МАЛОШУМЯЩИЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР
LOW-NOISE MICROWAVE GENERATOR

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к СВЧ-генераторам на транзисторах.
Известны схемы построения СВЧ генераторов, основанные на умножении частоты сигнала (100 МГц и более) высокочастотных кварцевых генераторов с низким уровнем фазовых шумов не более минус (155÷160) дБ/Гц на частоте анализа 1 кГц. Это позволяет на частоте 10 ГТц формировать сигнал с уровнем фазового шума минус (115÷120) дБ/Гц на частотах анализа (1÷500) кГц. [Манассевич В. Синтезаторы частот (Теория и проектирование) - Москва, «Связь», 1979 г. стр. 83].
2
Недостатком таких устройств помимо наличия паразитных сигналов в выходном спектре является равномерный, не спадающий во всем диапазоне частот анализа уровень фазового шума в отличие от стабилизированных резонатором СВЧ-генераторов, где уровень фазового шума уменьшается в допплеровском диапазоне по закону I/F, где F - частота отстройки от несущей.
В малошумящем СВЧ-генераторе [патент РФ №2161367 приоритет 15.12.99, МПК Н03В 5/18, Н03В 7/14], принятом за прототип, низкий уровень фазовых шумов обеспечивает метод комбинированной параметрической и электрической стабилизации частоты с использованием устройства фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), то есть в СВЧ-генераторе одновременно осуществляются два режима работы - параметрическая стабилизация высокодобротным резонатором для достижения очень низкого уровня частотных шумов и электрическая стабилизация с помощью внешнего низкочастотного эталона (кварцевого генератора) для получения высокой долговременной стабильности частоты.
Параметрическая стабилизация обеспечивается высокодобротным резонатором в режиме затягивания частоты генератора под частоту резонатора.
Электрическая стабилизация осуществляется подстройкой частоты генератора устройством ФАПЧ с высокостабильным опорным кварцевым генератором.
Внешние механические и акустические воздействия приводят к дополнительному увеличению частотных (фазовых) шумов выходного сигнала СВЧ генератора. Недостатком прототипа является то, что уровень частотных (фазовых) шумов сигнала СВЧ-генератора вблизи несущей определяется фазовыми шумами сигнала автономного СВЧ-генератора. Устройство ФАПЧ с полосой управления до 100 Гц служит только для поддержания долговременной нестабильности частоты в режиме автоподстройки СВЧ-генератора под частоту кварцевого генератора. Это приводит к существенному увеличению фазового шума сигнала СВЧ-генератора вблизи несущей частоты при отстройках от 100 Гц до 5 кГц особенно в условиях внешних акустовибрационных воздействий.
Задачей изобретения является усовершенствование малошумящих СВЧ-генераторов.
Технический результат состоит в достижении сверхнизкого уровня фазовых шумов сигнала вблизи несущей частоты СВЧ-генератора в условиях внешних механических и акустических факторов в сочетании с высокой долговременной стабильностью частоты.
В предлагаемой схеме малошумящего СВЧ-генератора, содержащего устройство ФАПЧ, как и в прототипе, реализуется одновременное использование метода комбинированной: параметрической и электрической стабилизации частоты.
o
Технический результат достигается тем, что в малошумящем СВЧ-генераторе, содержащем биполярный транзистор, базовый вывод которого соединен с общей шиной, вывод коллектора соединен через первый отрезок микрополосковой линии (МПЛ) с выходом генератора, вывод эмиттера транзистора подключен к одному из концов второго отрезка МПЛ, и управляющий варикап, расположенный на диэлектрической подложке со слоем металлизации, устройство фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), а так же высокодобротный цилиндрический резонатор, выполненный в виде объемного или размещенного в экране диэлектрического резонатора, который электромагнитно связан с первым отрезком МПЛ через щель в слое металлизации диэлектрической подложки, расположенную перпендикулярно первому отрезку МПЛ и оси высокодобротного резонатора, вдоль радиуса одной из его торцевых поверхностей на расстоянии λ/4 от коллектора транзистора, где λ - длина волны в МПЛ, при этом другой конец второго отрезка МПЛ соединен с первым разомкнутым отрезком и согласованным резистором, и через третий отрезок МПЛ подключен к первому выводу управляющего варикапа, второй вывод которого соединен с общей шиной, а к выходному концу первого отрезка МПЛ подключены второй разомкнутый отрезок МПЛ и вход устройства фазовой автоподстройки частоты, первый выход которой подключен к первому выводу управляющего варикапа, второй выход соединен с узлом подстройки частоты, выполненным в виде электромагнита и расположенным на второй (противоположной) торцевой поверхности высокодобротного резонатора, представляющей собой упругую мембрану, выполненную с возможностью прогиба при помощи электромагнита, при том, что мембрана выполнена двухслойной, один слой, ограничивающий объем высокодобротного