ГЕНЕРАТОР, УПРАВЛЯЕМЫЙ НАПРЯЖЕНИЕМ Российский патент 2005 года по МПК H03B5/18 H03B7/12 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиопередающей, радиоприемной и радиоизмерительной аппаратуре. Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в малогабаритной приемопередающей аппаратуре широкополосных систем связи.

В последние годы большое внимание уделяется разработке систем связи с повышенной степенью помехозащищенности, способных работать в условиях радиоэлектронного противодействия. Работа большого количества корреспондентов сети такой системы осуществляется с применением метода временного разделения. Для этого каждому из них выделяется определенный временной интервал. Количество временных интервалов за период зависит от информационного построения системы. Высокая помехоустойчивость системы достигается в результате применения специальных видов модуляции и способов кодирования. Рабочий диапазон частот такой системы составляет ˜30%, в котором используются до 100 дискретных частот, на которых могут работать корреспонденты сети. Причем переход с одной частоты на другую происходит автоматически по псевдослучайному закону. Таким образом, для электронных средств противодействия постановка как заградительной, так и прицельной помехи в таком широком диапазоне частот практически невозможна.

В качестве частотозадающего устройства такой системы служит синтезатор частоты, используемый в приемопередающей аппаратуре. На фиг.1 приведена типовая структурная схема синтезатора частот.

Выходной сигнал в заданном диапазоне частот формирует с помощью генератора, управляемого напряжением (ГУН), который имеет 2 выхода. С первого выхода ГУН сигнал подается на выход синтезатора частот, со второго - сигнал поступает на вход делителя частоты с переменным коэффициентом деления (ДКПД).

Требуемый коэффициент деления ДКПД определяется по формуле

N=ƒ_вых/ƒ₀,

где ƒ_вых - выходная частота ГУН,

ƒ₀ - частота сравнения (частота опорного генератора).

С выходов ДПКД и опорного генератора (ОГ) сигналы подаются на частотно-фазовый детектор (ЧФД), где происходит их сравнение по фазе. С выхода ЧФД сигнал в виде постоянного напряжения, пропорционального разности фаз сигналов на входе ЧФД, через сумматор подается на управляющий частотой вход ГУН, образуя замкнутую петлю ФАПЧ.

Для повышения скорости перестройки синтезатора с одной частоты на другую используется предварительная настройка ГУН на заданную частоту с помощью постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) и цифроаналогового преобразователя (ЦАП).

ПЗУ служит для коррекции нелинейности ГУН в широком диапазоне частот. Поэтому в случае использования в синтезаторе линейного ГУН схема синтезатора частот значительно упрощается за счет исключения из нее ПЗУ и ЦАП, что приводит к снижению массогабаритных характеристик и повышению энергетических и надежностных показателей всего устройства.

Как правило, перестройка частоты ГУН осуществляется с помощью варикапа, расположенного в одной из цепей генератора. Нелинейные искажения генератора при использовании варикапа велики. Причиной нелинейности модуляционной характеристики в данном случае является зависимость емкости варикапа от напряжения смещения и частоты от емкости, ведущие в конечном счете к замедлению роста частоты с увеличением напряжения смещения. Поэтому, в ряде случаев, для расширения области применения ГУН необходимы специальные методы линеаризации модуляционной характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является генератор, управляемый напряжением, в котором используются варикапы с разнородными характеристиками [1]. Данный генератор, управляемый напряжением, включает в себя несколько диодов, которые имеют различные вольт-емкостные характеристики. В результате результирующая крутизна перестройки генератора является возрастающей функцией частоты генерации в некотором диапазоне перестройки, что необходимо для работы петли ФАПЧ известного синтезатора. Однако, данный генератор имеет ограниченный участок линейности модуляционной характеристики, что ограничивает область его применения.

Основной технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение линейности характеристики перестройки (модуляционной характеристики) генератора, управляемого напряжением, в достаточно широком диапазоне частот.

