Устройство снижения фазовых шумов СВЧ сигнала
DEVICE FOR REDUCTION OF PHASE NOISE OF MICROWAVE SIGNAL

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к гетеродинным устройствам, определяющим в значительной степени чувствительность приемных каналов радиоустройств (РЛС, РРЛ, аппаратуры космической связи, радиотелескопов и т.п.). Практическим следствием уменьшения фазовых шумов является увеличение дальности обнаружения целей у РЛС, уменьшение вероятности перерывов связи из-за погодных условий и т.п.
Известно много способов уменьшения фазовых шумов СВЧ генераторов [А. Ченакин, к.т.н. Фазовые шумы В СВЧ-генераторах. Методы решения проблемы. Ж. Электроника, Наука, Технология, Бизнес. №4, 2011 г, А.М. Darwish, A.K. Ezzeddine, H-L. A Hung and F.R. Phelleps. New Phase Noise Reduction Techique For MMIC Oscillators. IEEE 1992 Microwave and Millimetr-Wav Monolithic Simposium. P 171-173.], в большинстве из которых сигнал обратной связи содержит как составляющие фазовых, так и амплитудных шумов генераторов. При выполнении условий обеспечения отрицательной обратной связи по частоте, частотные шумы в выходном сигнале снижаются, но присутствие в сигнале обратной связи амплитудных шумов, воздействующих на реактивные элементы генератора, и наличие амплитудно-фазовой конверсии сигнала на нелинейных элементах (транзисторах, диодах) приводит к преобразованию амплитудных шумов в фазовые шумы. В результате устанавливается некий баланс уровней фазовых и амплитудных шумов в выходном сигнале генератора, более высокий, чем мог бы быть в случае подавления сигналов амплитудных шумов. За счет применения ограничительных диодов удается снизить фазовый шум на 15-20 дБ.
Для эффективного подавления амплитудных шумов в устройстве, принятом за прототип, используется интерферометрический частотный дискриминатор. Такая система состоит из собственно СВЧ генератора и СВЧ интерферометра, использующего резонатор с высоким коэффициентом добротности Q и фазочувствительного СВЧ считывающего устройства. Подавление несущей частоты на выходе интерферометра дает возможность СВЧ считывающему устройству работать в режиме малого сигнала с эффективной температурой шума, близкой к его физической температуре. При использовании в качестве датчика системы управления частотой для синхронизации генератора с выбранным резонансным режимом резонатора с высоким Q, интерферометрический частотный дискриминатор дал возможность улучшения величины уровня шумов более чем на два порядка по сравнению с современными устройствами. [Eugen N. Ivanov, Michael Е. Tobar and Richard A. Wood. Applications of Interferometric Signal Processing to Phase-Noise Red-uction In Microwave Osillators. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TCHNIQUES, VOL, 46, NO. 10, OCTOBER 1998. Pp 1537-1545.]
Поддержание интерференционного минимума, требует тонкой настройки параметров элементов устройства, что не способствует его устойчивой работе. Устройство-прототип достаточно сложное с лейко-сапфировым резонатором очень высокой добротности порядка 200 тысяч едениц.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является подавление фазовых шумов СВЧ источника за счет исключения амплитудной шумовой составляющей в сигнале обратной связи.
Технический результат достигается тем, что устройство снижения фазовых шумов СВЧ сигнала содержит аналоговый СВЧ фазовращатель, резонаторы и усилитель. Выход фазовращателя, стоящего на входе устройства, подключен к делителю, один выход которого является выходом устройства, а ко второму выходу подключен вход 3-х децибельного делителя с двумя выходами, возле выходов которого размещены резонаторы, а к выходу каждого резонатора подключен вход детектора. Выходы детекторов подключены ко входам дифференциального усилителя, выход которого подключен ко входу фильтра нижних частот, с выхода которого сигнал подаетсяна на управляющий вход аналогового СВЧ фазовращателя. При этом резонансные частоты резонаторов расстроены на равные величины частот от частоты входного сигнала в разные стороны, что обеспечивает формирование противофазных шумовых сигналов фазовой нестабильности и синфазных аналоговых шумовых сигналов.
Противофазные составляющие фазовой нестабильности на выходе резонаторов удваиваются, а синфазные амплитудные нестабильности вычитаются при прохождении сигналов через дифференциальный усилитель. В результате получаем чистый сигнал компенсации фазовой нестабильности, что снижает фазовый шум выходного сигнала устройства.
