Перестраиваемый автогенератор гармоник

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат направлен на одновременное повышение уровней мощности выделяемых нечетных и четных гармоник перестраиваемого генератора по отношению к выходной мощности его колебания основной частоты. Перестраиваемый автогенератор гармоник, содержащий транзистор, база которого соединена с общей точкой конденсаторов, и резисторов, образующих делитель напряжения, включенный между общей шиной и положительной клеммой источника питающего напряжения, коллектор транзистора соединен с общей точкой подключения конденсаторов, и индуктивности, другой вывод которой присоединен к клемме и через блокировочный конденсатор - к общей шине, эмиттер транзистора подключен к общей точке соединения свободных выводов конденсаторов, с резистором и с конденсатором, второй вывод которого через последовательно соединенные индуктивности и подключен к выходу устройства, свободный вывод конденсатора подключен, с одной стороны, через последовательно соединенные индуктивности, к положительной клемме источника управляющего напряжения, а с другой стороны, данный вывод конденсатора подключен к катоду варикапа, анод которого через отрезок микрополосковой линии передач соединен с общей шиной. 15 ил.

 

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 приблизительно одинаковые по мощности колебания основной частоты и частот его второй и третьей гармоник.

Известен автогенератор гармоники СВЧ (см. Малышев, В.А. Автогенератор гармоники СВЧ / В.А. Малышев, СП. Бровченко // Авторское свидетельство СССР №SU 1054864 А. - Опубл. 15.11.83 в БИ №42). Данное устройство, блок-схема которого изображена 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 (или выделяемых гармоник) (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 f₀, а при помощи фильтра ФВГ на частоте kf₀ 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 получение двух (k-ой и n-ой) гармоник одновременно.

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 в ГУН [1], находятся обычно в пределах -(10 - 20) и -(20 - 35) дБн, соответственно (см. фиг. 2-18 и 2-21 в [1]).

Известен СВЧ автогенератор субгармоник (см. HMC530LP5/530LPE MMIC VCO wl 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 f₀ на выходе 12 в ГУН 7 реализуется необходимое отрицательное сопротивление, а для получения на выходе 13 колебаний с половинной частотой f₀/2 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 f₀/4, 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.

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 f₀/4 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.

Известен перестраиваемый СВЧ автогенератор k-ой и n-ой гармоник (см. Баранов, А.В. Перестраиваемый автогенератор гармоник // Патент РФ на изобретение №2706481 по заявке на изобретение №2019114601 от 13.05.2019, МПК - 2006.01 НО3 В 5/36, Опубл. 19.11.2019, Бюл. №32). Его блок-схема изображена на фиг. 3 а). Данный автогенератор гармоник представляет собой систему двух связанных блоком 19 автогенераторов 20 и 21, которые работают в режимах взаимной синхронизации. Блок связи 19 содержит три резистивных элемента 22 - 24 и является согласованным устройством. В качестве каждого из элементов системы 20 и 21 использован предложенный в работе [2] СВЧ автогенератор гармоники, принципиальная схема которого приведена на фиг. 3б. Этот АГ выполнен на биполярном транзисторе 25, включенном по схеме с общей базой. Основными частотозадающими элементами автогенератора являются емкость перехода «коллектор-эмиттер» транзистора С_кэ, емкости конденсаторов 26 - 29 и варикапа 30, а также индуктивности 31, 32 и 34. Кроме этого устройство содержит индуктивные 33 - 36 и емкостные 37 - 40 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 41. Для подачи запирающего напряжения на варикап 30 используется клемма 42, а для ввода напряжений питания на электроды транзистора - клеммы 43 -45. Особенностью работы каждого автогенератора гармоники является то, что в нем созданы условия для одновременной генерации приблизительно равных по уровню колебаний на основной частоте и ее гармонике. Создание этих условий предполагает реализацию емкостной треугольной трехточечной схемы автогенератора на основной частоте, а на ее гармонике -звездообразной схемы индуктивной трехточки автогенератора [3]. В рассматриваемой на фиг. 3 а) системе выполнены условия для генерации колебаний основной частоты и ее k-ой и n-ой гармоник одновременно. В первом автогенераторе системы на фиг. 3 а) реализованы условия для одновременной генерации колебаний основной частоты и ее k-ой гармоники, во втором - основной частоты и ее n-ой гармоники. При этом в каждом из них использованы разнотипные трехточечные схемы автогенераторов: емкостная треугольная и индуктивная звездообразная. В зависимости от того на какой частоте (на основной или на частоте kf₀) выполнена синхронизация, на выходе системы присутствуют три близких по уровню мощности колебания с частотами f₀, kf₀, nf₀, где n ≠ k, или с частотами f₀, kf₀ и nkf₀ для любых n и k. К сожалению, в этом аналоге не всегда можно обеспечить на его выходе приблизительное равенство уровней мощностей основного колебания и выделяемых гармоник. Так, уровни мощностей составляющих спектра выходного колебания здесь принципиально отличаются друг от друга, поскольку в процессе взаимной синхронизации требуются повышенные по сравнению с уровнями других колебаний мощности синхронизируемых колебаний [4].

