СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ СВЧ-ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для формирования сетки стабильных частот с равномерным шагом в радиоприемных и радиопередающих устройствах сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона.
В возбудителях радиопередатчиков и гетеродинах радиоприемников СВЧ используются синтезаторы частот (СЧ), основанные на системе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Основные требования к таким устройствам состоят в улучшении шумовых характеристик, уменьшении побочных гармонических составляющих и сокращении времени перестройки.
Синтезаторы частот с ФАПЧ широко известны в технической литературе [1, 2] и др. Эти устройства позволяют получить колебания с заданным шагом изменения частоты, при этом стабильность частоты выходного сигнала определяется прецизионным опорным кварцевым генератором. В СЧ частота выходного сигнала определяется частотой сигнала опорного генератора (ОГ), умноженной на целочисленный либо дробный коэффициент умножения системы ФАПЧ. Коэффициент умножения системы определяется коэффициентом приведения частоты выходного сигнала СЧ к частоте сравнения частотно-фазового детектора (ЧФД) [2], отнесенным к коэффициенту деления частоты сигнала ОГ. Значением коэффициента деления частотного делителя сигнала ОГ и величиной частоты сигнала ОГ, фактически, определяется частота сравнения частотно-фазового детектора. При этом уровень фазовых шумов выходного сигнала СЧ в пределах полосы пропускания системы ФАПЧ определяется суммой шумов системы ФАПЧ (шумы частотно-фазового детектора и делителей частоты) и фазовых шумов сигнала ОГ, умноженных на коэффициент умножения системы ФАПЧ [2, 3]. А за пределами полосы пропускания системы ФАПЧ уровень фазовых шумов определяется уровнем фазовых шумов сигнала генератора, управляемого напряжением (ГУН), который входит в состав СЧ [2] и является объектом управления системы ФАПЧ. Система ФАПЧ является фильтром нижних частот для фазовых шумов сигнала ОГ и фильтром верхних частот для фазовых шумов сигнала ГУН.
Очевидно, чем меньше уровень фазовых шумов сигнала ОГ, тем меньше уровень фазовых шумов выходного сигнала СЧ. (Здесь и далее речь идет об уровне фазовых шумов в пределах полосы пропускания системы ФАПЧ). Но в тоже время, чем меньше коэффициент умножения системы ФАПЧ, тем меньше уровень фазовых шумов выходного сигнала СЧ, при условии равенства уровня фазовых шумов опорных генераторов в обоих случаях. Таким образом, для уменьшения уровня фазовых шумов выходного сигнала СЧ необходимо использовать кварцевый опорный генератор, с частотой выходного сигнала, достаточной, чтобы реализовать систему ФАПЧ с небольшим коэффициентом умножения. Поэтому, ввиду того, что фазовые шумы сигнала ГУН СВЧ диапазона достаточно велики [3] и не удовлетворяют условиям ряда приложений, то, исходя из вышесказанного, целесообразно использовать систему ФАПЧ с широкой полосой пропускания. Иными словами, необходимо максимально возможно отфильтровать фазовые шумы сигнала ГУН. При этом необходимо учитывать, что полоса пропускания системы ФАПЧ не должна превышать частоту сравнения частотно-фазового детектора [2].
Широко известно, что для обеспечения необходимого уровня фазовых шумов в выходном сигнале с сохранением малого шага сетки частот, применяются различные варианты каскадных (тандемных) схем синтезаторов (патенты US 5128623, US 5656976, US 5859570, US 6483388, US 7084709, US 7250823). В таких каскадных схемах устройств СВЧ диапазона в первом каскаде в качестве опорного сигнала, как правило, используются либо перестраиваемый по частоте СЧ с ФАПЧ, либо цифровой вычислительный синтезатор (ЦВС или DDS - Direct Digital Sinthesizer). В этом случае частота выходного сигнала первого каскада (опорного СЧ) выбирается ниже частоты выходного сигнала всего устройства. За счет того, что опорный СЧ может перестраиваться по частоте, реализуется требуемый шаг перестройки по частоте всего устройства. Использование в качестве первого каскада СЧ с ФАПЧ традиционных управляемых напряжением LC-генераторов влечет за собой такой уровень фазовых шумов в выходном сигнале, который зачастую превышает допустимые значения. При использовании в качестве первого каскада ЦВС в выходном сигнале устройства возникают ложные сигналы, образующиеся в результате использования дробных коэффициентов деления, реализуемых на основе дельта-сигма модуляторов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является каскадный СЧ, схема которого представлена на рисунке 1 на странице 3 в диссертации [4], принятый за устройство-прототип, с небольшими уточнениями. Оба «фазовых детектора» обозначены как первый и второй частотно-фазовый детектор, вход опорного генератора заменен на блок ОГ, соединенный с блоком делителя с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) (что является традиционным решением приведения частоты выходного сигнала блока ОГ к требуемой частоте сравнения [2]). Также введена шина управления (ШУ), по которой от внешнего управляющего устройства поступают команды записи коэффициентов деления на все делители частоты каскадного СЧ.
