УПРАВЛЯЕМЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в синтезаторах частот с частотной модуляцией (ЧМ) и без введения ЧМ.
Известен управляемый автогенератор (см. патент на ПМ №86816 от 12 мая 2009 г.), построенный по схеме индуктивной трехточки на дифференциальном каскаде. Частота генерируемых колебаний определяется колебательным контуром, состоящим из последовательно включенных первой и второй индуктивно связанных катушек индуктивности и конденсатора.
Этот управляемый автогенератор может работать в двух режимах: как генератор, управляемый напряжением (ГУН), в составе синтезатора частот и как автогенератор с захватом по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения при отключении его от управляющего напряжения. Поэтому такое устройство уже называется не ГУН, а более широко-управляемый автогенератор.
Σ
Σ
Недостаток известного управляемого автогенератора состоит в следующем. Поскольку полная индуктивность последовательно соединенных первой и второй катушек индуктивности с учетом их взаимной индуктивности равна L=4L, то каждая катушка индуктивности должна иметь индуктивность L=L/4, т.е. в 4 раза меньше той, которая необходима для заданной рабочей частоты. Это приводит к тому, что с ростом частоты число витков в каждой катушке индуктивности уменьшается значительно быстрее, чем в ГУН с одной катушкой индуктивности. Следовательно, если с ростом частоты в ГУН с одной катушкой индуктивности число витков уменьшается до одного и менее (т.е. катушка индуктивности «вырождается» в отрезок проводника), то в схеме устройства-прототипа это происходит гораздо раньше уже на более низкой частоте.
«Вырождение» катушки индуктивности на высоких частотах в отрезок проводника ведет к резкому ухудшению добротности резонансного контура и повышению интенсивности шумов.
Таким образом, недостаток этого устройства состоит в невозможности работать на сравнительно высоких частотах при малых уровнях собственных шумов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является управляемый автогенератор (см. патент №92583 от 03 ноября 2009 г.), который принят за прототип.
Принципиальная электрическая схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:
1, 2, 8 - первый, второй и третий транзисторы;
3 - токозадающий элемент;
12, 13, 20, 22, 24 и 25 - третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой конденсаторы;
9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19 - первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы;
21 - четвертьволновый отрезок длинной линии;
23 - варикап.
Устройство-прототип содержит первый 1, второй 2 и третий 8 транзисторы, эмиттеры которых объединены и через токозадающий элемент 3 подключены к общей шине; первый резистор 9, включенный между коллектором третьего транзистора 8 и шиной питания, второй резистор 10, включенный между шиной питания и базой третьего транзистора 8, третий резистор 11 включенный между базой третьего транзистора 8 и общей шиной, третий конденсатор 12, включенный между коллектором третьего транзистора 8 и выходом устройства, четвертый конденсатор 13, включенный между базой третьего транзистора 8 и высокочастотным (ВЧ) входом устройства; последовательно соединенные пятый конденсатор 20, четвертьволновый отрезок длинной линии 21, шестой конденсатор 22 и катод варикапа 23, анод которого подключен к общей шине; последовательно соединенные седьмой 24 и восьмой 25 конденсаторы, причем другой вывод восьмого конденсатора 25 соединен с общей шиной, другой вывод седьмого конденсатора 24 подключен к базе первого транзистора 1, а точка соединения седьмого 24 и восьмого 25 конденсаторов подключена к точке соединения пятого конденсатора 20 и четвертьволнового отрезка длинной линии 21; четвертый резистор 14 включен между шиной питания и базой первого транзистора 1, пятый резистор 15 включен между базой первого транзистора 1 и общей шиной, шестой резистор 16 включен между коллектором первого транзистора 1 и шиной питания, седьмой резистор 17 включен между шиной питания и коллектором второго транзистора 2, восьмой резистор 18 включен между шиной питания и базой второго транзистора 2, девятый резистор 19 включен между базой второго транзистора 2 и общей шиной, коллектор второго транзистора 2 соединен также с другим выводом пятого конденсатора 20, а катод варикапа 23 соединен также с входом управляющего напряжения.
Устройство-прототип работает следующим образом.
Этот управляемый автогенератор может также работать в двух режимах: как генератор, управляемый напряжением (ГУН), в составе синтезатора частот при отключении от источника ВЧ и как автогенератор с захватом по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения при отключении его от управляющего напряжения.
