ФОРМИРОВАТЕЛЬ СЕТКИ ЧАСТОТ Российский патент 2003 года по МПК H03B1/04 H03B21/02 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам формирования высокочастотных, сверхвысокочастотных (СВЧ) и крайневысокочастотных (КВЧ) колебаний с быстрой перестройкой частоты, и может быть использовано в приемопередающей и измерительной аппаратуре.

В настоящее время формирование сигналов производится различными путями. Одним из них является метод прямого синтеза колебаний от одного кварцевого генератора с умножением, делением и сложением частот с целью формирования заданной сетки частот в метровом диапазоне волн с последующим умножением частоты выходного колебания [1]. Основным недостатком такого синтеза является наличие паразитных составляющих в спектре выходного колебания, уровень которых приблизительно составляет минус 60 дБ относительно уровня полезного сигнала, что не всегда допустимо, например, при использовании генерируемых колебаний в качестве гетеродинных сигналов приемника [1].

Другой вариант [1, 2] предусматривает формирование сетки частот из колебаний, например, СВЧ генератора, охваченного петлей фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с высокостабильным опорным генератором метровых волн. Однако такой способ не обеспечивает возможность быстрой перестройки частоты из-за конечной величины постоянной времени петли ФАПЧ (время переключения составляет десятки и сотни мкс).

Для обеспечения высокой степени чистоты спектра выходного колебания, максимального быстродействия при переключении частот применяются формирователи с переключаемыми генераторами. Известен формирователь сетки частот [1, с. 54], содержащий набор генераторов и высокоскоростной коммутатор, подключающий к выходной нагрузке в данный момент времени один из генераторов. Такой формирователь является наиболее близким аналогом заявляемому устройству и выбран за его прототип.

Известное устройство содержит N генераторов и N выключателей с устройствами управления, где N≥2, входы которых подключены к соответствующим генераторам, а выходы - присоединены в одной точке к общей нагрузке.

Устройство работает следующим образом. Генераторы генерируют колебания заданной сетки из N частот одновременно, т.е. находятся в "горячем" состоянии, что обеспечивает возможность быстрого перехода от одной частоты к другой путем переключения соответствующего выключателя в состояние "включено" без затрачивания времени на установление или спад колебаний при включении или выключении питания генераторов. В текущий момент времени только один из выключателей коммутатора находится в состоянии включено, а остальные находятся в состоянии "выключено".

Уровень паразитных сигналов в спектре выходного сигнала формирователя, появляющихся вследствие просачивания через выключатели сигналов отключенных в данный момент времени генераторов, определяется вносимым затуханием выключателей в состоянии "выключено". Это же затухание определяет связь между отключенными генераторами и включенным генератором и, следовательно, изменение (девиацию) его частоты из-за явления затягивания частоты одного генератора при проникновении на него сигнала генератора близкого по частоте соседнего канала. Кроме того, входное сопротивление выключателя, который обычно строится по схеме полного отражения энергии в состоянии "выключено", изменяется от величины, соответствующей режиму согласования с выходным сопротивлением генератора в режиме "включено", до чисто реактивного сопротивления в режиме "выключено". Это приводит к дополнительной девиации частоты генератора из-за изменения импеданса его нагрузки.

При большом вносимом затухании выключателя основной составляющей девиации частоты генератора является девиация, вызванная изменением импеданса его нагрузки, причем не только на основной, но и на высших гармониках частоты генерации.

Девиация частоты генератора приводит к тому, что преимущества построения формирователя сетки частот по схеме одновременной генерации всех генераторов, в первую очередь, скорость перехода с одной частоты на другую, теряются. После переключения выключателя требуется некоторое время на установление колебаний заданной частоты. Указанное время тем больше, чем выше добротность колебательной системы генератора, определяемая требуемой стабильностью частоты генерации.