Из-за отмеченной выше особенности реализации взаимной синхронизации двух автогенераторов гармоник недостатком данного устройства, является невозможность получения одинаковых уровней мощностей основного колебания и выделяемых гармоник, которая приводит к пониженным уровням одной из выделяемых гармоник. Кроме того, к недостаткам этого аналога следует отнести сложность его практической реализации.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является управляемый напряжением СВЧ генератор (см. рисунок 5.34. в монографии Транзисторные усилители-ограничители мощности гармонических СВЧ колебаний / А.В. Баранов, СЛ. Моругин. -М.: Горячая линия - Телеком, 2019.-332 с). Устройство выполнено по схеме емкостной трехточки и представляет собой разновидность автогенератора Колпиттца с выходом мощности с эмиттера биполярного транзистора 46, включенного по схеме с общей базой (см. фиг. 4). Основными частотозадающими элементами этого АГ являются конденсаторы 47 - 50, варикап 51 и отрезок микрополосковой линии (МПЛ) 52. Незначительно влиять на основную частоту и почти не влиять на ее гармоники могут также емкостные 53 - 56 и индуктивные 57-61 элементы развязки СВЧ цепей по питанию. С помощью резистивных элементов 62 - 64 устанавливается режим работы транзистора 46 по постоянному току. Данный ГУН подключен к 50-Омному выходу через конденсатор 53 и фильтр нижних частот (ФНЧ), образованный элементами 54, 60 и 61. От положительной клеммы 65 первого источника запирающее напряжение подается на варикап 51 через ФНЧ, который образован элементами 56, 58 и 59. Для ввода напряжения питания на транзистор 46 используется положительная клемма 66 второго источника. Отрицательные клеммы обоих источников подключены к общей шине устройства-прототипа. Для выбранной в ГУН на фиг. 4 схемы трехточки рабочая частота оценивается выражением:

где С_АЭ - емкость «активного элемента», образованная емкостями элемента 50 и перехода коллектор-эмиттер С_КЭ транзистора 46, С_ОС - эквивалентная емкость контура «обратной связи», который включает межэлектродную емкость эмиттер-база С_эб, емкость элемента 48 и эквивалентную индуктивность элементов 47, 53, 54 и 60, a L_KK - эквивалентная индуктивность «колебательного контура», состоящего из межэлектродной емкости база-коллектор С_бк, емкостей элементов 47, 49, 51 и эквивалентной индуктивности отрезка МПЛ 52. В ГУН на фиг. 4 наличие и уровень гармонических составляющих в спектре выходного колебания полностью определяется нелинейным режимом работы устройства. К сожалению, уровни выделяемых гармоник не оптимальны и относительно невелики [1].

Недостатком прототипа является относительно невысокий уровень мощности выделяемых гармоник. Типовая разница между мощностями гармоник соответствуют соотношениям между уровнями составляющих выходного спектра, как в первом аналоге.

Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в одновременном повышении уровней мощности выделяемых нечетных и четных гармоник перестраиваемого генератора по отношению к выходной мощности его колебания основной частоты.

