[go: up one dir, main page]

RU2851698C1 - Tunable cascode self-contained generator of harmonics - Google Patents

Tunable cascode self-contained generator of harmonics

Info

Publication number
RU2851698C1
RU2851698C1 RU2024131956A RU2024131956A RU2851698C1 RU 2851698 C1 RU2851698 C1 RU 2851698C1 RU 2024131956 A RU2024131956 A RU 2024131956A RU 2024131956 A RU2024131956 A RU 2024131956A RU 2851698 C1 RU2851698 C1 RU 2851698C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
capacitor
common
transistor
varicap
frequency
Prior art date
Application number
RU2024131956A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Баранов
Original Assignee
Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют"
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют" filed Critical Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют"
Application granted granted Critical
Publication of RU2851698C1 publication Critical patent/RU2851698C1/en

Links

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and can be used for synthesis of frequencies in electronic warfare systems of microwave range, in particular, this device relates to tunable transistor self-maintained generators of harmonics, which simultaneously generate approximately equal power oscillations of fundamental frequency and frequencies of selected harmonics. In the tunable cascode self-contained generator of harmonics with an active element on two transistors described by the system of wave [S]-parameters connected according to the “common emitter-common base” scheme, inductance (115) is introduced, which on one side is connected to common bus, and on other side is to resistor (106) and capacitor (122) free terminals, as well as to varicap anode (125), which cathode is connected to capacitor (110) and inductance (118) common point, which in turn are respectively connected between transistor (100) base and varicap (124) cathode. Cathode of varicap (123) is connected to common point of capacitor (108) and section of microstrip line (119), the other end of which is connected to capacitor (109). Decoupling elements for supplying control voltages to varicaps with capacitances CV are made in the form of three L-shaped low-pass filters LCCC on inductances LC (112), (113) and (114), as well as on capacitance CC (116), parallel to power supply (129), and their values satisfy inequality
where and ƒC is the characteristic frequency of the LCCC chain.
EFFECT: increase of operating frequencies of harmonics at expansion of their tuning bands.
1 cl, 16 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано, например, при синтезе частот в системах радиоэлектронной борьбы 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.The proposed device pertains to radio engineering and can be used, for example, to synthesize frequencies in microwave electronic warfare systems. Specifically, this device is a tunable transistor harmonic oscillator (THO), which simultaneously generates approximately equal-power oscillations of the fundamental frequency and the frequencies of the extracted harmonics.

Известен перестраиваемый СВЧ автогенератор (см. Fig. 3 в статье Kyung-Whan Yeom An investigation of the high-frequency limit of a miniaturized commercial voltage-controlled oscillator used in 900-MHz-band mobile-communication handset / K. W. Yeom // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1998. - Vol.46. - No. 8 (August). - P. 1165 - 1168). Устройство (см. фиг.1) состоит из двух транзисторов 1 и 2, которые по СВЧ сигналу включены по схеме «общий коллектор - общий эмиттер» (ОК-ОЭ), а по постоянному току при помощи резисторов 3 - 6 им заданы такие же режимы работы, как в каскодной схеме «общий эмиттер - общая база» (ОЭ-ОБ). В результате, данный аналог обладает неплохой полосой перестройки частот при удовлетворительной развязке между его сопротивлениями выходной нагрузки и резонатора 7 в составе частотозадающей цепи на элементах 7-14. Для развязки СВЧ цепей и цепей постоянного тока в этом устройстве используются микрополосковые линии (МПЛ) 14 и 15 вместе с блокировочными конденсаторами 16 и 17. Элементы 18 и 19 образуют цепь согласования выходного сопротивления автогенератора с сопротивлением стандартного тракта. Клеммы ввода питающего и управляющего напряжений обозначены цифрами 20 и 21, соответственно. Это устройство можно считать автогенератором гармоник весьма условно, так как уровни гармоник здесь определяются только нелинейными режимами работы транзисторов и обычно распределяются между собой обратно пропорционально величине k2, где k-номер гармоники [1]. На основе анализа эквивалентной схемы транзисторов для данного аналога установлено, что кроме ее элементов на величину практической максимальной частоты генерации в значительной степени влияет резистивный элемент 6, при помощи которого задается общий ток автогенератора. Особенно велико влияние величины резистора 6 на частоту, когда его значения малы. С одной стороны, чтобы минимизировать данный эффект, в автогенераторе нужно выбирать СВЧ транзисторы с более высокими значениями их граничных частот. С другой стороны, чтобы получить рост максимальной частоты генерации необходимо увеличить значения элемента 6 [2]. Таким образом, в данном устройстве увеличение рабочих частот генерации достигается либо за счет выбора транзисторов с более высокими значениями граничных частот, либо за счет увеличения резистора, задающего токовый рабочий режим, реализация которого не всегда допустима.A tunable microwave oscillator is known (see Fig. 3 in the article by Kyung-Whan Yeom An investigation of the high-frequency limit of a miniaturized commercial voltage-controlled oscillator used in a 900-MHz-band mobile-communication handset / KW Yeom // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. - 1998. - Vol. 46. - No. 8 (August). - P. 1165 - 1168). The device (see Fig. 1) consists of two transistors 1 and 2, which are connected according to the "common collector - common emitter" (CC-CE) circuit for a microwave signal, and according to the DC signal, using resistors 3 - 6, they are set to the same operating modes as in the "common emitter - common base" (CE-CB) cascode circuit. As a result, this analogue has a good frequency tuning range with satisfactory decoupling between its output load resistance and that of resonator 7 in the frequency-setting circuit on elements 7-14. To decouple the microwave and DC circuits, this device uses microstrip lines (MSL) 14 and 15 together with blocking capacitors 16 and 17. Elements 18 and 19 form a matching circuit between the output resistance of the oscillator and the resistance of the standard path. The input terminals of the supply and control voltages are designated by the numbers 20 and 21, respectively. This device can be considered a harmonic oscillator only conditionally, since the harmonic levels here are determined only by the nonlinear operating modes of the transistors and are usually distributed among themselves inversely proportional to the value of k 2 , where k is the harmonic number [1]. Based on an analysis of the equivalent transistor circuit for this analog, it was established that, in addition to its elements, resistive element 6, which sets the overall oscillator current, significantly influences the practical maximum oscillation frequency. The value of resistor 6 has a particularly strong influence on frequency when its values are small. To minimize this effect, microwave transistors with higher cutoff frequencies should be selected for the oscillator. To increase the maximum oscillation frequency, the value of element 6 should be increased [2]. Thus, in this device, an increase in operating frequencies is achieved either by selecting transistors with higher cutoff frequencies or by increasing the resistor that sets the current operating mode, which is not always feasible.

Поскольку в данном аналоге рост рабочих частот генерации ограничен выбором граничных частот транзисторов и не всегда выполнимых режимов работы, недостатком автогенератора является относительно невысокие рабочие частоты при малоэффективной генерации гармоник и расширении полос их перестройки.Since in this analog the increase in the operating frequencies of generation is limited by the choice of the cutoff frequencies of the transistors and not always feasible operating modes, the disadvantage of the autogenerator is the relatively low operating frequencies with inefficient generation of harmonics and expansion of their tuning bands.

Известен 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 Н03В 5/12, Опубл. 07.02.2018, Бюл. №4). Устройство (см. фиг.2) состоит из двух транзисторов 22 и 23, которые включены по каскодной схеме типа ОЭ-ОБ. Данный автогенератор гармоник также обладает неплохими величинами полос перестройки частот генерации и развязок между его сопротивлениями выходной нагрузки и резонансных цепей. В состав второго аналога входят пять резисторов 24-28, при помощи которых обеспечивается режим транзисторов работы по постоянному току. Конденсатор 29 является блокировочной емкостью, конденсаторы 30-33 - разделительными емкостями, а элементы 34-36 представляют собой элементы развязки ВЧ цепей по питанию. Сопротивления элементов 34-36 носят или индуктивный или чисто активный характер, а их величины должны быть много больше сопротивления выходной нагрузки. Кроме этого, устройство на фиг.2 содержит индуктивности 37 и 38, конденсаторы 39 и 40, а также четыре варикапа 41-44, все они относятся к основным частотозадающим элементам. Выход автогенератора гармоник обозначен цифрой 45, а клеммы ввода питающего и управляющего напряжений - цифрами 46 и 47, соответственно.A tunable cascode microwave oscillator is known (see Baranov, A.V. Voltage-controlled cascode oscillator // Russian Federation Patent for Invention No. 2644067 with priority from 04.05.2017, IPC - 2006.01 H03B 5/12, Published 07.02.2018, Bulletin No. 4). The device (see Fig. 2) consists of two transistors 22 and 23, which are connected according to a cascode circuit of the OE-OB type. This harmonic oscillator also has good values of generation frequency tuning bands and decoupling between its output load resistances and resonant circuits. The second analog includes five resistors 24-28, which ensure the transistors operate on direct current. Capacitor 29 serves as a blocking capacitor, capacitors 30-33 serve as decoupling capacitors, and elements 34-36 serve as power supply decoupling elements for the high-frequency circuits. The resistances of elements 34-36 are either inductive or purely active, and their values should be significantly greater than the output load resistance. Furthermore, the device in Fig. 2 contains inductors 37 and 38, capacitors 39 and 40, and four varicaps 41-44, all of which are the primary frequency-setting elements. The harmonic oscillator output is designated by 45, and the supply and control voltage input terminals are designated by 46 and 47, respectively.