Недостаточная развязка выключателей приводит не только к дополнительному затягиванию частоты генерации подключенного генератора частотой генератора соседнего, близкого по частоте, канала, но и является причиной загрязненности спектра выходного сигнала формирователя. Затягивание же частоты генератора при изменении входного импеданса выключателя на основной и высших гармониках при изменении состояния "включено/выключено" является неустранимым недостатком схемы прототипа.

Кроме того, построение коммутатора на выключателях, присоединяемых параллельно по своим выходам к общей нагрузке, весьма затруднительно на высоких частотах. Например, при использовании в качестве активных элементов выключателей полевых транзисторов или p-i-n - диодов их проходная паразитная емкость, составляющая десятые доли пикофарад, может существенно шунтировать выходную нагрузку формирователя. Из-за этого становится сложным не только конструктивно, но и схемотехнически реализовать коммутатор на большое число каналов.

Таким образом, недостатками прототипа являются:
- наличие затягивания частоты генератора вследствие изменения импеданса его нагрузки при переключении коммутатора;
- загрязненность спектра выходного сигнала и дополнительная девиация частоты генераторов из-за недостаточно высокой развязки каналов генерации;
- сложность конструкции из-за применения коммутатора на большое число входов.

Целью изобретения является уменьшение затягивания частоты генераторов при переключении частотных точек, снижение уровня паразитных сигналов соседних генераторов в спектре выходного сигнала формирователя, а также упрощение конструкции последнего.

Указанная цель достигается тем, что у формирователя сетки частот, содержащего не менее двух генераторов и не менее двух выключателей с устройствами управления, при этом вход каждого выключателя подключен к соответствующему генератору, в выключатели по входу и выходу введены коммутируемые согласованные нагрузки, по выходу формирователя вводится развязанный по своим входам широкополосный сумматор мощности, причем выходы выключателей изолированы друг от друга и подключены к входам сумматора мощности.

При этом входной импеданс выключателя с подключенным к его выходу сумматором мощности будет согласован с выходным сопротивлением генератора в обоих состояниях выключателя.

Изолирование выходов выключателей друг от друга, обеспечение согласованного режима их работы не только по входу (по выходу генератора), но и по выходу за счет применения коммутируемых нагрузок, а также применение широкополосного сумматора мощности позволяет обеспечить не только согласованный режим работы генераторов, но и дополнительное затухание для просачивающихся сигналов отключенных генераторов и дополнительную развязку между ними. Это приводит к уменьшению затягивания частоты, снижению уровня паразитных сигналов соседних генераторов в спектре выходного сигнала, а также к упрощению конструкции вследствие исключения необходимости соединения выходов выключателей в одной точке.

Другой целью изобретения является дополнительное уменьшение затягивания частоты генерации при работе на СВЧ и КВЧ. Такая задача актуальна при формировании сетки частот в диапазоне сантиметровых и более коротких волн. В этих диапазонах полоса рабочих частот выключателей и сумматора мощности ограничивается из-за их построения на распределенных элементах (длинных линиях). Если на высоких частотах радиодиапазона (до 300 МГц) и в низкочастотной части СВЧ диапазона (до 3 ГГц) создание широкополосного выключателя и сумматора мощности, построенных на сосредоточенных элементах и перекрывающих диапазон частот в несколько октав, еще достижимо, то при использовании распределенных элементов на частотах выше 3 ГГц их построение с такими полосовыми свойствами весьма проблематично. При этом импеданс нагрузки генератора на высших гармониках частоты генерации будет отличаться от импеданса нагрузки на основной частоте генерации, и, что более важно с точки зрения девиации частоты генератора, будет зависеть от состояния выключателя даже при использовании согласованных нагрузок на его входе и выходе. Выключатели и сумматор мощности на распределенных элементах могут иметь несколько полос пропускания и запирания, что еще больше усложняет достижение постоянства нагрузки генератора на высших гармониках при переключении выключателя.