Этот эффект достигается тем, что в перестраиваемом автогенераторе гармоник, содержащем транзистор 67, база которого соединена с общей точкой конденсаторов 68, 69 и резисторов 85, 86, образующих делитель напряжения, включенный между общей шиной и положительной клеммой 89 источника питающего напряжения, коллектор транзистора 67 соединен с общей точкой подключения конденсаторов 70, 71 и индуктивности 80, другой вывод которой присоединен к клемме 89 и через блокировочный конденсатор 78 - к общей шине, эмиттер транзистора 67 подключен к общей точке соединения свободных выводов конденсаторов 69, 71 с резистором 87 и с конденсатором 76, второй вывод которого через последовательно соединенные индуктивности 83 и 84 подключен к выходу устройства, свободный вывод конденсатора 70 подключен, с одной стороны, через последовательно соединенные индуктивности 81, 82 к положительной клемме 88 источника управляющего напряжения, а с другой стороны, данный вывод конденсатора 70 подключен к катоду варикапа 72, анод которого через отрезок микрополосковой линии передач 73 соединен с общей шиной, причем общие точки первой (элементы 81 и 82) и второй (элементы 83 и 84) пар индуктивностей подключены, соответственно, через конденсатор 79 и конденсатор 77 к общей шине, которая, в свою очередь, используется в качестве отрицательных клемм для обоих источников питания, согласно изобретению вводятся две индуктивности: первая индуктивность 74 - между общей шиной и вторым выводом конденсатора 68 и вторая индуктивность 75 - между общей шиной и вторым выводом резистора 87, а минимальные суммарные проводимости Y_i → 0, рассчитанные в соответствующих номерам i=1, 2, 3 точках базы, эмиттера и коллектора транзистора 67, который описывается системой волновых [S]-параметров, связаны соотношениями:

где k - целое число, a ImY_i(ω₀), ImY_i(2kω₀), ImY_i((2k+1)ω₀) - мнимые части проводимостей Y_i элементов звездообразных трехточечных эквивалентных цепей, которые образованы на основной циклической частоте ω₀ и ее четной 2kω₀ и нечетной (2k+1)ω₀ гармониках.

Принципиальная схема предложенного перестраиваемого автогенератора гармоник представлена на фиг. 5. В данном устройстве, выполненном на одном биполярном транзисторе 67, на основной частоте и ее гармониках реализованы разнотипные звездообразные трехточечные схемы генераторов: на основной частоте и ее нечетной гармонике реализованы емкостные, а на четной гармонике - индуктивная трехточки, соответственно. Основными частотозадающими элементами АГ являются конденсаторы 68-71, варикап 72, отрезок микрополосковой линии (МПЛ) 73 и индуктивные элементы 74, 75. Незначительно влиять на основную частоту и почти не влиять на ее гармоники могут также емкостные 76 - 79 и индуктивные 80 - 84 элементы развязки СВЧ цепей по питанию. С помощью резистивных элементов 85 - 87 устанавливается режим работы транзистора 67 по постоянному току. Данный ГУН подключен к 50-Омному выходу через конденсатор 76 и фильтр нижних частот, образованный элементами 77, 83 и 84. От положительной клеммы 88 первого источника запирающее напряжение подается на варикап 72 через ФНЧ, который образован элементами 79, 81 и 82. Для ввода напряжения питания на транзистор 67 используется положительная клемма 89 второго источника. Отрицательные клеммы обоих источников подключены к общей шине АГ гармоник.

Предложенное устройство работает следующим образом. Используя обобщенную модель колебательной системы (см. фиг. 6), оценим принципиальные возможности одновременной генерации колебаний основной частоты и ее четной и нечетной гармоник. Обобщенная модель содержит один усилительный элемент 90 с коэффициентом передачи G(jω), который работает одновременно на три контура (91, 92 и 93) с коэффициентами передач H₁(jω), H_2k(jω) и H_2k+1(jω). Первый контур настроен для генерации колебания основной частоты ω₀, второй - для генерации колебания ее четной гармоники (2kω₀, где k - целое число), а третий - для генерации нечетной гармоники ((2k+1)ω₀). В обобщенной модели колебательной системы входное V_вх(ω) и выходное V₀(ω) напряжения, по сути, являются суммами трех колебаний, связанными между собой следующим соотношением:

Из уравнения (2) следует, что даже когда V_вх(ω)=0, выходное напряжение V₀(ω) колебательной системы на фиг. 6 может быть ненулевым при следующих условиях:

Полученные условия (3) и (4) обобщают критерий Баркхаузена [1, 5] для любых случаев, когда колебательные системы одновременно генерируют колебания основной частоты и ее четной и нечетной гармоник. Для частного случая, когда генерация имеет место, как на основной частоте, так и на ее четной и нечетной гармониках, то есть когда справедлива следующая система:

кратность 2π в выражении (4) сохраняется и поэтому оно автоматически выполняется.

Таким образом, полученные выражения (4) и (5) подтверждают возможность одновременной генерации колебаний основной частоты и ее четной и нечетной гармоник. Другими словами, если для генерации колебаний на основной частоте и на ее четной и нечетной гармониках создать условия (5), то на этих частотах возможно получение колебаний с приблизительно равными уровнями выходных мощностей. Такое равенство уровней можно достичь, если коэффициенты передач активной и пассивной цепей на фиг. 6, а также динамический диапазон по выходной мощности выбранного транзистора будут мало отличаться друг от друга на основной частоте и на ее четной и нечетной гармониках.

Реализуем описанные возможности в представленном на фиг. 5 устройстве. Поясним работу данного генератора, используя упрощенную схему, которая приведена на фиг. 7 а). Эта схема представляет собой треугольную обобщенную трехточечную схему, которая распадается на две известные (емкостную и индуктивную) трехточечные схемы автогенераторов [3], если проводимости элементов носят чисто реактивный характер, а транзистор описывается только крутизной его проходной характеристики [6]. Причем если активный элемент описывается системой волновых [S]-параметров, то такую эквивалентную схему можно считать частной, а не обобщенной, поскольку она справедлива не для любого, а только для выбранного СВЧ транзистора [3]. В этом случае вместо обобщенных моделей на фиг. 6 и 7 а) могут быть использованы двухточечные модели: модель генератора Курокавы или его модифицированная модель [7]. В данных моделях используются называемые «негатроном» элементы цепи, которые имеют отрицательные действительные части сопротивления Zнег или проводимости Yнег, равные по величине аналогичным характеристикам нагрузочной цепи. Для трехточечной модели генератора на фиг. 7 а) в качестве проводимости негатрона может быть использована либо входная проводимость Y_вх либо одна из выходных проводимостей Y_вых1, Y_вых2 (или все эти проводимости одновременно), которые удовлетворяют следующим соотношениям:

Соотношения (6) справедливы как для основной частоты, так и для ее любой k-ой гармоники. При напряжениях V_вх и V_вых1, V_вых2 ≠ 0 на фиг. 7 а) они могут быть переписаны и для суммарных токов I₁→0, I₂→0, I₃→0, которые соответствуют входному I_вх и выходным I_вых1, I_вых2 токам [7]. Реализация соотношений (6) приводит к тому же результату, что и выполнение условий (3) - (5). Отмеченные системы лежат в основе взаимодополняющих приемов проектирования СВЧ автогенераторов [8].

Используя рекомендации книги [9], в схему автогенератора на фиг. 5 введем порты P₁, P₂, P₃ в соответствующие точки b, a и c его треугольной трехточечной схемы на фиг. 7 а). Затем определим параметры элементов схемы на фиг 5, которые соответствуют рассчитанным в этих портах минимальным значениям суммарных проводимостей Y₁→0, Y₂→0, Y₃→0. Применяя полученные таким образом реактивные части минимальных суммарных проводимостей, преобразуем эквивалентную схему автогенератора на фиг. 7 а) в звездообразную трехточечную схему на фиг. 7 б). Если сопротивления 1/ImY₁ и 1/ImY₃ носят емкостной характер, а величина 1/ImY₂ является сопротивлением индуктивного элемента, то такая звездообразная трехточка называется емкостной [3]. Вместе с тем, если сопротивления 1/ImY₁ и 1/ImY₃ носят индуктивный характер, а величина 1/ImY₂ является сопротивлением емкостного элемента, то такая звездообразная трехточка называется индуктивной. Реализуем в автогенераторе гармоник на фиг. 5 и в его модели на фиг. 7 6) емкостные трехточечные схемы при работе АГ на основной частоте ω₀ и ее нечетной гармонике (2k+1)ω₀, а также индуктивную трехточку при работе АГ на четной гармонике 2kω₀ основной частоты. Для звездообразной схемы автогенератора гармоник на фиг. 7 б) частоту генерации на выбранной гармонике найдем не по формуле (1), а из условия [8]:

Определяя в (7) на частотах (2k+1)ω₀ при k=0, 1, 2,… величины сопротивлений 1/ImY₁, 1/ImY₃ и 1/ImY₂ через соответствующие им элементы C₁, C₃ и L₂ выражениями:

частоты основной и нечетной гармоник в емкостной трехточечной схеме запишем в виде:

Определяя в (7) на частотах 2kω₀ при k=1, 2,… величины сопротивлений 1/ImY₁, 1/ImY₃ и 1/ImY₂ через соответствующие им элементы L₁, L₃ и C₂ выражениями:

частота четной гармоники в индуктивной трехточечной звездообразной схеме имеет вид:

Подставляя выражения (8) в (9), а также выражения (10) в (11), установим взаимосвязь величин ImY₁, ImY₃ и ImY₂ на основной частоте ω₀, а также на ее четной 2kω₀ и нечетной (2k+1)ω₀ гармониках при k=1, 2,… при помощи следующих соотношений:

Полученную систему уравнений (12) можно переписать в новом, справедливом для любой частоты со, как для основной частоты, так и для ее любой гармоники, общем виде:

Обобщенное соотношение (13), по сути, является следствием уравнения (7).

Выполнение установленных выше соотношений (12) и (13) является необходимым условием для реализации выбранных трехточечных схем предлагаемого автогенератора гармоник (емкостных трехточечных схем при работе АГ на основной частоте ω₀ и ее нечетной гармонике (2k+1)ω₀, а также индуктивной трехточки при работе АГ на четной гармонике 2kω₀ основной частоты). Для автогенератора гармоник, выполненного на СВЧ транзисторе, который описывается системой волновых [S]-параметров, при помощи системы (12) создаются условия одновременной генерации колебаний основной частоты и ее четной и нечетной гармоник. В результате генерации на указанных гармониках можно ожидать повышение уровней их выходной мощности, по крайней мере, до уровня выходной мощности колебания основной частоты. Причем этот положительный эффект достигается без обязательной настройки различных (ненагруженных, нагруженных, запредельных и других) контуров на выходах аналогичных автогенераторов гармоник. Кроме того, для получения уровней гармоник близких по мощности к основному колебанию вовсе необязательно использовать сложные приемы взаимной синхронизации.

