Перестраиваемый каскодный автогенератор гармоник

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к перестраиваемым транзисторным автогенераторам гармоник, которые одновременно формируют приблизительно одинаковые по мощности колебания основной частоты и частот выделяемых гармоник, и может быть использовано в синтезаторах частот, работающих вплоть до СВЧ-диапазона. Техническим результатом изобретения является повышение уровня выделяемых гармоник автогенераторов на основе однотипных трехточечных схем. Перестраиваемый каскодный автогенератор содержит активный элемент на двух описываемых системой волновых [S]-параметров транзисторах, которые включены по схеме «общий эмиттер - общая база». Минимальные суммарные сопротивления элементов звездообразных трехточечных схем, рассчитанные в соответствующих точках коллектора Z_К второго транзистора, а также баз и эмиттеров первого и второго транзисторов, связаны соотношениями, в которых - мнимые части сопротивлений элементов звездообразных емкостных трехточечных эквивалентных схем, которые образованы на циклической частоте ω, равной или основной частоте ω₀ или четным нечетным частотам. 12 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в синтезаторах частот, работающих вплоть до СВЧ-диапазона. В частности, данное устройство относится к перестраиваемым транзисторным автогенераторам гармоник (АГГ), которые одновременно формируют приблизительно одинаковые по мощности колебания основной частоты и частот выделяемых гармоник.

Известен перестраиваемый СВЧ-автогенератор гармоник (см. Баранов, А.В. Перестраиваемый автогенератор гармоник // Патент РФ на изобретение №2727782 с приоритетом от 26.02.2020, МПК - 2006.01 НО3В 5/36, Опубл. 23.07.2020, Бюл. №21). Данный автогенератор гармоник (см. фиг. 1) выполнен на одном биполярном транзисторе 1 и представляет собой трехпортовое устройство [1, 2], в котором нагружены все три его вывода (порта). Причем для такого транзистора нельзя однозначно ответить на вопрос, какой из его электродов (эмиттер, база или коллектор) является общим в схеме. Основными частотозадающими элементами АГГ являются конденсаторы 2-5, варикап 6, отрезок микрополосковой линии (МПЛ) 7 и индуктивные элементы 8, 9. Незначительно влиять на основную частоту и почти не влиять на ее гармоники могут также емкостные 10-13 и индуктивные 14-18 элементы развязки СВЧ-цепей по питанию. С помощью резистивных элементов 19-21 устанавливается режим работы транзистора 1 по постоянному току. Этот АГГ подключен к 50-Омному выходу 22 через конденсатор 10 и фильтр нижних частот, образованный элементами 16, 17 и 11. От положительной клеммы 23 первого источника запирающее напряжение подается на варикап 6 через ФНЧ, который образован элементами 14, 15 и 13. Для ввода напряжения питания на транзистор используется плюсовая клемма 24 второго источника. Отрицательные клеммы обоих источников подключены к общей шине АГГ. В рассматриваемом устройстве используется много частотный режим генерации [3], при котором на основной циклической частоте ω₀ и ее нечетных гармониках реализованы емкостные, а на четных (2kω₀) гармониках - индуктивные трехточки, соответственно. Как правило, применение разнотипных звездообразных трехточечных схем генераторов позволяет эффективным образом и без взаимного влияния генерировать близкие уровни мощностей СВЧ-колебаний основной частоты и выделяемых гармоник [4]. Вместе с тем, используя в аналоге однотипные (или только емкостные или только индуктивные, как в случаях [5, 6]) трехточечные схемы, колебания нескольких частот не могут иметь одинаковые уровни мощностей из-за значительного взаимного влияния друг на друга элементов трехточечных схем, одновременно работающих в СВЧ-диапазоне на основной частоте и ее гармониках.

При выполнении аналога на основе однотипных схем трехточек его недостатком являются относительно невысокие уровни мощностей выделяемых гармоник. В этом случае уровни гармоник определяются только нелинейным режимом работы транзистора и обычно распределяются между собой обратно пропорционально величине k² [4].