Уточненная функциональная схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
ВУУ - внешнее управляющее устройство;
1 - опорный генератор (ОГ);
2 - делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
3 - первый частотно-фазовый детектор (ЧФД1);
4 - первый фильтр нижних частот (ФНЧ1);
6 - первый делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД1);
7 - второй частотно-фазовый детектор (ЧФД2);
8 - второй фильтр нижних частот (ФНЧ2);
9 - второй генератор, управляемый напряжением (ГУН2);
10 - второй делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД2);
11 - шина управления (ШУ);
14 - первый генератор, управляемый напряжением (ГУН1);
Устройство-прототип содержит последовательно соединенные опорный генератор (ОГ) 1, делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) 2, первый частотно-фазового детектора (ЧФД1) 3, первый фильтр нижних частот (ФНЧ1) 4, первый генератор, управляемый напряжением (ГУН1) 5, второй частотно-фазовый детектор (ЧФД2) 7, второй фильтр нижних частот (ФНЧ2) 8 и второй генератор, управляемый напряжением (ГУН2) 9, выход которого является выходом устройства; кроме того, выход ГУН1 5 через первый делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД1), соединен со вторым входом ЧФД1 3, а выход ГУН2 9 через второй делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД2) 10 соединен со вторым входом ЧФД2 7. Управляющие входы блоков ДФКД 2, ДПКД1 6 и ДПКД2 10 соединены посредством шины управления (ШУ) 11 с внешним управляющим устройством (ВУУ).
Устройство-прототип работает следующим образом.
1
2
1
1
2
2
2
2
1
В момент включения по ШУ 11 от ВУУ в блоки ДФКД 2, ДПКД1 6 и ДПКД2 10 поступают кодограммы записи коэффициентов деления соответственно R, N и N. Частота For выходного сигнала ОГ 1 делится на коэффициент деления R в ДФКД 2, далее сигнал с частотой For/R подается на первый вход ЧФД1 3, задавая при этом частоту сравнения ЧФД1 3 и, соответственно, шаг сетки частот первого каскада СЧ Δf=For/R. На второй вход ЧФД1 3 подается сигнал с ДПКД1 6, частота которого определяется частотой F выходного сигнала ГУН1 5, поделенной на N в ДПКД1 6, т.е. F/NL. Далее в ЧФД1 3 происходит сравнение частот For/R и F/N1 и вырабатывается сигнал ошибки, который через ФНЧ1 4 поступает на управляющий вход ГУHI 5, изменяя частоту F сигнала ГУH1 5 до тех пор, пока не выполнится условие For/R=F/N. После выполнения данного условия выходной сигнал с ЧФД1 3 перестает меняться, и напряжение управления на управляющем входе ГУН1 5 остается постоянным, фиксируя частоту выходного сигнала ГУН1 5.
Таким образом, выходная частота сигнала ГУН1 5 определяется выражением: . Изменяя коэффициент деления Ni, можно изменять частоту выходного сигнала ГУН1 5 с шагом Δf. Так работает первый каскад системы ФАПЧ синтезатора частот.
1
2
1
2
2
2
ВЫХ
2
2
Далее на первый вход блока ЧФД2 7 подается сигнал с частотой F от ГУН1 5, а на второй вход ЧФД2 7 поступает сигнал от ГУН2 9, частота которого делится на коэффициент N в ДПКД2 10. Аналогично с первым каскадом, происходит сравнение частот F и Fвых/N, и вырабатывается сигнал ошибки, который через ФНЧ2 8 поступает на управляющий вход ГУН2 9, изменяя частоту его выходного сигнала до тех пор, пока не выполнится условие F=Fвых/N. После выполнения этого условия частота выходного сигнала ГУН2 9 будет равна F=F·N. Выходной сигнал ГУН2 9 является выходным сигналом всего устройства. Так работает второй каскад системы ФАПЧ синтезатора частот.
Полоса пропускания ФНЧ1 4 определяет полосу пропускания первого каскада СЧ, а полоса пропускания ФНЧ2 8 определяет полосу пропускания второго каскада СЧ. При этом полоса пропускания ФНЧ1 4 выбирается такой, чтобы уровень фазовых шумов выходного сигнала ГУН1 5 в пределах полосы пропускания определялся фазовыми шумами ОГ 1, а за пределами полосы пропускания уровень фазовых шумов не увеличивался бы за счет фазовых шумов ЧФД1 3. Полоса пропускания ФНЧ2 8 выбирается максимально возможной, чтобы отфильтровать фазовые шумы высокочастотного сигнала блока ГУН2 9.