Величина расстройки резонансных частот резонаторов зависит от частоты сигнала и добротности резонаторов. Общее требование заключается в том, чтобы крутизна склона АЧХ резонатора была максимальной, что соответствует уровню 0,817 от ее максимума.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства снижения фазовых шумов, где:
аналоговый СВЧ фазовращатель 1;
делитель 2;
резонатор 3;
резонатор 4;
3-х децибельный делитель 5;
детектор 6;
детектор 7;
дифференциальный усилитель 8;
фильтр нижних частот 9.
Пример
Устройство снижения фазовых шумов СВЧ сигнала соединено с СВЧ генератором с гетеродином и системой подавления фазовых шумов.
Устройство подавления фазовых шумов СВЧ сигнала содержит аналоговый СВЧ фазовращатель 1. Выход аналогового СВЧ фазовращателя 1 подключен к делителю 2, один выход которого является выходом устройства. Ко второму выходу делителя 2 подключен вход 3-х децибельного делителя 5 с двумя выходами. Возле каждого выхода делителя 5 расположен диэлектрический резонатор 3 или 4. К выходу резонатора 3 подключен вход детектора 6. К выходу резонатора 4 подключен вход детектора 7 Выходы детекторов 6 или 7 подключены ко входам дифференциального усилителя 8. Выход усилителя 8 подключен ко входу фильтра нижних частот 9. Выход фильтра 9 подключен к управляющему входу аналогового СВЧ фазовращателя 1. При частоте сигнала СВЧ генератора 10 МГц и добротности резонаторов Q=1000 единиц оптимальная расстройка составляет ±3,5 МГц, при добротности Q=4000 единиц оптимальная расстройка составляет ±0,9МГц.
Устройство подавления фазовых шумов СВЧ сигнал работает следующим образом.
Входной сигнал Рвх с частотой Fвx, поступает на аналоговый фазовращатель 1, и через делитель 2 поступает на 3-х децибельный делитель 5, где делится на две равные по мощности части. Выходными сигналами делителя 5 возбуждаются резонаторы 3 и 4 в каждой ветви.
Сигналы с выходов резонаторов 3 и 4 поступают на детекторы 6 и 7, а затем на входы дифференциального усилителя 8 и далее на вход фильтра нижних частот 9, с выхода которого поступают на управляющий вход аналоговый фазовращатель 1.
Резонансные частоты резонаторов 3 и 4 расстраиваются в равной степени относительно входной частоты Fвx. Причем Fpeз резонатора 3 смещается вниз по частоте, a Fpeз резонатора 4 смещается вверх по частоте. В результате сигналы входной частоты Fвx оказываются на склонах АЧХ резонаторов с противоположными наклонами. Вследствие чего после детектирования детекторами 6 и 7 сигналы фазовой (частотной) шумовой нестабильности оказываются противофазными. В тоже время амплитудные шумы частоты Fвx детектируются синфазно. При максимальной симметрии коэффициентов деления делителя 5, потерь в резонаторах 3 и 4, характеристик детекторов 6 и 7 уровни аналогового шума на входах дифференциального усилителя (ДУ) 8 оказываются синфазными и равными по величине и подавляются дифференциальным усилителем.
Реально степень снижения шумов определяется степенью подавления синфазных шумов дифференциальным усилителем и шумами детекторов.
Современные ДУ способны подавлять синфазные входные сигналы на 60-120 дБ, усиливая при этом существенно противофазные сигналы.
Предлагаемое устройство, в идеальном случае, выделяет в чистом виде сигнал фазовой нестабильности, который может быть использован для ее компенсации в системах с отрицательной обратной связью. Предельно достижимый уровень подавления фазового шума будет определяться взаимно-некоррелированными шумами детекторов 6 и 7 и входными шумами ДУ 8. Так как обеспечить конструктивно-технологическими средствами максимальную степень симметрии обоих ветвей прохождения сигналов при изготовлении вряд ли удастся, требуемой симметрии можно добиваться путем внесения дополнительных потерь в одну из ветвей делителя 2 при настройке устройства.
Предлагаемая конструкция устройства позволяет:
- решить задачу существенного улучшения СВЧ гетеродинов;
- на десятки дБ сократить уровни фазовых шумов вблизи несущей СВЧ сигнала;
- в разы упростить схему снижения фазовых шумов относительно других схемно-технических вариантов исполнения.
- предлагаемое устройство обеспечивает уменьшение стоимости реализации устройства снижения фазовых устройств.