ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к области радиотехники, а именно, к высокочастотным кварцевым генераторам и может быть использована в качестве устройства для формирования опорных сигналов гетеродинов когерентных радиолокационных станций сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен высокочастотный кварцевый генератор, содержащий усилитель с обратной связью, состоящей из кварцевого резонатора с SC-срезом и цепи согласования входного сопротивления усилителя с эквивалентным сопротивлением кварцевого резонатора (патент США №4843349).
Известен кварцевый генератор с низким уровнем фазовых шумов, работающий на пятой механической гармонике резонатора с SC-срезом (McClelland Т. et al. “100 MHz crystal oscillator with extremely low phase noise”. Proc. of 1999 Joint Meeting EFTF-IEEE International Frequency Control Symposium, pp.331-334).
Известен высокочастотный кварцевый генератор, выполненный с умножением на три частоты пятой механической гармоники кварцевого резонатора (патент США №5223801).
Известен высокочастотный каскодный кварцевый генератор с повышенным отрицательным сопротивлением цепи обратной связи (Takehiko A. et al. “A High Frequency Cascode Oscillator with Negative Resistance Enhancement Circuit and Its Analysis”. Division of Electrical and Computer Engineering. Yokohama National University. Proc. of 2005 IEEE International Frequency Control Symposium, pp.522-525).
Известен высокочастотный кварцевый генератор, содержащий два каскада на транзисторах, один из которых выполнен с общей базой, а другой - с общим коллектором, с кварцевым резонатором, включенным между эмиттерами транзисторов (патент на изобретение РФ №2319285).
Известна модификация высокочастотного кварцевого генератора по схеме Батлера на кварцевом резонаторе 100 МГц SC-среза с низким уровнем фазовых шумов и двумя буферными каскадами (Sakamoto К. et al. “Development of ultra low noise VHF OCXO with excellent temperature stability”. Proc. of 2008 IEEE International Frequency Control Symposium, pp.565-568).
Общим недостатком вышеупомянутых кварцевых генераторов является их недостаточная высокочастотность. Следствием недостаточно высокой частоты сигнала задающего генератора являются неудовлетворительная чистота спектра сигнала гетеродина вследствие прохождения часто расположенных спектральных составляющих опорного колебания задающего генератора сквозь фильтры тракта гетеродина. Еще одним следствием недостаточно высокой частоты задающего генератора является чрезмерно высокая кратность умножения частоты опорного колебания автогенератора, поднимающая уровень спектральной плотности мощности его фазовых шумов G(f) на величину 20lg(N), где N - коэффициент умножения частоты опорного колебания, f - частота отстройки от номинальной частоты сигнала F.
Одна из задач настоящей полезной модели состоит в получении опорного колебания оптимального с точки зрения дальнейшего преобразования в трактах когерентного гетеродина таким образом, чтобы на выходе гетеродина сантиметрового или миллиметрового диапазона волн был сформирован спектрально-чистый сигнал, обладающий низкой и определенным образом распределенной по оси частот спектральной плотностью мощности фазовых шумов в заданном диапазоне отстроек анализируемой частоты от частоты сигнала, либо низкой и определенным образом распределенной по оси времени кратковременной нестабильностью частоты в заданном диапазоне временных интервалов (интервалов когерентности сигналов гетеродина).