Указанный технический результат достигается тем, что в генераторе, управляемом напряжением, содержащем активный элемент, представляющий из себя линейный усилитель с обратной связью, обеспечивающий генерацию сигнала высокой частоты; резонансный контур с переменным реактивным сопротивлением для перестройки частоты вышеупомянутого сигнала высокой частоты, который в свою очередь содержит первый и второй варикапы, между первым и вторым варикапами, которые могут иметь как одинаковые, так и различные характеристики изменения емкости от управляющего напряжения, последовательно включен отрезок микрополосковой линии с включенным в него параллельно конденсатором, образующие реактивное сопротивление, величина которого и характер изменения от частоты зависят от места включения конденсатора в линию, величины его емкости, а также от длины отрезка этой линии и определяются следующим выражением:

где n=6...2,

Z₀ - волновое сопротивление линии,

ω₀ - резонансная частота контура,

λ₀ - длина волны в диэлектрике подложки на резонансной частоте контура,

Х_C - реактивное сопротивление конденсатора, включаемого в линию,

l₁ - расстояние места включения конденсатора до замкнутого конца отрезка линии.

Основным отличительным признаком заявляемого изобретения является то, что между двумя варикапами, входящими в колебательный контур генератора, включается отрезок микрополосковой линии (МПЛ) с включенным в него параллельно конденсатором С. Причем, указанная комбинация МПЛ и С образуют частотно-зависимое (индуктивное) сопротивление, которое меняет величину крутизны и характер наклона (знак) в зависимости от величины емкости конденсатора и места включения его в линию. Таким образом, в колебательный контур последовательно с варикапами включается частотно-зависимое реактивное сопротивление, у которого характер изменения входного сопротивления от частоты (параметр крутизны и его знак) изменяются в зависимости от величины емкости и места включения ее в линию. Варьируя величиной емкости и местом ее включения в линию, можно подобрать характер изменения входного сопротивления реактивности таким образом, чтобы скомпенсировать нелинейность модуляционной характеристики. Как показали теоретические и экспериментальные исследования, заявляемое техническое решение позволяет скомпенсировать любую нелинейность, которая может возникнуть в ГУН, если ввести еще одну степень свободы, а именно, варьировать длиной отрезка МПЛ.

Таким образом, в нашем случае мы также имеем ГУН с варикапами с различными вольт-емкостными характеристиками как и в прототипе, только в отличие от прототипа, характеристика одного из варикапов может качественно меняться в широких пределах (величина крутизны и знак крутизны) за счет подключения указанного выше реактивного сопротивления, параметры которого могут изменяться в процессе регулировки таким образом, что результирующая характеристика емкости обоих варикапов будет иметь линейную зависимость в широком диапазоне управляющего напряжения и, следовательно, в широком диапазоне частот.

Для подтверждения сущности изобретения проведем теоретические исследования системы, состоящей из микрополосковой линии с включенной в нее параллельно емкостью, в следующей последовательности:

1. Определим входное сопротивление указанной системы в точке включения в контур ГУН (в точке подключения к варикапу) как функцию от места подключения емкости и ее величины.

2. Определим, как зависит входное сопротивление такой реактивности от частоты для различных значений емкости и места включения ее в линию.

3. Определим зависимость частоты колебательного контура с включенной в него последовательно указанной реактивностью от напряжения на варикапах и сравним с зависимостью частоты от напряжения на варикапах некомпенсированного контура.

На фиг.2 приведена схема включения варикапов с отрезком МПЛ, с включенной в него емкостью С, а на фиг.3 приведена эквивалентная схема МПЛ, нагруженной на емкость варикапа VD1, т.е. мы имеем короткозамкнутый отрезок МПЛ длиной с включенным в него параллельно конденсатором С, причем, область включения ограничена длиной реального отрезка МПЛ (l). На фиг.2 и 3 обозначено:

Z₀ - волновое сопротивление МПЛ.

l₁ - расстояние от точки включения емкости С до плоскости заземления МПЛ.

l₂ - расстояние точки включения емкости С до конца линии (входа, точки включения VD2), причем

где λ - длина волны в диэлектрике МПЛ.

