Схема фазовой автоматической подстройки частоты радиоэлектронной аппаратуры

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в радиоизмерительной технике. Достигаемый технический результат - снижение результирующих флуктуаций фазы подстраиваемого генератора. Устройство содержит эталонный генератор высокостабильного по частоте колебания, смеситель, усилитель промежуточной частоты, фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот, подстраиваемый генератор, однополосный амплитудный модулятор, кварцевый генератор сдвига, входной делитель мощности, балансный фазовый детектор СВЧ, интегратор, широкополосный усилитель, фазовый модулятор СВЧ, стабилизирующий резонатор и выходной делитель мощности. 1 ил.

 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и предназначено для использования в радиопередающих устройствах и радиоизмерительной технике.

Известен малошумящий транзисторный автогенератор, стабилизированный резонатором, охваченный петлями фазовой и частотной автоматической подстройки частоты [см. Зырин С.С., Котов А.С. Высокостабильный сверхмалошумящий транзисторный СВЧ-генератор // Электронная техника. Сер.1, Электроника СВЧ. Вып.7 (441). - 1991. - С.26-30], с малошумящим транзисторным усилителем на выходе. Недостатками известного решения являются привязка к конкретному типу автогенератора, в данном случае транзисторного, малая выходная мощность колебания и невозможность достижения (снижения) уровня фазового шума ниже достигнутой величины на частоте флуктуаций 1 кГц.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является схема фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ) радиоэлектронной аппаратуры, выполненная в виде кольца ФАПЧ (см. заявку на изобретение Российской Федерации «Схема фазовой автоматической подстройки частоты радиоэлектронной аппаратуры» №2004134032/09(03 7022), в которой высокостабильное по частоте колебание эталонного генератора поступает на сигнальный вход смесителя, а его опорный (гетеродинный) вход соединен с выходом подстраиваемого генератора через однополосный амплитудный модулятор, модулирующий вход которого соединен с выходом кварцевого генератора сдвига. Выход смесителя через усилитель промежуточной частоты соединен с сигнальным входом фазового детектора, а его (детектора) опорный вход - с другим выходом кварцевого генератора сдвига. Выход фазового детектора через усилитель постоянного тока и фильтр нижних частот соединен с управляющим входом подстраиваемого генератора. Частота ω_пг подстраиваемого генератора известной схемы, в режиме захвата, равна высокостабильной частоте ω_с эталонного генератора, т.е. ω_с=ω_пг. Однако недостатком известной схемы ФАПЧ является высокий уровень фазовых флуктуаций выходного колебания, определяемый на низких частотах анализа флуктуациями фазы колебания входного эталонного генератора, а на более высоких частотах анализа - собственными флуктуациями фазы подстраиваемого генератора.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанного недостатка - большого уровня фазовых флуктуаций выходного колебания, а именно снижение результирующих флуктуаций фазы подстраиваемого генератора, включающих преобразованные флуктуации фазы колебания входного эталонного генератора и собственные фазовые флуктуации подстраиваемого генератора.

Поставленная задача достигается тем, что в известную схему ФАПЧ радиоэлектронной аппаратуры, содержащую эталонный генератор высокостабильного по частоте колебания, подаваемого на последовательно соединенные друг с другом смеситель, усилитель промежуточной частоты, фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот и через управляющий вход подстраиваемый генератор, а также включающую однополосный амплитудный модулятор, соединенный с опорным (гетеродинным) входом смесителя, и кварцевый генератор сдвига, соединенный с модулирующим входом однополосного амплитудного модулятора и опорным входом фазового детектора, в отличие от нее в заявляемую дополнительно введены входной делитель мощности, стабилизирующий резонатор, выходной делитель мощности, балансный фазовый детектор (БФД) СВЧ, интегратор, широкополосный усилитель и фазовый модулятор СВЧ. При этом выход подстраиваемого генератора соединен с входным делителем мощности, первый выход которого соединен через стабилизирующий резонатор с выходным делителем мощности, соединенным соответственно первым выходом с высокочастотным входом однополосного амплитудного модулятора, вторым выходом - с сигнальным входом балансного фазового детектора СВЧ, опорный вход которого соединен со вторым выходом входного делителя мощности, а выход балансного фазового детектора СВЧ через интегратор и широкополосный усилитель соединен с модулирующим входом фазового модулятора СВЧ, высокочастотный вход которого соединен с третьим выходом входного делителя мощности, а выход фазового модулятора СВЧ состоит из отвода соответствующего его напряжения (мощности) за пределы схемы.