Указанная цель достигается тем, что в формирователь сетки частот дополнительно между каждыми генератором и выключателем вводится фильтр высших гармоник частоты генерации. Фильтр гармоник обеспечивает произвольный, но постоянный, т. е. независимый от состояния выключателя, входной импеданс нагрузки генератора на высших гармониках. При этом фильтр гармоник на основной частоте генерации (первой гармонике) согласован с выходным сопротивлением генератора так же, как переключатель и сумматор мощности. Таким образом, фильтр гармоник обеспечивает постоянное (независимое от состояния выключателя) сопротивление нагрузки генератора для высших гармоник частоты генерации, а вместе с выключателем и сумматором мощности создает согласованный режим работы генератора на основной частоте генерации, что и приводит к дополнительному снижению, вплоть до полного исключения, той составляющей девиации частоты генератора, которая обусловлена изменением состояния выключателя.

Еще одной целью изобретения является обеспечение возможности наращивания сетки частот без усложнения конструкции формирователя.

Указанная цель достигается путем введения усилителя, к входу которого подключен второй, внешний по отношению к первому и аналогичный ему формирователь, вырабатывающий сигналы дополнительной сетки частот, а к выходу усилителя подключен дополнительный вход сумматора мощности, причем коэффициент передачи с входа усилителя до выхода сумматора мощности выбирается равным единице. При этом первый формирователь будет иметь сетку из N частот, а совокупность первого и второго формирователей будет иметь сетку из 2N частот.

При необходимости дальнейшего расширения сетки частот в формирователе дополнительной сетки частот также вводится дополнительный усилитель и дополнительный вход сумматора мощности. Усилители предназначены для компенсации потерь и, в первую очередь, в сумматоре мощности с целью выравнивания мощности сигналов всей сетки частот на выходе первого формирователя. При этом конструкция отдельных формирователей не усложняется. Они могут быть выполнены в виде отдельных соединенных между собой по высокой частоте и конструктивно законченных узлов, а формирователь полной сетки частот представляет собой их совокупность.

На фиг. 1 прилагаемого чертежа представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства с согласованными выключателями, на фиг. 2 - структурная электрическая схема предлагаемого устройства с дополнительными фильтрами гармоник, на фиг. 3 - пример построения электрической принципиальной схемы фильтра гармоник и согласованного выключателя, на фиг. 4 - топологический чертеж выполненной по схеме фиг. 3 микрополосковой платы, содержащей фильтр гармоник и согласованный выключатель, на фиг. 5 - структурная схема формирователя, позволяющего расширить сетку частот до 2N частотных точек, на фиг. 6 - структурная схема формирователя с количеством частотных точек, равным произведению K•N.

Предлагаемый формирователь (фиг. 1) содержит N генераторов 1, генерирующих колебания различных частот, и N выключателей 2 с устройствами управления. В отличие от прототипа в выключатель введены коммутируемые согласованные нагрузки 3 и 4 соответственно по его входу и выходу, обеспечивающие в обоих состояниях "включено/выключено" согласование на основной частоте генерации и ее высших гармониках, по выходу формирователя введен развязанный по своим входам широкополосный сумматор мощности 5. Выход сумматора мощности является выходом формирователя сетки частот.

Устройство работает следующим образом. Выходной сигнал генератора 1 поступает на выключатель 2, содержащий на своем входе и выходе переключаемые нагрузки 3 и 4, обеспечивающие согласованный режим работы генератора на основной частоте генерации и ее гармониках. В состоянии "включено", когда выключатель пропускает сигнал генератора к широкополосному согласованному сумматору мощности 5, согласованные нагрузки отключены от линии передачи, а в состоянии "выключено" согласованные нагрузки подключаются параллельно к входу и выходу выключателя, а развязка между входом и выходом выключателя обеспечивается обычным образом, например путем применения последовательно и параллельно включенных в линию передачи р-i-n -диодов. Сумматор мощности также должен обеспечивать широкополосное согласование не только в диапазоне рабочих частот генераторов, но и на их высших гармониках. Таким образом, достигается постоянство импеданса нагрузки генератора как по основной, так и по высшим гармоникам частоты генерации в обоих состояниях выключателя и, следовательно, снижение затягивания частоты генерации.

