СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТОЙ МНОГОКАНАЛЬНОГО ПЕРЕДАТЧИКА И КОНТРОЛЛЕР ЧАСТОТЫ Российский патент 2002 года по МПК H04B1/06 

Изобретение относится к способу и устройству управления частотой термически стабильной батареи микроволновых (СВЧ) генераторов.

Патент США 4694260 раскрывает микроволновой (СВЧ) частотный дискриминатор для преобразования частотно-модулированного сигнала в низкочастотный демодулированный сигнал, в котором дискриминатор используется на СВЧ. Частота генератора управляется внешним напряжением постоянного тока, поступающим в схему управления, которой может быть схема, включающая варакторные диоды. Патент США 4694260 не раскрывает ни множественных СВЧ генераторов, ни возможности термического сопряжения или отслеживания частоты этих СВЧ генераторов.

US-A-910'793 раскрывает контроллер частоты с генератором частоты, генерирующим пилотную частоту, распределяемую цепью согласования по фазовым компараторам. Фазовые компараторы выходами соединены со схемами генераторов, соединенных с одной стороны со схемой согласования передатчика, а с другой стороны с фазовым компаратором через делитель частоты. Контроллер частоты использует схемы фазовой синхронизации для управления фазой каждого генератора.

ЕР-А-0'306'595 показывает компоновку схемы для генерации двух очень близких частот. Это достигается управлением одной из частот с помощью схемы фазовой синхронизации и использованием выходного сигнала для управления обоими частотами.

US-A-3'867'706 описывает схему управления и стабилизации частоты генераторов, использующую сигналы сравнения, получаемые с частотно-избирательной пассивной цепи и второй схемы, обеспечивающей сигнал сравнения, являющийся функцией выходной мощности.

Из ссылок известной техники очевидно, что существует необходимость в контроллере частоты, использующем множество электрически и термически сопряженных генераторов, так же как и в генераторе опорной частоты и термостабильном частотном дискриминаторе для получения отдельных модулированных сигналов, которые могут комбинироваться в выходной сигнал промежуточной частоты.

Задачей данного изобретения является создание блока генераторов СВЧ и соответствующего контроллера частоты, поддерживающего температурную стабильность блока генераторов в течение всей относительно продолжительной жизни компонент.

Другой задачей данного изобретения является создание термостабильного блока СВЧ генераторов, который применяет один источник стабильной частоты и генерирует опорную частоту, а также применяет один или больше термостабилизированных частотных дискриминаторов, в зависимости от необходимости в преобразовании с повышением выходной частоты.

Еще одной задачей данного изобретения является создание блока генераторов СВЧ, способного генерировать массив частот миллиметровых волн путем прямой модуляции генераторов в блоке генераторов.

Вышеуказанные и другие задачи данного изобретения достигаются с помощью способа управления частотой многоканального передатчика в соответствии с формулой изобретения. Опорная частота генерируется и излучается в термостабильный частотный дискриминатор. Этот термостабильный частотный дискриминатор подает напряжение на множество отдельных генераторов. Модуляция подается на каждый отдельный генератор со своим сигналом и все модулированные отдельные сигналы затем суммируются в одну многоканальную промежуточную частоту. Многоканальная промежуточная частота усиливается и излучается как выходной сигнал. Однако многоканальная промежуточная частота может также использоваться как выходной сигнал.

В одном из представленных вариантов конструкции данного изобретения, выходной сигнал смешивается с сигналом управления, получаемым от местного генератора на частоте управления. Смешанный сигнал затем желательно, но не обязательно, усиливается. В одном из представленных вариантов конструкции настоящего изобретения сигнал управления смешивается с сигналом опорной частоты, генерируемым источником стабильной частоты для формирования второго смешанного сигнала. Второй смешанный сигнал подается в другой термостабильный частотный дискриминатор, который выделяет второе напряжение постоянного тока на местный генератор. Сигнал управления может быть взят с направленного ответвителя. Второй смешанный сигнал также может быть усилен.