Определим сопротивление в точке включения емкости в линию. Оно будет определяться как параллельное включение двух реактивных сопротивлений: реактивного сопротивления короткозамкнутого отрезка линии длиной l₁

и реактивного сопротивления емкости Х_с, причем для удобства пронормируем его относительно импеданса Z₀

Таким образом, с учетом (3) емкостное сопротивление Х_с можно записать в виде:

Общее реактивное сопротивление Z₁ в т. l₁ будет определяться выражением:

В результате мы имеем линию длиной l₂, нагруженную импедансом Z1. Эквивалентная схема такой линии изображена на фиг.4.

Известно, что входное сопротивление линии, нагруженной на произвольный импеданс Z1, определяется следующим выражением [2]:

В общем случае Z₁=r₁+jX₁. В нашем случае r₁=0, поэтому

Подставляя выражение для Z1 в (6), получим:

Из (1) , поэтому

С учетом (9) выражение (8) для Z_вх будет иметь вид:

или

На фиг.5 приведена зависимость входного сопротивления системы от места включения емкости в линию для разных значений емкости (m=0,5; 1; 2). Причем, для упрощения расчетов значения l₁ взяты кратными длине волны при резонансе (λ₀). За единичный отрезок выбрана величина λ₀/24, то есть

где n=1,2...12.

Таким образом, весь отрезок микрополосковой линии разбивался на 12 равных частей, и анализ системы проводился при включении емкости последовательно в каждую точку линии, определяемую из условия (12).

Как видно из графиков (фиг.5), величина реактивного сопротивления рассматриваемой системы и характер его изменения зависят от места включения емкости в линию и величины емкости. В нашем случае область включения емкости в линию ограничена реальной длиной отрезка МПЛ и заключена в пределах от до .

Теперь найдем зависимость входного сопротивления системы, определяемого выражением (11), от частоты.

Запишем выражение для длины волны и, подставив в выражение для фазового угла , получим

а с учетом выражения (12), (13) можно записать в виде:

Подставим выражение для α в (11) и с учетом того, что , получим:

Здесь мы учли в выражении (3) зависимость Х_с от частоты, то есть

На фиг.7, 8, 9, 10, 11 приведены кривые зависимости Z_вх от частоты для различных значений m и n, построенные в соответствии с выражением (15).

Характерной особенностью приведенных кривых является наличие экстремальных точек, в которых меняется характер крутизны входного сопротивления системы от частоты, а величина крутизны зависит от величины емкости. Чем больше емкость (меньше m), тем выше характер крутизны входного сопротивления. Кроме того, изменяя длину отрезка линии, мы имеем возможность перемещать эти кривые по шкале частот, так как приведенные выше соотношения будут справедливы для другой частоты, на которой новая длина линии будет составлять половину длины волны. Так, укорачивая отрезок линии, мы увеличиваем частоту, на которой он становится равным половине длины волны, и поэтому все кривые будут перемещаться вверх относительно старой шкалы частот и, наоборот, при увеличении длины отрезка они будут смещаться вниз по диапазону частот.

Таким образом, меняя величину емкости и точку включения ее в линию, а также длину линии, можно для данной частоты подобрать любой характер изменения входного сопротивления исследуемой системы (реактивности), включенной в контур ГУН, и тем самым скомпенсировать нелинейности практически любого вида, которые могут возникнуть в схеме ГУН.

Для подтверждения эффекта компенсации нелинейных искажений, обусловленных нелинейной емкостью варикапа, определим зависимость частоты колебательного контура с включенной в него последовательно исследуемой реактивностью от напряжения на варикапе и сравним с зависимостью частоты от напряжения смещения на варикапе некомпенсированного контура.

