СИНТЕЗАТОР СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ Российский патент 1995 года по МПК H03L7/06 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аппарате связи, радиолокации, широкополосной технике СВЧ, где требуются высокостабильные, дискретно перестраиваемые по частоте генераторы СВЧ. В частности, в современных широкополосных радиоприемных устройствах СВЧ используются перестраиваемые генераторы СВЧ с эквидистантно расположенным множеством частот синтезаторы частоты.

Известен ряд систем пассивного (косвенного) и активного (прямого) синтеза частот. В системах активного синтеза фильтрация колебаний синтезируемых частот осуществляется с помощью активного фильтра в виде кольца автоподстройки частоты. При этом, как правило, частота сигнала преобразуется, например, с помощью многократного деления, в низкочастотный диапазон, где происходит сравнение с частотой кварцевого опорного генератора и вырабатывается напряжение автоподстройки СВЧ-генератора, управляемого напряжением (ГУН).

Системы пассивного синтеза частоты основаны на преобразовании сигнала кварцевого опорного генератора с СВЧ диапазоном путем многократного умножения, либо супергетеродинного переноса частоты с выделением и усилением соответствующих гармоник, либо промежуточных частот.

В СВЧ генераторах метод активного синтеза более предпочтителен, так как обеспечивает более высокое подавление побочных спектральных составляющих и фазовых шумов несущего колебания. Наиболее близким к предлагаемому синтезатору является синтезатор, реализующий принцип активного синтеза с кольцом фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), который принят за прототип.

Синтезатор частот прототип содержит (см. фиг. 4) генератор СВЧ, перестраиваемый напряжением (ГУН) 1 с элементом перестройки варикапом 12 и петлю ФАПЧ в составе делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) 14, опорный генератор 10, фазовый детектор (ФД) 9, первый (для отличия от дополнительного ФД в предложении) фильтр нижних частот (ФНЧ) 11, выход которого подключен к управляющему входу варикапа 12 ГУН 1, причем выход генератора 1 является выходом синтезатора.

Синтезатор частоты прототип работает следующим образом:
Часть сигнала с ГУН 1 поступает на вход ДПКД 14, где частота делится в N раз, а с его выхода поступает на вход ФД 9, где сравнивается с точностью до фазы с частотой опорного генератора 10 (обычно Ω _о5 МГц, правда, в последнее время получают распространение опорные генераторы на диэлектрических резонаторах на частоты до 2 ГГц). При этом на выходе ФД 9 вырабатывается напряжение подстройки ГУН 1, которое через первый ФНЧ 11 поступает на управляющий вход варикапа 12 и осуществляет подстройку ГУН 1 на требуемое значение частоты.

Если коэффициент деления ДПКД равен N, а частота опорного генератора Ω _о, то стабилизируемая частота СВЧ генератора 1 синтезатора-прототипа равна
f_свч Ω _оN
Перестройка синтезатора-прототипа осуществляется путем изменения коэффициента деления ДПКД 14. Наиболее сложным элементом синтезатора-прототипа является делитель 14.

Так существующая элементарная база позволяет создавать цифровые ДПКД на частотах не выше 1,5-2 ГГц, т. е. предел рабочих частот прототипа ограничен диапазоном ДПКД и не выше 1,5-2 ГГц.

Дальнейшее повышение рабочей частоты прототипа приводит к еще большему усложнению и удорожанию синтезатора, так как требует включения в его состав дополнительных высокостабильных переносчиков частоты 13.

Целью настоящего изобретения является расширение диапазона частот и упрощение схемы синтезатора СВЧ.

Для реализации этой цели предлагается синтезатор СВЧ, содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ, перестраиваемый напряжением (ГУН), фазовый детектор (ФД), первый фильтр нижних частот (ФНЧ) и опорный генератор (ОГ), подключенный ко второму входу ФД.

