Генератор, управляемый напряжением

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. Последовательно с варикапом, входящим в колебательный контур генератора включается разомкнутый отрезок микрополосковой линии (МПЛ) длиной четверть волны с включенным в него параллельно конденсатором. Причем указанная комбинация отрезка МПЛ и конденсатора образуют частотно-зависимое (индуктивное) сопротивление, величина которого и характер изменения в диапазоне частот зависят от величины емкости конденсатора и места включения его в линию. 17 ил.

 

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 формируется 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 (ДПКД).

Требуемый коэффициент деления ДПКД определяется по формуле

N=f_вых/f₀,

где

f_вых - выходная частота ГУН,

f₀ - 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 предполагаемому 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 цепью обратной связи, в которую включен резонансный контур с переменным реактивным сопротивлением для перестройки частоты вышеупомянутого генератора, последовательно с варикапом включен разомкнутый отрезок микрополосковой линии (МПЛ) длиной четверть волны (λ/4) 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 , n=1...6,

Z₀ - волновое сопротивление линии;

Х_C - реактивное сопротивление конденсатора, включаемого в линию;

n - параметр, определяющий место включения конденсатора в линию;

ω₀ - резонансная частота контура;

ω - частота колебаний генератора.

Основным отличительным признаком заявляемого изобретения является то, что вместо двух варикапов, имеющих различные характеристики изменения емкости от управляющего напряжения, используется один варикап, последовательно соединенный с разомкнутым отрезком микрополосковой линии длиной четверть волны (λ/4) с включенным в него параллельно конденсатором. Причем указанная комбинация МПЛ и конденсатора образует частотно-зависимое реактивное сопротивление, величина и характер изменения которого от частоты зависят от величины емкости конденсатора и места включения его в линию. Варьируя величиной емкости конденсатора и местом включения его в линию, можно подобрать характер изменения реактивного сопротивления таким образом, чтобы скомпенсировать нелинейность варикапа.

Если учесть, что характеристики варикапов в прототипе несильно отличаются друг от друга, то возможности компенсации нелинейности одного варикапа с помощью нелинейности другого варикапа (или нескольких варикапов) существенно ограничены. В нашем случае диапазон изменения реактивного сопротивления, подключаемого к варикапу, достаточно широк, что позволяет скомпенсировать нелинейность варикапа в широком диапазоне частот.

Как показали теоретические и экспериментальные исследования, заявляемое техническое решение позволяет скомпенсировать практически любую нелинейность, которая может возникнуть в ГУН.

Для подтверждения сущности изобретения проведем теоретическое исследование системы, состоящей из микрополосковой линии, разомкнутой на конце, длиной четверть волны с включенным в нее параллельно конденсатором в следующей последовательности:

1. Определим входное сопротивление указанной системы в точке подключения к варикапу как функцию от места подключения конденсатора и величины его емкости.

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

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

На фиг.2 приведены схема включения варикапов в прототипе (а) и схема включения варикапа в заявляемом ГУН (б), а на фиг.3 - эквивалентная схема системы, состоящей из разомкнутого отрезка МПЛ длиной λ/4 с включенным в него конденсатором С.

На фиг.2 и 3 обозначено

l₁ - расстояние от места включения конденсатора до разомкнутого конца отрезка МПЛ;

l₂ - расстояние от места включения конденсатора до варикапа,

причем

Определим сопротивление в точке включения конденсатора в линию, представляющее собой параллельное соединение двух сопротивлений: разомкнутого на конце отрезка МПЛ длиной l₁

и реактивного сопротивления конденсатора Х_C, причем для удобства расчетов пронормируем его относительно волнового сопротивления отрезка МПЛ длиной λ/4Z₀.

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

Общее реактивное сопротивление в точке включения конденсатора С будет равно

В результате мы имеем линию длиной l₂, нагруженную импедансом Z₁.

Эквивалентная схема такой линии приведена на фиг.4.

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

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

Подставив выражение для Z₁ в (6), получим

Из (1) l₂=λ/4-l₁, поэтому

т.е.

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

или

На фиг.5 приведена зависимость входного сопротивления системы от места включения конденсатора в линию для различных значений его емкости (m=0.5; 1; 2). Причем для упрощения расчетов значения l₁ брались кратными длине волны при резонансе. За единичный отрезок принята величина

т.е.

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

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

Запишем выражение для длины волны

и подставим в выражение для фазового угла

,

получим

С учетом (12) выражение (13) можно записать в виде

Подставив выражение (14) для α в (11), получим

Здесь мы учли зависимость Х_C от частоты, т.е.