Рассмотрим последовательный колебательный контур, состоящий из емкости варикапа (С_в) и индуктивности (L₀). Зависимость емкости варикапа от приложенного к нему напряжения смещения (u) устанавливается известным соотношением:

где

С_ВО - величина емкости варикапа в отсутствие внешнего напряжения,

ϕ_K - контактная разность потенциалов,

Z - коэффициент, зависящий от закона изменения концентрации примесей в р-n переходе,

Z=1/2 - для резкого перехода,

Z=1/3 - для плавного перехода.

Напишем выражение для частоты рассматриваемого колебательного контура от напряжения на варикапе

На фиг.6 приведена зависимость частоты такого колебательного контура от напряжения на варикапе для и при ϕ=0,3В.

Как видно из рисунка, эти зависимости имеют нелинейный характер и определяют величину нелинейных искажений генераторов с варикапной перестройкой частоты.

Дополним данный колебательный контур отрезком микрополосковой линии длиной λ/2 с включенной в него емкостью. Как мы уже показали, входное сопротивление такой системы будет иметь индуктивный характер, причем величина его и характер изменения от частоты зависят от величины емкости, точки ее включения и длины отрезка. Поэтому эту реактивность можно заменить эквивалентной индуктивностью, зависящей от частоты L_Ш(ω), причем выражение (15) можно представить в виде:

X_BX(ω)=L_Ш(ω)·ω

или

Напишем выражение для частоты такого контура

Обозначим - резонансная частота некомпенсированного контура при отсутствии внешнего напряжения на варикапе.

Обозначим также , тогда выражение (20) можно переписать в виде:

или с учетом

Сравнивая с выражением для частоты некомпенсированного контура, выражение (22) примет вид

или

Для анализа выражения (23) необходимо определить зависимость Х_вх от напряжения на варикапе. Для этого из выражения (18) определим зависимость как функцию от этого напряжения

или

Обозначим . Таким образом , и выражение для Х_вх (15) можно записать в следующем виде:

Подставляя для Х_вх в (23), получим зависимость частоты компенсированного контура от напряжения управления на варикапе

где

На фиг.12-16 приведены зависимости от напряжения на варикапе для различных значений m и n при Z=1/2 и ϕ_K=0,3 B, где представлена как функция от m и n, то есть .

Из приведенных графиков можно определить, при каких значения m и n зависимость частоты компенсированного контура от напряжения на варикапе имеет линейный характер. Проведенный анализ показал, что для m=1,6 и n=11 при напряжении управления от 1 В до 8 В зависимость имеет линейный характер.

Здесь мы показали возможность компенсации нелинейности вольт-емкостной характеристики варикапа VD2, точно так же возможна компенсация нелинейной суммарной характеристики варикапов VD1 и VD2. Следует заметить, что при визуальном наблюдении модуляционной характеристики процесс регулировки не занимает много времени.

На фиг.17, 18 приведены топологический чертеж и электрическая принципиальная схема ГУН.

Генератор выполнен на диэлектрической подложке 1, одна сторона которой металлизирована, а на другой расположены все элементы схемы.

В качестве активного элемента схемы используется транзистор 2, включенный по схеме с «общей базой». В цепи обратной связи генератора включен колебательный контур, который кроме индуктивного базового вывода содержит два варикапа VD1 (4) и VD2 (3), с включенным между ними отрезком микрополосковой линии (МПЛ) WL2 (5), причем длина его может регулироваться с помощью перемычки (5').

Режим по постоянному току транзистора обеспечивается с помощью переменного резистора R2 (10) и постоянного R1 (13). Для развязки цепей по высокой частоте используются отрезки МПЛ длиной λ/4, закороченные на конце с помощью конденсаторов. По цепи управления - это WL1 (15) с конденсатором С1 (14) и WL4 (20), по цепи питания - WL6 (18) и С6 (9). В базовой цепи - WL5 (16) с С5 (11) и эмиттерной WL3 (16) с С2 (12). Для развязки цепи подачи смещения по постоянному току на варикапе служит конденсатор С4 (7). Резонансная цепь обеспечивает работу генератора по схеме с «общей базой». Разделительный конденсатор С7(8) и замкнутый отрезок МПЛ WL7 (19) образуют широкополосную выходную цепь генератора.