Известен высокочастотный кварцевый генератор, который, как показано на фиг.1, содержит кварцевый резонатор 5, один из выводов которого подключен к эмиттеру первого транзистора 3, подключенному к последовательному соединению резисторов, первого 2 и второго 4, точка соединения которых подключена к общей шине через первый конденсатор 1. База первого транзистора 3 подключена к общей шине. Коллектор первого транзистора 3 подключен к общей шине через параллельное соединение первой катушки индуктивности 6 с последовательным соединением конденсаторов, третьего 8 и четвертого 9, к общей точке которых подключен другой вывод кварцевого резонатора 5, первый затвор второго транзистора 15 и третий резистор 10, другой вывод которого подключен к общей шине. Второй затвор второго транзистора 15 подключен к общей точке последовательного соединения резисторов, четвертого 13, другим выводом подключенного к шине питания положительной полярности, и пятого 14, другим выводом подключенного к общей шине, параллельно которому включен пятый конденсатор 12. Исток второго транзистора 15 подключен к общей шине через шестой резистор 18, параллельно которому включен шестой конденсатор 16, а в цепи его стока включено параллельное соединение второй катушки индуктивности 17 и последовательного соединения двух конденсаторов, седьмого 19 и восьмого 20, общая точка которых подключена к базе третьего транзистора 23 и через седьмой резистор 21 соединена с общей шиной. В цепь коллектора третьего транзистора 23 включено параллельное соединение третьей катушки индуктивности 24 и последовательно соединенных конденсаторов, девятого 25 и десятого 26, точка соединения которых является выходным выводом генератора, а в цепь эмиттера включено восьмое сопротивление 22, подключенное к шине питания положительной полярности. Шина питания положительной полярности подключена к входу стабилизатора напряжения 11. Между шиной питания положительной полярности и общей шиной включен одиннадцатый конденсатор 27, между выходом стабилизатора напряжения 11 и общей шиной включен второй конденсатор 7. Также к выходу стабилизатора напряжения 11 подключен другой вывод второго резистора 4 (Silaev E., Bogomolov D. “Low Noise Ovenized Quartz Oscillator”. Proc. of 1998 IEEE International Frequency Control Symposium, pp.349-352, принятый за прототип).
oc
св
oc
св
Недостаток прототипа, препятствующий достижению нижеупомянутого технического результата состоит в том, что в нем невозможно одновременно установить оптимальное значение коэффициента обратной связи автогенератора k и оптимальное значение коэффициента связи автогенератора с буферным усилителем k, так как в прототипе коэффициенты k и k определяются соотношением емкостей конденсаторов, второго 8 и третьего 9, то есть равны друг другу, следовательно, оптимизировать можно только один из коэффициентов.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Первая задача полезной модели состоит в том, чтобы повысить частоту выходного сигнала предлагаемого кварцевого генератора по сравнению с прототипом. Вторая задача полезной модели состоит в том, чтобы уменьшить спектральную плотность мощности фазовых шумов автогенератора на входе буферного усилителя по сравнению с прототипом. Третья задача полезной модели состоит в том, чтобы при сохранении приведенной добротности автогенератора повысить мощность сигнала на выходе автогенератора по сравнению с прототипом.
Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении частоты выходного сигнала устройства при относительном снижении спектральной плотности мощности фазовых шумов на выходе устройства.
Данный технический результат достигается за счет повышения предельно достижимой частоты осцилляторных колебаний кварцевого автогенератора на первом транзисторе, за счет независимого выбора оптимального коэффициента обратной связи автогенератора и оптимального коэффициента связи автогенератора с буферным усилителем, а также за счет умножения частоты на третьем транзисторе и фильтрации субгармоник опорного колебания.