Данное устройство представляет собой систему двух взаимно синхронизованных автогенераторов, работающих на одну нагрузку. Даже в случае использования в этом аналоге однотипных трехточечных схем каскодная реализация непосредственной связи между транзисторами позволяет разнести друг от друга характерные точки двух трехточечных схем, устранив взаимное влияние созданных на их основе автогенераторов. В первом и втором автогенераторах (на обобщенном активном элементе 48 или 49) применены однотипные (емкостного типа) трехточечные схемы: треугольная а) и звездообразная б), соответственно (см. фиг.3, где характерные точки обозначены буквами а, в и с) [1]. Трехточечная схема первого автогенератора соответствует эквивалентной схеме на фиг.3 а), если емкостью COC обозначить емкость элемента 40, а под величиной емкости САЭ элемента 50 понимать эквивалентную емкость последовательного контура, содержащего индуктивность элемента 38 и емкости варикапов 42 и 44, кроме того считать индуктивностью LКК элемента 51 эквивалентную индуктивность последовательного контура, образованного емкостями варикапов 41, 43 и индуктивностью элемента 37. Вместе с тем, трехточечная схема второго автогенератора соответствует эквивалентной схеме на фиг.3 б), если емкость конденсатора 39 обозначить СБ, а под емкостью СК элемента 52 понимать эквивалентную емкость контура, содержащего индуктивность элемента 38 и емкости варикапов 41 и 42, одновременно с этим индуктивностью LЭ элемента 53 считать эквивалентную индуктивность контура, который образован индуктивностью элемента 37 и емкостями конденсатора 40 и варикапов 43, 44.This device is a system of two mutually synchronized oscillators operating on a single load. Even in the case of using identical three-point circuits in this analogue, the cascode implementation of direct coupling between the transistors allows the characteristic points of the two three-point circuits to be separated from each other, eliminating the mutual influence of the oscillators created on their basis. In the first and second oscillators (on the generalized active element 48 or 49), identical (capacitive type) three-point circuits are used: triangular a) and star-shaped b), respectively (see Fig. 3, where the characteristic points are designated by the letters a, b and c) [1]. The three-point circuit of the first self-oscillator corresponds to the equivalent circuit in Fig. 3 a), if the capacitance C OC is designated as the capacitance of element 40, and the value of capacitance C AE of element 50 is understood to be the equivalent capacitance of the series circuit containing the inductance of element 38 and the capacitances of varicaps 42 and 44, in addition, the inductance L KK of element 51 is considered to be the equivalent inductance of the series circuit formed by the capacitances of varicaps 41, 43 and the inductance of element 37. At the same time, the three-point circuit of the second self-oscillator corresponds to the equivalent circuit in Fig. 3 b), if the capacitance of capacitor 39 is designated as C B , and the capacitance C K of element 52 is understood to be the equivalent capacitance of the circuit containing the inductance of element 38 and the capacitances of varicaps 41 and 42, at the same time, the inductance L E of element 53 is considered to be the equivalent inductance of the circuit formed by the inductance of element 37 and capacitances of capacitor 40 and varicaps 43, 44.

При выборе номиналов частотозадающих элементов в соответствии с формулой:When selecting the nominal values of frequency-setting elements in accordance with the formula:

два взаимосвязанных автогенератора, работают в рассматриваемом аналоге на одной частоте ƒ0 и на одну общую нагрузку - резистивный элемент 24. При этом в обоих автогенераторах используется один и тот же активный элемент, образованный двумя транзисторами 22 и 23. Следует отметить, что за исключением одного элемента - конденсатора 39, остальные частотозадающие элементы используются одновременно в двух автогенераторах. Если автогенераторы работают на высоких частотах, то для соблюдения соотношения (1) необходимо выполнить дополнительные условия, при которых точки подключения варикапов 41-44 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 37, 38. 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 данном аналоге достигается технический эффект - уменьшение спектральной плотности мощности фазовых флуктуаций генераторных устройств каскодного типа ОЭ-ОБ. Однако выполнение условия (1) не гарантирует высоких уровней мощностей выделяемых гармоник, которые определяются, с одной стороны, нелинейным режимом работы обобщенного активного элемента, а с другой -применением фильтра нижних частот на элементах 38, 41 и 42. В рассматриваемом аналоге увеличение рабочих частот генерации может быть достигнуто либо за счет выбора транзисторов с более высокими значениями граничных частот, как в первом аналоге, либо - за счет выбора варикапов, обеспечивающих перестройку частот в более высокочастотной области или в более широкой полосе, как в работе [3].Two interconnected oscillators operate in the analog under consideration at the same frequency ƒ 0 and on the same common load - resistive element 24. In this case, the same active element, formed by two transistors 22 and 23, is used in both oscillators. It should be noted that, with the exception of one element - capacitor 39, the remaining frequency-setting elements are used simultaneously in both oscillators. If the oscillators operate at high frequencies, then in order to comply with relation (1), it is necessary to fulfill additional conditions under which the connection points of varicaps 41-44 to the housing must be located as close to each other as possible. Otherwise, the design inductances that occur between the specified points must be taken into account when calculating the values of inductive elements 37, 38. The most accurate compliance with (1) is achieved using a second power source through additional adjustment of the voltages on the varicaps. The resulting frequency adjustment range, where condition (1) is met, as a rule, turns out to be smaller compared to the overall frequency tuning range of the oscillator. By satisfying relation (1) in this analogue, a technical effect is achieved - a reduction in the spectral power density of the phase fluctuations of the cascode-type OE-OB generator devices. However, the fulfillment of condition (1) does not guarantee high power levels of the emitted harmonics, which are determined, on the one hand, by the nonlinear operating mode of the generalized active element, and on the other hand, by the use of a low-pass filter on elements 38, 41 and 42. In the analogue under consideration, an increase in the operating frequencies of generation can be achieved either by selecting transistors with higher cutoff frequencies, as in the first analogue, or by selecting varicaps that provide frequency tuning in a higher-frequency region or in a wider band, as in work [3].

Недостатком второго аналога является невозможность достижения (особенно с использованием типовой элементной базы) повышенных рабочих частот автогенераторов гармоник при их эффективной генерации и расширенных диапазонах перестройки частот.The disadvantage of the second analogue is the impossibility of achieving (especially using a standard element base) increased operating frequencies of harmonic generators with their efficient generation and extended frequency tuning ranges.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является перестраиваемый каскодный СВЧ автогенератор гармоник (см. Баранов, А.В. Перестраиваемый каскодный автогенератор гармоник // Патент РФ на изобретение №2774408 с приоритетом от 14.09.2021, МПК - 2006.01 Н03В 5/12, Опубл. 21.06.2022, Бюл. №18). Устройство (см. фиг.4) состоит из двух транзисторов 54 и 55, включенных по каскодной схеме ОЭ-ОБ, пяти резисторов 56 - 60, при помощи которых обеспечивается режим их работы по постоянному току. Конденсатор 61 является блокировочной емкостью, конденсаторы 62 - 65 выполняют функцию разделительных элементов, а элементы 66 - 68 представляют собой цепи развязки ВЧ цепей по питанию. Сопротивления элементов 66 - 68 носят или индуктивный или чисто активный характер, а их величины должны быть много больше сопротивления выходной нагрузки. Кроме того, прототип содержит частотозадающие элементы, среди которых основными являются индуктивности 69 и 70, отрезки МПЛ 71 и 72, конденсаторы 73 и 74, а также четыре варикапа 75 - 78. 50-Омный выход устройства обозначен цифрой 79, а соответствующие клеммы ввода питающего и управляющего напряжений - цифрами 80 и 81.The closest technical solution to the proposed one is a tunable cascode microwave harmonic oscillator (see Baranov, A.V. Tunable cascode harmonic oscillator // Russian Federation Patent for Invention No. 2774408 with priority dated September 14, 2021, IPC - 2006.01 H03B 5/12, Published June 21, 2022, Bulletin No. 18). The device (see Fig. 4) consists of two transistors 54 and 55 connected in a cascode OE-OB circuit, five resistors 56 - 60, which ensure their operation mode by direct current. Capacitor 61 is a blocking capacitor, capacitors 62 - 65 act as isolating elements, and elements 66 - 68 are decoupling circuits for the RF power supply. The resistances of elements 66-68 are either inductive or purely active, and their values must be significantly greater than the output load resistance. Furthermore, the prototype contains frequency-setting elements, the main ones being inductors 69 and 70, MPL sections 71 and 72, capacitors 73 and 74, and four varicaps 75-78. The device's 50-ohm output is designated by the number 79, and the corresponding supply and control voltage input terminals are designated by the numbers 80 and 81.