Построение выключателя по схеме двустороннего согласования позволяет также повысить вносимое им ослабление в состоянии "выключено" и, следовательно, чистоту спектра выходного сигнала формирователя. Это объясняется тем, что просачивающаяся через выключатели энергия отключенных каналов дополнительно поглощается в выходных нагрузках выключателей 5, не транслируясь к сумматору мощности. Кроме того, все входы сумматора мощности оказываются подключенными к выходным нагрузкам 5 выключателей, находящихся в состоянии "выключено", чем обеспечивается согласованный режим его работы по выходу подключаемого генератора. Этим же обеспечивается дополнительная развязка между входами сумматора мощности и, соответственно, дополнительная развязка между выходами каналов генерации. Все это приводит к снижению просачивания сигнала отключенных генераторов на выход подключенного и, следовательно, наряду с уменьшением паразитных сигналов на выходе формирователя - к снижению девиации частоты.

Сумматор мощности может быть выполнен на сосредоточенных элементах по широко известной бинарной схеме, что позволяет упростить присоединение выходов выключателей к общей нагрузке и теоретически не ограничивает число каналов генерации формирователя. Практическое ограничение связано лишь с соображениями целесообразности повышения конструктивной сложности формирователя сетки частот при большом числе генераторов, объединенных единой конструкцией.

Таким образом, достигается первая поставленная цель изобретения - уменьшение затягивания частоты генерации при переключении частотных точек, снижение паразитных сигналов в спектре выходного сигнала и упрощение конструкции формирователя сетки частот.

При построении выключателя и сумматора мощности на распределенных элементах трудно рассчитывать на достижение полосы пропускания более одной октавы, т.е. уже на второй гармонике частоты генерации (не говоря о более высших гармониках) возможно отличие входных импедансов выключателя и сумматора мощности от импеданса на первой гармонике и, следовательно, возможно влияние изменения этого импеданса на затягивание частоты генерации. Так, например, бинарный сумматор мощности на полу волновых кольцевых делителях мощности [3] имеет полосу рабочих частот не более октавы. Полоса рабочих частот выключателей, построенных на распределенных элементах, также не превышает одной октавы. По этим причинам в СВЧ и КВЧ формирователях сетки частот, построенных на распределенных элементах, импеданс нагрузки генератора на высших гармониках частоты генерации зависит от состояния выключателя и введение согласованных нагрузок по входу и выходу последнего не полностью решает задачу снижения девиации частоты генераторов в указанных диапазонах.

Поэтому для дополнительного снижения затягивания частоты генерации между каждыми генератором и выключателем формирователя вводится новый элемент - фильтр гармоник, обеспечивающий постоянство нагрузки генератора на высших гармониках и согласованный режим на основной гармонике частоты генерации (фиг. 2).

Устройство работает следующим образом. Фильтр гармоник 5 представляет собой пассивное устройство, вносящее большое затухание на гармониках частоты генерации и пропускающее сигнал основной частоты. При этом входной импеданс фильтра на основной частоте генерации согласован с выходным импедансом генератора, а на высших гармониках представляет произвольные реактивные значения. Входной импеданс выключателя и сумматора мощности должен быть при этом согласован с выходным импедансом генератора только на основной частоте генерации, т.к. благодаря высокой развязке на частотах гармоник, вносимых фильтром гармоник, влиянием входных импедансов выключателя и сумматора мощности на высших гармониках можно пренебречь. По этой же причине изменение входного импеданса выключателя на высших гармониках при изменении состояния выключателя не изменит импеданс нагрузки генератора на указанных гармониках, что и приводит к дополнительному уменьшению девиации частоты генерации.