Вышеуказанные технические задачи решены благодаря тому, что заявленный высокочастотный кварцевый генератор, так же как и прототип, содержит кварцевый резонатор, один из выводов которого подключен к эмиттеру первого транзистора, подключенному к последовательному соединению четвертого и пятого резисторов, точка соединения которых подключена к общей шине через первый конденсатор, коллектор первого транзистора подключен к общей шине через первую катушку индуктивности; третий транзистор, база которого подключена к общей шине через одиннадцатый резистор, а также к общей точке последовательного соединения конденсаторов, двенадцатого и четырнадцатого, коллектор третьего транзистора подключен к общей шине через параллельное соединение шестой катушки индуктивности с последовательным соединением восемнадцатого и двадцатого конденсаторов, отличающийся тем, что в нем параллельно первой катушке индуктивности включены последовательное соединение шестого, седьмого и восьмого конденсаторов, а также подстроечный четвертый конденсатор, другой вывод кварцевого резонатора подключен к общей точке последовательного соединения седьмого и восьмого конденсаторов, база первого транзистора подключена через третий конденсатор к общей шине, а через третий резистор - к общей точке последовательного соединения резисторов первого, другим выводом подключенного к точке соединения четвертого и пятого резисторов, и второго, другим выводом подключенного к общей шине, параллельно второму резистору включен второй конденсатор; база второго транзистора подключена через девятый конденсатор к общей точке последовательного соединения шестого и седьмого конденсаторов, которая через шестой резистор подключена к общей шине, база второго транзистора подключена через девятый резистор к общей точке последовательного соединения резисторов, седьмого, другим выводом подключенного к шине питания отрицательной полярности и восьмого, другим выводом подключенного к общей шине, параллельно восьмому резистору включен десятый конденсатор, эмиттер второго транзистора подключен к общей шине через десятый резистор, параллельно которому включен одиннадцатый конденсатор, коллектор второго транзистора подключен к шине питания отрицательной полярности через параллельное соединение третьей катушки индуктивности с последовательным соединением конденсаторов, двенадцатого и четырнадцатого, параллельно двенадцатому конденсатору включен подстроечный тринадцатый конденсатор, а параллельно четырнадцатому конденсатору - подстроечный пятнадцатый конденсатор; эмиттер третьего транзистора подключен к шине питания отрицательной полярности, коллектор третьего транзистора подключен к общей шине последовательным соединением подстроечного шестнадцатого конденсатора и четвертой катушки индуктивности, а также последовательным соединением подстроечного семнадцатого конденсатора и пятой катушки индуктивности, параллельно восемнадцатому конденсатору включен подстроечный девятнадцатый конденсатор, а параллельно двадцатому конденсатору - подстроечный двадцать первый конденсатор, общая точка которых подключена к выходному выводу кварцевого генератора через последовательное соединение седьмой катушки индуктивности и двадцать второго конденсатора, параллельно которому включен подстроечный двадцать третий конденсатор; входной вывод стабилизатора напряжения отрицательной полярности подключен к шине питания отрицательной полярности, корпусной вывод стабилизатора напряжения отрицательной полярности подключен к общей шине, а выходной вывод - к точке соединения пятого резистора и пятого конденсатора, другой вывод которого подключен к общей шине; двадцать четвертый конденсатор включен между шиной питания отрицательной полярности и общей шиной.
В частном варианте воплощения параллельно кварцевому резонатору включена вторая катушка индуктивности.
Формулу приведенной добротности заявленного кварцевого автогенератора можно представить в виде
пр
к
2
Σ
10пр
Σ
Q=Q/(1+R/R+R/R),
к
2
где Q - добротность кварцевого резонатора на k-ой механической гармонике, R - сопротивление четвертого резистора,
Σ
к
2
10пр
R=R+R+R,
к
где R - эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора на k-ой механической гармонике,
10пр
10
37
10
37
36
2
2
2
2
R=R/(ω(С)(R)+[1+С/С]),
где ω - циклическая частота k-ой механической гармоники кварцевого резонатора,
36
37
С - емкость седьмого конденсатора, С - емкость восьмого конденсатора.
При этом коэффициент обратной связи автогенератора приблизительно равен:
oс
35
36
37
35
36
k=СС/(С[С+С]),
35
36
где С - емкость шестого конденсатора, С - емкость седьмого конденсатора,
37
С - емкость восьмого конденсатора.
