Управляемый автогенератор на поверхностных акустических волнах Советский патент 1991 года по МПК H03B5/32 H03H9/42 

1

(21)4823134/22

(22) 10.05.90

(46) 07.10.91. Бюл. Ns 37

(71)Московский научно-исследовательский институт радиосвязи

(72)В.Д.Кац. В.С.Орлов, В.Н.Банков, Г.П.Пе- тин и А.И.Заковоротный (53)621.373.121.13(088.8)

(56)Речицкий В.И. Акустоэлектронные ра- диокомпонеиты, - М.: Советское радио, 1980, с. 202-208.

Дворников А.А. и др. Стабильные генераторы с фильтрами на ПАВ. - М.: Радио и связь, 1983, с. 123 и 124. (54) УПРАВЛЯЕМЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

(57)Изобретение относится к радиоэлектронике. Целью изобретения является увеличение диапазона перестройки частоты без ухудшения кратковременной стабильности. Устройство содержит усилитель 9, в цепь обратной связи которого включены четные линии 1-4 задержки, выполненные в виде пар входных 5 и выходных 6 встречно-штыревых преобразователей (ВШП), размещенных в параллельных акустических каналах на рабочей поверхности пьезоэлектрического звукопровода 7, и фазовращатели 8, каждый из которых последовательно соединен с соответствующей линией задержки. Расстояния между центрами входных 5 и выходных 6 ВШП каждой линии задержки выбраны из условия

f I На-1/4(11+12+ls+U),1

(IH2 l3-kUl+l2-hH4 1 /8 (h+l2+l3+l4).

где Н-Ц - расстояния между центрами входных 5 и выходных 6 ВШП в первом - четвер

О

ш

W

ч

том акусшческих каналах соответственно, м; а протяженность каждого из ВШП выбрана из соотношения LI 1/32 (h+ I2+ 1з+ М), где LI - протяженность входного или выходного ВШП в 1-ом акустическом канале, м; при этом соотношение приращений фазы фазовращателей выбрано из услоИзобретение относится к радиоэлектронике и может бьггь использовано в системах связи и радиолокации для получения зысокостабмльных гармонических колебаний при низком уровне шумов.

Известен автогенератор на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий усилитель м частотозадающий элемент в виде линии задержки (ЛЗ) на ПАВ в цепи обратной связи,

При соблюдении условий баланса амплитуд и фаз генерируется грубенчатый спектр с интервалом между отдельными частотами (модами), обратно пропорциональ- ным расстоянию между входным и выходным встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) в ЛЗ.

Недостатком известного генератора яв ,ч низкая кратковременная стабильность из-за возможного перескока с одной моди на другую и высокий уровень шумов из-за генерации сразу нескольких мод. Единственным условием одномодово- го генератора является совпадение всех частот гребенчатого спектра, кроме центральной, с нулями амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) частотозадающего элемента ЛЗ на ПАВ.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сути и конструктивному исполнению является управляемый автогенератор, реализующий принцип конкуренции типов колебаний с одновременной фильтра цией паразитных мод, который содержит усилитель, частотозадающий элемент в виде двухканальной ЛЗ на ПАВ в цепи обратной связи и элемент управления частотой (фазовращатель). Двухканальная ЛЗ на ПАВ, в свою очередь, содержит два выход- ных широкополосных и общий полосозада- ющий входной ВШП. Протяженность полосозадающего ВШП, расстояния между входными выходным ВШП выбраны так, что нули АЧХ ЛЗ на ПАВ совпадают с частотами

вия : А : Асдз: (рл , где , Д02, Д$РЗ , Л.о: иира ие- ния фазы фазовраща, ej-cH с соеди неиных последовательно ъ лмчиямм задержки первого - .e eoioso La- налов соответственно, .мд. 2 мл.

всех мод, кроме рабочей цен репы юл мод и вэрьйроьпнкег. q/азового Hioeic, p моя ки ii3MЈH m У ЛОБЧЯ он,урснцик i-iнов коле баний и пргудопал полосы про rvc, (я входного ВШП м тем самый изменить рабочую частоту авгоко ебан .

Нйдосгатком извеси-ioio автогенераю- ра на ПАВ валяется малым MS те;;.ва 1 перестройки частоты AF, ограниченный удвоенным чзсготг м интервалом нежду соседними модами Af.

Цель изобретения - 7ЕС ичем:1е диапз зона перестройки без ухудшения кратко временной стабильности.