Желательно, чтобы отдельные модулированные сигналы имели промежуточную частоту меньшую, чем частота выходного сигнала. Отдельные сигналы должны быть разнесены либо на один фиксированный частотный интервал, либо на целое кратное число фиксированных частотных интервалов.

Управление частотой важно во многих приложениях СВЧ и системах миллиметровых волн, таких как широкодиапазонные многоканальные системы связи и приборы, требующие слежения за частотой среди спектральных компонент выходного сигнала. Во многих системах связи и приборах миллиметровых волн блоки генераторов должны генерировать высокостабильные частоты, как длительно, так и кратковременно. Такие блоки генераторов могут работать как на несущей частоте (НЧ), так и могут модулироваться различными полосовыми сигналами.

Способ и устройство согласно настоящему изобретению обеспечивают высокостабильный блок генераторов, не требующий фазовой автоподстройки, как в системах AM, FM, FSK, РАМ, РРМ и аналогичных системах модуляции. В системах, требующих фазовой автоподстройки, в таких как BPSK, QPSK и аналогичной технике модуляции, способ и устройство по настоящему изобретению обеспечивают эффективное управление частотами в элементах блока генераторов и таким образом сужают требуемый диапазон захвата схем фазовой синхронизации в системе.

Независимо от числа отдельных генераторов в блоке способ и устройство данного изобретения требуют только одну стабильную опорную частоту и один или больше термостабильных частотных дискриминаторов, работающих на удобной промежуточной частоте, которая значительно ниже диапазона частот миллиметровых волн. Если система блока генераторов по настоящему изобретению работает на относительно низких частотах, порядка 4-6 ГГц, то подавать выходную частоту на схему преобразования с повышением не нужно, и, в этом случае, требуется только один термостабильный частотный дискриминатор.

Вышеупомянутые и другие характеристики изобретения станут более очевидны и понятны при рассмотрении частных случаев конструкции изобретения, показанных на сопутствующих чертежах, на которых:
фиг. 1 является блок-схемой многоканального передатчика миллиметрового диапазона волн по одному из представленных вариантов конструкции изобретения;
фиг. 2 является блок-схемой многоканального передатчика миллиметрового диапазона волн по другому представленному варианту конструкции изобретения;
фиг. 3 является блок-схемой многоканального передатчика миллиметрового диапазона волн по еще одному варианту конструкции изобретения;
фиг. 4 является блок-схемой частотного дискриминатора по представленному варианту конструкции изобретения.

Фиг. 1 показывает блок-схему передатчика миллиметровых волн. По причине относительно высоких потерь в кабелях и волноводах на частотах миллиметровых волн сигналы желательно передавать в диапазоне промежуточных частот (ПЧ) в место расположения антенны и затем конвертировать в диапазон миллиметровых волн для усиления и передачи.

Как показано на фиг. 1, отдельные сигналы 15 подаются на модулятор и смеситель 20, выделяющий многоканальный модулированный сигнал 21, желательно в перестраиваемом диапазоне ПЧ, примерно, ниже 10 ГГц. В одном из представленных вариантов конструкции, фиксированный частотный интервал или положительное целое кратное фиксированного частотного интервала, сохраняется между отдельными модулированными сигналами 21, снимаемыми с модулятора и устройства уплотнения каналов 20, так что между каналами существует интерференция.

Многоканальный сигнал ПЧ подается на передатчик с помощью кабеля или волновода. В передатчике конвертер и фильтр 23 преобразуют модулированный сигнал 21 в подходящий миллиметровый диапазон для дальнейшего усиления в усилителе мощности 24 и излучения через антенну 25. Контроллер частоты 22 используется для управления частотой местного генератора, такого как генератор 49 на фиг.2, в конвертере и фильтре 23. Как показано на фиг.1, контроллер частоты 19 используется для управления частотой, получаемой от каждого отдельного генератора в блоке генераторов.