Коэффициент связи кварцевого автогенератора с буферным усилителем приблизительно равен
cв
35
36
37
36
37
k=С(С+С)/СС,
35
36
где С - емкость шестого конденсатора, С - емкость седьмого конденсатора,
37
С - емкость восьмого конденсатора.
oc
св
oс
св
Таким образом k и k в заявленном устройстве могут быть выбраны оптимальными: k из условий, следующих из решения комплексного уравнения стационарного режима автогенератора с кварцем в цепи обратной связи, а k - из условия согласования выходного сопротивления автогенератора с входным сопротивлением буферного усилителя. Это позволяет снизить спектральную плотность мощности фазовых шумов предлагаемого устройства по отношению к спектральной плотности мощности фазовых шумов прототипа.
Для лучшего понимания идей полезной модели ниже приводятся иллюстрирующие чертежи, показывающие прототип и один из частных вариантов воплощения устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 изображена электрическая принципиальная схема устройства согласно прототипу.
На фиг.2 изображена электрическая принципиальная схема одного из конкретных вариантов воплощения устройства согласно полезной модели для случая кварцевого автогенератора на n-p-n биполярном транзисторе.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В одном из частных вариантов воплощения, как показано на фиг.2, устройство содержит двадцать четыре конденсатора (с первого по двадцать четвертый), обозначенных позициями 28, 1, 32, 34, 7, 35, 36, 37, 49, 12, 16, 19, 38, 20, 39, 40, 42, 25, 44, 26, 45, 47, 48 и 27, одиннадцать резисторов (с первого по одиннадцатый), обозначенных позициями 29, 30, 31, 2, 4, 10, 13, 14, 50, 18 и 21, семь катушек индуктивности (с первой по седьмую), обозначенных позициями 6, 33, 17, 41, 43, 24 и 46, кварцевый резонатор 5, три транзистора (с первого по третий), обозначенных позициями 3, 51 и 23 и стабилизатор напряжения отрицательной полярности 11. Один из выводов кварцевого резонатора 5 подключен к эмиттеру первого транзистора 3. Эмиттер первого транзистора 3 подключен к выходу стабилизатора напряжения отрицательной полярности 11 через последовательное соединение резисторов, четвертого 2 и пятого 4. В цепь коллектора первого транзистора 3 включена первая катушка индуктивности 6. База второго транзистора 51 подключена через девятый резистор 50 к общей точке последовательного соединения седьмого резистора 13, другим выводом подключенного к отрицательной шиной питания, с восьмым резистором 14, другим выводом подключенного к общей шине. Параллельно восьмому резистору 14 включен десятый конденсатор 12. Эмиттер второго транзистора 51 подключен к общей шине через десятый резистор 18, параллельно которому включен одиннадцатый конденсатор 16. Коллектор второго транзистора подключен к шине питания отрицательной полярности через параллельное соединение третьей катушки индуктивности 17 с последовательным соединением конденсаторов, двенадцатого 19 и четырнадцатого 20, общая точка которых подключена к базе третьего транзистора 23 и через одиннадцатый резистор 21 - к общей шине. Эмиттер третьего транзистора 23 соединен с шиной питания отрицательной полярности. Между шиной питания отрицательной полярности и общей шиной включен двадцать четвертый конденсатор 27, между точкой соединения резисторов, четвертого 2 и пятого 4, и общей шиной включен первый конденсатор 28. Шина питания отрицательной полярности подключена ко входу стабилизатора напряжения отрицательной полярности 11, выход которого подключен к пятому конденсатору 7, другой вывод которого подключен к общей шине.