Пример конкретного выполнения устройства. Рассмотрим перестраиваемый автогенератор гармоник, который при k=2 одновременно генерирует колебания на основной частоте, на второй и третьей гармонике в окрестностях частот 2, 4 и 6 ГГц. В соответствии со схемой на фиг. 5 генератор выполнен на стеклотекстолитовой подложке FR-4 размером 12.7×12.7×0.8 мм, которая закрывается крышкой и вместе с ней образует общий корпус с габаритами 12.7×12.7×4.5 мм и всеми привязками, являющимися для ГУН ряда зарубежных производителей стандартными (см. фиг. 8). Данный автогенератор выполнен на кремниевом биполярном транзисторе 67 типа 2Т682А-2, который имеет гарантированный техническими условиями [10] коэффициент усиления колебаний, как на основной частоте, так и на ее гармониках. Так, при использовании его в схеме с общим эмиттером его граничная частота составляет ~6 ГГц, а в схеме с общей базой транзистор работает до 9 ГГц. Используя предложенную в работе [8] методику проектирования ГУН, а также приведенные в технических условиях [10] волновые [S]-параметры транзистора, определим значения элементов схемы на фиг. 5, которые соответствуют минимальным величинам суммарных проводимостей Y₁→0, Y₂→0, Y₃→0. При помощи рекомендаций [9] данный расчет в трех портах (или точках трехточечных схем) выполним одновременно на трех частотах: на основной частоте ω₀, на четной гармонике 2ω₀ и ее нечетной гармонике 3ω₀. В автогенераторе гармоник на фиг. 5 минимальные значения суммарных проводимостей Y₁, Y₂, Y₃ имеют место при оптимальных параметрах элементов схемы. Величины таких параметров получены следующими: 0.4 пФ (для элементов 69, 71), 0.3 пФ (для элемента 76), 1 пФ (для элемента 77), 2 пФ (для элемента 70), 3.3 пФ (для элемента 68), 47 пФ (для элемента 79), 1000 пФ (для элемента 78), 1 нГн (для элемента 84), 3.3 нГн (для элемента 83), 5.6 нГн (для элемента 75), 6.8 нГн (для элемента 74), 18 нГн (для элемента 80), 47 нГн (для элементов 81 и 82), 75 Ом (для элемента 87), 1.5 кОм (для элемента 86), 1.82 кОм (для элемента 85). При этом длина отрезка МПЛ (элемент 73) равна 12.2 мм, его ширина - 1.3 мм, а емкость варикапа 2 В169А9 (элемент 72) меняется от ~8 до ~80 пФ (расчетная величина этой емкости составляет ~20 пФ). При оптимальных параметрах элементов макета АГ получены частотные зависимости действительных и мнимых частей минимальных значений суммарных проводимостей Y₁ (фиг. 9), Y₂ (фиг. 10) и Y₃ (фиг. 11), соответственно, в точках (портах) базы, эмиттера и коллектора транзистора. Из приведенных рисунков найдем величины следующих характеристик: ImY₁(ω₀) ≈ 0.011 Ом^-1, ImY₃(ω₀) ≈ 0.0155 Ом^-1, Im(1/Y₂(ω₀)) ≈ 41 Ом, ImY₁(2ω₀) ≈ 0.0285 Ом^-1, ImY₃(2ω₀) ≈ 0.0034 Ом^-1, Im(1/Y₂(2ω₀)) ≈ 33.3 Ом, ImY₁(3ω₀) ≈ 0.0075 Ом^-1, ImY₃(3ω₀) ≈ 0.03 Ом^-1, Im(1/Y₂(3ω₀)) ≈ 27.6 Ом. В результате, левые части первого, второго и третьего уравнений (12) равны 0.96, 0.98 и 1.03, соответственно. Следовательно, в рассматриваемом примере АГ необходимое условие для генерации колебаний основной частоты и ее второй и третьей гармоник с удовлетворительной точностью (с отклонением ≤4%) выполняется. В таком автогенераторе гармоник можно ожидать близкие по мощности уровни выделяемых гармоник. Для данного макета автогенератора на фиг. 12 приведен спектр его выходного колебания, полученный с помощью анализатора спектра FSUP-26 (ROHDE&SCHWARZ). Эти данные экспериментально подтверждают заявленный положительный эффект. Так, из фиг. 12 следует, что уровни второй и третьей гармоники приблизительно одинаковые, а выходная мощность основного колебания на «5 дБ ниже уровней выделяемых гармоник. Разработанное устройство генерирует колебания основной частоты (≈2.15 ГГц), второй (≈4.3 ГГц) и третьей (≈6.45 ГГц) гармоники общей мощностью ≈0.7 мВт при напряжении питания +5 В и токе потребления ~21 мА. При изменении управляющего напряжения от 3 до 12 В частота второй гармоники меняется от 4.15 до 4.4 ГГц. Для работающего на частоте (≈4.3 ГГц) макета на фиг. 13 приведены типовые зависимости спектральной плотности мощности фазовых шумов от частоты отстройки. Измеренные на частотах ≈2.15 и ≈6.45 ГГц характеристики фазовых шумов имеют похожий (с учетом стандартных пересчетов) вид.

Таким образом, приведенный пример конкретной реализации перестраиваемого автогенератора гармоник, подтверждает возможность получения при k=1, 2,… повышенных уровней мощности выделяемых четной 2kω₀ и нечетной (2k+1)ω₀ гармоник. Теоретически возможно получение колебаний с близкими по отношению к выходной мощности основного колебания уровнями мощностей двух выделяемых гармоник. Экспериментально установлено, что уровни выделяемых гармоник могут быть между собой одинаковыми и несколько выше, чем выходная мощность основного колебания.