При работе на открытом пространстве или в удаленном месте, генератор, расположенный в конвертере и фильтре 23, может подвергаться воздействиям колебаний температуры. Частота такого генератора может контролироваться и управляться для регулировки диапазона излучаемых частот.

На фиг.2 блок генераторов включает генераторы 30-33. Очевидно, что любое число множества генераторов 30-33 может применяться в соответствии с данным изобретением. Генератор 33 представляет n-й генератор в блоке 29. Отдельные генераторы 30-33, работающие в диапазоне ПЧ, термически сопряжены друг с другом. Такое термическое сопряжение может осуществляться, например, расположением всех отдельных генераторов 30-33 в закрытом корпусе. Такой закрытый корпус часто используется при работе вне помещения и хорошо известен специалистам в этой области, занимающимся конструированием корпусов для блоков генераторов.

Как показано на фиг.2, опорный генератор 26 генерирует опорную частоту f_r, которая подается на термостабильный частотный дискриминатор 27. Опорный генератор 26 располагается в том же пространстве, каким является закрытый корпус, что и отдельные генераторы 30-33. Опорный генератор 26 является электрическим эквивалентом любого из отдельных генераторов 30-33. Опорный генератор 26 не вносится в ПЧ. Все отдельные генераторы 30-33, включая опорный, имеют идентичную конструкцию схемы, расположения элементов и физического размещения. Такое сходство между опорным генератором 26 и каждым из генераторов 30-33 приводит к тому, что все генераторы являются электрическими эквивалентами друг друга. Такое электрическое сходство завершается подгонкой термоэлектрических свойств соответствующих полупроводниковых приборов, способом, хорошо известным специалистам по конструированию полупроводниковых приборов. Например, термоэлектрические свойства опорного генератора 26 и генераторов 30-33 могут подбираться широко распространенной техникой измерений, известной для специалистов в этой области.

Любой нежелательный разнос частоты между отдельными генераторами 30-33 может подстраиваться механической настройкой. Например, в генераторе с диэлектрическим резонатором, механическая подстройка может выполняться подгонкой металлической пластины под диэлектрическим резонатором. Температурные коэффициенты резонансных частот генераторов идентичной конструкции очень близки друг другу. Для генераторов, работающих в помещении при температурах +15^oС и +30^oС, может использоваться температурная компенсация для минимизации любого ухода частоты. Уход частоты регистрируется на выходе опорного генератора 26. Частота f, опорного генератора 26 выбирается так, как показано на фиг.2, f_r < f_l < f_n.

Любые изменения выходной частоты вызывают появление напряжения постоянного тока на частотном дискриминаторе 27. Это напряжение может подаваться на отдельные генераторы 30-33 для компенсации ухода частоты между этими генераторами 30-33. И поскольку генераторы 30-33 являются температурно-сопряженными друг с другом, для компенсации ухода частоты между генераторами 30-33 может быть использовано одно и тоже выходное напряжение постоянного тока.

Если между температурными коэффициентами генераторов 30-33 существует относительно небольшое расхождение, оно может быть снижено простой подборкой резисторов, меняющих распределение напряжения автоматического управления частотой (АПЧ), подаваемого на отдельные генераторы 30-33. Калибровкой сетки резисторов на горячем и холодном концах температурного диапазона можно подобрать хорошее слежение по всему предполагаемому рабочему диапазону температур.