Особенность устройства состоит в том, что база первого транзистора 3 подключена к общей шине через параллельное соединение третьего конденсатора 32 и последовательно соединенных резисторов, третьего 31 и второго 30, к общей точке которых подключен первый резистор 29, другой вывод которого подключен к общей точке первого конденсатора 28 и пятого резистора 4, и второй конденсатор 1, соединенный с общей шиной. Параллельно кварцевому резонатору 5 включена вторая катушка индуктивности 33. Параллельно первой катушке индуктивности 6 включено последовательное соединение трех конденсаторов, шестого 35, седьмого 36 и восьмого 37, параллельно которым включен подстроечный четвертый конденсатор 34. Другой вывод кварцевого резонатора 5 подключен к общей точке седьмого 36 и восьмого 37 конденсаторов. База второго транзистора 51 подключена через девятый конденсатор 49 к общей точке шестого 35 и седьмого 36 конденсаторов, которая через шестой резистор 10 подключена к общей шине. Параллельно двенадцатому конденсатору 19 включен подстроечный тринадцатый конденсатор 38, а параллельно четырнадцатому конденсатору 20 подключен подстроечный пятнадцатый конденсатор 39. Коллектор третьего транзистора 23 соединен с общей шиной параллельным соединением шестой катушки индуктивности 24 с последовательным соединением подстроечного шестнадцатого конденсатора 40 и четвертой катушки индуктивности 41, с последовательным соединением подстроечного семнадцатого конденсатора 42 и пятой катушки индуктивности 43, с последовательным соединением восемнадцатого 25 и двадцатого 26 конденсаторов. Параллельно восемнадцатому 25 включен подстроечный девятнадцатый конденсатор 44, а параллельно двадцатому конденсатору 26 - двадцатый первый конденсатор 45. Выходной вывод генератора соединен с общей точкой восемнадцатого 25 и двадцатого 26 конденсаторов через последовательное соединение седьмой катушки индуктивности 46 и двадцать второго конденсатора 47, параллельно которому включен подстроечный двадцать третий конденсатор 48.
Принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства для автогенератора на n-p-n биполярном транзисторе, запитанного от источника питания отрицательной полярности, представлена на фиг.2. Она была реализована в нескольких вариантах на n-p-n транзисторах BFR181W или BFP420 (первый транзистор), p-n-p транзисторе BFT92 (второй транзистор) и n-p-n транзисторе BFR92A (третий транзистор).
Предлагаемое устройство работает следующим образом. После подачи отрицательного напряжения питания постоянного тока на шину питания стабилизатор напряжения 11 и пятый конденсатор 7 формируют стабильное отрицательное напряжение постоянного тока с низким уровнем пульсаций, которое через пятый резистор 4 и четвертый резистор 2 подается на эмиттер первого транзистора 3 и через схему «бесшумового» питания, состоящую из первого резистора 29, второго резистора 30 и третьего резистора 31, подается на базу первого транзистора 3. Таким образом, первый транзистор 3 (транзистор автогенератора) включен по схеме с общим коллектором по постоянному току и по схеме с общей базой - по переменному току. При этом в кварцевом автогенераторе, благодаря цепи обратной связи, образованной параллельным соединением кварцевого резонатора 5 и второй катушки индуктивности 33, предназначенной для компенсации паразитной емкости кварцевого резонатора 5, возникают условия для мягкого возбуждения осцилляторных колебаний в малой окрестности частоты последовательного резонанса кварцевого резонатора, возбуждаемого на одной из его нечетных механических гармоник (7-ой, 9-ой или 11-ой). Четвертый конденсатор 34, выполняющий функцию точной настройки, рассчитан таким образом, что максимальная вариация его емкости мала по сравнению с емкостью последовательного соединения конденсаторов: шестого 35, седьмого 36 и восьмого 37. Вследствие этого параллельный контур, служащий для селекции заданной механической гармоники кварца и состоящий из первой катушки индуктивности 6 и четвертого 34, шестого 35, седьмого 36 и восьмого 37 конденсаторов, имеет растянутый диапазон настройки, и кварцевый автогенератор может быть настроен на свою номинальную частоту с большей точностью.