Таким образом, фильтр гармоник обеспечивает режим постоянного входного реактивного сопротивления на высших гармониках частоты генерации, а на основной частоте генерации его входное сопротивление согласовано с выходным сопротивлением генератора. Фильтр гармоник может быть выполнен в виде фильтра нижних частот, обеспечивает чисто реактивный импеданс на второй, третьей и т. д. гармониках. В частных случаях, например, при возможности построения согласованных выключателей и сумматора мощности, обеспечивающих согласованный режим на основной и нечетных гармониках, фильтр гармоник может подавлять только четные гармоники частоты генерации, что может упростить схему его построения. Кроме того, следует учитывать уменьшение относительного уровня гармоник основной частоты с ростом номера гармоники как 1/n, где n - номер гармоники. Поэтому требования к полосе заграждения фильтра гармоник могут быть ослаблены, что должно подтверждаться экспериментальными исследованиями затягивания частоты генераторов.

Пример построения электрической схемы фильтра гармоник и согласованного выключателя в микрополосковом исполнении показан на фиг.3.

Фильтр гармоник 5 выполнен по простейшей схеме и содержит два разомкнутых на конце шлейфа длиной λ/8, где λ - длина волны на основной частоте генерации генератора, параллельно подключенных к основной линии передачи и отстоящих друг от друга приблизительно на λ/4. Такой фильтр обеспечивает запирание на второй гармонике частоты генерации, на которой длина шлейфов становится равной λ₂/4 (λ₂ - длина волны в линии передачи на частоте второй гармоники), более 30 дБ и практически не вносит рассогласования и потерь на первой гармонике. Входное сопротивление фильтра на второй гармонике частоты генерации в сечении первого шлейфа близко к короткому замыканию. Как показали экспериментальные исследования, подавление только второй гармоники частоты генерации при использовании на выходе фильтра выключателя по схеме фиг. 3 и бинарного сумматора мощности на полуволновых кольцевых делителях мощности практически достаточно для исключения затягивания частоты генерации при переключении выключателя. При этом на третьей гармонике входное сопротивление фильтра гармоник имеет определенный реактивный характер, а выключатель согласован на частоте этой гармоники в обоих своих состояниях. Таким образом, схема фиг. 3 создает условия постоянного входного импеданса на основной, второй и третьей гармониках частоты генерации.

Приведенная на фиг. 3 схема реализована, как и весь формирователь сетки частот, в 3-сантиметровом диапазоне волн в микрополосковом исполнении. Выключатель (фиг. 4) построен на p-i-n - диодах типа 2А551А-3 (D2, D3 и D4) и 2А547А-3 (D1 и D5). Состояние максимального вносимого ослабления выключателя соответствует пропусканию прямого тока через диоды D2, D3 и D4. При этом на диодах D1 и D5 присутствует запирающее напряжение приблизительно 0,8 В, а согласованные нагрузки 4 и 5 (резисторы R1 и R2) величиной 50 Ом оказываются включенными через открытые диоды D2 и D4 параллельно в микрополосковую линию по входу и выходу выключателя, что обеспечивает согласование в режиме "выключено".

При подаче прямого тока на диоды D1 и D5 последние шунтируют резисторы соответственно R1 и R2, а прямое напряжение на диодах D1 и D5 запирает диоды D2, D3 и D4, что соответствует минимальному вносимому ослаблению выключателя. Конденсаторы С1 и С2 типа К26-46 служат для устранения излишнего потребления тока при подаче управляющих токов на p-i-n-диоды.

Макет формирователя сетки 4-х частот, выполненного в виде микроэлектронного СВЧ модуля, содержал две ступени описанных выключателей с фильтром гармоник в первой ступени. Коэффициент стоячей волны выключателей в обоих состояниях "включено/выключено" в рабочем диапазоне частот и на утроенной частоте не превышал 1,6. Затягивания частоты генераторов при переключении выключателей не наблюдалось, а вносимое ослабление сигналов отключенных генераторов составило 90-100 дБ. Поэтому уровень паразитных сигналов на выходе формирователя не превышал минус 90 дБ относительно уровня полезного выходного сигнала.