Известен перестраиваемый СВЧ-автогенератор гармоник (см. Баранов, А.В. Перестраиваемый автогенератор гармоник // Патент РФ на изобретение №2706481 с приоритетом от 13.05.2019, МПК - 2006.01 НО3В 5/36, Опубл. 19.11.2019, Бюл. №32). Его блок-схема изображена на фиг. 2а). Данный автогенератор гармоник представляет собой систему двух связанных блоком 25 автогенераторов 26 и 27, которые работают в режимах взаимной синхронизации. Блок связи 25 содержит три резистивных элемента с сопротивлениями 16.6 Ом и является согласованным устройством. В качестве каждого из элементов системы 26 и 27 использован предложенный в работе [7, 8] СВЧ-автогенератор гармоники, принципиальная схема которого приведена на фиг. 2б. Данное устройство выполнено на биполярном транзисторе 28, включенном по схеме с общей базой. Основными частотозадающими элементами автогенератора являются емкость перехода «коллектор-эмиттер» транзистора С_КЭ, емкости конденсаторов 29-32 и варикапа 33, а также индуктивности 34-36. Кроме этого устройство содержит индуктивные 36-39 и емкостные 40-43 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 44 через разделительный конденсатор 45. Для подачи запирающего напряжения на варикап 33 используется клемма 46, а для ввода напряжений питания на электроды транзистора - клеммы 47-49. Особенностью работы каждого автогенератора гармоники в системе на фиг. 2а) 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 [7]. В рассматриваемой на фиг. 2а) системе выполнены условия для генерации колебаний основной частоты и ее k-ой и n-ой гармоник одновременно. В первом автогенераторе системы на фиг. 2а) 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 автогенераторов использованы разнотипные трехточечные схемы автогенераторов: емкостная треугольная и индуктивная звездообразная. В зависимости от того на какой частоте (на основной или на частоте ) выполнена синхронизация, на выходе системы присутствуют три близких по уровню мощности колебания с частотами где n≠k, или с частотами 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, с одной стороны, 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 двух синхронизируемых колебаний [7]. С другой стороны, при реализации однотипных (вместо разнотипных) трехточечных схем в автогенераторах 26 и 27 мощности гармоник распределяются так же, как в первом аналоге, то есть обратно пропорционально величине k² [4].

С учетом отмеченных выше замечаний недостатком данного аналога является невозможность получения близких по уровню мощностей основного колебания и выделяемых гармоник, и особенно при использовании в каждом из синхронизируемых автогенераторов однотипных трехточечных схем. Кроме того, к недостаткам этого аналога следует отнести сложность его практической реализации.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является перестраиваемый каскодный СВЧ-автогенератор (см. Баранов А.В. Каскодный генератор, управляемый напряжением // Патент РФ на изобретение №2644067 с приоритетом от 04.05.2017, МПК - 2006.01 НО3В 5/12, Опубл. 07.02.2018, Бюл. №4). Устройство (см. фиг. 3) состоит из двух транзисторов 50 и 51, которые включены по каскодной схеме «общий эмиттер - общая база» (ОЭ-ОБ). Такая схема приводит к расширению полосы перестройки частот автогенератора при одновременном повышении развязки между его сопротивлениями выходной нагрузки и резонансными цепями. В состав прототипа входят также пять резисторов 52-56, при помощи которых обеспечивается режим транзисторов работы по постоянному току. Конденсатор 57 является блокировочной емкостью, конденсаторы 58-61 - разделительными элементами, а элементы 62-64 представляют собой элементы развязки ВЧ цепей по питанию. Сопротивления элементов 62-64 носят или индуктивный или чисто активный характер, а их величины должны быть много больше сопротивления выходной нагрузки. Кроме этого, устройство на фиг. 3 содержит индуктивности 65 и 66, конденсаторы 67 и 68, а также четыре варикапа 69-72, которые являются основными частотозадающими элементами. Выход ГУН обозначен цифрой 73, а клеммы ввода питающего и управляющего напряжений - цифрами 74 и 75, соответственно.

Работа данного автогенератора поясняется при помощи упрощенных схем, которые приведены на фиг. 4а) и б). Блок связи 76 на фиг. 4а) представляет собой общую для двух взаимно синхронизованных автогенераторов 77 и 78 нагрузку. В упрощенной модели прототипа на фиг. 4б) выделяются две однотипные (емкостные) трехточечные схемы: треугольная и звездообразная (см. фиг. 5а) и 5б)), соответственно. В этих схемах активные элементы 79 и 80 образованы каскодно включенными элементами 50 и 51. В последней схеме в качестве центральной точки звезды использует корпус прибора. Данные упрощенные схемы являются обобщенными, поскольку они справедливы для любых транзисторов и различных вариантов их включения [4]. Каскодная реализация непосредственной связи между транзисторами позволяет фактически разнести друг от друга точки даже в случаях использования в АГГ однотипных трехточечных схем, устранив их взаимное влияние.