Согласно изобретению, ГУН выполнен с запаздывающей обратной связью (ЗОС) с резонансной системой на длинной линии с величиной запаздывания τ₃, например, на отрезке волновода, снабженного на обоих торцах короткозамыкателями, внутри которого на удалении четверти длины волны от одного из короткозамыкателей установлен собственно генератор (усилитель) СВЧ отражательного типа с элементом перестройки варикапом, а в другом короткозамыкателе имеется элемент вывода энергии, к выходу которого последовательно подключены развязывающий вентиль, полосовой фильтр с полосой Δ f < 1/ τ₃, причем катод генератора (усилителя) СВЧ соединен с волноводом, а к анодной цепи подключен другой ФНЧ на полосу Δ Ω 1/ τ₃, выход которого подключен ко второму входу ФД, а выход ФД через первый ФНЧ соединен с управляемым входом варикапа ГУН.

В известных технических решениях не обнаружены признаки и свойства, сходные с признаками и свойствами, которыми обладает предложенное устройство, поэтому оно обладает новизной и изобретательским уровнем.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 макет предлагаемого генератора; на фиг. 3 СВЧ и результаты деления частоты; на фиг. 4 схема прототипа.

Предлагаемый синтезатор СВЧ содержит ГУН СВЧ1, включающий собственно генератор (усилитель) СВЧ1 отражательного типа с резонансной системой на длинной линии, например, отрезке волновода 2 (двойственность записи генератор (усилитель) СВЧ означает, что в предложении может быть использован как генератор, так и усилитель, исходя из того, что генератор является усилителем с обратной связью).

Торцы упомянутого резонатора снабжены короткозамыкателями, причем внутри волновода на удалении четверти длины волны от короткозамыкателя 3 установлен собственно диод генератора (усилителя) СВЧ1, например, диод Ганна, а во втором короткозамыкателе 4 имеется элемент связи 5 вывода энергии. К выходу резонатора через развязку 6 (ферритовый вентиль) подключен полосовой фильтр 7 с полосой
Δ f < 1/ τ₃
Катод ГУН 1 соединен с волноводом 2, а к его анодной цепи подключен ФНЧ 8 с полосой Δ Ω 1/ τ₃, выход которого соединен со входом ФД 9.

Ко второму входу ФД 9 подключен опорный генератор 10, а выход ФД9, через ФНЧ 11 подключен к управляющему входу варикапа 12, установленному в волноводе также на расстоянии λ /4 от короткозамыкателя 3.

ФНЧ 8, ФД 9, опорный генератор 10, ФНЧ 11, варикап 12 образует петлю ФАПЧ.

Из теории систем с ЗОС известно, что они обладают гребенчатой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) с эквивалентной (через Ω 1/τ₃) расстановкой собственных частот, определяемых уравнением
f_свч n'/ τ₃, где n целое число из ряда;
τ₃ величина задержки обратной связи.

При использовании волноводного резонатора длиной l, τ₃ определяется двойным проходом сигнала 2l.

Как показывают экспериментальные исследования авторов, совпадающие с другими аналогичными работами по диодам Ганна с ЗОС, этот генератор СВЧ1 с ЗОС генерирует периодическую последовательность радиоимпульсов с периодом повторения τ₃, линейчатые составляющие спектра которой эквидистантно отстоят от Ω 1/ τ₃.

Авторами экспериментально выявлено, что в анодной цепи диода Ганна присутствует продетектированная периодическая последовательность импульсов также с периодом следования τ₃.

Выделив с помощью ФНЧ 8 первую гармонику видеопоследовательности, частота которой Ω₁ 1/ τ₃, получаем продукт деления частоты СВЧ радиосигнала генератора (f_свч) на постоянную величину N.