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

Для подтверждения эффекта компенсации нелинейных искажений, обусловленных нелинейностью емкости варикапа, определим зависимость частоты колебательного контура с включенной в него реактивностью от напряжения смещения на варикапе и сравним с зависимостью частоты от напряжения 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 следующим соотношением

где

С_в0 - емкость варикапа при u=0;

ϕ_к - контактная разность потенциалов;

Z - коэффициент, зависящий от концентрации примесей в p-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 Z=1/2 и Z=1/3 при ϕ=0,3 В.

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

Дополним данный колебательный контур отрезком МПЛ длиной λ/4 с включенным в него конденсатором. Как мы уже показали выше, входное сопротивление такой системы имеет индуктивный характер, поэтому эту реактивность можно заменить эквивалентной индуктивностью, зависящей от частоты L_ш(ω), причем выражение (15) можно представить в виде

X_вх=L_ш(ω)ω,

откуда

Напишем выражение для частоты такого контура

Подставив в выражение (20) значение С_в из (17), получим

или

Подставив в (22) значения L_ш из (19), получим

Разделим обе части выражения (23) на ω₀, получим

Обозначим

Тогда (24) можно переписать в виде

Подставим значение Х_вх из (15), получим

На фиг.11-15 приведены кривые зависимости относительной частоты компенсированного контура от напряжения управления на варикапе для различных значений m и n при Z=1/2 и ϕ_к=0,3 В, где представлена как функция от m и n, т.е.

Из приведенных графиков можно определить, при каких значениях m и n зависимость частоты компенсированного контура от напряжения управления на варикапе имеет линейный характер.

Проведенный анализ показал, что для m=2 и n=6 при изменении напряжения управления от 2 до 10 В модуляционная характеристика имеет линейный характер.

На фиг.16, 17 приведены электрическая принципиальная схема ГУН и топологический чертеж.

Генератор выполнен на диэлектрической подложке (1) (в скобках обозначены элементы схемы топологического чертежа фиг.17), одна сторона которой металлизирована, а на другой расположены все элементы схемы.

В качестве активного элемента используется транзистор VT1 (2), включенный по схеме с "общей базой". В цепи обратной связи генератора включен колебательный контур, который, кроме индуктивности базового вывода, содержит варикап VD1 (3) с включенным отрезком микрополосковой линии, разомкнутом на конце длиной λ/4 WL2 (4) и отрезком WL3 (21), который вместе с индуктивностью базового вывода образует индуктивность L0. Режим по постоянному току транзистора обеспечивается с помощью переменного резистора R2 (10) и постоянного резистора 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 (17) с С5 (11) и эммитерной цепи - WL8 (16) с С2 (12).

Для развязки цепи подачи смещения по постоянному току на варикап служит конденсатор С4 (7). Резонансная цепь обратной связи 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 управляющего напряжения на варикап VD1 (4) в схеме возбуждаются колебания на частоте ω, соответствующей условию баланса фаз и амплитуд. Изменением напряжения управления на варикапе осуществляется перестройка частоты колебаний генератора.

Повышение линейности характеристики перестройки частоты (модуляционной характеристики) в широком диапазоне частот обеспечивается за счет отрезка МПЛ (4) с включенным в него параллельно конденсатором (5), образующими 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 и величины его емкости. Меняя место включения конденсатора и его емкость, можно подобрать характер зависимости этого реактивного сопротивления от частоты так, чтобы скомпенсировать нелинейность характеристики перестройки варикапа VD1. Конфигурация отрезка МПЛ и его волновое сопротивление определяются из возможной практической реализации общей топологии генератора и размерами подложки. Конденсатор (4) выполнен в виде металлизированных площадок, которые могут подключаться в любой точке МПЛ с помощью металлических перемычек (6) (например, индиевая фольга). Использование предполагаемого изобретения позволяет значительно (на порядок) снизить нелинейные искажения ГУН в диапазоне перестройки до 25%, что значительно расширяет область применения указанного ГУН, а 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.

Генератор, управляемый напряжением, содержащий активный элемент, представляющий из себя линейный усилитель с цепью обратной связи, в которую включен резонансный контур с переменным реактивным сопротивлением в виде варикапа для перестройки частоты вышеупомянутого генератора, отличающийся тем, что последовательно с варикапом включен разомкнутый отрезок микрополосковой линии длиной четверть волны с включенным в него параллельно конденсатором, образующие реактивное сопротивление, величина и характер изменения которого от частоты зависят от места включения конденсатора в линию и величины его емкости и определяются следующим выражением:

где

Z₀ - волновое сопротивление линии;

Х_С - реактивное сопротивление конденсатора, включаемого в линию;

ω₀ - резонансная частота контура;

ω - частота колебаний генератора;

n - параметр, определяющий место включения конденсатора в линию, связанный с геометрической длиной l₁, отсчитанной от разомкнутого конца линии до места включения конденсатора в линию, следующим соотношением:

l₁=λ₀/24·n, где n=1...6,

λ₀ - длина волны при резонансе.