Таким образом, за счет изменения частоты F1 выходного сигнала первого каскада СЧ в устройстве-прототипе реализуется необходимый шаг сетки частот при сохранении широкой полосы пропускания второго каскада СЧ.
В устройстве-прототипе уровень фазовых шумов сигнала первого каскада СЧ определяет уровень фазовых шумов в выходном сигнале всего устройства. Применение в устройстве-прототипе в первом каскаде СЧ перестраиваемого по частоте генератора, управляемого напряжением, на низкодобротных перестраиваемых LC-контурах влечет за собой увеличение уровня фазовых шумов в выходном сигнале первого каскада СЧ [3] и, следовательно, в выходном сигнале всего устройства. Это является существенным недостатком устройства-прототипа.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в улучшении спектральных характеристик каскадного синтезатора частот СВЧ диапазона.
Достигаемый технический результат - уменьшение уровня фазовых шумов в выходном сигнале синтезатора частот СВЧ диапазона с малым шагом сетки частот и с узким диапазоном рабочих частот.
Для решения поставленной задачи в синтезатор частот, содержащий последовательно соединенные опорный генератор, делитель с фиксированным коэффициентом деления, первый частотно-фазовый детектор и первый фильтр нижних частот; последовательно соединенные второй частотно-фазовый детектор, второй фильтр нижних частот и генератор, управляемый напряжением, выход которого соединен с сигнальным входом второго делителя с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом второго частотно-фазового детектора; первый делитель с переменным коэффициентом деления, выход которого соединен со вторым входом первого частотно-фазового детектора; при этом управляющие входы делителя с фиксированным коэффициентом деления, а также первого и второго делителей с переменным коэффициентом деления соединены посредством шины управления с внешним управляющим устройством, согласно полезной модели, введены буферный усилитель, вход которого соединен с выходом генератора, управляемого напряжением, а выход - является выходом устройства; блок коммутатора, выход которого соединен с сигнальным входом первого делителя с переменным коэффициентом деления и с первым входом второго частотно-фазового детектора; М управляемых кварцевых генераторов, входы которых объединены между собой и соединены с выходом первого фильтра нижних частот, а выходы - соединены с соответствующими сигнальными входами блока коммутатора, управляющие входы которого посредством шины управления соединены с внешним управляющим устройством.
Дополнительно, управляемые кварцевые генераторы выполнены с возможностью подстройки частоты выходного сигнала в узком диапазоне.
Функциональная схема заявляемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:
ВУУ - внешнее управляющее устройство;
1 - опорный генератор (ОГ);
2 - делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД);
3 - первый частотно-фазовый детектор (ЧФД1);
4 - первый фильтр нижних частот (ФНЧ1);
5 - буферный усилитель (БУ).
6 - первый делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД1);
7 - второй частотно-фазовый детектор (ЧФД2);
8 - второй фильтр нижних частот (ФНЧ2);
9 - генератор, управляемый напряжением (ГУН);
10 - второй делитель с переменным коэффициентом деления (ДПКД2);
11 - шина управления (ШУ);
12.1…12.М- управляемые кварцевые генераторы (УКГ.1…УКГ.М);
13 - блок коммутатора (БК);
Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные опорный генератор (ОГ) 1, делитель с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) 2, первый частотно-фазовый детектор (ЧФД1) 3 и первый фильтр нижних частот (ФНЧ1) 4, выход которого соединен с объединенными входами М управляемых кварцевых генераторов (УКГ.1…УКГ.М) 12.1-12.М с малым диапазоном перестройки по частоте, выходы которых соединены с соответствующими входами блока коммутатора (БК) 13; последовательно соединенные второй частотно-фазовый детектор (ЧФД2) 7, второй фильтр нижних частот (ФНЧ2) 8, генератор, управляемый напряжением (ГУН) 9 и буферный усилитель (БУ) 5, выход которого является выходом устройства. Выход БК 13 соединен с первым входом ЧФД2 7 и с сигнальным входом ДПКД1 6, выход которого соединен со вторым входом ЧФД1 3. Кроме того, выход ГУН 9 соединен с сигнальным входом второго делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД2) 10, выход которого соединен со вторым входом ЧФД2 7. Управляющие входы ДФКД 2, ДПКД1 6, ДПКД2 10 и БК 13 соединены посредством шины управления (ШУ) 11 с внешним управляющим устройством (ВУУ).