резонатора, является металлическим, а второй слой, расположенный между металлическим слоем и корпусом электромагнита, представляет собой консистентную смазку, причем в схеме устройства ФАПЧ выход опорного кварцевого генератора подключен к входу малошумящего усилителя мощности сигнала f кг, выход которого подключен к входу умножителя частоты сигнала кварцевого генератора с высокой кратностью умножения, выход умножителя частоты подключен к СВЧ полосно-пропускающему фильтру, выход которого соединен с первым входом СВЧ смесителя частоты, второй вход смесителя подключен к выходу СВЧ генератора, выход сигнала промежуточной частоты смесителя подключен к входу первого делителя частоты на m, выход первого делителя частоты подключен к первому входу частотно-фазового детектора, первый выход частотно-фазового детектора подключен к входу первого операционного усилителя с фильтром нижних частот в цепи обратной связи, выход первого операционного усилителя соединен с управляющим входом варикапа СВЧ генератора, на второй вход частотно-фазового детектора поступает сигнал опорного кварцевого генератора через второй делитель частоты на l, второй выход частотно-фазового детектора соединен с входом второго операционного интегрирующего усилителя с большой постоянной времени, выход второго операционного усилителя подключен к управляющему соленоиду электромагнита устройства подстройки частоты.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показана общая схема малошумящего СВЧ-генератора, где:
1 - транзистор;
2 - первый микрополосковый шлейф;
3 - третий микрополосковый шлейф;
4 - согласованный резистор;
5 - второй микрополосковый шлейф;
6 - высокодобротный резонатор;
7 - четвертый микрополосковый шлейф;
8 - узел подстройки частоты электромагнитного типа;
9 - управляющий варикап;
10 - кварцевый генератор опорного сигнала с низким уровнем фазовых шумов
11 - усилитель мощности сигнала кварцевого генератора;
12 - умножитель частоты сигнала кварцевого генератора с высокой кратностью умножения;
13 - полосовой фильтр рабочей гармоники умноженной частоты кварцевого генератора;
14 - смеситель частоты;
15, 17 - делители частоты с переменными коэффициентами деления
16 - частотно-фазовый детектор;
18 - фильтр нижних частот (18);
19, 20 - операционные усилители.
На фиг. 2 представлен график относительного уровня спектральной плотности фазовых шумов сигнала опорного кварцевого генератора, умноженного в СВЧ-диапазон.
На фиг. 3 представлены графики относительного уровня спектральной плотности фазовых шумов сигнала СВЧ генератора в доплеровском диапазоне частот.
На фиг. 4 представлены графики относительного уровня спектральной плотности фазовых шумов сигнала СВЧ генератора в доплеровском диапазоне. В режиме ФАПЧ при внешних акустико-механических воздействиях.
012
Предлагаемое устройство работает следующим образом. В генераторе реализован метод комбинированной параметрической и электрической стабилизации. Параметрическая стабилизация обеспечивается высокодобротным резонатором 6 (например, объемным на типе волны Н или диэлектрическим) в режиме затягивания частоты генератора под частоту резонатора. Электрическая стабилизация осуществляется подстройкой частоты генератора устройством ФАПЧ с высокостабильным опорным кварцевым генератором 10, обладающим низким уровнем фазовых шумов и высокой стабильностью частоты. В генераторе применены два элемента электрической подстройки частоты: электромагнитного типа 8 и варикап (варакторный диод) 9. Электромагнитное устройство 8 расположено на торцевой поверхности высокодобротного резонатора 6, выполненной в виде упругой мембраны, и обеспечивает грубую подстройку его частоты в полосе до 10 МГц с помощью прогиба упругой мембраны при подаче тока управления в обмотку электромагнита 8. Точность установки частоты при этом составляет приблизительно десятки килогерц. Включение в схему генератора варикапа 9 обеспечивает точную быструю перестройку частоты, что позволяет получить долговременную нестабильность частоты генератора не более . Включение высокодобротного резонатора 6 в коллекторную цепь транзистора по схеме двухполюсника обеспечивает глубокую параметрическую стабилизацию, а включение варикапа в эмиттерную цепь транзистора 1 обеспечивает уменьшение рассеиваемой на нем СВЧ мощности. Такое построение схемы СВЧ-генератора позволяет получить высокую долговременную стабильность частоты не более  и уровень частотных шумов не более минус 130 дБ/Гц на частоте анализа 10 кГц.
Снижение уровня модуляции частоты СВЧ генератора в условиях виброакустического воздействия достигается путем введения в конструкцию высокодобротного резонатора двухслойной мембраны, один из слоев (внешний) представляет собой вязкую консистентную смазку, кроме того, для дополнительного снижения уровня фазовых шумов выходного сигнала СВЧ генератора на 15÷20 дБ вблизи несущей (на частотах анализа 100 Гц÷4 кГц), в состав генератора включено устройство ФАПЧ.