В отличие от второго аналога, где в результате взаимной синхронизации двух автогенераторов создается колебание только основной частоты, прототип представляет собой систему двух взаимно синхронизованных автогенераторов гармоник 82 и 83, работающих на одну нагрузку 84 (см. фиг.5 а)). Один автогенератор гармоник настроен на генерацию колебаний основной частоты и ее четных гармоник, а второй АГГ - на генерацию колебаний основной частоты и ее нечетных гармоник. Каждый из АГГ можно представить в виде модели на фиг.5 б). Для первого АГГ 82 считаем, что усилительный элемент 85 с коэффициентом передачи G(jω) работает одновременно на два контура 86 и 87 с коэффициентами передач H1(j(jω) и H2k(jω). При этом один контур настроен для генерации колебания основной частоты w0=2πƒ0, а другой - для генерации ее четной (2k)-ой гармоники. А для второго АГГ 83 предположим, что усилительный элемент 85 с коэффициентом передачи G(jω) работает одновременно на два контура 86 и 87 с коэффициентами передач H1(jω) и H2k+1(jω). Причем здесь уже один контур настроен для генерации колебания основной частоты ω0, а другой - для генерации ее нечетной (2k+1)-ой гармоники. Для прототипа, в котором колебания автогенераторов 82 и 83 на основной частоте взаимно синхронизированы, получены выражения, связывающие входное Vex(ω) и выходное V0(ω) напряжения и подтверждающие возможность одновременной генерации колебаний с частотами ω0, 2kω0 и (2k+1)ω0. Используя эти выражения, можно получить многочастотные колебания с приблизительно равными уровнями их выходных мощностей. Такое равенство уровней можно достичь, если коэффициенты передач активной и пассивной цепей на фиг.5 б), а также динамический диапазон по выходной мощности выбранного транзистора будут мало отличаться друг от друга на основной частоте и на (2k)-ой и (2k+1)-ой гармониках. Для одинаковых звездообразных емкостных схем двух автогенераторов (см. фиг.5 а)) в прототипе найдены частоты генерации на выбранной частоте и ее гармониках из условия [1]:Unlike the second analog, where the mutual synchronization of two oscillators results in the creation of an oscillation of only the fundamental frequency, the prototype is a system of two mutually synchronized harmonic oscillators 82 and 83 operating on a single load 84 (see Fig. 5a). One harmonic oscillator is configured to generate oscillations of the fundamental frequency and its even harmonics, while the second harmonic oscillator is configured to generate oscillations of the fundamental frequency and its odd harmonics. Each of the harmonic oscillators can be represented as a model in Fig. 5b). For the first AGG 82, we assume that the amplifying element 85 with the gain G(jω) operates simultaneously on two circuits 86 and 87 with gains H 1 (j(jω) and H 2k (jω). In this case, one circuit is configured to generate an oscillation of the fundamental frequency w 0 =2πƒ 0 , and the other - to generate its even (2k)-th harmonic. And for the second AGG 83, we assume that the amplifying element 85 with the gain G(jω) operates simultaneously on two circuits 86 and 87 with gains H 1 (jω) and H 2k+1 (jω). Moreover, here one circuit is configured to generate an oscillation of the fundamental frequency ω 0 , and the other - to generate its odd (2k+1)-th harmonic. For the prototype, in which the oscillations of the autogenerators 82 and 83 at the fundamental frequency are mutually synchronized, expressions are obtained linking input V ex (ω) and output V 0 (ω) voltages and confirming the possibility of simultaneous generation of oscillations with frequencies ω 0 , 2kω 0 and (2k+1)ω 0 . Using these expressions, it is possible to obtain multi-frequency oscillations with approximately equal levels of their output powers. Such equality of levels can be achieved if the transfer coefficients of the active and passive circuits in Fig. 5 b), as well as the dynamic range of the output power of the selected transistor, differ little from each other at the fundamental frequency and at the (2k)-th and (2k+1)-th harmonics. For identical star-shaped capacitive circuits of two autogenerators (see Fig. 5 a)) in the prototype, the generation frequencies at the selected frequency and its harmonics were found from the condition [1]:

где ImZБ1, ImZК, ImZЭ1 и ImZБ2, ImZК и ImZЭ2 - мнимые части минимальных суммарных входных сопротивлений, которые измерены на портах схемы на фиг.6 или на выводах базы и эмиттера первого транзистора (ZБ1,ZЭ1) и базы, эмиттера и коллектора второго транзистора (ZБ2, ZЭ2, ZК). Использованная для трехпортовых моделей методика проектирования автогенераторов [1], по сути, представляет собой модификацию методик, предложенных для двухпортовых (двухточечных) моделей: модели генератора Курокавы [4] или его усовершенствованной модели [5]. 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 [1]. В таких моделях используются названные «негатроном» элементы транзисторной цепи, которые имеют отрицательные действительные части проводимости Yнег или сопротивления Zнег (см. фиг.3 а) и б)), которые приблизительно равны по величине аналогичным характеристикам соответствующей нагрузочной цепи. Суммарные значения этих величин и образуют каждое сопротивление, входящее в систему (2). Причем проводимости Yнег обычно применяются в генераторных моделях на основе треугольных трехточечных схем, а сопротивления Zнег - в моделях автогенераторов, где реализуются звездообразные треугольные схемы [1]. Для трехточечных моделей АГГ на фиг.6 в качестве сопротивлений негатронов одновременно используем на портах Р1 - Р5 все возможные входные сопротивления выводов транзисторов, которые удовлетворяют соотношениям: ZБ1→0, ZЭ1→0, ZБ2→0, ZЭ2→0, ZК→0. Для выполнения этих соотношений в схеме на фиг.6 используются описываемые [S]-параметрами транзисторы 88 и 89, а также модели компонентов 90 - 99, которые соответствуют элементам схемы на фиг.4. Реализация данных соотношений на практике приводит к тому же результату, что и выполнение условий, полученных на основе анализа модели на фиг.5 б). С учетом отмеченных для системы (2) замечаний в прототипе установлена взаимосвязь модулей величин ImZБ1, ImZК и ImZЭ1 с модулями величин ImZБ2, ImZК и ImZЭ2 на основной частоте ω0, а также взаимосвязь их между собой на частотах ее четных 2kω0 и нечетных (2k+1)ω0 гармоник при k=1, 2, … с помощью следующих соотношений:where ImZ B1 , ImZ K , ImZ E1 and ImZ B2 , ImZ K and ImZ E2 are the imaginary parts of the minimum total input resistances measured at the ports of the circuit in Fig. 6 or at the terminals of the base and emitter of the first transistor (Z B1 ,Z E1 ) and the base, emitter and collector of the second transistor (Z B2 , Z E2 , Z K ). The technique for designing autogenerators [1] used for three-port models is, in fact, a modification of the techniques proposed for two-port (two-point) models: the Kurokawa oscillator model [4] or his improved model [5]. In three-port models, the active elements are usually described by a system of wave [S]-parameters, and their equivalent circuits can be considered particular rather than generalized, since they are valid not for any, but only for a selected microwave transistor with known [S]-parameters [1]. In such models, the elements of the transistor circuit, called "negatrons", are used, which have negative real parts of the conductivity Y neg or resistance Z neg (see Fig. 3 a) and b)), which are approximately equal in magnitude to similar characteristics of the corresponding load circuit. The total values of these quantities form each resistance included in the system (2). Moreover, the conductivities Y neg are usually used in generator models based on triangular three-point circuits, and the resistances Z neg - in the models of autogenerators, where star-shaped triangular circuits are realized [1]. For the three-point models of the AGG in Fig. 6, as the negatron resistances, we simultaneously use on ports P1 - P5 all possible input resistances of the transistor terminals that satisfy the relations: Z B1 → 0, Z E1 → 0, Z B2 → 0, Z E2 → 0, Z K → 0. To implement these relationships in the circuit in Fig. 6, transistors 88 and 89 described by the [S]-parameters are used, as well as models of components 90 - 99, which correspond to the elements of the circuit in Fig. 4. The implementation of these relationships in practice leads to the same result as the fulfillment of the conditions obtained on the basis of the analysis of the model in Fig. 5 b). Taking into account the comments noted for system (2), in the prototype, the relationship between the moduli of the quantities ImZ B1 , ImZ K and ImZ E1 with the moduli of the quantities ImZ B2 , ImZ K and ImZ E2 at the fundamental frequency ω 0 is established, as well as their relationship with each other at the frequencies of its even 2kω 0 and odd (2k+1)ω 0 harmonics at k=1, 2, … using the following relationships:

В прототипе показано, что в АГГ на двух каскодно включенных СВЧ транзисторах, которые описываются волновыми [S]-параметрами, выполнение системы соотношений (3) является необходимым условием для реализации в каждом из взаимосвязанных автогенераторов гармоник системы на фиг.5 а) однотипных (емкостных) звездообразных трехточечных схем, таких как на фиг.3 б). Причем по сравнению известными 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 [1]. По сравнению с известными генераторами гармоник прототип, также как и второй аналог, дополнительно обладает полезным свойством - меньшим на 3 дБ уровнем спектральной плотности мощности фазовых шумов. К сожалению, при эффективной генерации гармоник в прототипе увеличение рабочих частот его гармоник достигается либо за счет выбора транзисторов с более высокими значениями граничных частот, как в первом аналоге, либо -за счет выбора варикапов, выполняющих перестройку частот в более высокочастотной области или в более широкой полосе, как в работе [3].The prototype shows that in the AGG on two cascode-connected microwave transistors, which are described by wave [S]-parameters, the fulfillment of the system of relations (3) is a necessary condition for the implementation in each of the interconnected harmonic oscillators of the system in Fig. 5 a) of the same type (capacitive) star-shaped three-point circuits, such as in Fig. 3 b). Moreover, in comparison with known harmonic oscillators, the effective generation of all harmonics takes place without the obligatory adjustment of various (unloaded, loaded, over-limit and others) circuits at their outputs. In addition, close power levels of oscillations of the fundamental frequency and its harmonics are ensured without the use of dividers and multipliers of the oscillation frequency with subsequent amplification of their power [1]. In comparison with known harmonic generators, the prototype, as well as the second analogue, additionally has a useful property - a 3 dB lower level of spectral power density of phase noise. Unfortunately, with effective harmonic generation in the prototype, an increase in the operating frequencies of its harmonics is achieved either by selecting transistors with higher cutoff frequency values, as in the first analog, or by selecting varicaps that perform frequency tuning in a higher frequency region or in a wider band, as in [3].

Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в росте рабочих частот гармоник при расширении полос их перестройки.The technical effect that the proposed solution is aimed at achieving is an increase in the operating frequencies of harmonics while expanding their tuning bands.

Этот эффект достигается тем, что в перестраиваемом каскодном автогенераторе гармоник, содержащем активный элемент, в котором транзисторы 100 и 101 включены по схеме «общий эмиттер - общая база», где коллектор транзистора 100 соединен с эмиттером транзистора 101 через отрезок микрополосковой линии передачи 120, последовательно соединенные между положительной клеммой источника питания 128 и являющейся общей шиной его отрицательной клеммой резисторы 102, 103, 104 и 105, в которых общая точка резистора 102 и положительной клеммы соединена с общей шиной через конденсатор 107, общая точка резисторов 102 и 103 подключена к коллектору транзистора 101 и одновременно - к конденсатору 108, который в свою очередь другим концом соединен с отрезком микрополосковой линии 119, общая точка резисторов 103 и 104 подключена к базе транзистора 101 и через конденсатор 121 - к общей шине, общая точка резисторов 104 и 105 соединена с базой транзистора 100, эмиттер транзистора 100 с одной стороны подключен через конденсатор 111 к катоду варикапа 126, с другой стороны - к общей точке соединения резистора 106 и конденсатора 122, кроме этого устройство содержит последовательно соединенные анод варикапа 123 и индуктивность 117, другой конец которой подключен к общей шине, последовательно соединенные конденсатор 110 и индуктивность 118, отдельный варикап 125, а также три развязывающих элемента, общий вывод которых подключен к положительной клемме источника управляющего напряжения 129, отрицательная клемма которого является общей шиной, свободные выводы двух развязывающих элементов соединены с катодами варикапов 124, 126, их аноды - с общей шиной, свободный вывод третьего развязывающего элемента подключен через конденсатор 109 к выходу устройства 127, кроме прочего минимальные суммарные сопротивления ZБ1→0, ZЭ1→0, ZБ2→0, ZЭ2→0, ZК→0, рассчитанные в соответствующих точках коллектора Zk транзистора 101, а также баз ZБ1, ZБ2 и эмиттеров ZЭ1, ZЭ2 транзисторов 100 и 101, которые описываются системой волновых [S]-параметров, связаны соотношениями:This effect is achieved by the fact that in a tunable cascode harmonic oscillator containing an active element in which transistors 100 and 101 are connected according to the “common emitter - common base” scheme, where the collector of transistor 100 is connected to the emitter of transistor 101 through a section of microstrip transmission line 120, resistors 102, 103, 104 and 105 are connected in series between the positive terminal of power source 128 and its negative terminal, which is a common bus, in which the common point of resistor 102 and the positive terminal is connected to the common bus through capacitor 107, the common point of resistors 102 and 103 is connected to the collector of transistor 101 and simultaneously to capacitor 108, which in turn is connected with the other end to a section of microstrip line 119, the common point of resistors 103 and 104 is connected to the base transistor 101 and through capacitor 121 to the common bus, the common point of resistors 104 and 105 is connected to the base of transistor 100, the emitter of transistor 100 is connected on one side through capacitor 111 to the cathode of varicap 126, on the other side - to the common connection point of resistor 106 and capacitor 122, in addition, the device contains a series-connected anode of varicap 123 and inductance 117, the other end of which is connected to the common bus, a series-connected capacitor 110 and inductance 118, a separate varicap 125, as well as three decoupling elements, the common terminal of which is connected to the positive terminal of control voltage source 129, the negative terminal of which is the common bus, the free terminals of two decoupling elements are connected to the cathodes of varicaps 124, 126, their anodes - to the common bus, the free terminal of the third decoupling element connected through a capacitor 109 to the output of device 127, among other things, the minimum total resistances Z B1 →0, Z E1 →0, Z B2 →0, Z E2 →0, Z K →0, calculated at the corresponding points of the collector Zk of transistor 101, as well as the bases Z B1 , Z B2 and emitters Z E1 , Z E2 of transistors 100 and 101, which are described by a system of wave [S]-parameters, are related by the relations:

где k - целое число, ImZБ1(ω), ImZБ2(ω), ImZЭ1(ω), ImZЭ2(ω) и ImZК(ω) - мнимые части сопротивлений ZБ1, ZБ2, ZЭ1, ZЭ2 и ZК элементов звездообразных емкостных трехточечных эквивалентных схем, которые образованы на циклической частоте со, равной или основной частоте ω0 или четным 2kω0 или нечетным (2k+1)ω0 частотам, согласно изобретению введена индуктивность 115, которая с одной стороны подключена к общей шине, а с другой - к свободным выводам резистора 106 и конденсатора 122, а также к аноду варикапа 125, катод которого присоединен к общей точке конденсатора 110 и индуктивности 118, которые в свою очередь включены соответственно между базой транзистора 100 и катодом варикапа 124, кроме того катод варикапа 123 соединен с общей точкой конденсатора 108 и отрезка микрополосковой линии 119, другой конец которой подключен к конденсатору 109, помимо прочего развязывающие элементы для подачи напряжений управления на варикапы с емкостями СВ выполнены в виде трех Г-образных LЦСЦ-фильтров нижних частот на индуктивностях LЦ 112, 113 и 114, а также на емкости СЦ 116, параллельной источнику питания 129, и их величины удовлетворяют неравенству:where k is an integer, ImZ B1 (ω), ImZ B2 (ω), ImZ E1 (ω), ImZ E2 (ω) and ImZ K (ω) are the imaginary parts of the resistances Z B1 , Z B2 , Z E1 , Z E2 and Z K of the elements of star-shaped capacitive three-point equivalent circuits, which are formed at a cyclic frequency co equal to either the fundamental frequency ω 0 or even 2kω 0 or odd (2k+1)ω 0 frequencies, according to the invention, an inductance 115 is introduced, which is connected on one side to the common bus, and on the other - to the free terminals of the resistor 106 and the capacitor 122, as well as to the anode of the varicap 125, the cathode of which is connected to the common point of the capacitor 110 and the inductance 118, which in turn are connected respectively between the base of the transistor 100 and the cathode of the varicap 124, in addition, the cathode of the varicap 123 is connected to the common point of the capacitor 108 and the section of the microstrip line 119, the other end of which is connected to the capacitor 109, among other things, the decoupling elements for supplying control voltages to the varicaps with capacitances C B are made in the form of three L-shaped L C C C low-pass filters on inductances L C 112, 113 and 114, as well as on capacitance C C 116, parallel to the power source 129, and their values satisfy the inequality:

где a ƒЦ - характеристическая частота LЦСЦ-цепи.Where a ƒ Ц - characteristic frequency of the L Ц С Ц -circuit.

