СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

Полезная модель относится к радиотехнике, в частности, к устройствам формирования колебаний сверхвысокой частоты (СВЧ) и может быть использовано в возбудителях передатчиков и гетеродинов приемников радиолокационных систем.
1
1
Известен синтезатор частот, содержащий перестраиваемый генератор (ПГ), первый и второй полосовые фильтры (ПФ), последовательно включенные эталонный генератор (ЭГ), первый делитель частоты (ДЧ), первый генератор гармоник (ГГ), первый селектор частоты (СЧ), первый смеситель (СМ); последовательно включенные второй ДЧ, второй ГГ, второй СЧ, второй СМ; последовательно включенные третий ДЧ, третий ГГ, третий СЧ, фазовый детектор (ФД), фильтр нижних частот (ФНЧ); при этом второй выход первого ДЧ соединен с входом второго ДЧ, второй выход которого соединен с входом третьего ДЧ; выход ФНЧ соединен с входом ПГ, выход которого соединен с вторым входом первого СМ, выход которого через первый ПФ соединен с вторым сходом второго СМ, выход которого через второй ПФ соединен с вторым входом ФД. (Уткин Г.М. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ. Москва, Сов. радио, 1979, стр.192.).
Недостатком известного синтезатора частот является невозможность его реализации в СВЧ-диапазоне без применения дополнительных умножителей частоты, что приведет к ухудшению шумовых характеристик сигнала.
2
2
Наиболее близким к полезной модели является синтезатор частот, содержащий эталонный генератор (ЭГ), последовательно включенные первый умножитель частоты (УЧ), второй УМ, первый генератор гармоник (ГГ), первый полосовой фильтр (ПФ), первый смеситель (СМ); последовательно включенные второй ГГ, второй ПФ, второй СМ; последовательно включенные блок частотно-фазовой автоподстройки (ФАП), первый генератор, управляемый напряжением (ГУН), фазовый детектор (ФД), усилитель постоянного тока (УПТ), второй ГУН; при этом первый выход ЭГ соединен с входом первого УЧ, выход которого соединен с входом второго ГГ; второй выход ЭГ соединен с первым входом блока ФАП, ко второму входу которого подключен второй выход первого ГУН; выход второго ГУН соединен с вторым входом первого СМ, выход которого через первый усилитель промежуточной частоты (УПЧ) соединен с вторым входом второго СМ, выход которого через второй УПЧ соединен с вторым входом ФД (Там же, стр.198.).
Причинами, препятствующими получению указанного ниже технического результата при использовании известного синтезатора частот, являются высокий уровень шумовых характеристик выходного сигнала, обусловленный действием умножителей частоты и генераторов гармоник, недостаточная чистота выходного сигнала и большая длительность перестройки.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Ее задачей является улучшение шумовых характеристик, уменьшение побочных гармонических составляющих в спектре выходного сигнала синтезатора частот и сокращение времени его перестройки.
Это достигается тем, что в известный синтезатор частот, содержащий эталонный генератор (ЭГ), второй выход которого соединен с последовательно включенными первым блоком частотно-фазовой автоподстройки (ФАП) и первым генератором, управляемым напряжением (ГУН), второй выход которого соединен с вторым входом первого ФАП; второй ГУН, согласно полезной модели введены второй блок ФАП, вход которого соединен с вторым выходом ЭГ, а выход - с входом второго ГУН, второй выход которого соединен с вторым входом второго блока ФАП, и n идентичных каналов формирования сетки частот, каждый из которых содержит последовательно включенные канальный блок ФАП, канальный ГУН, канальный коммутатор сигналов (КСК), канальный смеситель (КСМ) и канальный широкополосный фильтр (КПФ), причем второй выход канального ГУН соединен с вторым входом канального блока ФАП; выход КПФ каждого канала соединен с вторым входом КСМ последующего канала, а выход последнего КПФ является выходом устройства; при этом первый выход ЭГ соединен с входом канальных блоков ФАП, выход первого ГУН соединен с вторым входом КСМ первого канала, а выход второго ГУН соединен с вторым входом КСК каждого канала, третий вход которых связан с генератором весовых функций.
Причинно-следственные связи между признаками полезной модели и техническим результатом заключаются в следующем. В синтезаторе минимальную используемую частоту имеет эталонный генератор, остальные генераторы имеют частоту больше ширины полосы пропускания канальных ПФ. Поэтому в спектре выходного сигнала во всем заданном диапазоне побочных составляющих частот не наблюдается. Вне диапазона побочные составляющие хорошо подавляются канальными ПФ. В устройстве все генераторы охвачены петлями ФАП от единого эталонного генератора. Поэтому можно считать сигналы всех генераторов когерентными по частоте и по медленно изменяющейся фазе. При этом плавающие по времени частоты в спектре выходного сигнала отсутствуют, что обеспечивает чистоту спектра. Отсутствие в схеме перестраиваемых по диапазону генераторов уменьшает по сравнению с прототипом время перестройки в 10 раз.
На чертеже изображена функциональная схема синтезатора частот СВЧ-диапазона.