Трехточечная схема автогенератора на фиг. 4б), в котором точки обозначены буквами а, в₁ и с, соответствует эквивалентной схеме на фиг. 5а), если под величиной С_ОС понимать емкость элемента 68 и, кроме этого, емкостью С_АЭ элемента 81 считать эквивалентную емкость последовательного контура, содержащего индуктивность элемента 66 и емкости варикапов 70 и 72, а индуктивностью L_KK элемента 82 - эквивалентную индуктивность последовательного контура, образованного емкостями варикапов 69, 71 и индуктивностью элемента 65. С другой стороны, трехточечная схема устройства на фиг. 4б), где точки обозначены буквами а, в₂ и с, соответствует эквивалентной схеме на фиг. 5б), если считать величину С_Б емкостью конденсатора 67 и, вместе с тем, под емкостью С_К элемента 83 понимать эквивалентную емкость контура, содержащего индуктивность элемента 66 и емкости варикапов 69 и 70, а под индуктивностью L_Э элемента 84 - эквивалентную индуктивность контура, образованного индуктивностью элемента 65 и емкостями конденсатора 68 и варикапов 71, 72.

При выборе номиналов частотозадающих элементов в соответствии с формулой:

прототип представляют собой систему двух взаимосвязанных генераторов, работающих на одной частоте и на одну общую нагрузку 76 - резистивный элемент 52. При этом в обоих автогенераторах используется один и тот же активный элемент, образованный двумя транзисторами 50 и 51. Следует отметить, что за исключением одного элемента - конденсатора 67, остальные частотозадающие элементы используются одновременно в двух автогенераторах (см. фиг. 4б)). Если автогенераторы работают на высоких частотах, то для соблюдения соотношения (1) необходимо выполнить дополнительные условия, при которых точки подключения варикапов 69-72 к корпусу должны быть расположены как можно ближе друг к другу. В противном случае конструктивные индуктивности, которые имеют место между указанными точками, должны быть учтены при расчетах величин индуктивных элементов 65, 66. Наиболее точное соблюдение (1) достигается при помощи второго источника питания путем дополнительной регулировки напряжений на варикапах. Полученный диапазон регулировки частот, где выполняются условие (1), как правило, оказывается меньшим по сравнению с общим диапазоном перестройки частот генератора. При выполнении соотношения (1) в прототипе достигается технический эффект - уменьшение спектральной плотности мощности фазовых флуктуаций генераторных устройств каскодного типа ОЭ-ОБ. Выполнение условия (1) не гарантирует высокие уровни мощностей выделяемых гармоник, которые определяются здесь лишь нелинейным режимом работы транзистора и, как правило, обратно пропорциональны величине k² [4].

Недостатком устройства - прототипа является относительно невысокие уровни мощностей выделяемых гармоник.

Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в повышении уровня выделяемых гармоник автогенераторов на основе однотипных трехточечных схем.