Принципиальная схема предложенного устройства представлена на фиг.7. Перестраиваемый автогенератор гармоник, состоит из двух транзисторов 100 и 101, включенных по каскодной схеме типа ОЭ-ОБ, пяти резисторов 102 - 106, при помощи которых обеспечивается режим их работы по постоянному току. Конденсатор 107 является блокировочной емкостью, конденсаторы 108 - 111 - разделительными, а элементы 112 - 116 служат для развязки СВЧ трактов и цепей управления. При выполнении установленных ниже соотношений элементы 112 - 114 и 116 также способствуют росту основной частоты и частот ее гармоник выходного колебания. Кроме этого, устройство на фиг.7 содержит частотозадающие элементы: индуктивности 117 и 118, отрезки МПЛ 119 и 120, конденсаторы 121 и 122, а также четыре варикапа 123 - 126. 50-Омный выход устройства обозначен цифрой 127, а соответствующие клеммы для ввода питающего и управляющего напряжений - цифрами 128 и 129.The schematic diagram of the proposed device is shown in Fig. 7. The tunable harmonic oscillator consists of two transistors 100 and 101 connected in a cascode configuration of the OE-OB type, and five resistors 102-106, which ensure their operation in direct current mode. Capacitor 107 serves as a blocking capacitor, capacitors 108-111 serve as separating capacitors, and elements 112-116 serve to decouple the microwave paths and control circuits. When the relationships established below are met, elements 112-114 and 116 also contribute to an increase in the fundamental frequency and the frequencies of its harmonics of the output oscillation. In addition, the device in Fig. 7 contains frequency-setting elements: inductors 117 and 118, MPL sections 119 and 120, capacitors 121 and 122, and also four varicaps 123 - 126. The 50-Ohm output of the device is designated by the number 127, and the corresponding terminals for inputting the supply and control voltages are designated by the numbers 128 and 129.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В качестве автогенератора гармоник это устройство мало отличается от прототипа. Рассмотренные для прототипа и второго аналога эквивалентные схемы на фиг.3 б), фиг.5 а), б) и аналогичная фиг.6 модель на фиг.8 также подходят для описания работы данного устройства. Ниже проанализируем частотные свойства предложенного автогенератора гармоник.The proposed device operates as follows. As a harmonic oscillator, this device differs little from the prototype. The equivalent circuits considered for the prototype and the second analog (Fig. 3b), Fig. 5a), and Fig. 5b) and the similar model (Fig. 6) in Fig. 8 are also suitable for describing the operation of this device. Below, we analyze the frequency properties of the proposed harmonic oscillator.

Известно [1], что для эквивалентной трехточечной схемы автогенератора на фиг.3 б) его частоту генерации основного колебания ƒ0 можно оценить следующим образом:It is known [1] that for the equivalent three-point circuit of the autogenerator in Fig. 3 b), its fundamental oscillation generation frequency ƒ 0 can be estimated as follows:

где LЭ, СК, СБ - индуктивность и емкости эквивалентных контуров в соответствующих цепях эмиттера, коллектора и базы в схеме АГГ на фиг.7 или его модели на фиг.8. Для кратных основной частот может быть записано подобное выражение, куда входят те же элементы, величины которых измерены на гармониках. Из уравнения (4) следует очевидный вывод, чтобы в АГГ увеличить частоты генерации, необходимо уменьшать величины элементов эквивалентных контуров.where L E , C K , C B are the inductance and capacitance of the equivalent circuits in the corresponding emitter, collector, and base circuits in the AGG circuit in Fig. 7 or its model in Fig. 8. For multiples of the fundamental frequency, a similar expression can be written, which includes the same elements whose values were measured at the harmonics. From equation (4), it follows that in order to increase the generation frequencies in an AGG, it is necessary to decrease the values of the elements of the equivalent circuits.

В предлагаемом устройстве дадим оценку влияния управляющих варикапами цепей на рабочие частоты основного колебания и его гармоник, а также оценим возможности расширения с их помощью полос перестройки генерируемых частот.Для этого на фиг.9 а) рассмотрим модель цепи, где в виде переменной емкости СВ представлен варикап, к которому для подачи запирающего напряжения подключен Г-образный фильтр нижних частот на LЦСЦ-элементах. Суммарное сопротивление варикапа запишем в виде:In the proposed device, we will evaluate the influence of the varicap control circuits on the operating frequencies of the fundamental oscillation and its harmonics, and also evaluate the possibilities of expanding the tuning bands of the generated frequencies with their help. For this purpose, in Fig. 9 a) we will consider a circuit model, where a varicap is represented in the form of a variable capacitor C B , to which an L-shaped low-pass filter on L C C C elements is connected to supply the blocking voltage. The total resistance We write the varicap as follows:

где Where

В уравнениях (6) и (7) β=СЦВ, a ƒЦ - характеристическая частота LЦСЦ-цепи.In equations (6) and (7) β=С ЦВ , and ƒ Ц is the characteristic frequency of the L Ц С Ц -circuit.

Знак реактивности в выражении (5) не меняется только в тех случаях, когда в знаменателе уравнения (6) выражение в скобках больше нуля, либо когда весь знаменатель уравнения (6) больше нуля. Первый случай соответствует работе автогенератора в относительно низкочастотной области, когда второй - его работе в области более высоких частот, при которых выполняется неравенство:The sign of the reactivity in expression (5) does not change only in those cases when the expression in brackets in the denominator of equation (6) is greater than zero, or when the entire denominator of equation (6) is greater than zero. The first case corresponds to the operation of the autogenerator in a relatively low-frequency region, when the second is its operation in the region of higher frequencies, at which the inequality is satisfied:

Когда автогенератор работает в области повышенных частот, представляющих больший интерес (или при выполнении условия (8)), значения α велики, суммарные сопротивления - тоже, и это эквивалентно меньшим величинам суммарной емкости варикапа. То есть, при больших значениях β, которые соответствуют работе варикапов на высоких частотах, когда их емкости минимальны, возможно понижение величин СК и СБ в выражении (4). Очевидно, что в перестраиваемых автогенераторах нельзя увеличить β просто за счет повышения значений СЦ. Это приведет к уменьшению характеристической частоты и, следовательно, к сужению в соответствии с неравенством (8) диапазона частот автогенератора. Более того, в перестраиваемом автогенераторе увеличение значений СЦ ухудшит время переключения его частот.When the autogenerator operates in the region of higher frequencies, which are of greater interest (or when condition (8) is satisfied), the values of α are large, the total resistances - also, and this is equivalent to smaller values of the total capacitance of the varicap. That is, for large values of β, which correspond to the operation of varicaps at high frequencies, when their capacitances are minimal, it is possible to decrease the values of С К and С Б in expression (4). Obviously, in tunable oscillators, β cannot be increased simply by increasing the values of С Ц . This will lead to a decrease in the characteristic frequency and, consequently, to a narrowing of the oscillator's frequency range in accordance with inequality (8). Moreover, in a tunable oscillator, an increase in the values of С Ц will worsen its frequency switching time.

Аналогичные уравнениям (5) - (8) соотношения установим для модели Г-образной LЦСЦ-цепи на фиг.9 б), где в качестве изменяемой при помощи варикапа величины использована индуктивность LВ. Суммарный входной импеданс данной индуктивностиWe will establish relationships similar to equations (5) - (8) for the model of the L-shaped L C C C -circuit in Fig. 9 b), where the inductance L B is used as the variable value using the varicap. The total input impedance of this inductance

имеет вид: has the form:

где Where

Здесь γ=LВ/LЦ, а характеристическая частота ƒЦ этой цепи вычисляется по формуле (7).Here γ=L B /L C , and the characteristic frequency ƒ C of this circuit is calculated using formula (7).