При подаче напряжения питания на транзистор VT1 (2) и управляемого напряжения на варикапы VD1 (4) и VD2 (3) в схеме возбуждаются колебания на частоте, соответствующей условию баланса фаз и амплитуд. Изменением напряжения смещения на варикапах осуществляется перестройка частоты генерации.

Повышение линейности характеристики перестройки частоты (модуляционной характеристики) в широком диапазоне частот обеспечивается за счет отрезка МПЛ (5), расположенного между варикапами (3) и (4) с включенным в него параллельно конденсатором (6), образующим реактивное сопротивление, включенное последовательно в контур генератора, входное сопротивление которого определяется выражением (15). Величина реактивности и характер ее изменения от частоты зависят от места включения конденсатора в линию, величины емкости, а также от длины отрезка МПЛ (5). Меняя место включения конденсатора (с помощью перемычек), его емкость (так же с помощью перемычек), а также длину отрезка (с помощью перемычки (5) - при необходимости), можно подобрать характер зависимости этого сопротивления от частоты таким, что происходит компенсация нелинейности суммарной характеристики перестройки VD1 и VD2.

Конфигурация отрезка МПЛ и ее волновое сопротивление определяются из возможной практической реализации общей топологии генератора, размерами подложки. Конденсатор (6) выполнен в виде металлизированных площадок, которые могут подключаться в любой точке МПЛ с помощью металлических перемычек (например, индиевая фольга).

Длину отрезка МПЛ можно менять с помощью перемычки (5').

Использование предлагаемого изобретения позволяет значительно (на порядок) снизить нелинейные искажения ГУН в диапазоне перестройки до 30%, что значительно расширяет область применения указанного ГУН и также значительно упрощает схему синтезатора частот, в котором он используется, что снижает массогабаритные характеристики и повышает энергетические и надежностные показатели приемопередающей аппаратуры.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Патент США №5373259. (Прототип).

2. X.Мейнке и Ф.В.Гундлах. Радиотехнический справочник, т.1. Государственное энергетическое издательство, Москва, 1960 г.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в малогабаритной приемопередающей аппаратуре широкополосных систем связи в качестве частотно-задающего генератора, управляемого напряжением, синтезатора частот. Техническим результатом является повышение линейности характеристики перестройки (модуляционной характеристики) генератора в широком диапазоне частот. Между двумя варикапами, входящими в колебательный контур генератора, включается отрезок микрополосковой линии (МПЛ) с включенным в него параллельно конденсатором. Причем указанная комбинация отрезка МПЛ и конденсатора образует частотно-зависимое (индуктивное) сопротивление, которое меняет величину крутизны и характер наклона (знак) в зависимости от величины емкости конденсатора и места включения его в линию.18 ил.

Генератор, управляемый напряжением, содержащий активный элемент, представляющий из себя линейный усилитель с цепью обратной связи, в которую включен резонансный контур с переменным реактивным сопротивлением для перестройки частоты вышеупомянутого генератора, отличающийся тем, что между первым и вторым варикапами, которые могут иметь как одинаковые, так и различные характеристики изменения емкости от управляющего напряжения, последовательно включен отрезок микрополосковой линии с включенным в него параллельно конденсатором, образующие реактивное сопротивление, величина и характер изменения от частоты которого зависят от места включения конденсатора в линию и величины его емкости и определяются следующим выражением:

где Z₀ - волновое сопротивление линии;

Х_C - реактивное сопротивление конденсатора, включаемого в линию;

N - параметр, определяющий положение места включения конденсатора в линию;

ωо - резонансная частота контура;

ω - частота колебаний генератора.