Так авторами частота СВЧ генератора 1 f_свч 36,5 ГГц с резонатором длиной l 172 мм поделена описываемым путем до частоты Ω 318 МГц, т.е. приблизительно в 100 раз. При изменениях частоты выходного сигнала генератора (усилителя) СВЧ1 от дестабилизирующих факторов, и в первую очередь от температуры, происходит изменение длины резонатора l, а следовательно τ₃, что линейно (см. фиг. 3) приводит к изменению Ω₁.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При подаче питания на анод генератора (усилителя) СВЧ1, он генерирует периодическую последовательность коротких радиоимпульсов, с периодом следования τ₃, пропорциональной двойной длине l волноводного резонатора 2.

С выхода резонатора 2 через элемент связи 5 и ферритовую развязку 6 спектр радиосигнала поступает на полосовой фильтр 7, который пропускает на выход устройства лишь одну составляющую линейчатого спектра автогенератора f_свч.

С анодной цепи генератора (усилителя) СВЧ1, через развязывающий по току конденсатор, снимается периодическая последовательность видеоимпульсов, из которой дополнительный ФНЧ 8 пропускает на первый вход фазового детектора 9 только первую гармонику Ω₁, тем самым завершая процесс деления fсвч на постоянную величину N в низкочастотный диапазон Ω₁.

На второй вход первого фазового детектора 9 подается Ω_о от опорного генератора 10, поэтому фазовый детектор 9 вырабатывает сигнал подстройки, который через первый ФНЧ 11 поступает на управляющий вход частотно-управляющего элемента автогенератора с ЗОС варикап 12.

Предлагаемый синтезатор СВЧ обладает следующими технико-экономическими преимуществами по сравнению с прототипом:
существенно более широким (высоким) диапазоном частот. Так, если прототип на существующей элементарной базе реализуем до частот 1,5-2 ГГц, то авторами реально создан макет диапазона 36,5 ГГц, что более чем на порядок выше;
существенно большей функциональной простотой, связанной с отсутствием сложных схем переноса частоты, с отсутствием ДПКД, и одновременным решением с помощью автогенератора с ЗОС функций делителя частоты.

В Ростовском НИИ радиосвязи создан и испытан макет автогенератора с ЗОС в диапазоне 36,5 ГГц, который приведено на фиг. 2, а зависимость изменена поделенной частоты Ω₁, от изменения длины (имитация изменения температуры) l приведено на фиг. 3.

Испытания макета подтвердили основные возможности и преимущества предлагаемого устройства.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных и передающих СВЧ-устройствах. Сущность изобретения: синтезатор сверхвысоких частот содержит соединенные последовательно генератор СВЧ, управляемый напряжением (ГУН) с помощью варикапа, первый фильтр (ФНЧ), фазовый детектор (ФД) и опорный генератор (ОГ). ГУН выполнен с запаздывающей обратной связью с резонансной системой на длинной линии с величиной запаздывания τ₃ Генератор СВЧ выполнен на диоде Ганна или лавинопролетном диоде. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. СИНТЕЗАТОР СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ, содержащий соединенные последовательно генератор сверхвысоких частот, управляемый напряжением, первый фильтр нижних частот, фазовый детектор и опорный генератор, отличающийся тем, что генератор, управляемый напряжением, выполнен с резонансной системой на длинной линии с величиной запаздывания τ₃, например, на отрезке волновода, снабженного на обоих торцах короткозамыкателями, внутри которого на расстоянии четверти длины волны от одного из короткозамыкателей установлен излучающий элемент с элементом перестройки, например варикапом, а в другом короткозамыкателе расположен элемент вывода энергии, к выходу которого подключены последовательно соединенные развязывающий элемент, например вентиль, и полосовой фильтр с полосой пропускания Δf < 1/τ₃, причем катод излучающего элемента соединен с корпусом волновода, а к его аноду подключен вход второго фильтра нижних частот с полосой пропускания ΔΩ = 1/τ₃, выход которого подключен к второму входу фазового детектора, а выход фазового детектора через первый фильтр нижних частот соединен с анодом варикапа. 2. Синтезатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве излучающего элемента в генераторе сверхвысоких частот, управляемом напряжением, использован диод Ганна или лавинопролетный диод.