Поставленная цель достигает:я тем, что с уп /течем автогензраторе на , со- дерхчащег/усилитель, в и.эпо обра гной связ i которого включенч ЛЗ лс чолмчес &s/ элеп- рччес аи каналов, в - полчен ые каждая st/iqe входного и выходного ВШП, разме щенных в параллельных акустических кзна пах чэ рабочей пьезоэлектрического звукопрозодз, и фазовращатели, каждый из которых последовательно соединен с соответствующей ЛЗ, количество зле трическил и акустических каналов выбрано .г/; е ., расд/|Оякия между центрами зхох ных и выходных В)11П с КЕЖДОЙ ЛЗ выбрано., из условия

:Н2 1/4(n+l2+l3 l4j:

IH2 I3-U;Си

I j+i2-i3-i4 1 /8 (I1+I2 i M),

где h, h, is, 14- расстояния меж.ф ne .ipafi /i входных и выходных ВШП в перзог - ,ет- ьертом каналах соответственно, N я протяженность каждого из ЗШП выбрана н, выражении

U 1/32(ii4- 2-H3+i4),(2j

где LI - протяженность входного ч.MI зыход ного 8LLTS в -м акустическом канале N; пои этом соотношение прирашежт фгз иовращзгеяей выбрано из условгй

Аде ; : Дум Ii:l2:b:k (3) где , , Луз , Дум - пр1. общения фаз фазовращателей, соединенных последовательно с /13 в первом - четвертом акустических каналах соответственно, рад.

На фиг.1 показана схема автогенератора на ПАВ; на фиг,2 - график формирования АЧХ четырехканальной ЛЗ на ПАВ в автогенераторе.

Управляемый автогенератор на ПАВ (фиг.1) содержит четыре канальные ЛЗ на ПАВ 1-4 из входных 5 и выходных 6 ВШП на поверхности пьезоэлектрического звуко- провода 7, регулируемые фазовращатели 8, усилитель 9.

Управляемый автогенератор на ПАВ работает следующим образом.

При включении напряжения питания усилителя 9 в случае обеспечения баланса фаз и баланса амплитуд в цепи обратной связи усилителя 9 начинает циркулировать электрический сигнал, приводящий к устойчивой генерации выходного сигнала.

При выполнении ЛЗ в цепи обратной связи усилителя 9 одноканальный генератор работает на центральной моде f0. соответствующей минимальному затуханию по амплитуде и сдвигу на р - 2 п его фазы в цепи обратной связи (ОС). При изменении сдвига фазы, например, за счет фазовращателя 8, в полосе пропускания каждой канальной ЛЗ, определяемой АЧХ соответственно входного Авх(т) и выходного АВЫУ (f) преобразователей, возможна генерация уже двух мод foi и fo2, имеющих одинаковую амплитуду. Поэтому в таком автогенераторе уже возможна перестройка по частоте за счет управления фазовым сдвигом р в цепи ОС.

Во избежание одновременной генерации нескольких мод за пределами полосы пропускания ЛЗ на ПАВ, приводящей к увеличению кратковременной нестабильности (росту шумов), нули АЧХ ЛЗ выбирают совпадающими с частотами возможных мод.

Условие подавления всех мод, кроме одной центральной, для каждого канала имеет вид:

ll вых NB IB

lax-1в,(4)

где li - расстояние между центрами входного 5 и выходного 6 ВШП;

IB - протяженность секции выходного ВШП;

lex - протяженность входного ВШП;

NB, 1вых- число секций в выходном ВШП и его протяженность соответственно.

Фазочастотная характеристика (ФЧХ) такой канальной ЛЗ на ПАВ с подавленными модами является линейной, а диапазон плавной электронной перестройки частоты А К з кангле с,/сгаеляет толовину максимального мех вдового ингеовала, что соот- 5 эеттгзует измл и-шю фазы управляющего элемента 8 кй г .

Пру| .- нии числа каналов N. например, додву (М 2) каждая канальная ЛЗ на ПАВ 1 и 2 формирует свою сетку генери0 руемых частот, е полосе пропускания АЧХ уже возможна одновременная генерация трех мод (за исключением 1 -3). Если расстояния между центрами входных и выходных ВШП канальны. ЛЗ выбраны из соотноше5 ния Ii:l2 3:2 и в этом же соотношении выбраны изменения фазы фазовращателей 8 : Ду% 3:2, то обе сетки частот могут смещаться вправо или влево без изменения взаимного расположения, а значит, генерация будет осуществляться на тех же модах 5 (1-3) ФЧХ такого частотозадающего элемента в виде двухканальной ЛЗ остается линейной, а изменение фазы в цепи ОС может составлять ±л без перескоков с моды на моду, Таким образом, диапазон перестройки частоты увеличивается в два раза по сравнению с автогенератором на основе с одноканальной ЛЗ.