упp
В режиме ГУН управляющее напряжение U поступает на катод варикапа 23 колебательного LC-контура на основе последовательно соединенных четвертьволнового отрезка длинной линии 21, шестого конденсатора 22 и варикапа 23, которые вместе образуют высокодобротную индуктивность L, а параллельно этой индуктивности L включен восьмой конденсатор 25. Четвертьволновый отрезок длинной линии 21 используется в качестве трансформатора комплексных сопротивлений, преобразующего нагружающую линию емкостную реактивность в виде последовательно соединенных шестого конденсатора 22 и варикапа 23 в индуктивную без значительных потерь. Это позволяет реализовать высокодобротную индуктивность L в виде четвертьволнового отрезка длинной линии, нагруженного на высокодобротный конденсатор. Вместе с конденсатором С 25 образованный таким образом резонансный LC-контур связан с базой первого транзистора 1 автогенератора через седьмой конденсатор 24. Пятый конденсатор 20, включенный между коллекторной нагрузкой (резистор 17) второго транзистора 2 и точкой соединения четвертьволнового отрезка длинной линии 21 с конденсаторами 24 и 25, обеспечивает положительную обратную связь автогенератора, построенного по дифференциальной схеме на транзисторах 1 и 2.
упp
При изменении U изменяется емкость С варикапа 23. Это изменение емкости С варикапа 23 трансформируется четвертьволновым отрезком длинной линии 21 в соответствующее изменение индуктивности L, т.е. в полученном таким образом LC-контуре изменение частоты осуществляется путем изменения индуктивности L.
Делитель напряжения на резисторах 14 и 15 создает необходимое напряжение смещения в цепи базы первого транзистора 1, коллекторной нагрузкой которого является резистор 16. Делитель напряжения на резисторах 18 и 19 создает определенное напряжение смещения в цепи базы второго транзистора 2.
В режиме ГУН источник ВЧ возбуждения отключен и на базу третьего транзистора 8 через разделительный конденсатор 13 не поступает внешний сигнал, но ВЧ составляющие эмиттерного тока, формируемые в общем токозадающем элементе 3, проходят и в коллекторном токе третьего транзистора 8, что приводит к тому, что третий транзистор 8 работает как буферный усилитель, с коллекторной нагрузки которого (резистор 9) через разделительный конденсатор 12 поступают на выход генерируемые колебания. Делитель напряжения на резисторах 10 и 11 создает определенное напряжение смещения в цепи базы третьего транзистора 8.
упp
В режиме работы управляемого автогенератора в качестве автогенератора с захватом по частоте от внешнего источника ВЧ возбуждения управляющее напряжение U остается неизменным (запоминается), а на вход ВЧ поступают внешние колебания, которые затем через разделительный конденсатор 13 приходят на базу третьего транзистора 8. В результате в управляемом автогенераторе происходит захват по частоте от внешнего источника и на выход его через разделительный конденсатор 12 поступает ВЧ сигнал, синхронный с внешними колебаниями.
При этом каскад на третьем транзисторе 8 позволяет вводить ВЧ сигнал от внешнего источника для осуществления захвата управляемого автогенератора по частоте и одновременно выполняет функцию буферного каскада с хорошей развязкой управляемого автогенератора от воздействия нагрузки на его стабильность.
Недостаток устройства-прототипа состоит в следующем.
В настоящее время в различной радиоаппаратуре требуется получение стабильного ВЧ сигнала с равномерной частотной модуляцией (ЧМ) в широком диапазоне модулирующих и несущих частот, например, в системах связи с псевдослучайной последовательностью (ПСП) импульсов.
В известном управляемом автогенераторе при введении ВЧ сигнала от внешнего источника невозможно получить на выходе частотно-модулированный сигнал в широкой полосе модулирующих частот с минимальными искажениями, т.е. получить равномерную амплитудно-частотную модуляционную характеристику (АЧМХ) в диапазоне модулирующих частот, например, от 0,1 Гц или 0,01 Гц и менее до нескольких десятков кГц. Это объясняется тем, что источник ВЧ сигнала представляет собой обычно быстродействующий синтезатор частот (СЧ) на основе кольца импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ). Если вводить ЧМ в этот СЧ и затем уже ВЧ сигнал с ЧМ подавать на ВЧ вход управляемого автогенератора, то получить на его выходе частотно-модулированный ВЧ сигнал с равномерной АЧМХ и стабильной девиацией практически невозможно. В кольце ИФАПЧ введение ЧМ в широком диапазоне частот воспринимается как внешние или внутренние помехи, которые кольцо компенсирует (подавляет). В результате диапазон ЧМ резко сужается, и появляются значительные искажения.
В то же время управляемый автогенератор не охвачен кольцом ИФАПЧ. Поэтому в управляемом автогенераторе можно было бы получить почти идеальную АЧМХ в широком диапазоне модулирующих и несущих частот.