Этот эффект достигается тем, что в перестраиваемом каскодном автогенераторе, содержащем активный элемент, выполненный на транзисторах 85 и 86, которые соответственно включены по схеме «общий эмиттер - общая база», последовательно соединенные между положительной клеммой 111 и являющейся общей шиной отрицательной клеммой источника питания резисторы 87, 88, 89 и 90, в которых общая точка резисторов 87 и 88 подключена к коллектору транзистора 86 и одновременно - к конденсатору 93, который в свою очередь другим концом соединен с индуктивностью 101, общая точка резисторов 88 и 89 подключена к базе транзистора 86 и через конденсатор 104 - к общей шине, общая точка резисторов 89 и 90 соединена с базой транзистора 85, с конденсатором 105 и с индуктивностью 100, которая в свою очередь последовательно соединена с конденсатором 95, эмиттер транзистора 85 с одной стороны подключен через резистор 91 к общей шине, с другой стороны - к свободному выводу конденсатора 105 и к выводу конденсатора 96, а также содержащем варикапы 106, 107, 108 и 109, причем аноды варикапов 107, 108 и 109 соединены с общей шиной, катод варикапа 109 подключен к свободному выводу конденсатора 96 и кроме этого через первый развязывающий элемент 99 - к положительной клемме 112 источника управляющего напряжения, отрицательная клемма которого является общей шиной, катод варикапа 108 соединен со свободным выводом конденсатора 95 и также через второй развязывающий элемент 98 - с положительной клеммой 112, а катод варикапа 107 через конденсатор 94 подключен к выходу 110 устройства и он же одновременно через третий развязывающий элемент - к положительной клемме 112, согласно изобретению между коллектором транзистора 85 и эмиттером транзистора 86 введен отрезок микрополосковой линии (МПЛ) передач 102, а также введен разомкнутый с одной стороны отрезок МПЛ 103, второй конец которого подключен к общей точке соединения конденсатора 93, индуктивности 101 и анода варикапа 106, при этом другой вывод индуктивности 101 соединен с общей шиной, а катод варикапа 106 - с катодом варикапа 107, кроме этого, минимальные суммарные сопротивления Z_Б1 → 0, Z_Э1 → 0, Z_Б2 → 0, Z_Э2 → 0, Z_К → 0, рассчитанные в соответствующих точках коллектора Zk транзистора 86, а также баз Z_Б1, Z_Б2 и эмиттеров Z_Э1, Z_Э2 транзисторов 85 и 86, которые описываются системой волновых [S]-параметров, связаны соотношениями:

где k - целое число, ImZ_Б1(ω), ImZ_Б2(ω), ImZ_Э1(ω), ImZ_Э2(ω) и ImZ_К(ω) - мнимые части сопротивлений Z_Б1, Z_Б2, Z_Э1, Z_Э2 и Z_К элементов звездообразных емкостных трехточечных эквивалентных схем, которые образованы на циклической частоте ω, равной или основной частоте ω₀ или четным 2kω₀ или нечетным (2k+1)ω₀ частотам.

Принципиальная схема предложенного устройства представлена на фиг. 6. Перестраиваемый автогенератор гармоник, состоит из двух транзисторов 85 и 86, включенных по каскодной схеме типа ОЭ-ОБ, пяти резисторов 87-91, при помощи которых обеспечивается режим их работы по постоянному току. Конденсатор 92 является блокировочной емкостью, конденсаторы 93-96 - разделительными элементами, а 97-99 представляют собой элементы развязки СВЧ-цепей по питанию. Сопротивления элементов 97-99 носят или индуктивный или чисто активный характер, а их величины должны быть много больше сопротивления выходной нагрузки. Кроме этого, устройство на фиг. 6 содержит частотозадающие элементы: индуктивные элементы 100 и 101, отрезки МПЛ 102 и 103, конденсаторы 104 и 105, а также четыре варикапа 106-109. 50-Омный выход устройства обозначен цифрой 110, а соответствующие клеммы для ввода питающего и управляющего напряжений - цифрами 111 и 112.

Предложенное устройство работает следующим образом в соответствии с моделью на фиг. 4а). Представим каждый из автогенераторов 77 и 78 системы на фиг. 4а) в виде модели на фиг. 7а). Для АГГ 77 считаем, что усилительный элемент 113 с коэффициентом передачи G(jω) работает одновременно на два контура 114 и 115 с коэффициентами передач H₁(jω) и H_2k(jω). При этом один контур настроен для генерации колебания основной частоты ω₀=2πƒ₀, а другой - для генерации ее четной (2k)-ой гармоники. А для АГГ 78 предположим, что усилительный элемент 113 с коэффициентом передачи G(jω) работает одновременно на два контура 114 и 115 с коэффициентами передач H₁(jω) и H_2k+1(jω). Причем здесь уже один контур настроен для генерации колебания основной частоты ω₀, а другой - для генерации ее нечетной (2k+1)-ой гармоники. В обоих случаях установим связь входного V_вх(ω) и выходного V₀(ω) напряжений в виде:

Из уравнения (2) и (3) следует, что даже когда V_вх(ω)=0, выходные напряжения V₀(ω) автогенераторов модели на фиг. 7 могут быть ненулевыми при следующих условиях:

Полученные условия (4)-(7) обобщают критерий Баркхаузена [1,9] для любых случаев, когда колебательные системы одновременно генерируют колебания основной частоты и ее гармоник.

