth harmonics of the fundamental frequency oscillations at the same time, they provide lower phase noise levels of the device as a whole compared to the 2T648A-5 transistor. In FIG. Figure 8 shows typical dependences of the spectral power density of phase noise on the detuning frequency. The phase noise characteristics measured at frequencies ≈2.65 and ≈10.6 GHz have a similar (taking into account standard recalculations) form. The frequency tuning interval when the control voltage changes from 1 to 4.5 V corresponds to the frequency range where the mutual synchronization of the two generators is saved, as well as the effect of phase noise reduction associated with it.

Таким образом, приведенный пример конкретной реализации перестраиваемого автогенератора гармоник, подтверждает возможность получения повышенных уровней мощности выделяемых одновременно k-ой и n-ой гармоник по отношению к выходной мощности колебаний основной частоты. Теоретически на основной частоте и на ее k-ой и n-ой гармониках возможно получение колебаний с приблизительно равными уровнями их выходных мощностей. Экспериментально установлено, что уровни выходной мощности колебаний одной из этих гармоник могут быть и относительно выше.Thus, the given example of a specific implementation of a tunable harmonic oscillator confirms the possibility of obtaining increased power levels of simultaneously emitted the kth and nth harmonics with respect to the output power of the fundamental frequency oscillations. Theoretically, at the fundamental frequency and at its kth and nth harmonics, it is possible to obtain oscillations with approximately equal levels of their output powers. It was experimentally established that the levels of the output power of oscillations of one of these harmonics can be relatively higher.

Источники информацииInformation sources

1. R&S FSUP Signal source analyzer / Quick start guide // Rohde & Schwarz GmbH & Co. - Germany, Munich. - 2011.1. R&S FSUP Signal source analyzer / Quick start guide // Rohde & Schwarz GmbH & Co. - Germany, Munich. - 2011.

2. Баранов, А.В. Частные и обобщенные эквивалентные трехточечные схемы СВЧ автогенераторов / А.В. Баранов // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ - техника. - 2017. - Вып. 1(532). - С. 18-25.2. Baranov, A.V. Partial and generalized equivalent three-point circuits of microwave oscillators / A.V. Baranov // Electronic Engineering. Ser. 1. Microwave technology. - 2017. - Issue. 1 (532). - S. 18-25.

3. Патент РФ на изобретение №2644067, МПК - 2006.01 H03B 5/12; Каскодный генератор, управляемый напряжением / Баранов А.В.; заявитель и патентообладатель АО «НПП «Салют». - №2017116009/08(027693); заявл. 04.05.2017, опубл. 07.02.2018, Бюл. №4.3. RF patent for the invention No. 2644067, IPC - 2006.01 H03B 5/12; Cascode generator controlled by voltage / Baranov A.V .; Applicant and patent holder of NPP Salyut JSC. - No. 2017116009/08 (027693); declared 05/04/2017, publ. 02/07/2018, Bull. Number 4.

Claims

A tunable harmonic oscillator, consisting of the first voltage-controlled harmonic oscillator, which is made on a transistor 19, connected according to a circuit with a common base, and contains inductors and capacitors connected in series with each other under the numbers 27 and 31, 28 and 32, 29 and 34, 30 and 33, respectively, where the second plates of all capacitors 31-34 are connected to a common bus, and the common points of each pair of elements are connected to the terminals 36 and 38, 37, 39 of the sources of supply of the control voltage of the varicap 24 and the supply voltages to the trans electrodes of the source 19, with the varicap anode 24 connected to a common bus, and its cathode connected to the free terminal of the inductance 27 and to the capacitor 20, the second terminal of which is connected to the free terminal of the inductance 28 and the emitter of the transistor 19, and its base is connected to the capacitor 21 and simultaneously to the inductance 25 connected in series with the capacitor 22, while the second plates of the capacitors 21 and 22 are connected to a common bus, and the free terminal of the inductance 29 is connected to a common connection point of the inductance 25 and the capacitor 22, the collector of the transistor 19 has t is in common contact with the free terminal of the inductance 30, and with the capacitor 35, and with the inductance 26 connected in series with the capacitor 23, in turn, the second plate of the capacitor 23 is connected to the common bus, and the second plate of the capacitor 35 is connected to the output of the first tunable oscillator harmonics in which the values of the main elements satisfy the relation:

where ƒ ₀ is the main frequency of the device’s generation, k = 2, 3, ... is the number of the harmonic emitted, the index “1” hereinafter marks all the elements related to the first harmonic oscillator, C _AE1 is the collector-emitter junction capacitance of the selected transistor 19, C _OC1 is the equivalent capacitance of the emitter and base circuits connected in series at the first oscillator in the first oscillator: the emitter circuit is formed by the inductance 28 and the capacitances of the varicap 24 and the capacitor 20, the basic circuit is formed by the inductance 25 and the capacitors 21 and 22, L _{KK 1} - equivalent inductance of series-connected base and collector circuits, the latter is formed by inductance 26 and capacitor 23 and operates in the first oscillator at the fundamental frequency, C _E1 is the equivalent capacitance of the emitter circuit associated with the collector circuit using the kth harmonic of the main oscillation with capacitor C _AE1 , L _B1 is the equivalent inductance of the base circuit operating at the kth harmonic of the main oscillation, L _K1 is the equivalent inductance of the collector circuit associated with using a capacitor C _AE1 with an emitter circuit during operation at the kth harmonic of the main oscillation, characterized in that a second voltage-controlled harmonic oscillator is introduced, made according to the scheme of the first, the output of which, on the one hand, is connected through series-connected matched communication elements 64 and 65 is connected to the output of the first harmonic controlled by the voltage oscillator, and, on the other hand, through series-connected matched communication elements 64 and 66 to the output of the device as a whole, and if the first and Torah oscillators are mutually synchronized at the frequency ƒ _0, the values of the main elements of the second harmonic oscillator satisfy the relation:

where n = 2, 3, ... is the number of the harmonic emitted at n ≠ k with a frequency of ƒ ₀ , hereinafter, the index "2" marks all the elements related to the second harmonic oscillator, C _AE2 is the collector-emitter junction capacitance of the second selected transistor 47 C _OC2 - equivalent capacitance operating at the fundamental frequency connected in series and the base emitter circuits: an emitter circuit formed by the inductance 56 and the capacitance of capacitor 52 and varactor 48, the basic circuit - inductance 53 and the capacitors 49 and 50, L _KK2 - equivalent induktivnos L serially connected base and collector circuits, the latter is formed by the inductance 54 and the capacitor 51, and operates in a second oscillator for the fundamental frequency, C _A2 - the equivalent capacitance of the emitter circuit, connected by means of the capacitor C _AE2 to the collector circuit and operating in the second oscillator on the n-th harmonic of the fundamental oscillation nƒ _0, L _B2 - base equivalent inductance circuit which operates in the second oscillator on the n-th harmonic with frequency ₀ nƒ, L _K2 - equivalent inductance collector th contour associated with the emitter circuit using the capacitor C _AE2 during operation on the n-th harmonic of the fundamental oscillation nƒ ₀ second oscillator, however, if the device in the first and second oscillators are mutually synchronized at the frequency kƒ _0, the value of the basic elements the second harmonic oscillator satisfy the ratio:

where n = 2, 3, ... is the number of the emitted harmonic of the oscillation with a frequency of kƒ ₀ , C _OS2 ^* is the equivalent capacitance of the emitter and base loops connected in series, which operate at the fundamental frequency for the second oscillator — kƒ ₀ , L _KK2 ^* is the equivalent inductance in series and collector connected to the base circuits in the second oscillator operating at the same frequency - kƒ _0, C ^* _A2 - the equivalent capacitance of the emitter circuit, connected by means of the capacitor C _AE2 to the collector circuit and operating in the second oscillator n frequency of its n-th harmonic - nkƒ _0, L _B2 ^* - equivalent inductance of the base contour, which in the second oscillator runs at its n-th harmonic - nkƒ _0, L _K2 ^* - equivalent inductance of the collector circuit, associated with the emitter circuit using capacitor C _AE2 during operation at the harmonic frequency nkƒ ₀ in the second oscillator.