Для устранения указанного недостатка в управляемый автогенератор с частотной модуляцией, содержащий первый, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых объединены и через токозадающий элемент подключены к общей шине; первый, второй и третий резисторы; третий и четвертый конденсаторы, причем первый резистор включен между коллектором третьего транзистора и шиной питания, второй резистор включен между базой третьего транзистора и шиной питания, третий резистор включен между базой третьего транзистора и общей шиной, третий конденсатор соединяет коллектор третьего транзистора и выход устройства, четвертый конденсатор соединяет базу третьего транзистора и высокочастотный вход устройства; а также четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы; последовательно соединенные пятый конденсатор, четвертьволновый отрезок длинной линии, шестой конденсатор и катод варикапа; последовательно соединенные седьмой и восьмой конденсаторы, причем другой вывод восьмого конденсатора соединен с общей шиной, другой вывод седьмого конденсатора подключен к базе первого транзистора, а точка соединения седьмого и восьмого конденсаторов подключена к точке соединения пятого конденсатора и четвертьволнового отрезка длинной линии; четвертый резистор включен между шиной питания и базой первого транзистора, пятый резистор включен между базой первого транзистора и общей шиной, шестой резистор включен между коллектором первого транзистора и шиной питания, седьмой резистор включен между шиной питания и коллектором второго транзистора, восьмой резистор включен между шиной питания и базой второго транзистора, девятый резистор включен между базой второго транзистора и общей шиной, коллектор второго транзистора соединен также с другим выводом пятого конденсатора, а катод варикапа соединен также с входом управляющего напряжения, введены последовательно соединенные десятый и одиннадцатый резисторы, а также девятый и десятый конденсаторы, причем точка соединения десятого и одиннадцатого резисторов и одного из выводов девятого конденсатора соединена с анодом варикапа, а точка соединения десятого конденсатора и десятого резистора соединена с входом модулирующего напряжения, при этом другие выводы девятого, десятого конденсаторов и одиннадцатого резистора соединены с общей шиной.
Принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения: 1, 2, 8 - первый, второй и третий транзисторы; 3 - токозадающий элемент;
12, 13, 20, 22, 24, 25, 26, 29 - третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый конденсаторы;
9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 27, 28 - первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый и одиннадцатый резисторы;
21 - четвертьволновый отрезок длинной линии;
23 - варикап;
упp
МОД
Предлагаемое устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 8 транзисторы, эмиттеры которых объединены и через токозадающий элемент 3 подключены к общей шине; первый резистор 9, включенный между коллектором третьего транзистора 8 и шиной питания, второй резистор 10, включенный между шиной питания и базой третьего транзистора 8, третий резистор 11 включенный между базой третьего транзистора 8 и общей шиной, третий конденсатор 12, включенный между коллектором третьего транзистора 8 и выходом устройства, четвертый конденсатор 13, включенный между базой третьего транзистора 8 и высокочастотным (ВЧ) входом устройства; последовательно соединенные пятый конденсатор 20, четвертьволновый отрезок длинной линии 21, шестой конденсатор 22 и катод варикапа 23; последовательно соединенные седьмой 24 и восьмой 25 конденсаторы, причем другой вывод восьмого конденсатора 25 соединен с общей шиной, другой вывод седьмого конденсатора 24 подключен к базе первого транзистора 1, а точка соединения седьмого 24 и восьмого 25 конденсаторов подключена к точке соединения пятого конденсатора 20 и четвертьволнового отрезка длинной линии 21; четвертый резистор 14 включен между шиной питания и базой первого транзистора 1, пятый резистор 15 включен между базой первого транзистора 1 и общей шиной, шестой резистор 16 включен между коллектором первого транзистора 1 и шиной питания, седьмой резистор 17 включен между шиной питания и коллектором второго транзистора 2, восьмой резистор 18 включен между шиной питания и базой второго транзистора 2, девятый резистор 19 включен между базой второго транзистора 2 и общей шиной, коллектор второго транзистора 2 соединен также с другим выводом пятого конденсатора 20, катод варикапа 23 соединен с входом управляющего напряжения U, а анод варикапа 23 соединен с девятым конденсатором 26, с десятым резистором 27 и одиннадцатым резистором 28. При этом другой вывод десятого резистора 27 соединен с модулирующим входом Uи десятым конденсатором 29, другой вывод которого соединен с общей шиной. Другой вывод одиннадцатого резистора 28 и другой вывод девятого конденсатора 26 соединены с общей шиной.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
упp
упp
Предлагаемый управляемый автогенератор может работать, как и прототип, в двух режимах: как генератор, управляемый напряжением (ГУН), в составе синтезатора частот с введением управляющего напряжения U на катод варикапа 23 при отключенном входе от источника ВЧ и как автогенератор с захватом по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения при отключении его от управляющего напряжения U.
