Патент на изобретение №2332787

(54) СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в возбудителях передатчиков и гетеродинов приемников радиолокационных систем. Достигаемый технический результат – улучшение шумовых характеристик, уменьшение побочных гармонических составляющих в спектре выходного сигнала и сокращение времени перестройки. Синтезатор частот сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона содержит эталонный генератор (ЭГ), первый и второй генераторы, управляемые напряжением (ГУН), каждый из которых охвачен петлей частотно-фазовой автоподстройки (ФАП), и n идентичных каналов формирования сетки частот, каждый из которых содержит последовательно включенные канальный ГУН, охваченный петлей ФАП, канальный коммутатор сигналов, канальный смеситель и канальный широкополосный фильтр. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам формирования колебаний сверхвысокой частоты (СВЧ), и может быть использовано в возбудителях передатчиков и гетеродинов приемников радиолокационных систем.

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. М., 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.

Наиболее близким к изобретению является синтезатор частот, содержащий эталонный генератор (ЭГ), последовательно включенные первый умножитель частоты (УЧ), второй УЧ, 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 изобретения заключается в следующем. Его 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 изобретению 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 изобретения 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.

Синтезатор частот СВЧ-диапазона содержит эталонный генератор (ЭГ) 1, второй выход которого соединен с последовательно включенными первым блоком фазовой автоподстройки (ФАП) 2₁ и первым генератором, управляемым напряжением (ГУН) 3₁, второй выход которого соединен с вторым входом первого блока ФАП 2₁, a также с последовательно включенными вторым блоком ФАП 2₂ и вторым ГУН 3₂, второй выход которого соединен с вторым входом второго блока ФАП 2₂. 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 8 каждого канала соединен с вторым входом КСМ 7 последующего канала, а выход последнего КПФ 8_п является выходом устройства. Выход первого ГУН 3₁ соединен с вторым входом КСМ 7₁ первого канала, а выход второго ГУН 3₂ соединен с вторым входом КСК 6 каждого канала. Третий вход КСК 6 каждого канала связан с генератором весовых функций (не показан).

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 (ЖКГД468753006); в качестве блоков ФАП использованы микросхемы РЕ3236 (Hittite Microwave Corporation. / www.hittite.com.).

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 f₁, f₂,…,f_kn. Чтобы не ухудшались шумовые свойства ПАВ-генераторов 3, 5, полоса среза фазовой характеристики петли ФАП выбирается не более 100 Гц. Выходная частота синтезатора f_вых смещается в заданный диапазон сетки частот изменением частоты f₁ первого ГУН 3₁.

Выходная частота синтезатора f_вых определяется следующим выражением:

где f₁ – частота первого ГУН 3₁;

f₂ – частота второго ГУН 3₂;

n – количество каналов формирования сетки частот;

f=f₂-f_к1 – шаг сетки частот;

f·к – ширина диапазона синтезатора;

к – код (номер) выбранной частоты синтезатора, который определяется выражением:

где а – весовой коэффициент двоичного числа к по разрядам «0» или «1».

Таким образом, выходная частота синтезатора формируется в зависимости от весовой функции. В частности, при нулевом значении к на выходах канальных коммутаторов 6 напряжение будет иметь частоту только второго ГУН 3₂, а при единичном значении к-частоты соответствующих канальных ГУН 5. После преобразования этих частот в канальных смесителях 7 выходная частота синтезатора f_вых определяется выражением (1).

Пример.

Пусть f₁=1000 МГц, f=10 МГц, f₂=1000 МГц, f_к1=1010 МГц, f_к2=1020 МГц, f_к3=1030 МГц и т.д.

к=0, n=6 (63 литеры).

В этом случае к выходу синтезатора через канальные коммутаторы сигналов КСК 6 подключен только второй ГУН 3₂ и выходная частота в соответствии с выражением (1) определяется следующим образом:

Если принять к=63, то к выходу синтезатора будут подключены все канальные ГУН 5.

Диапазон перестройки частоты синтезатора:

Шаг сетки частота f 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 . Перейдя к выражению в децибелах, получим:

, или

В случае использования шестиканального формирователя сетки частот n=6. При этом ухудшение отношения сигнал/шум составит 101g7=8,45 дБ. В прототипе ухудшение отношения сигнал/шум при умножении на 7 составит:

;

101g=10lg+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.

Формула изобретения

Синтезатор частот сверхвысокочастотного диапазона, содержащий эталонный генератор, первый генератор, управляемый напряжением (ГУН), охваченный петлей частотно-фазовой автоподстройки (ФАП), вход которой подключен ко второму выходу эталонного генератора, второй ГУН, отличающийся тем, что второй ГУН выполнен охваченным петлей ФАП, вход которой соединен с вторым выходом эталонного генератора, и введены n идентичных каналов формирования сетки частот, каждый из которых содержит последовательно включенные канальный ГУН, охваченный петлей ФАП, канальный коммутатор сигналов, канальный смеситель и канальный широкополосный фильтр, при этом вход петли ФАП каждого из канальных ГУН соединен с первым выходом эталонного генератора, выход канального широкополосного фильтра каждого канала соединен со вторым входом канального смесителя последующего канала, а выход последнего канального широкополосного фильтра является выходом устройства; выход первого ГУН соединен с вторым входом канального смесителя первого канала, выход второго ГУН соединен с вторым входом канального коммутатора сигналов каждого канала, а третий вход каждого канального коммутатора подключен к генератору весовых функций.

РИСУНКИ