В схеме устройства ФАПЧ выход опорного кварцевого генератора 10 подключен к входу малошумящего усилителя мощности сигнала 11, выход которого подключен к входу умножителя частоты сигнала 12 кварцевого генератора с высокой кратностью умножения, выход умножителя частоты 12 подключен к СВЧ полосно-пропускающему фильтру 13, выход которого соединен с первым входом СВЧ смесителя частоты 14, второй вход смесителя 14 подключен к выходу СВЧ генератора, выход сигнала промежуточной частоты смесителя 14 подключен к входу первого делителя частоты на m 15, выход первого делителя частоты 15 подключен к первому входу частотно-фазового детектора 16, первый выход частотно-фазового детектора 16 подключен к входу первого операционного усилителя 20 с фильтром нижних частот 18 в цепи обратной связи, выход первого операционного усилителя 20 соединен с управляющим входом варикапа 9 СВЧ генератора, на второй вход частотно-фазового детектора 16 поступает сигнал опорного кварцевого генератора 10 через второй делитель частоты на l 17, второй выход частотно-фазового детектора 18 соединен с входом второго операционного интегрирующего усилителя 19 с большой постоянной времени, выход второго операционного усилителя 19 подключен к управляющему соленоиду электромагнита устройства подстройки частоты 8.
Включенный в схему ФАПЧ опорный кварцевый генератор 10 имеет изначально низкий уровень фазовых шумов менее минус 160 дБ/Гц на частоте анализа 4 кГц, после умножения примерно в 80 раз (умножитель частоты 12) уровень фазовых шумов составляет минус 120 дБ/Гц. В условиях воздействия виброакустических факторов опорный кварцевый генератор 10 сохраняет низкий уровень фазовых шумов и позволяет получить фазовые шумы вблизи несущей на уровне минус (120-150) дБ/Гц.
Входящий (полезный) СВЧ-сигнал подается на смеситель частоты 14, на второй вход которого поступает сигнал опорного кварцевого генератора 10, прошедший через усилитель 11, умножитель частоты 12 и полосовой фильтр 13. Сигнал с разностной частотой поступает в делитель частоты на m 15, на другой делитель частоты на l 17 поступает сигнал с опорного кварцевого генератора 10, затем оба сигнала поступают на частотно фазовый детектор 16, на выходе которого вырабатывается сигнал, пропорциональный разности частот, который через фильтр 18 поступает на управляющие элементы системы ФАПЧ - один на управление частотой грубо на соленоид электромагнита 8 и на мембрану 6, второй на управление точно (на варикап 9). Когда сигналы после подстройки по частоте на выходе из делителей 15 и 17 сравниваются, то происходит стабилизация генератора по фазе с помощью варикапа 9, в результате частота и фаза СВЧ сигнала автономного генератора оказываются застабилизированными под частоту и фазу кварцевого генератора 10, что обеспечивает снижение уровня фазовых шумов и стабилизацию около несущей.
Сохранить низкий уровень шумов при воздействии на генератор виброакустических факторов возможно за счет выбора оптимальной полосы рабочих частот ФАПЧ.
Включение в схему ФАПЧ операционного усилителя ОУ1 (20) с фильтром низких частот RC позволяет путем изменения величины R задать полосу регулирования ФАПЧ, не превышающую 4 кГц. Параметры фильтра RC определяются экспериментальным путем так, чтобы обеспечить τ=R*C=250 мкс, то есть осуществляется настройка параметров ФАПЧ, позволяющая в рабочей полосе ФАПЧ подавлять помехи на частотах резонанса мембраны, а область сверхнизких шумов доплеровского диапазона, обеспечиваемых высокодобротным резонатором остается за рабочей полосой ФАПЧ.
На фиг. 3 представлены графики относительного уровня спектральной плотности фазовых шумов сигнала СВЧ генератора в доплеровском диапазоне частот без воздействия акустических факторов (1) и при акустическом воздействии 100 дБ.
Графики на фиг. 4 наглядно показывают преимущества предложенного малошумящего СВЧ генератора, содержащего устройство ФАПЧ с заданными параметрами, относительно прототипа.
Таким образом, благодаря включению в состав малошумящего СВЧ генератора устройства ФАПЧ с заданными параметрами фильтра нижних частот ОУ1, получаем достижение сверхнизкого уровня фазовых шумов во всем доплеровском диапазоне частот (10 Гц÷100 кГц) в условиях воздействия внешних механических и акустических факторов и низкую чувствительность к виброакустическому воздействию на частотах от 1 Гц до 4 кГц.