1
1
1
2
2
2
n
1
1
2
Синтезатор частот СВЧ-диапазона содержит эталонный генератор (ЭГ) 1, второй выход которого соединен с последовательно включенными первым блоком частотно-фазовой автоподстройки (ФАП) 2 и первым генератором, управляемым напряжением (ГУН) 3, второй выход которого соединен с вторым входом первого блока ФАП 2, a также с последовательно включенными вторым блоком ФАП 2 и вторым ГУН 3, второй выход которого соединен с вторым входом второго блока ФАП 2. Первый выход ЭГ 1 подключен к входам n идентичных каналов формирования сетки частот, каждый из которых содержит последовательно включенные канальный блок ФАП 4, канальный ГУН 5, канальный коммутатор сигналов (КСК) 6, канальный смеситель (КСМ) 7 и канальный широкополосный фильтр (КПФ) 8. Второй выход канального ГУН 5 соединен с вторым входом канального блока ФАП 4, вход которого является входом канала и соединен с выходом ЭГ 1. Выход КПФ 7 каждого канала соединен с вторым входом КСМ 8 последующего канала, а выход последнего КПФ 8 является выходом устройства. Выход первого ГУН 3 соединен с вторым входом КСМ 7 первого канала, а выход второго ГУН 3 соединен с вторым входом КСК 6 каждого канала. Третий вход КСК 6 каждого канала связан с генератором весовых функций (на схеме не показан).
3
3
4
4
5
5
Описанное устройство может быть выполнено по известным правилам на типовой элементной базе. В частности, в качестве ЭГ может быть использован кварцевый генератор типа ГК-89ТС (Каталог ОАО «Морион», СПб, 2001, стр.7). В качестве ГУН 3, 5 использованы генераторы, выполненные на резонаторах с поверхностными акустическими волнами (ПАВ-генераторы), например, типа ГК141-С-ПВ (ЖКГД.468753.006); в качестве блоков ФАП использованы микросхемы РЕ3236 (PEREGRINE SEMICONDUCTOR CORP. / http://www.peregrin-semi.com.), а в качестве канальных коммутаторов - микросхемы HMC239S8 (Hittite Microwave Corporation. / www.hittite.com.).
1
2
kn
вых
1
1
Описанный синтезатор частот СВЧ-диапазона работает следующим образом. Напряжение с частотой 5-10 МГц с выхода ЭГ 1 подается на первый 31, второй 32 и канальные ГУН 5, которые привязаны к частоте ЭГ 1 системой ФАП и генерируют напряжения более высокой частоты, соответственно f, f, ..., f. Чтобы не ухудшались шумовые свойства ПАВ-генераторов 3, 5 полоса среза фазовой характеристики петли ФАП выбирается не более 100 Гц. Выходная частота синтезатора f смещается в заданный диапазон сетки частот изменением частоты f первого ГУН 3.
вых
Выходная частота синтезатора f определяется следующим выражением:
1
где f - частота первого ГУН 31;
2
2
f - частота второго ГУН 3;
n - количество каналов формирования сетки частот;
2
k1
Δf=f-f - шаг сетки частот;
Δf·k - ширина диапазона синтезатора;
k - код (номер) выбранной частоты синтезатора, который определяется выражением:
где а - весовой коэффициент двоичного числа k по разрядам «0» или «1».
2
вых
Таким образом, выходная частота синтезатора формируется в зависимости от весовой функции. В частности, при нулевом значении k на выходах канальных коммутаторов 6 напряжение будет иметь частоту только второго ГУН 3, а при единичном значении k - частоты соответствующих канальных ГУН 5. После преобразования этих частот в канальных смесителях 7 выходная частота синтезатора f определяется выражением (1).
Пример.
1
2
k1
k2
k3
Пусть f=1000 Мгц, Δf=10 МГц, f=1000 Мгц, f=1010 Мгц, f=1020 Мгц, f=1030 Мгц, и т.д.
k=0, n=6 (63 литеры).
2
В этом случае к выходу синтезатора через канальные коммутаторы сигналов КСК 6 подключен только второй ГУН 3 и выходная частота в соответствии с выражением (1) определяется следующим образом:
вых0
f=1000+6000+10·0=7000 (МГц).
Если принять k=63, то к выходу синтезатора будут подключены все канальные ГУН 5.
вых63
f=7000+10·63=7630 (МГц).
Диапазон перестройки частоты синтезатора:
вых63
вых0
k·Δf=f-f=630 МГЦ.
Шаг сетки частот Δf в СВЧ-диапазоне меньше 10 МГц обычно не делают, т.к. иначе соседние станции будут мешать друг другу.
Шумы синтезатора определяются следующей формулой:
где  - отношение мощности шумов к мощности сигнала на несущей частоте.
∑
Шумы всех ГУН 3, 5 можно считать одинаковыми, т.к. генераторы идентичны. Тогда γ=(n+1)γ. Перейдя к выражению в децибелах, получим:
∑
∑
10lgγ=10lg(n+1)+10lgγ, или γ(∂Б/Гц)=(n+1)(∂Б)+γ(∂Б/Гц).
∑
∑
В случае использования шестиканального формирователя сетки частот, n=6. При этом ухудшение отношения сигнал/шум γ составит 10lg7=8,45 дБ. В прототипе ухудшение отношения сигнал/шум γ при умножении на 7 составит:
∑
2
γ=γ·n;
∑
10lgγ=10lgγ+20lgn;
20lg7=17 дБ.
Отсюда видно, что шумовые характеристики заявленного синтезатора частот СВЧ-диапазона по сравнению с прототипом, по меньшей мере, на 8 дБ ниже.