В частном случае, когда генерация имеет место, как на основной частоте, так и на ее (2k)-ой и (2k+1)-ой гармониках, то есть когда справедливы следующие системы:

кратность 2π в выражениях (5), (7) сохраняется, и условия (5), (7) тоже автоматически выполняются. При анализе работы многочастотных СВЧ-автогенераторов [6, 7] сделан такой же вывод для аналогичных случаев, когда на каждой из частот выполняются свои, подобные (8) и (9) системы.

Если на основной частоте колебания двух автогенераторов синхронизированы, то полученные выражения (4)-(9) подтверждают возможность одновременной генерации колебаний с частотами ω₀, (2k)ω₀ и (2k+1)ω₀. Другими словами, создав условия (8) и (9) для генерации колебаний на основной частоте и на ее (2k)-ой и (2k+1)-ой гармониках, можно на этих частотах получить колебания с приблизительно равными уровнями их выходных мощностей. Такое равенство уровней можно достичь, если коэффициенты передач активной и пассивной цепей на фиг. 7а), а также динамический диапазон по выходной мощности выбранного транзистора будут мало отличаться друг от друга на основной частоте и на (2k)-ой и (2&+1)-ой гармониках. Это означает, что с точки зрения получения повышенных уровней выделяемых гармоник метод с использованием в автогенераторах предложенного многочастотного режима их работы может быть более эффективным по сравнению с другими отмеченными в [4] способами генерации гармоник.

В отличие от рассмотренных выше аналогов, работа которых основана на разнотипных трехточечных схемах, в модели (см. фиг. 4а)) для предлагаемого на фиг. 6 устройства (и для его упрощенной схемы на фиг. 7б)) применяются автогенераторы на основе емкостных трехточек одного типа, который представлен на фиг. 5б).

Для одинаковых звездообразных емкостных схем двух автогенераторов (см. фиг. 4а)) найдем их частоты генерации на выбранной частоте и ее гармониках из условия [4]:

где - мнимые части минимальных суммарных входных сопротивлений, которые измерены в соответствии с методикой [3, 4] на портах схемы на фиг. 7б) или на выводах базы и эмиттера первого транзистора и базы, эмиттера и коллектора второго транзистора (см. на фиг. 6). Использованная для трехпортовых моделей методика проектирования автогенераторов [3], по сути, представляет собой модификацию методик, предложенных для двухпортовых (двухточечных) моделей: модели генератора Курокавы [10] или его усовершенствованной модели [11]. В трехпортовых моделях активные элементы, как правило, описывается системой волновых [S]-параметров, а их эквивалентные схемы можно считать частными, а не обобщенными, поскольку они справедливы не для любого, а только для выбранного СВЧ-транзистора с известными [S]-параметрами [4]. В таких моделях используются названные «негатроном» элементы транзисторной цепи, которые имеют отрицательные действительные части проводимости или сопротивления (см. фиг. 5 а) и б)), которые приблизительно равны по величине аналогичным характеристикам соответствующей нагрузочной цепи. Суммарные значения этих величин и образуют каждое сопротивление, входящее в систему (10). Причем проводимости обычно применяются в генераторных моделях на основе треугольных трехточечных схем, а сопротивления - в моделях автогенераторов, где реализуются звездообразные треугольные схемы [1, 9]. Для трехточечной модели автогенераторов на фиг. 5б) в качестве сопротивлений негатронов одновременно используем все возможные входные сопротивления выводов транзисторов, которые удовлетворяют соотношениям: . Реализация таких соотношений на практике приводит к тому же результату, что и выполнение условий (4) - (9).

Определяя в (10) на частотах при k=1,2,… величины сопротивлений для АГГ 77 через соответствующие им элементы выражениями:

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

Определяя в (10) на частотах ω₀ и величины сопротивлений для АГГ 78 через соответствующие им элементы выражениями:

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

Подставляя выражения (11) и (12), соответственно, в (13) и (14), а также выражения (15) и (16) аналогичным образом - в (17) и (18), установим взаимосвязь модулей величин с модулями величин на основной частоте ω₀, а также взаимосвязь их между собой на частотах ее четных и нечетных гармоник при с помощью следующих соотношений:

Таким образом, в автогенераторе гармоник на двух каскодно включенных СВЧ-транзисторах, которые описываются волновыми [S]-параметрами, выполнение системы соотношений (19) является необходимым условием для реализации однотипных (емкостных) звездообразных трехточечных схем в каждом из автогенераторов системы на фиг. 4.а). В результате взаимной синхронизации автогенераторов на основной частоте, первый автогенератор генерирует четные, а второй - нечетные гармоники с близкими по уровню мощностями. Причем по сравнению с отмеченными в работе [4] автогенераторами гармоник эффективная генерация всех гармоник имеет место без обязательной настройки различных (ненагруженных, нагруженных, запредельных и других) контуров на их выходах. Кроме того, близкие уровни мощностей колебаний основной частоты и ее гармоник обеспечивается без использования делителей и умножителей частоты колебаний с последующим усилением их мощности. По сравнению с автогенераторами системы 77 и 78 предлагаемое устройство, также как и прототип, обладает дополнительным полезным свойством - меньшим на 3 дБ уровнем спектральной плотности мощности фазовых шумов.

Пример конкретного выполнения устройства. Рассмотрим перестраиваемый автогенератор гармоник, который при k=1, 2 одновременно генерирует колебания на основной частоте, на второй, третьей, четвертой и пятой гармониках в окрестностях частот от 1 до 6 ГГц. В соответствии со схемой на фиг. 6 и его упрощенной схемой на фиг. 7б) данный автогенератор выполнен на стеклотекстолитовой подложке FR-4 в корпусе ВК377, который является для некоторых управляемых напряжением генераторов (ГУН) зарубежного производства стандартными (см. фиг. 8). Макет устройства выполнен на двух кремниевых биполярных транзисторах 85 и 86 типа 2Т682А-2, которые имеют гарантированные техническими условиями коэффициенты усиления колебаний, как на основной частоте, так и на ее выбранных 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 работах [3, 4] методику проектирования автогенераторов гармоник, а также приведенные в технических условиях волновые [S]-параметры транзистора, определим значения элементов схемы на фиг. 6, которые соответствуют минимальным величинам суммарных сопротивлений . При помощи рекомендаций [12] данный расчет в каждом из пяти портов (или в точках трехточечных схем на фиг. 7б)) выполним одновременно на всех частотах до пятой гармоники включительно. В автогенераторе гармоник на фиг. 6 минимальные значения суммарных сопротивлений имеют место при оптимальных параметрах элементов схемы. Для этих параметров получены следующие величины: 150 Ом (для элемента 87), 1 кОм (для элементов 88-90), 200 Ом (для элемента 91), 47 нГн (для элементов 97-99 с суммарной выходной емкостью 33 пФ), 7.5 нГн (для элемента 101), 3 нГн (для элемента 100), 1.5 нГн (для элемента 104), 1000 пФ (для элементов 92, 95 и 96), 18 пФ (для элемента 93), 6.8 пФ (для элемента 94), 5.6 пФ (для элемента 104), 1.5 пФ (для элемента 105). При этом длина отрезка МПЛ (элемент 102) равна 4 мм, его ширина - 1.7 мм, а длина МПЛ шлейфа (элемент 103) составляет 7 мм при ширине 1.2 мм. В макете использованы только отечественные чип элементы для поверхностного монтажа с типоразмером 0603. В качестве элементов 106-109 выбраны следующие варикапы: 2 В174А9, 2 В174 В9, 2 В174Ж9 и 3А620 А-6. Их работа в выбранной программе моделирования [12] имитировалась следующим образом. Если диапазон изменения емкости варикапа 2 В174А9 выбрать за условную единицу, то диапазонам варикапов 2 В174 В9, 2 В174Ж9 и ЗА620 А-6 можно поставить в соответствие коэффициенты 1.5, 3 и 0.3. С учетом этого при изменении одной емкости варикапа 2 В174А9, другие емкости варикапов перестраиваются автоматически. Отмеченные выше оптимальные параметры элементов схемы получены при емкости варикапа 2 В169А9 (элемент 106), равной 2.3 пФ. Вместе с тем, в процессе моделирования устройства на фиг. 6 паразитные индуктивности выводов корпусных варикапов 174-серии учитывались путем включения в его схему дополнительных индуктивностей (или соответствующим им коротких отрезков МПЛ), которые эквиваленты длинам выводов около 2 мм. При оптимальных параметрах элементов макета АГГ на фиг. 9 получены частотные зависимости действительных (кривые 1) и мнимых (кривые 2) частей минимальных значений суммарных сопротивлений , в портах, которые соответствуют точкам а, в₁, с₁ на фиг. 7б). При тех же оптимальных параметрах элементов макета АГГ на фиг. 10 получены аналогичные характеристики для сопротивлений на базе, эмиттере и коллекторе второго транзистора на фиг. 7б). Характерные частоты генерации определялись на фиг. 9 и 10 в тех точках, где мнимые и действительные части сопротивлений принимают минимальные значения. Так, АГГ 77 генерирует колебания основной частоты ≈1.15 ГГц (см. фиг. 9 а), б)) и ее второй ≈2.3 ГГц (см. фиг. 9 а)) и четвертой ≈4.6 ГГц (см. фиг. 9 а), в)) гармоник. Вместе с тем, АГГ 78 генерирует колебания основной частоты ≈1.15 ГГц (см. фиг. 10б)) и ее третьей ≈3.45 ГГц (см. фиг. 10 а)) и пятой ≈5.75 ГГц (см. фиг. 10в)) гармоник. В точках определения частот генерации на фиг. 9 и 10 минимальные реактивные сопротивления имеют тот же знак, что и реактивности элементов звездообразной трехточечной схемы на фиг. 5б). Из графиков на фиг. 9 найдем величины следующих характеристик: . Аналогичным образом из графиков на фиг. 10 определим величины подобных характеристик: ImZ₃₂(ω₀)~5.24 Ом, . В результате, при к=1,2 левая часть первого уравнения системы (19) равна 0.03, при этом значения левых частей системы (19) для второго уравнения составляют 1.12 и 1.15, а для третьего уравнения - 1.28 и 1.07, соответственно. Это означает, что в рассматриваемом макете АГГ необходимое условие для генерации колебаний основной частоты и ее четырех гармоник с удовлетворительной точностью - с типовым отклонением ≤15% (лишь для одного случая ≤28%) выполняется. Следовательно, в таком автогенераторе гармоник можно ожидать близкие по мощности уровни выделяемых гармоник. Для данного макета автогенератора, работающего при управляющих напряжениях 0.5 и 5 В на фиг. 11 и 12, соответственно, приведены спектры его выходного колебания, которые получены с помощью анализатора спектра FSUP-26 (ROHDE&SCHWARZ). Вместе с тем, при изменении управляющего напряжения, например, от 0 до 12 В частота второй гармоники макета меняется от 1.6 до 2.7 ГГц. В этом диапазоне перестройки разработанный макет генерирует колебания основной частоты и ее четырех гармоник общей мощностью от 2 до 5 мВт при напряжении питания +12 В и токе потребления ~17 мА. Кроме того, типовые значения спектральной плотности мощности фазовых шумов на частоте -2.3 ГГц составляют -91 и -112 дБ/Гц при отстройках 10 и 100 кГц, соответственно. При этом на других частотах уровни фазовых шумов соответствуют пересчитанным стандартным образом величинам.