Знак реактивности в выражении (9) не меняется только в тех случаях, когда в знаменателе уравнения (10) выражение в скобках больше нуля, либо когда весь знаменатель уравнения (10) больше нуля. Первый случай соответствует работе автогенератора в области, когда второй - его работе в области частот, где выполняется неравенство Обычно данное неравенство выполняется автоматически, если выбрать LЦСЦ-цепи с параметрами, при которых справедливо соотношение (8). Так, для рассмотренной на фиг.9 б) цепи характеристическая частота не является ограничителем для работы автогенератора в области повышенных частот. На высоких частотах величина δ становится чуть меньше единицы, а суммарное сопротивление также чуть понижается по отношению к сопротивлению исходной индуктивности LВ. Соответствующее этому уменьшение суммарной индуктивности приводит к некоторому снижению величины LЭ в формуле (4) и, следовательно, к незначительному (по сравнению с первым случаем) эффекту повышения частоты ƒ0.The sign of the reactivity in expression (9) does not change only in those cases when the expression in brackets in the denominator of equation (10) is greater than zero, or when the entire denominator of equation (10) is greater than zero. The first case corresponds to the operation of the autogenerator in the region when the second is its operation in the frequency range where the inequality is satisfied Usually, this inequality is satisfied automatically if we select an L C C C -circuit with parameters for which relation (8) is valid. Thus, for the circuit considered in Fig. 9 b), the characteristic frequency is not a limiter for the operation of the oscillator in the high-frequency region. At high frequencies, the value of δ becomes slightly less than unity, and the total resistance also decreases slightly in relation to the resistance of the original inductance L B . The corresponding decrease in the total inductance leads to some decrease in the value of L E in formula (4) and, consequently, to an insignificant (compared to the first case) effect of increasing the frequency ƒ 0 .

Таким образом, в отличие от известных пассивных цепей [6], предложенную в автогенераторе гармоник реализацию развязывающих элементов можно рассматривать в качестве «форсирующих» LЦСЦ-звеньев или как LЦСЦ-цепи, которые продлевают работу варикапов при минимальных емкостях на «хвостах» их регулировочных характеристик. Тогда становится возможным (пусть в разной степени) понижение величин СК, СБ и LЭ в выражении (4) а, значит, и рост основной частоты и ее гармоник.Thus, in contrast to known passive circuits [6], the implementation of decoupling elements proposed in the harmonic oscillator can be considered as "forcing" L C S C - links or as L C S C - circuits that prolong the operation of varicaps with minimal capacitances at the "tails" of their control characteristics. Then it becomes possible (albeit to varying degrees) to reduce the values of C K , C B and L E in expression (4), and, consequently, to increase the fundamental frequency and its harmonics.

Пример конкретного выполнения устройства. Рассмотрим перестраиваемый автогенератор гармоник, который 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 АГГ на фиг.7 и его моделью на фиг.8 данный автогенератор выполнен на стеклотекстолитовой подложке FR-4 в корпусе ВК377, который является для некоторых управляемых напряжением генераторов (ГУН) зарубежного производства стандартными (см. фиг.10). Макет устройства выполнен на двух кремниевых биполярных транзисторах 100 и 101 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 рекомендации книги [7], предложенную в работе [1] методику проектирования АГГ и также приведенные в технических условиях волновые [S]-параметры транзистора, определим значения элементов схемы на фиг.8, которые соответствуют минимальным величинам суммарных сопротивлений ZБ1→0, ZЭ1→0, ZБ2→0, ZЭ2→0 и ZК→0. Такой расчет в каждом из пяти портов выполним одновременно на всех выбранных частотах. Близкие к оптимальным параметрам элементов схемы приведены в модели автогенератора гармоник на фиг.8. В качестве элементов 123 и 124 выбраны варикапы 2В174А9 и 2В174Г9, а в качестве 125, 126 элементов - варикапы ВВ555. Их работа в выбранной программе моделирования [7] имитировалась следующим образом. Если диапазон изменения емкости варикапа 2В174А9 выбрать за условную единицу, то диапазонам варикапов 2В174Г9 и ВВ555 можно поставить в соответствие коэффициенты 2 и 4. С учетом этого при изменении одной емкости варикапа 2В174А9, другие емкости варикапов перестраиваются автоматически. Отмеченные на фиг.8 параметры элементов схемы получены при емкости варикапа 2В174А9 (элемент 123), равной 0.7 пФ. В качестве автогенератора гармоник макет устройства демонстрирует удовлетворительную работу, несмотря на то, что в нем по сравнению с прототипом процесс генерации колебаний основной частоты и ее гармоник чуть менее эффективен, так как соотношения (3) выполняются с несколько большими отклонениями от идеальных величин. Подтверждением тому служат спектры выходных колебаний, которые получены с помощью анализатора спектра FSUP-26 (ROHDE&SCHWARZ), когда управляющие напряжения на варикапах равны 0.5, 5 и 10 В (см. фиг.11, 12 и 13, соответственно). На приведенных спектрах, начиная с частот ~3.5 ГГц, наблюдается некоторый, характерный для выбранных СВЧ транзисторов, спад уровней высших гармоник. Вместе с тем, при изменении управляющего напряжения во всем диапазоне от 0 до 28 В разработанный макет генерирует колебания основной частоты от 740 до 1510 МГц и ее четырех гармоник общей мощностью от 7 до 12 мВт при напряжении питания +12 В и токе потребления ~17 мА. То есть предлагаемое устройство перестраивается в октавной полосе частот, в то время как в прототипе обеспечивается перестройка основной частоты с коэффициентом перекрытия не более 1.6. При использовании в прототипе того же набора варикапов минимальная частота составляет 820 МГц, а его максимальная частота не превышает 1.2 ГГц. Кроме прочего использование варикапа 125 расширяет полосу перестройки вниз с 820 МГц до 740 МГц. В модели на фиг.8 цепи подачи управляющих напряжений для работы варикапов 123 и 124 выбраны в соответствии с рекомендациями, которые следуют из формул (5) - (8). Так, суммарная емкость элемента 116 составляет 32 пФ, а величины индуктивностей элементов 112 и 113 равны 15 нГн. Тогда при характеристической частоте LЦСЦ-цепи ~230 МГц ее максимальная величина достигает ~1.57 ГГц, если An example of a specific device implementation. Let us consider a tunable harmonic oscillator, which simultaneously generates oscillations at the fundamental frequency, and at the second, third, fourth, and fifth harmonics in the vicinity of frequencies from 1 to 6 GHz. In accordance with the AGG circuit in Fig. 7 and its model in Fig. 8, this oscillator is implemented on an FR-4 glass-textolite substrate in a VK377 package, which is standard for some foreign-made voltage-controlled oscillators (VCOs) (see Fig. 10). The device prototype is implemented using two silicon bipolar transistors 100 and 101 of the 2T682A-2 type, which have oscillation gain factors guaranteed by technical specifications, both at the fundamental frequency and at its selected harmonics. Thus, when used in a common-emitter circuit, its cutoff frequency is ~6 GHz, and in a common-base circuit, the transistor operates at up to 9 GHz. Using the recommendations of the book [7], the methodology for designing a harmonic oscillator proposed in work [1], and the wave [S]-parameters of the transistor given in the technical specifications, we will determine the values of the circuit elements in Fig. 8 that correspond to the minimum values of the total resistances Z B1 → 0, Z E1 → 0, Z B2 → 0, Z E2 → 0 and Z K → 0. We will perform such a calculation in each of the five ports simultaneously at all selected frequencies. Parameters of the circuit elements close to the optimal ones are given in the harmonic oscillator model in Fig. 8. Varicaps 2V174A9 and 2V174G9 were selected as elements 123 and 124, and varicaps BB555 were selected as elements 125 and 126. Their operation in the selected modeling program [7] was simulated as follows. If the capacitance variation range of the 2V174A9 varicap is chosen as a conventional unit, then the coefficients 2 and 4 can be assigned to the ranges of the 2V174G9 and BB555 varicaps. Taking this into account, when changing one capacitance of the 2V174A9 varicap, the other varicap capacitances are automatically adjusted. The parameters of the circuit elements shown in Fig. 8 were obtained with a 2V174A9 varicap capacitance (element 123) of 0.7 pF. As a harmonic oscillator, the prototype device demonstrates satisfactory operation, despite the fact that, compared to the prototype, the process of generating oscillations of the fundamental frequency and its harmonics is slightly less efficient, since relations (3) are satisfied with somewhat larger deviations from the ideal values. This is confirmed by the output oscillation spectra obtained using the FSUP-26 spectrum analyzer (ROHDE&SCHWARZ), when the control voltages on the varicaps are equal to 0.5, 5, and 10 V (see Figs. 11, 12, and 13, respectively). In the presented spectra, starting from frequencies of ~3.5 GHz, a certain decrease in the levels of higher harmonics is observed, characteristic of the selected microwave transistors. At the same time, when varying the control voltage over the entire range from 0 to 28 V, the developed prototype generates oscillations of the fundamental frequency from 740 to 1510 MHz and its four harmonics with a total power of 7 to 12 mW at a supply voltage of +12 V and a consumption current of ~17 mA. That is, the proposed device is tunable in an octave frequency band, while the prototype ensures fundamental frequency tuning with an overlap coefficient of no more than 1.6. When using the same set of varicaps in the prototype, the minimum frequency is 820 MHz, and its maximum frequency does not exceed 1.2 GHz. Among other things, the use of varicap 125 expands the tuning band down from 820 MHz to 740 MHz. In the model in Fig. 8, the control voltage supply circuits for the operation of varicaps 123 and 124 are selected in accordance with the recommendations that follow from formulas (5) - (8). Thus, the total capacitance of element 116 is 32 pF, and the inductance values of elements 112 and 113 are equal to 15 nH. Then, at a characteristic frequency of the L C S C circuit of ~ 230 MHz, its maximum value reaches ~ 1.57 GHz, if