1
2
Заявляемое устройство работает следующим образом. В момент включения по ШУ 11 от ВУУ в блоки ДФКД 2, ДПКД1 6 и ДПКД2 10 поступают кодограммы записи коэффициентов деления соответственно R, N и N.
Работа первого каскада заявляемого СЧ заключается в следующем.
1
Частота For выходного сигнала ОГ 1 делится на коэффициент деления R в блоке ДФКД 2; далее сигнал с частотой For/R подается на первый вход ЧФД1 3, задавая при этом частоту сравнения блока ЧФД1 3. На второй вход блока ЧФД1 3 подается сигнал с блока ДПКД1 6, частота которого определяется поделенной на N в блоке ДПКД1 6 частотой выходного сигнала n-го блока УКГ 12.п (где n=1, …, М), выбранного посредством коммутации в БК 13.
При этом, частота выходного сигнала блока УКГ 12.n определяется выражением:
1
1
F=F+(n-1)·∆f
где F - нижняя частота диапазона рабочих частот первого каскада устройства;
1
Δf - шаг сетки частот первого каскада устройства.
1
1
1
1
1
Далее в ЧФД1 3 происходит сравнение частот For/R и F/N, по результату которого вырабатывается сигнал ошибки, который через ФНЧ1 4 поступает на управляющий вход УКГ 12.n, подстраивая частоту его сигнала F до тех пор, пока не выполнится условие For/R=F/N. После выполнения данного условия выходной сигнал с блока ЧФД1 3 перестает меняться, и напряжение управления на управляющем входе блока УКГ 12.n остается постоянным, фиксируя частоту выходного сигнала блока УКГ 12.n.
1
2
1
2
1
2
Далее сигнал с частотой F с выхода БК 13 подается на первый вход ЧФД2 7, на второй вход которого поступает сигнал от ГУН 9, частота которого делится на коэффициент N в блоке ДПКД2 10. Аналогично с первым каскадом, происходит сравнение частот F и Fвых/N, и вырабатывается сигнал ошибки, который через ФНЧ2 8 поступает на управляющий вход ГУН 9, изменяя частоту его выходного сигнала до тех пор, пока не выполнится условие F=Fвых/N.
После выполнения этого условия частота выходного сигнала ГУН 9 будет равна:
ВЫХ
1
2
F=F·N.
С выхода ГУН 9 высокочастотный сигнал поступает на вход БУ 5, где он усиливается, а затем подается на выход устройства.
1
1
Приняв во внимание, что F=F+(n-1)·Δf, выходная частота определяется выражением:
ВЫХ
1
2
ВЫХ
2
1
2
F=[F+(n-1)-·Δf]·N или F=F·N+(n-1)·Δf·N.
Из последнего выражения видно, что изменять выходную частоту можно не меняя коэффициент N2, а изменяя значение n.
0
1
Итак, если требуемый шаг перестройки по частоте устройства обозначен Δf, то выбрав Δf таким, что , можно реализовать сколь угодно малый шаг перестройки по частоте, изменяя n, - то есть выбирая соответствующий кварцевый генератор 12.n посредством коммутации в БК13 по сигналу управления от ВУУ.
При этом уровень фазовых шумов выходного сигнала первого каскада заявляемого устройства будет существенно ниже, по сравнению с устройством-прототипом, ввиду использования высокодобротных кварцевых генераторов с малой перестройкой по частоте. Следовательно, уровень фазовых шумов выходного сигнала всего устройства будет ниже, чем у устройства прототипа.
Таким образом, можно реализовать синтезатор частот СВЧ диапазона с уменьшенным уровнем фазовых шумов в выходном сигнале с малым шагом сетки частот и с узким диапазоном рабочих частот.
Реализация блоков заявляемого устройства не вызывает затруднений, так как они широко описаны в технической литературе.
Источники информации:
1. Манассевич В. Синтезаторы частот. Теория и проектирование. Перевод с английского В.А.Повзнера, под ред. А.С.Галина. - М.: Связь, 1979 г.
2. Синтезаторы частот с системой импульсно-фазовой автоподстройки // Левин В.А., Малиновский В.Н., Романов С.К. - М.: Радио и связь, 1989 г.
3. Лисон Д.Б. Простая модель спектра шума генератора с обратной связью / Д.Б.Лисон // ТНИИЭР. 1966. - Т. 54. - №1. - С.251-253.
4. Per Birger Mikael Hammer. Nested Loop Radio Frequency Synthesizers. A dissertation submitted in partial fulfilment of the requirements of the degree of Doktor Ingenior // Department of Telecommunications Norwegian University of Science and Technology 2002.