упp
В режиме ГУН управляющее напряжение U поступает на катод варикапа 23 колебательного LC-контура на основе последовательно соединенных четвертьволнового отрезка длинной линии 21, шестого конденсатора 22 и варикапа 23, которые вместе образуют высокодобротную индуктивность L, а параллельно этой индуктивности L включен восьмой конденсатор 25. Четвертьволновый отрезок длинной линии 21 используется в качестве трансформатора комплексных сопротивлений, преобразующего нагружающую линию емкостную реактивность в виде последовательно соединенных шестого конденсатора 22 и варикапа 23 в индуктивную без значительных потерь. Это позволяет реализовать высокодобротную индуктивность L в виде четвертьволнового отрезка длинной линии, нагруженного на высокодобротный конденсатор. Вместе с конденсатором С 25 образованный таким образом резонансный LC-контур связан с базой первого транзистора 1 автогенератора через седьмой конденсатор 24. Пятый конденсатор 20, включенный между коллекторной нагрузкой (резистор 17) второго транзистора 2 и точкой соединения четвертьволнового отрезка длинной линии 21 с конденсаторами 24 и 25, обеспечивает положительную обратную связь автогенератора, построенного по дифференциальной схеме на транзисторах 1 и 2.
УПР
При изменении U изменяется емкость С варикапа 23. Это изменение емкости С варикапа 23 трансформируется четвертьволновым отрезком длинной линии 21 в соответствующее изменение индуктивности L, т.е. в полученном таким образом LC-контуре изменение частоты осуществляется путем изменения индуктивности L.
Делитель напряжения на резисторах 14 и 15 создает необходимое напряжение смещения в цепи базы первого транзистора 1, коллекторной нагрузкой которого является резистор 16. Делитель напряжения на резисторах 18 и 19 создает определенное напряжение смещения в цепи базы второго транзистора 2.
В режиме ГУН источник ВЧ возбуждения отключен и на базу третьего транзистора 8 через разделительный конденсатор 13 не поступает внешний сигнал, но ВЧ составляющие эмиттерного тока, формируемые в общем токозадающем элементе 3, проходят и в коллекторном токе третьего транзистора 8, что приводит к тому, что третий транзистор 8 работает как буферный усилитель, с коллекторной нагрузки которого (резистор 9) через разделительный конденсатор 12 поступают на выход генерируемые колебания. Делитель напряжения на резисторах 10 и 11 создает определенное напряжение смещения в цепи базы третьего транзистора 8.
упp
В режиме работы управляемого автогенератора в качестве автогенератора с захватом по частоте от внешнего источника ВЧ возбуждения управляющее напряжение U остается неизменным (запоминается), а на вход ВЧ поступают внешние колебания, которые затем через разделительный конденсатор 13 приходят на базу третьего транзистора 8. В результате в управляемом автогенераторе происходит захват по частоте от внешнего источника и на выход его через разделительный конденсатор 12 поступает ВЧ сигнал, синхронный с внешними колебаниями.
При этом каскад на третьем транзисторе 8 позволяет вводить ВЧ сигнал от внешнего источника для осуществления захвата управляемого автогенератора по частоте и одновременно выполняет функцию буферного каскада с хорошей развязкой управляемого автогенератора от воздействия нагрузки на его стабильность.
МОД
упp
МОД
В режиме захвата частоты от внешнего источника ВЧ для осуществления частотной модуляции выходного ВЧ сигнала модулирующее напряжение U подается через делитель на резисторах 27 и 28 на анод варикапа 23, а на катоде варикапа 23 сохраняется постоянное напряжение U. Изменение модулирующего напряжения U на аноде варикапа 23 приводит к соответствующему изменению емкости варикапа 23 и резонансной частоты контура с заданной девиацией. Конденсатор 26 необходим, чтобы закоротить на общую шину (на «землю») по высокой частоте анод варикапа 23. Конденсатор 29 необходим для фильтрации шумов и высокочастотных помех на модулирующем входе. Делитель на резисторах 27 и 28 выбирается таким, чтобы получить заданный уровень девиации ЧМ сигнала на выходе управляемого автогенератора.
Таким образом, введение ЧМ от модулирующего источника и захват частоты от внешнего ВЧ источника происходит независимо по двум разным входам, что позволяет получить на выходе управляемого автогенератора спектрально чистый сигнал в широком диапазоне радио частот и, при необходимости, одновременно равномерную частотную модуляцию в широком диапазоне модулирующих частот.
МОД
МОД
В результате в предлагаемом управляемом автогенераторе за счет введения новых элементов и в связи с другими элементами устройства можно получить спектрально чистый выходной сигнал с заданным шагом сетки частот, например, для работы его в качестве гетеродина приемника без подачи модулирующего напряжения U. Также можно при введении модулирующего напряжения U получить частотно-модулированный сигнал в широком диапазоне модулирующих частот и оптимальной девиацией частоты для работы его в качестве частотно-модулированного возбудителя передатчика.