Это означает, что при емкостях варикапов 123 и 124 ~0.7 пФ и ~1.4 пФ, соответственно, генерация на основной частоте ~1500 МГц возможна, знак в выражении (5) не меняется, суммарная величина емкости СВ/α уменьшается, что приводит к уменьшению величин СК и СБ в выражении (4) и, следовательно, к желаемому росту значения ƒ0. Уменьшение емкостей СК и СБ эквивалентных контуров в цепях коллектора и базы можно продемонстрировать на примере сравнения частотных зависимостей для мнимых частей входного импеданса, которые измерены на коллекторе и базе (см. порты 1 и 3 на фиг.8) при разных значениях индуктивных элементов 112 и 113. На фиг.14 и фиг.15, соответственно, для коллекторной (порт 1) и базовой (порт 3) цепи приведены графики данных зависимостей при 15 нГн (кривые 1) и 150 нГн (кривые 2). Очевидно, что при индуктивностях элементов 150 нГн автогенератор гармоник не достигает максимальных частот, а LЦСЦ-цепи работают как обычные развязывающие элементы. Поэтому на частотах от 1.2 до 2.5 ГГц меньшие величины емкостей СК и СБ соответствуют LЦСЦ-цепям с индуктивностями 15 нГн. Сравнительный анализ частотных графиков мнимых частей входного импеданса LЦСЦ-фильтра, который в цепи эмиттера (порт 4) выполнен в соответствии с моделью на фиг.9 б), подтверждает возможность незначительного роста частоты ƒ0, если значение LЦ изменить со 150 до 15 нГн (см. на фиг.16, кривые 2 и 1, соответственно).This means that with varicapacitances of 123 and 124 ~0.7 pF and ~1.4 pF, respectively, generation at the fundamental frequency of ~1500 MHz is possible, the sign in expression (5) does not change, the total value of capacitance С В /α decreases, which leads to a decrease in the values of С К and С Б in expression (4) and, consequently, to the desired increase in the value of ƒ 0 . The reduction of the capacitances C K and C B of the equivalent circuits in the collector and base circuits can be demonstrated by comparing the frequency dependences for the imaginary parts of the input impedance, which are measured at the collector and base (see ports 1 and 3 in Fig. 8) for different values of inductive elements 112 and 113. Fig. 14 and Fig. 15, respectively, for the collector (port 1) and base (port 3) circuits show graphs of these dependences at 15 nH (curves 1) and 150 nH (curves 2). Obviously, with element inductances of 150 nH, the harmonic oscillator does not reach maximum frequencies, and the L C C C circuits operate as conventional decoupling elements. Therefore, at frequencies from 1.2 to 2.5 GHz, smaller values of the capacitances C K and C B correspond to L C C C circuits with inductances of 15 nH. A comparative analysis of the frequency graphs of the imaginary parts of the input impedance of the L C C C filter, which in the emitter circuit (port 4) is made in accordance with the model in Fig. 9 b), confirms the possibility of a slight increase in the frequency ƒ 0 if the value of L C is changed from 150 to 15 nH (see Fig. 16, curves 2 and 1, respectively).

Таким образом, приведенный пример конкретной реализации перестраиваемого автогенератора гармоник на двух включенных по каскодной схеме транзисторах, подтверждает возможность роста основной частоты и частот ее гармоник при расширении полос их перестройки. Теоретически обосновано применение в качестве элементов развязки «форсирующих» цепей, которые продлевают работу варикапов при минимальных емкостях на «хвостах» их регулировочных характеристик. На основе моделирования и экспериментально подтверждено, что при помощи таких цепей коэффициент перекрытия частот прототипа с 1.6 повышается до 2, а максимальная частота его первой гармоники увеличивается с 1.2 до 1.5 ГГц при сохранении исходного набора высших гармоник.Thus, the presented example of a specific implementation of a tunable harmonic oscillator using two transistors connected in a cascode configuration confirms the possibility of increasing the fundamental frequency and its harmonic frequencies with wider tuning bands. The use of "boosting" circuits as decoupling elements, which extend the life of varicaps with minimal capacitance at the "tails" of their control characteristics, is theoretically justified. Based on simulation and experimental confirmation, it has been shown that using such circuits, the prototype's frequency overlap ratio increases from 1.6 to 2, and the maximum frequency of its first harmonic increases from 1.2 to 1.5 GHz while maintaining the original set of higher harmonics.

Источники информацииSources of information

1. Баранов, А.В. Транзисторные автогенераторы гармонических СВЧ колебаний / А.В. Баранов, М.А. Кревский. - М.: Горячая линия - Телеком, 2021. - 276 с.1. Baranov, A.V. Transistor autogenerators of harmonic microwave oscillations / A.V. Baranov, M.A. Krevsky. - M .: Goryachaya Liniya - Telecom, 2021. - 276 p.

2. Grebennikov, A. RF and microwave transistor oscillator design / A. Grebennikov. -Chichester, England: John Wiley & Sons, Ltd, 2007. - 441 p.2. Grebennikov, A. RF and microwave transistor oscillator design / A. Grebennikov. -Chichester, England: John Wiley & Sons, Ltd, 2007. - 441 p.

3. Горевой, A.B. Генератор диапазона 1 - 2 ГГц с повышенной крутизной регулировочной характеристики / А.В. Горевой // Доклады ТУСУРа. - 2011. - №1 (23). - С.44-49.3. Gorevoy, A.V. Generator of the 1 - 2 GHz range with an increased steepness of the control characteristic / A.V. Gorevoy // TUSUR Reports. - 2011. - No. 1 (23). - P. 44-49.

4. Kurokawa, К. Some basic characteristics of broadband negative resistance oscillators circuits / K. Kurokawa // The Bell System Technical Journal. - 1969, July-august. - P. 1937 - 1955.4. Kurokawa, K. Some basic characteristics of broadband negative resistance oscillator circuits / K. Kurokawa // The Bell System Technical Journal. - 1969, July-August. - P. 1937 - 1955.

5. 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- 1745.5. 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.

6. Баранов, A.B. Пассивные цепи с распределенными и сосредоточенными параметрами / А.В. Баранов, Э.Л. Привер. - М.: Горячая линия - Телеком, 2023. - 264 с.6. Baranov, A.V. Passive circuits with distributed and lumped parameters / A.V. Baranov, E.L. Priver. - M .: Goryachaya Liniya - Telecom, 2023. - 264 p.

7. 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.7. Razevig V.D., Potapov Yu.V., Kurushin A.A. Design of microwave devices using Microwave Office. Edited by V.D. Razevig. - Moscow: Solon-Press, 2003. - 496 p.

Claims (6)