Если способ и устройство согласно настоящему изобретению применяются вне помещения, вполне вероятны значительные изменения выходной частоты, обычно называемые свободными. Другие компоненты в конвертере и фильтре 23 могут использоваться для изменения частоты выходного сигнала. Как показано на фиг. 2, локальный генератор 49 может использоваться для подачи сигнала на смеситель 41 для смешения с модулированным сигналом 21 с модулятора и схемы сложения 20. Как показано на фиг. 2, направленный ответвитель 43 снимает образец сигнала с выхода локального генератора 49 и смешивает образец сигнала с выходным сигналом стабильного генератора 47, расположенного в помещении. Частота стабильного генератора 47 находится в диапазоне ПЧ так, что сигнал этой частоты может быть дан в конвертер и фильтр 23 без значительных потерь. Если расстояние между конвертером и фильтром 23 и стабильным генератором 47 относительно велико, очевидно, что сила сигнала от стабильного генератора 47 может быть увеличена перед смешением в смесителе 45. Приемлемая компонента смешанного сигнала, выделенного со смесителя 45 может использоваться в качестве образца частоты стабильного генератора 47. Эта частотная компонента, показанная на фиг.2 как f_Lo - kf_i, где k является целой, будет отражать любой уход f_Lo. Второй термостабильный частотный дискриминатор 46 генерирует корректирующее напряжение постоянного тока, пропорциональное уходу частоты в f_Lo, и посылает это корректирующее напряжение постоянного тока на вход локального генератора 49.

В соответствии со способом и устройством данного изобретения необходимо применять только один источник стабильной частоты, стабильный генератор 47 на удобной частоте ПЧ диапазона, и один или больше термостабильных частотных дискриминаторов 27 или 46. Эти компоненты должны быть расположены в помещении для легкой термической регулировки.

Фиг.4 показывает блок-схему частотного дискриминатора 27 или 46. Как показано на фиг. 4, только фильтр или дисперсионная сеть 51 и диоды детектора 52 термически стабилизированы. Остальные компоненты, такие как фильтр нижней частоты 53 и усилитель постоянного тока 54, могут не подвергаться термической регулировке.

Фиг.3 показывает другой вариант конструкции устройства управления частотой многоканального передатчика СВЧ. В этом варианте блок генераторов 29 работает в относительно низком диапазоне частот, где потери в кабелях и волноводах относительно малы. Фиг.3 показывает систему прямого синтеза, способную генерировать массив каналов СВЧ до примерно 20 ГГц. Система, показанная на фиг.3, не требует функции преобразования вверх и требует только один термостабильный частотный дискриминатор 27.

В фазокогерентных системах связи или определенных приборах генераторы должны иметь фазовую синхронизацию. Способ и устройство по изобретению могут предоставить эффективные средства устранения ухода генераторов 30-33 из диапазона захвата схем фазовой синхронизации, как результата температурных изменений и старения компонент. Каждый генератор 30-33 может управляться как напряжениями управления частотой с выхода частотного дискриминатора 27, так и управлением усиленного сигнала выхода смесителя схемы фазовой синхронизации, которая может выводить опорный сигнал от определенного эталона. Такой сигнал управления фазы должен иметь значительно меньшее время задержки, чем AFC сигнал с выхода частотного дискриминатора 27, так, что кратковременная стабильность опорного генератора 26, так же как и его фаза, могут легко регулироваться. В одном варианте конструкции средства генерации и выделения опорной частоты для термостабильного частотного дискриминатора 27 включают генератор 26, имеющий выход, электрически соединенный со входом частотного дискриминатора 27. Очевидно, что таким локальным генератором может быть любой подходящий генератор или генераторная схема, известные специалистам в этой области. Аналогично, отдельные генераторы 30-33 блока генераторов 29 могут быть объединены для получения выходного сигнала от частотного дискриминатора 27 любым подходящим образом, известным специалистам. Суммирующее устройство 35, смесители 41 и 45, и усилители 24,37 и 54 также могут быть обычными компонентами, известными специалистам.