Для формирования расширенной сетки частот в формирователь, выполненный по фиг. 1 или 2 (для простоты начертания за базовый формирователь выбираем формирователь, построенный по фиг. 1), вводится усилитель 7 (фиг. 5) и дополнительный вход 8 сумматора мощности 5. На вход усилителя подается сигнал с выхода второго, внешнего по отношению к первому и аналогичного ему формирователя сетки частот (т.е. с выхода его сумматора мощности), выполненного по фиг. 1 или 2, при этом выход усилителя 7 подсоединен к дополнительному входу 8 сумматора мощности. Последний, таким образом, должен иметь (N+1) вход. На выходе формирователя фиг. 5 при включении его выключателей будут существовать сигналы его генераторов, а при выключении всех выключателей будут транслироваться через усилитель 7 сигналы внешнего формирователя сетки частот. При этом коэффициент передачи с входа усилителя 7 до выхода сумматора мощности 5 выбирается равным единице. Если формирователь по фиг. 5 будет иметь сетку из N частот, то его соединение с формирователем по фиг. 1 или 2 будет иметь сетку уже из 2N частот.

Такое построение позволяет неограниченно наращивать сетку частот формируемых сигналов (фиг. 6). Для формирования K•N частотных точек необходимо иметь (К-1) формирователей, выполненных по фиг. 5, и один формирователь, выполненный по фиг. 1 или 2, причем каждый отдельный формирователь должен формировать N частотных точек.

При этом конструкция отдельных формирователей не усложняется. Они могут быть выполнены в виде отдельных соединенных между собой по высокой частоте и конструктивно законченных узлов, а формирователь полной сетки частот представляет собой их совокупность.

Таким образом, технический эффект от использования предлагаемого решения по сравнению с прототипом заключается в практическом исключении затягивания частоты генерации при переключении частоты, улучшении чистоты спектра формируемого колебания и возможности неограниченного наращивания числа частотных точек формирователя сетки частот без усложнения его конструкции.

Источники информации
1. А.В. Рыжков, В.Н. Попов. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь, 1991.

2. Южаков В. В. Малошумящие синтезаторы для РЛС с быстрой перестройкой частоты. Зарубежная радиоэлектроника, 1985, 6. М.: Радио и связь.

3. Малорацкий Л. Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. М.: Советское радио, 1976.

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат заключается в уменьшении затягивания частоты, снижении уровня сигналов соседних каналов генерации в спектре выходного сигнала и обеспечении наращивания сетки частот без усложнения конструкции формирователя. Формирователь содержит не менее двух генераторов, не менее двух выключателей с введенными по входу и выходу согласованными коммутируемыми нагрузками и развязанный по своим входам сумматор мощности. 6 ил.

1. Формирователь сетки частот, содержащий не менее двух генераторов и не менее двух выключателей с устройствами управления, при этом вход каждого выключателя подключен к соответствующему генератору, отличающийся тем, что в формирователь введен развязанный по своим входам сумматор мощности, в выключатели по входу и выходу введены коммутируемые согласованные нагрузки, причем выходы выключателей изолированы друг от друга и подключены к входам сумматора мощности.2. Формирователь сетки частот по п.1, отличающийся тем, что дополнительно между каждыми генератором и выключателем введен фильтр высших гармоник частоты генерации.3. Формирователь сетки частот по п.1 или 2, отличающийся тем, что в него введен усилитель, к входу которого подключен второй, внешний по отношению к первому и аналогичный ему формирователь, вырабатывающий сигналы дополнительной сетки частот, а к выходу усилителя подключен дополнительный вход сумматора мощности, причем коэффициент передачи с входа усилителя до выхода сумматора выбирается равным единице.