При нечетном количестве каналов N 3, 5, 7 и т.д., а также при N 6, хотя диапазон

5 перестройки и расширяется, но ФЧХ частотозадающего элемента становится нелинейной, что требует резкого усложнения фазовращателей 8 и цепей управления ими, а также может привести к генерации не0 предсказуемых мод.

При N 2, 4, 8 ФЧХ сохраняется линейной, а при N 2, 4 система управления фазовращателями наиболее проста. Однако техническая реализация восьмиканальной

5 ЛЗ на ПАВ и восьмиканального фазовращателя 8 затруднена.

Поэтому с точки зрения простоты реализации при одновременном расширении диапазона перестройки частоты за счет

0 подавления паразитных соседних мод (на основе принципа конкуренции мод) оптимальным вариантом является использование четырехканальной (N 4) ЛЗ на ПАВ в качестве частотозадающего элемента.

5 При условии устойчивой работы автогенератора частотный спектр сигнала, циркулирующего по петле ОС с четырехканальной ЛЗ на ПАВ, можно записать в виде

0A(f)sHK(flHibl,ffj e&rt t 1 +

+ ($}

где HEX (f), Нвых (f) - передаточные функции соответственно входных 5 и выходных 6 ВШП канальных ЛЗ 1-4;

т li/v - время задерх ки сигнала в каждом 1-м канале;

It расстояние между центрами входных 5 и выходных 6 ВШП; v -скорость ПАВ; pi - начальные фазы в каналах 8; со 2 я f - текущая частота. При соблюдении соотношения (1) для каналов выполняются условия П - TI - тз - Т4 ;

- (pi рз - р4(6)

Тогда функция передачи в цепи ОС (без

учета частотозависимых свойств усилителя

9) будет иметь вид

H(fMHK(f) нвых1

г - v,f. 1

,{f) cospffirV -f -j :

COS

)

i),

V,, -4.Ti

ш

,Mprq-Mf( ц

-Ц-Яга) с05(Л,Ф)-с:о5(х.) екр |ЛХь- Ф,1. ( 7j

Из уравнения (7) видно, что эффективное время задержки в экспоненциальном показателе составляет

г эф ( Т1 4- Г2 + ТЗ + Г4 )/4

соответственно межмодовый интервал будет

Af «

Если входной 5 и выходной 6 ВШП канальных ЛЗ на ПАВ 1-4 не обладают дисперсией, т.е. имеют линейную собственную ФЧХ, то можно считать, что

Hr (f) Нвх № Наш (f) Авых (f) Ar (f), (8)

где Авх (f) и Авых (f) - АЧХ соответственно ЙШП5и6(фиг.2),

Тогда и четырехканальный частотозада- Ющий элемент в целом не обладает дисперсией.

Подобрав Авх(т), Авых(т), г, р , 1,2,3, 4, можно в передаточной функции (7) и, следовательно, в спектре автогенератора подавить все моды, кроме одной, т.е. обеспечить одномодовый режим работы (или низкий уровень шумов).

Поскольку с помощью четырехканаль- ной ЛЗ на ПАВ формируются четыре конкурирующие сетки частот, а интервал между модами составляет

,1+|2,3+i4 ,О)

где f0 - частота акустического синхронизма;

До 7- длина ПАВ на этой частоте, to

то, полагая р 0 и t -- 0, л |,/у -- Ii/До fo , из уравнения (7) получают условие подавления мод

JL ( Р - Р ч- J°- .

Т ( Оо)

Я0

10

L (р +р -f - }- iie

,Л01Е Га 3 }

Подставив в (10) соотношение (9) для интервала между модами, получают окончательные соотношения для подавления мод за счет сомножителей cos XT и cos X2 (фиг,2):

Vz4 (fV VVfJ;

20

-if

е VE3-A -HVc2 e3+c4).

0

5

0

5

0

5

В общем же случае протяженности ВШП 5 и 6 выбираются из условия достаточного подавления выходного сигнала на час- 5 тотах (фиг.2), т.е. из условия

° |L/M,

что при учете (9) приводит к соотношению

LI 1/32(11+12+1з+Ц).

В этом случае первые нули множителя Аг (Г) обеспечивают ослабления паразитных мод, че подавленных за счет сомножителей

COS X| И COS X2.

В наиболее удобном случае входной и выходной ВШП могут быть выполнены идентичными, поэтому

Ar(f)-(sinx/x)2,

где х N3 7T(f-f0)/fo, N9 - число пар электродов в ВШП. Тогда

(li+l2+l3+U)

и паразитные моды подавляются полностью в диапазоне ±4Af (фиг.2).