Перестраиваемый каскодный автогенератор гармоник, содержащий активный элемент, в котором транзисторы (100) и (101) включены по схеме «общий эмиттер - общая база», где коллектор транзистора (100) соединен с эмиттером транзистора (101) через отрезок микрополосковой линии передачи (120), последовательно соединенные между положительной клеммой источника питания (128) и являющейся общей шиной его отрицательной клеммой резисторы (102), (103), (104) и (105), в которых общая точка резистора (102) и положительной клеммы соединена с общей шиной через конденсатор (107), общая точка резисторов (102) и (103) подключена к коллектору транзистора (101) и одновременно - к конденсатору (108), который в свою очередь другим концом соединен с отрезком микрополосковой линии (119), общая точка резисторов (103) и (104) подключена к базе транзистора (101) и через конденсатор (121) - к общей шине, общая точка резисторов (104) и (105) соединена с базой транзистора (100), эмиттер транзистора (100) с одной стороны подключен через конденсатор (111) к катоду варикапа (126), с другой стороны - к общей точке соединения резистора (106) и конденсатора (122), кроме этого устройство содержит последовательно соединенные анод варикапа (123) и индуктивность (117), другой конец которой подключен к общей шине, последовательно соединенные конденсатор (110) и индуктивность (118), отдельный варикап (125), а также три развязывающих элемента, общий вывод которых подключен к положительной клемме источника управляющего напряжения (129), отрицательная клемма которого является общей шиной, свободные выводы двух развязывающих элементов соединены с катодами варикапов (124), (126), их аноды - с общей шиной, свободный вывод третьего развязывающего элемента подключен через конденсатор (109) к выходу устройства (127), кроме прочего минимальные суммарные сопротивления ZБ1→0, ZЭ1→0, ZБ2→0, ZЭ2→0, ZК→0, рассчитанные в соответствующих точках коллектора ZК транзистора (101), а также баз ZБ1, ZБ2 и эмиттеров ZЭ1, ZЭ2 транзисторов (100) и (101), которые описываются системой волновых [S]-параметров, связаны соотношениями:A tunable cascode harmonic oscillator comprising an active element in which transistors (100) and (101) are connected in a "common emitter - common base" configuration, where the collector of transistor (100) is connected to the emitter of transistor (101) through a section of microstrip transmission line (120), resistors (102), (103), (104) and (105) connected in series between the positive terminal of power supply (128) and its negative terminal which is a common bus, in which the common point of resistor (102) and the positive terminal is connected to the common bus through a capacitor (107), the common point of resistors (102) and (103) is connected to the collector of transistor (101) and simultaneously to capacitor (108), which in turn is connected at the other end to a section of microstrip line (119), the common point of resistors (103) and (104) is connected to the base of the transistor (101) and through the capacitor (121) to the common bus, the common point of the resistors (104) and (105) is connected to the base of the transistor (100), the emitter of the transistor (100) is connected on one side through the capacitor (111) to the cathode of the varicap (126), on the other side - to the common connection point of the resistor (106) and capacitor (122), in addition, the device contains a series-connected anode of the varicap (123) and an inductance (117), the other end of which is connected to the common bus, a series-connected capacitor (110) and inductance (118), a separate varicap (125), as well as three decoupling elements, the common terminal of which is connected to the positive terminal of the control voltage source (129), the negative terminal of which is the common bus, the free terminals of the two decoupling elements are connected to the cathodes of the varicaps (124), (126), their anodes - to the common bus, the free terminal of the third decoupling element is connected through a capacitor (109) to the output of the device (127), among other things, the minimum total resistances Z B1 →0, Z E1 →0, Z B2 →0, Z E2 →0, Z K →0, calculated at the corresponding points of the collector Z K of the transistor (101), as well as the bases Z B1 , Z B2 and emitters Z E1 , Z E2 of the transistors (100) and (101), which are described by the system of wave [S]-parameters, are related by the relations: где k - целое число, ImZБ1(ω), ImZБ2(ω), ImZЭ1(ω), ImZЭ2(ω) и ImZК(ω) - мнимые части сопротивлений ZБ1, ZБ2, ZЭ1, ZЭ2 и ZК 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, отличающийся тем, что введена индуктивность (115), которая с одной стороны подключена к общей шине, а с другой - к свободным выводам резистора (106) и конденсатора (122), а также к аноду варикапа (125), катод которого присоединен к общей точке конденсатора (110) и индуктивности (118), которые в свою очередь включены соответственно между базой транзистора (100) и катодом варикапа (124), кроме того, катод варикапа (123) соединен с общей точкой конденсатора (108) и отрезка микрополосковой линии (119), другой конец которой подключен к конденсатору (109), помимо прочего, развязывающие элементы для подачи напряжений управления на варикапы с емкостями СВ выполнены в виде трех Г-образных LЦСЦ-фильтров нижних частот на индуктивностях LЦ (112), (113) и (114), а также на емкости СЦ (116), параллельной источнику питания (129), и их величины удовлетворяют неравенствуwhere k is an integer, ImZ B1 (ω), ImZ B2 (ω), ImZ E1 (ω), ImZ E2 (ω) and ImZ K (ω) are the imaginary parts of the resistances Z B1 , Z B2 , Z E1 , Z E2 and Z K of the elements of star-shaped capacitive three-point equivalent circuits, which are formed at a cyclic frequency ω equal to either the fundamental frequency ω 0 , or even 2kω 0 or odd (2k+1)ω 0 frequencies, characterized in that an inductance (115) is introduced, which is connected on one side to the common bus, and on the other to the free terminals of the resistor (106) and capacitor (122), as well as to the anode of the varicap (125), the cathode of which is connected to the common point of the capacitor (110) and the inductance (118), which in turn are connected respectively between the base of the transistor (100) and the cathode of the varicap (124), in addition, the cathode of the varicap (123) is connected to the common point of the capacitor (108) and a section of the microstrip line (119), the other end of which is connected to the capacitor (109), among other things, the decoupling elements for supplying control voltages to the varicaps with capacitances C B are made in the form of three L-shaped L C C C low-pass filters on inductances L C (112), (113) and (114), as well as on capacitance C C (116), parallel to the power source (129), and their values satisfy the inequality где Where а ƒЦ - характеристическая частота LЦСЦ-цепи.and ƒ Ц is the characteristic frequency of the L Ц С Ц -circuit.
RU2024131956A 2024-10-22 Tunable cascode self-contained generator of harmonics RU2851698C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2851698C1 true RU2851698C1 (en) 2025-11-27

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5564100A (en) * 1992-06-03 1996-10-08 Motorola, Inc. Frequency modulator having a modulation varactor coupled to output of a VCO
US7088189B2 (en) * 2003-09-09 2006-08-08 Synergy Microwave Corporation Integrated low noise microwave wideband push-push VCO
RU2685387C1 (en) * 2018-01-09 2019-04-17 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют" Tunable harmonics self-oscillator
RU2696207C1 (en) * 2018-09-25 2019-07-31 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют" Tunable oscillator with connected microstrip lines
CN112953393A (en) * 2021-04-09 2021-06-11 东南大学 Broadband voltage-controlled oscillator with low phase noise
RU2774408C1 (en) * 2021-09-14 2022-06-21 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют" Tunable cascade harmonic generator

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5564100A (en) * 1992-06-03 1996-10-08 Motorola, Inc. Frequency modulator having a modulation varactor coupled to output of a VCO
US7088189B2 (en) * 2003-09-09 2006-08-08 Synergy Microwave Corporation Integrated low noise microwave wideband push-push VCO
RU2685387C1 (en) * 2018-01-09 2019-04-17 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют" Tunable harmonics self-oscillator
RU2696207C1 (en) * 2018-09-25 2019-07-31 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют" Tunable oscillator with connected microstrip lines
CN112953393A (en) * 2021-04-09 2021-06-11 东南大学 Broadband voltage-controlled oscillator with low phase noise
RU2774408C1 (en) * 2021-09-14 2022-06-21 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют" Tunable cascade harmonic generator

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KYUNG-WHAN YEOM An investigation of the high-frequency limit of a miniaturized commercial voltage-controlled oscillator used in 900-MHz-band mobile-communication handset // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1998, v. 46, no. 8, pp. 1165-1168. doi: 10.1109/22.704960. fig. 3. *
ХОЛОДКОВ И.В. Схемотехника: учебное пособие: в 2 ч. / И. В. Холодков; Иван. гос. хим.-технол. ун-т. - Иваново, 2013, ч. 1: Аналоговая схемотехника. - 2013. - 152 с. Рис. 55 в). *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4360867A (en) Broadband frequency multiplication by multitransition operation of step recovery diode
US8451071B2 (en) Low noise oscillators
KR100457939B1 (en) High frequency crystal oscillator
US3737801A (en) Loss cancelling resonator and filters
KR19990030147A (en) Wide Frequency Range and Low Noise Voltage Controlled Oscillators for Integrated Circuit Manufacturing
JP5121050B2 (en) Multiplier oscillation circuit and wireless device equipped with the same
RU2851698C1 (en) Tunable cascode self-contained generator of harmonics
Seo et al. Novel high-Q inductor using active inductor structure and feedback parallel resonance circuit
US3806831A (en) Ultra-stable oscillator with complementary transistors
RU2644067C1 (en) Cascoded voltage-controlled generator
Patel et al. CMOS active inductor/resonator based voltage controlled oscillator
RU2774408C1 (en) Tunable cascade harmonic generator
US6025765A (en) Gyrator with loop amplifiers connected to inductive elements
CN115955196B (en) High-performance low-noise crystal oscillator circuit
CN115051650B (en) S-band Octave Band Low Phase Noise Voltage Controlled Oscillator and Signal Generator
US7538630B2 (en) Voltage controlled oscillator
US2878386A (en) Stable transistor oscillator
RU2727782C1 (en) Tunable harmonic self-excited generator
RU2706481C1 (en) Tunable harmonic generator
Nehring et al. An 8-32 GHz frequency synthesizer based on a wideband VCO array with bandwidth extension stage
RU2696207C1 (en) Tunable oscillator with connected microstrip lines
Egorov et al. Phase noise simulation of microwave reference oscillator based on the MMIC amplifier
CN217508714U (en) Voltage-controlled oscillator and signal generating device of frequency doubling band low phase noise
US7109814B2 (en) Piezoelectric oscillator
Kyarginsky et al. Wideband microwave chaotic oscillators