Далее опорное колебание поступает на базу второго транзистора 51, который вместе с параллельным контуром, образованным третьей катушкой индуктивности 17 и последовательным соединением параллельного соединения двенадцатого конденсатора 19 и тринадцатого конденсатора 38 и параллельного соединения четырнадцатого конденсатора 20 и пятнадцатого конденсатора 39, составляют буферный каскад. Тринадцатый конденсатор 38 служит для точной настройки контура на частоту опорных колебаний, а пятнадцатый конденсатор 39 - для согласования выходного сопротивления буферного каскада с входным сопротивлением умножителя частоты (усилителя мощности). Главной функцией буферного каскада является уменьшение влияния умножителя частоты (либо усилителя мощности), а также последующего тракта гетеродина на стабильность частоты и спектральную плотность мощности амплитудных и фазовых шумов опорного колебания высокочастотного кварцевого автогенератора.
В предпочтительном варианте предлагаемого решения опорное колебание с выхода буферного каскада подается на умножитель частоты с кратностью умножения N=3, собранный на третьем транзисторе 23.
Следует отметить, что идея предложенного решения в части предварительного умножения частоты генерируемого колебания, частота которого уже лежит в диапазоне дециметровых длин волн, непосредственно в устройстве, заключается в возможности сформировать спектрально-чистое колебание с частотой более 1 ГГц, являющееся исходным для его последующего переноса в сантиметровый или миллиметровый диапазон. При этом удается обойти практически мало реальную задачу для известного уровня техники о фильтрации побочных спектральных составляющих сигнала гетеродина миллиметрового диапазона волн до уровня минус (60…70) дБ. Фильтрация же первой и второй субгармоник опорного колебания фильтром, представленным в предлагаемом решении до уровня минус (50…70) дБ задача реальная, обеспечивающая ослабление в последующих фильтрах тракта гетеродина побочных спектральных составляющих до уровня минус 60 дБ. Итак, после умножения частоты опорного колебания автогенератора, прошедшего буферный усилитель, с помощью умножителя частоты на третьем транзисторе 23 и фильтрации субгармоник и гармоник выходного сигнала кварцевого генератора с номерами n≠N, где N=3, n=1,2,4,5…в предпочтительном варианте предлагаемого решения (либо N=2, n=1,3,4…либо N=1, n=2,3,4…) фильтром, в состав которого входят конденсаторы: шестнадцатый 40, семнадцатый 42, восемнадцатый 25, девятнадцатый 44, двадцатый 26, двадцать первый 45, двадцать второй 47, двадцать третий 48 и катушки индуктивности: четвертая 41, пятая 43, шестая 24, седьмая 46, на выходе устройства формируется спектрально-чистое опорное колебание. При этом последовательный контур фильтра, состоящий из шестнадцатого конденсатора 40 и четвертой катушки индуктивности 41, настроен на частоту выбранной механической гармоники кварца (7-ой, 9-ой или 11-ой), то есть на частоту первой субгармоники (n=1) выходного сигнала. Последовательный контур фильтра, состоящий из семнадцатого конденсатора 42 и пятой катушки индуктивности 43, настроен на частоту второй субгармоники (n=2) выходного сигнала и отфильтровывает спектральную составляющую опорного колебания с удвоенной частотой выбранной механической гармоники кварца (7-ой, 9-ой или 11-ой). Оба эти последовательные контура, включенные в параллель с шестой катушкой индуктивности 24, образуют на частоте третьей (N=3) гармоники выбранной механической гармоники кварцевого резонатора индуктивность, величина которой несколько отличается от величины индуктивности шестой катушки индуктивности 24 в меньшую сторону, что позволяет реализовывать в схеме фильтра значения индуктивности, которые иначе, из-за паразитных индуктивностей проводников печатной платы, реализовать было бы сложнее. Таким образом, построение выходного фильтра в предложенном устройстве позволяет получить необходимую чистоту спектра сигнала после переноса его в миллиметровый либо сантиметровый диапазон длин волн как за счет более высокой выходной частоты генератора, так и за счет более глубокой фильтрации субгармоник и высших гармоник его выходного сигнала.
Изменения и модификации вышеописанного устройства, а также дополнительные применения принципов, заложенных в его основу, очевидные для специалистов в данной области техники, входят в объем полезной модели.