Полученные экспериментальные результаты при k=1 хорошо, а при k=2 удовлетворительно подтверждают заявленный положительный эффект. Так, из фиг. 11 следует, что уровни основной, второй и третьей гармоники приблизительно одинаковые, а выходные мощности четвертой и пятой гармоник вместо к2-раз ниже всего лишь в -10 раз. При изменении напряжения на варикапах до 5 В и выше соотношение трех гармоник практически не меняется, а уровни четвертой и пятой гармоник падают до ≈-30 дБ (см. фиг. 12). Это объясняется только тем, что на высших гармониках коэффициент передачи выбранного транзистора значительно падает.

Таким образом, приведенный пример конкретной реализации перестраиваемого автогенератора гармоник на двух включенных по каскодной схеме транзисторах, подтверждает возможность использования однотипных трехточечных схем для получения при k=1, 2,… повышенных уровней мощности выделяемых четных и нечетных гармоник. Теоретически доказана возможность получения колебаний с близкими по отношению к выходной мощности основного колебания уровнями мощностей более двух выделяемых гармоник. Экспериментально подтверждено, что при k=1 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, G. Bock. - New Jersey, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2005. - 543 p.

2. Глазов, Г.Н. Методы измерений на СВЧ: т. 2, кн. 1. Управляемые генераторы СВЧ / Г.Н. Глазов, А.В. Горевой. - Томск: ЗАО «Издательство «Красное знамя», 2015. - 496 с.

