ГЕНЕРАТОР НА ПАВ С ТЕРМОСТАТИРОВАНИЕМ И ФАЗОВОЙ АВТОПОДСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в составе формирователей опорных частот в качестве источника высокочастотных стабильных колебаний с низкой относительной спектральной плотностью мощности фазовых флуктуаций.
В описании использованы следующие сокращения:
ПАВ - поверхностные акустические волны.
ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты.
Известные схемы генераторов с линией задержки на ПАВ содержат, как правило, не менее двух транзисторов, обеспечивающих компенсацию потерь в линии задержки и согласующих элементах. Примерами подобной реализации генераторов являются патенты: US 4760352, US 4011526, US 6778028, US 5721515, RU 2052888.
Недостатком подобных схем является их сложность. Как правило, кроме ПАВ-фильтра в качестве линии задержки схема должна содержать согласующие четырехполюсники, широкополосные усилители, частотно-избирательные цепи, обеспечивающие модовую селекцию. Элементы согласования и селекции при этом выполняются либо на пассивных компонентах, либо с использованием избирательных усилителей.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является генератор на ПАВ-фильтре из патента RU 98301, выполненный по схеме емкостной трехточки, содержащий усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором, между общим проводом и эмиттером, а также между базой и эмиттером которого включены фазирующие конденсаторы, а к эмиттеру транзистора подключен буферный усилитель, причем входные клеммы ПАВ-фильтра включены между базой транзистора и общей шиной (проводом) источника, а выходные клеммы ПАВ-фильтра подключены между общей шиной (проводом) и первым выводом индуктивности, к которому подключен первый вывод конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине, ко второму выводу индуктивности подключен катод варикапа, анод которого подключен к общему проводу, при этом к катоду варикапа подключен резистор, второй вывод которого образует вход управления частотой генератора.
Недостатком наиболее близкого аналога является низкая температурная стабильность в широком интервале рабочих температур, а также малая долговременная стабильность ввиду отсутствия системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ).
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является устранение недостатков известных генераторов на ПАВ.
Техническим результатом является повышение температурной стабильности частоты выходного сигнала генератора на ПАВ при работе в широком интервале температур.
Применение системы ФАПЧ обеспечивает дополнительное расширение полосы перестройки генератора на ПАВ по частоте.
Сущность полезной модели заключается в том, что генератор на ПАВ содержит ПАВ-резонатор, малошумящий усилитель с аттенюатором, систему термостатирования, систему фазовой автоподстройки частоты; ПАВ-резонатор включен в петлю положительной обратной связи малошумящего усилителя; ПАВ-резонатор соединен с системой термостатирования; ПАВ-резонатор и малошумящий усилитель соединены с системой фазовой автоподстройки частоты; система фазовой автоподстройки частоты содержит интегральную микросхему фазовой автоподстройки частоты, петлевой фильтр и электронный фазовращатель.
В генераторах на ПАВ используется принцип рециркуляции, основанный на использовании ПАВ-резонатора в цепи обратной связи генератора, в которой обеспечивается усиление, достаточное для компенсации потерь в резонаторе.
Технический результат достигается применением совокупности систем термостатирования и фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Необходимость использования ФАПЧ состоит в том, что устраняется влияние дестабилизирующих факторов (температура, питание, влияние нагрузки) на отдельные элементы схемы, при этом номинал частоты и параметры спектра выходного сигнала определяются только свойствами источника внешнего синхросигнала.
Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой приведена структурная схема генератора на ПАВ с системами термостатирования и ФАПЧ.
На фигуре позициями 1-7 показано
1 - малошумящий усилитель;
2 - ПАВ-резонатор;
3 - система термостатирования;
4 - микросхема ФАПЧ;
5 - петлевой фильтр;
6 - усилитель напряжения;
7 - электронный фазовращатель.
Генератор на ПАВ состоит из активного элемента - малошумящего усилителя 1 в сочетании с аттенюатором (на фигуре не показан) и петли положительной обратной связи (далее - петля обратной связи), в которую включен элемент с высокой крутизной фазочастотной характеристики - ПАВ-резонатор 2. В качестве малошумящего усилителя 1 применен биполярный транзистор c низким значением коэффициента шума, включенный по схеме с общим эмиттером. Система термостатирования 3 разработана на основе биполярных транзисторов и датчика температуры, в роли которого также выступает биполярный транзистор. Система фазовой автоподстройки частоты состоит из интегральной микросхемы ФАПЧ 4, петлевого фильтра 5, усилителя напряжения 6 и электронного фазовращателя 7. При подаче внешнего синхросигнала микросхема ФАПЧ 4 формирует постоянное напряжение, пропорциональное разности фаз частоты генератора на ПАВ и частоты синхросигнала, которое поступает на электронный фазовращатель 7, осуществляя корректировку частоты генератора на ПАВ. Петлевой фильтр 5 ограничивает полосу захвата системы фазовой автоподстройки частоты для достижения оптимальных значений результирующей относительной спектральной плотности мощности фазовых флуктуаций. Для повышения стабильности работы системы фазовой автоподстройки частоты в широком интервале рабочих температур применяется усилитель напряжения 6 на биполярных транзисторах, который увеличивает размах управляющего напряжения в системе фазовой автоподстройки частоты, тем самым расширяя полосу перестройки генератора на ПАВ по частоте.
Генератор на ПАВ работает следующим образом.
В момент включения питания в генераторе на ПАВ выполняются условия самовозбуждения. Для выполнения первого условия самовозбуждения - баланса фаз - применяются элементы подстройки суммарного сдвига фазы в петле обратной связи генератора на ПАВ на рабочей частоте. Чтобы обратная связь была положительной на заданной частоте, суммарный сдвиг фазы в петле обратной связи должен составлять 0 или 360 градусов. Для выполнения второго условия самовозбуждения - баланса амплитуд - применяется малошумящий усилитель 1 в сочетании с аттенюатором. Малошумящий усилитель 1 позволяет поддерживать положительный суммарный коэффициент усиления в петле обратной связи с ПАВ резонатором 2. Аттенюатор предназначен для регулировки и уменьшения избыточного усиления в петле обратной связи генератора, что позволяет добиться наилучшего значения уровня фазового шума выходного сигнала генератора на ПАВ. С увеличением амплитуды генерируемых колебаний происходит ее ограничение, и наступает так называемый баланс энергий, соответствующий стационарному режиму генерации.
Для достижения требуемой стабильности частоты при работе генератора на ПАВ в широком интервале температур, а также для реализации системы фазовой автоподстройки частоты требуется термостатирование ПАВ-резонатора 2. Система термостатирования 3 реализована на основе биполярных транзисторов и датчика температуры, в роли которого также выступает биполярный транзистор. В основе работы датчика температуры на основе биполярного транзистора с выходным сигналом в виде напряжения, которое поступает на нагревательные элементы, лежит зависимость прямого падения напряжения на p-n переходе от температуры, которая имеет линейный характер. В качестве нагревательного элемента системы термостатирования используется тонкопленочный резистивный слой, напыленный на керамическое основание.
Описанное устройство генератора на ПАВ было реализовано на предприятии в качестве опытного образца. ПАВ резонатор разработан на частоту 500 МГц. В ходе испытаний опытного образца при изменении внешней температуры от -50°C до +65°C не наблюдалось скачков частоты генерируемого сигнала, нестабильность частоты в указанном диапазоне температур не превысила ± 3 кГц.