Изобретение может быть использовано для управления частотой термически стабильной батареи микроволновых генераторов. Генерируемая опорная частота подается на термически стабильный частотный дискриминатор. Термически стабильный частотный дискриминатор подает напряжение на множество отдельных генераторов. Сигналы отдельных генераторов на несущей частоте или модулированные в полосе частот суммируются в многоканальный сигнал промежуточного диапазона частот. Многоканальный сигнал промежуточного диапазона частот усиливается и подается как выходной сигнал. На относительно низких частотах (4-6 ГГц), преобразование вверх выходного сигнала не требуется. На относительно высоких частотах преобразование вверх может использоваться с использованием второго термически стабильного частотного дискриминатора. Технический результат - повышение температурной стабильности. 2 с. и 17 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления частотой многоканального передатчика, состоящий в том, что генерируют опорную частоту, подают опорную частоту на первый термостабильный частотный дискриминатор, подают первое напряжение постоянного тока от первого термостабильного частотного дискриминатора на множество отдельных генераторов и суммируют множество отдельных сигналов, полученных соответственно от отдельных генераторов, в выходной сигнал, имеющий многоканальную промежуточную частоту, причем генерирование опорной частоты и множества отдельных сигналов осуществляют температурно-сопряженными генераторами. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что многоканальную промежуточную частоту усиливают и используют как выходной сигнал. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выходной сигнал смешивают с сигналом управления, полученным на частоте управления от локального генератора, и формируют первый смешанный сигнал, который усиливают. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что часть сигнала управления смешивают с сигналом опорной частоты, генерируемым источником стабильной частоты для формирования второго смешанного сигнала, второй смешанный сигнал подают на второй термостабильный частотный дискриминатор, второе напряжение постоянного тока подают от второго термостабильного частотного дискриминатора на локальный генератор. 5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что часть сигнала управления отбирают с направленного ответвителя, размещенного на пути сигнала управления. 6. Способ по п. 4, отличающийся тем, что второй смешанный сигнал усиливают. 7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждый из отдельных сигналов, имеет промежуточную частоту, меньшую чем частота выходного сигнала. 8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отдельные сигналы отличаются друг от друга и соседние сигналы отстоят на, по крайней мере, один фиксированный частотный интервал. 9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отдельные сигналы усиливают перед тем, как их модулируют и суммируют. 10. Контроллер частоты для многоканального передатчика, включающий опорный генератор, выход которого соединен с входом первого термостабильного частотного дискриминатора, выход которого, в свою очередь, соединен с входом опорного генератора и с входами множества генераторов, причем выходы множества генераторов соединены с сумматором, выполненным с возможностью получения на его выходе сигнала с многоканальной промежуточной частотой, а опорный генератор и множество генераторов расположены в едином закрытом корпусе, что обеспечивает их температурное сопряжение. 11. Контроллер частоты по п. 10, отличающийся тем, что дополнительно включает усилитель многоканальной промежуточной частоты, для формирования выходного сигнала, подключенный к выходу сумматора. 12. Контроллер частоты по п. 10, отличающийся тем, что дополнительно включает локальный генератор, выделяющий сигнал управления на частоте управления, и подключенный к смесителю для смешения сигнала управления с выходным сигналом и выделения первого смешанного сигнала. 13. Контроллер частоты по п. 12, отличающийся тем, что дополнительно включает усилитель первого смешанного сигнала. 14. Контроллер частоты по п. 12, отличающийся тем, что дополнительно включает второй термостабильный частотный дискриминатор, стабильный генератор, генерирующий сигнал опорной частоты, второй смеситель для смешения сигнала управления с сигналом опорной частоты с образованием второго смешанного сигнала и подачи второго смешанного сигнала на второй термостабильный частотный дискриминатор, и локальный генератор, получающий второе напряжение, поступающее от второго термостабильного частотного дискриминатора. 15. Контроллер частоты по п. 14, отличающийся тем, что включает также направленный ответвитель, включенный в цепь сигнала управления. 16. Контроллер частоты по п. 14, отличающийся тем, что дополнительно включает усилитель второго смешанного сигнала. 17. Контроллер частоты по п. 10, отличающийся тем, что отдельные сигналы имеют каждый промежуточную частоту, меньшую чем выходная частота выходного сигнала. 18. Контроллер частоты по п. 10, отличающийся тем, что отдельные соседние сигналы отличаются друг от друга на, по крайней мере, один фиксированный частотный интервал. 19. Контроллер частоты по п. 10, отличающийся тем, что отдельные сигналы усиливаются перед суммированием.