В результате возможный диапазон перестройки частоты без опасности появления паразитных мод, т.е. без ухудшения кратковременной стабильности, увеличивается в четыре разг.

При этом условием приблизительного сохранения рассмотренного соотношения амплитуд между рабочей и подавляемыми паразитными модами при изменении фаз в управляющих элементах (канальных фазовращателях 8) в случае необходимой перестройки частоты является соотношение

A( : : Дузз : Л(р4 , где Дде- приращение фазы во внешних цепях (фазовращателях 8); 1, 2, 3, 4,

тэк, как при выполнении условия (3) и росте (уменьшении) в канал.-,;.; мод-; - нера- ции fm и сомножители cos xi, c;-:s х. перемещаются по оси частот впраьо (влево) без изменения взаимного расположений, а со- множитель Ar(f) не смещается относительно центральной моды to. Таким образом, при условии (3) диапазон перестройки частоты генерации A F составляет около двух меж- модовых интервалов при идентичных вход- ных и выходных ВШП.

Необходимое приращение фазы Л#5| реализуется за счет последовательного с канальными ЯЗ 1 -4 включения управляемых напряжением фазовращателей 8 в виде многозвенных LC-линмй задержки, например, на варикапах, а условие (3) реализуется при подаче на каждое звено этой LC ЛЗ управляемого напряжения Uynp. через соответствующие делители.

Таким образом, при использовании предложенного автогенератора по сравнению с известным частоты увеличивается в четыре раза при линейкой вольт-частотной характеристике без ухудшения кратковре- менной стабильности (уровня шумов), что определяется линейной ФЧХ четырехка- нальной ЛЗ на ПАВ и подавлением паразитных мод в ней,

В качестве примера исполнения изго- товлен автогенератор на широкополосном монолитном усилителе типа М42177-1, в цепи ОС которого включена четырехканаль- ная ЛЗ на ПАВ со звукопроэодом из ST-кварца. 8 качестве фазовращателей ис- пользована LC-линия на варикапах типа 2В124, управляемых от напряжения а ин- тепазле Uynp. 0-10 В.

Средняя частота автогенератора составляет f0 100 МГц при диапазоне плав- ной перестройки Л F 150 кГц, т.е. более 1 103.

Указанные параметры реализованы при следующих конструктивных характеристах ЛЗ: расстояния между центрами ВШП Н 31,58 мм; 2 15,790 мм; з 47,370 мм; 14 31,550 мм. Входные л выходные ВШП выполнены идентичными л содержат f0/8 f 125 пар шгырей илм имеют протяженность U 3,957 мм.

В результате диапазон пгресдроС.к;-, -) ,тоть: сс. явлрет ЛГ 160 кГц, уровень f.j,:,:;i-y. fiiy..oB 0 с-тстройке н.ч 10 кГц на

,Л. fis:.: ,;er.i-на несуигй при добре.:,ости Л. . -6200.

.давления соседних мод не.

м;ен&,з 15-48 дБ. Уход частоты при изменении температура от +20до +7С°С составляет 23 кГц, что сооггетстаует температурной t-.c- стабильности г. ST-сраза.

Формула изобретен к я Упрзвлке ь. / автогенератор на поверх- носгкых акустических воинах, содержЕиц -i- i усилитель, в цо и обратной связи которого включены лиь.:ц задержки по количестп-/ электрических каналов, выполненные дая э виде входного и выходного встречно- штыревых преобразователей (ВШП). размещенных в параллельных акустических каналах на рабочей грани пьезоэлектрического звукопровода, и фазовращатели, каждый из которых соединен с соответствующей линией задержки, отличаю щ и и с я тем, что, с целью увеличения диапазона переотройки без ухудшения кратковременной стабильности, количество электрических и акустических каналов выбрано равным четырем, расстояния между центрами входных и выходных ВШЛ з каждой лмкии зздеожки выбраны из условия

IH2- 1/4(и+52+ з-ьЦ);

i3-M;

i+ 2-l3-t4 1/8(

где .1-14- расстояния между центрами входных и выходных ВШП в первом - четвертом акустических каналах соответственно, и, а протяженность каждого из ВШП выбрана УЗ выражения

U l/32().

где и - протяженность входного или выходного ВШП в 1-м акустическом канале, 4; при зтом соотношение приращении фазы фазоЕраилателей выбрано из условия : Аи92 : : Ассч - .y.f. где - Д.04 - приращения фазы фазовращателей, соединенных последовательно с линиями задержки е первом - четвертом акустических каналах соответственно, рад.

-//п

4f

J3 ft f Jo /7 2 &

Arh)

Af

8AJ- Физ.2.