Источники информации

1. Rohde, U.L. The design of modern microwave oscillators for wireless applications / U.L. Rohde, A.K. Poddar, - New Jersey, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2005. - 543 p.

5. Патент РФ на изобретение №2685387, МПК - 2006.01 Н03В 5/36; Перестраиваемый автогенератор гармоники / А.В. Баранов; заявитель и патентообладатель АО «НПП «Салют». -№2018100517/08(000639); заявл. 09.01.2018, опубл. 17.04.2019, Бюл. №11.

3. 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.

4. Баранов, А.В. Близкие по уровню мощности одновременные колебания основной частоты и одной или двух ее гармоник в СВЧ-автогенераторах / А.В. Баранов // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. - 2019. - Вып.3(542). - С. 88-99.

5. Grebennikov, A. RF and microwave transistor oscillator design / A. Grebennikov. -Chichester, England: John Wiley & Sons, Ltd, 2007. - 441 p.

6. Радиопередающие устройства / Под ред. MB. Благовещенского, Г.М. Уткина. - М.: Радио и связь, 1982. - 408 с.

7. Chang, C.-R. Computer-aided analysis of free-running microwave oscillators / C.-R. Chang, M.B. Steer, S. Martin, E. Reese // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. - 1991. -Vol. MTT-39, No. 10.-P. 1735-1745.

8. Баранов, А.В. Взаимодополняющие приемы проектирования трехточечных СВЧ-автогенераторов / А.В. Баранов, А.Л. Козиков // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. - 2018. - Вып.3(538). - С. 75-82.

9. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. Под ред. В.Д. Разевига. - М.: Солон-Пресс, 2003. - 496 с.

10. Приборы полупроводниковые бескорпусные. Транзистор 2Т682А-2. Частные технические условия аАО. 339.663 ТУ.

Перестраиваемый автогенератор гармоник, содержащий транзистор 67, база которого соединена с общей точкой конденсаторов 68, 69 и резисторов 85, 86, образующих делитель напряжения, включенный между общей шиной и положительной клеммой 89 источника питающего напряжения, коллектор транзистора 67 соединен с общей точкой подключения конденсаторов 70, 71 и индуктивности 80, другой вывод которой присоединен к клемме 89 и через блокировочный конденсатор 78 - к общей шине, эмиттер транзистора 67 подключен к общей точке соединения свободных выводов конденсаторов 69, 71 с резистором 87 и с конденсатором 76, второй вывод которого через последовательно соединенные индуктивности 83 и 84 подключен к выходу устройства, свободный вывод конденсатора 70 подключен, с одной стороны, через последовательно соединенные индуктивности 81, 82 к положительной клемме 88 источника управляющего напряжения, а с другой стороны, данный вывод конденсатора 70 подключен к катоду варикапа 72, анод которого через отрезок микрополосковой линии передач 73 соединен с общей шиной, причем общие точки первой (элементы 81 и 82) и второй (элементы 83 и 84) пар индуктивностей подключены, соответственно, через конденсатор 79 и конденсатор 77 к общей шине, которая, в свою очередь, используется в качестве отрицательных клемм для обоих источников питания, отличающийся тем, что вводятся две индуктивности: первая индуктивность 74 - между общей шиной и вторым выводом конденсатора 68 и вторая индуктивность 75 - между общей шиной и вторым выводом резистора 87, а минимальные суммарные проводимости Y_i→0, рассчитанные в соответствующих номерам i=1, 2, 3 точках базы, эмиттера и коллектора транзистора 67, который описывается системой волновых [S]-параметров, связаны соотношениями:

где k - целое число, a ImY_i(ω₀), ImY_i(2kω₀), ImY_i((2k+1)ω₀) - мнимые части проводимостей Y_i элементов звездообразных трехточечных эквивалентных цепей, которые образованы на основной циклической частоте ω₀ и ее четной 2kω₀ и нечетной (2k+1)ω₀ гармониках.