3. Баранов, А.В. Автогенерация близких по мощности СВЧ-колебаний основной частоты и ее четной и нечетной гармоник / А.В. Баранов // Радиотехника. - 2021. - Т. 85. - №2. - С. 113-122.

4. Баранов, А.В. Транзисторные автогенераторы гармонических СВЧ-колебаний / А.В. Баранов, М.А. Кревский. - М.: Горячая линия - Телеком, 2021. - 276 с.

5. Уткин, Г.М. Одновременные колебания двух частот в автогенераторе с автосмещением / Г.М. Уткин // Радиотехника. - 1957. - Т. 12. - №4. - С. 64-66.

6. Патент РФ на изобретение №2319284, МПК - 2006.01 Н03В 5/10; Многочастотный автогенератор радиочастотного диапазона / Д.В. Ванцев, В.М. Геллер, В.А. Хрусталев; заявитель и патентообладатель Новосибирский Государственный Технический Университет.-№2006124483/09 заявл. 07.07.2006, опубл. 10.03.2008, Бюл. №7.

7. 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.

8. 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.

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

10. Kurokawa, K. Some basic characteristics of broadband negative resistance oscillators circuits / K. Kurokawa // The Bell System Technical Journal. - 1969, July-august. - P. 1937 - 1955.

11. 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.

12. 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.

Перестраиваемый каскодный автогенератор, содержащий активный элемент, выполненный на транзисторах 85 и 86, которые соответственно включены по схеме «общий эмиттер - общая база», последовательно соединенные между положительной клеммой 111 и являющейся общей шиной отрицательной клеммой источника питания резисторы 87, 88, 89 и 90, в которых общая точка резисторов 87 и 88 подключена к коллектору транзистора 86 и одновременно - к конденсатору 93, который в свою очередь другим концом соединен с индуктивностью 101, общая точка резисторов 88 и 89 подключена к базе транзистора 86 и через конденсатор 104 - к общей шине, общая точка резисторов 89 и 90 соединена с базой транзистора 85, с конденсатором 105 и с индуктивностью 100, которая в свою очередь последовательно соединена с конденсатором 95, эмиттер транзистора 85 с одной стороны подключен через резистор 91 к общей шине, с другой стороны - к свободному выводу конденсатора 105 и к выводу конденсатора 96, а также содержащий варикапы 106, 107, 108 и 109, причем аноды варикапов 107, 108 и 109 соединены с общей шиной, катод варикапа 109 подключен к свободному выводу конденсатора 96 и кроме этого через первый развязывающий элемент 99 - к положительной клемме 112 источника управляющего напряжения, отрицательная клемма которого является общей шиной, катод варикапа 108 соединен со свободным выводом конденсатора 95 и также через второй развязывающий элемент 98 - с положительной клеммой 112, а катод варикапа 107 через конденсатор 94 подключен к выходу 110 устройства и он же одновременно через третий развязывающий элемент - к положительной клемме 112, отличающийся тем, что между коллектором транзистора 85 и эмиттером транзистора 86 введен отрезок микрополосковой линии (МПЛ) передач 102, а также введен разомкнутый с одной стороны отрезок МПЛ 103, второй конец которого подключен к общей точке соединения конденсатора 93, индуктивности 101 и анода варикапа 106, при этом другой вывод индуктивности 101 соединен с общей шиной, а катод варикапа 106 - с катодом варикапа 107, кроме этого минимальные суммарные сопротивления Z_Б1 → 0, Z_Э1 → 0, Z_Б2 → 0, Z_Э2 → 0, Z_К → 0, рассчитанные в соответствующих точках коллектора Z_К транзистора 86, а также баз Z_Б1, Z_Б2 и эмиттеров Z_Э1, Z_Э2 транзисторов 85 и 86, которые описываются системой волновых [S]-параметров, связаны соотношениями:

,

где k - целое число, ImZ_Б1(ω), ImZ_B2(ω), ImZ_Э1(ω), Im_Э2(ω) и ImZ_К(ω) - мнимые части сопротивлений Z_Б1, Z_Б2, Z_Э1, Z_Э2 и Z_К элементов звездообразных емкостных трехточечных эквивалентных схем, которые образованы на циклической частоте ω, равной или основной частоте ω₀ или четным 2kω₀ или нечетным (2k+1)ω₀ частотам.