Совокупность заявленных ограничительных и отличительных признаков позволяет достигнуть поставленную техническую задачу - снизить уровень флуктуации фазы выходного колебания известной схемы.

В заявляемой схеме ФАПЧ благодаря введению в нее совокупности элементов и их связей: входного делителя мощности, стабилизирующего резонатора, увеличивающего эквивалентную добротность контура подстраиваемого генератора и преобразующего флуктуации частоты во флуктуации фазы, выходного делителя мощности, балансного фазового детектора СВЧ, преобразующего флуктуации разности фаз во флуктуации напряжения, пропорционального флуктуациям частоты, интегратора, выходное напряжение которого пропорционально флуктуациям фазы подстраиваемого генератора, широкополосного усилителя и фазового модулятора СВЧ, уменьшаются фазовые флуктуации подстраиваемого генератора, и формируется шумовой сигнал, которым осуществляется противофазная шумовая модуляция фазы, компенсирующая остаточные флуктуации фазы выходных колебаний системы.

Таким образом, достигается решение поставленной задачи: реализуется эффект, при котором значительно снижается уровень флуктуации фазы выходного колебания системы (не менее 20 дБ в определенном диапазоне частот флуктуации) за счет совместного действия стабилизирующего резонатора и компенсации флуктуации фазы по сравнению с уровнем фазовых флуктуаций известного решения-прототипа.

При этом предлагаемое решение позволяет формировать мощное СВЧ-колебание и со сверхнизким уровнем фазовых шумов и с высокой долговременной стабильностью частоты при использовании малошумящего высокостабильного эталонного генератора и мощного СВЧ подстраиваемого генератора.

На чертеже представлена функциональная схема заявляемой схемы фазовой автоматической подстройки частоты радиоэлектронной аппаратуры.

Заявляемая схема ФАПЧ радиоэлектронной аппаратуры содержит как наиболее эффективное решение задачи: эталонный генератор малошумящего типа высокостабильного по частоте колебания 1; подстраиваемый генератор 2 с управляющим входом; входной делитель мощности 3 с выходами I, II, III; стабилизирующий резонатор 4; выходной делитель мощности 5 с выходами I и II; балансный фазовый детектор СВЧ 6 с сигнальным I и опорнм II входами; интегратор 7; широкополосный усилитель 8; фазовый модулятор СВЧ 9 с модулирующим I и высокочастотным II входами и выходом за пределы схемы.

Кроме того, заявляемая схема содержит последовательно соединенные фазовый детектор 10; усилитель постоянного тока 11; фильтр нижних частот 12, который соединен с управляющим входом подстраиваемого генератора 2. Причем выход подстраиваемого генератора 2 соединен с входным делителем мощности 3, выход I которого соединен с входом стабилизирующего резонатора 4, а выход стабилизирующего резонатора 4 - со входом выходного делителя мощности 5. Заявляемая схема содержит также однополосный амплитудный модулятор 13, выход которого соединен с опорным входом I смесителя 14. Сигнальный вход II смесителя 14 соединен с выходом эталонного генератора высокостабильного по частоте колебания 1. Выход смесителя 14 через усилитель промежуточной частоты 15 соединен с сигнальным входом I фазового детектора 10.

Заявляемая схема также содержит кварцевый генератор сдвига 16, выходы которого соединены соответственно с модулирующим входом I однополосного амплитудного модулятора 13 и с опорным входом II фазового детектора 10. Выход I выходного делителя мощности 5 соединен с высокочастотным входом II однополосного амплитудного модулятора 13. Выходы II выходного 5 и входного 3 делителей мощности соединены соответственно с I и II входами балансного фазового детектора СВЧ 6, выход которого в свою очередь через интегратор 7 и широкополосный усилитель 8 соединен с модулирующим входом I фазового модулятора СВЧ 9, высокочастотный вход II которого соединен с выходом III входного делителя мощности 3. Причем выход фазового модулятора СВЧ 9 является отводом соответствующего его напряжения (мощности) за пределы схемы пределы схемы.

Устройство используют следующим образом.

Колебание эталонного генератора 1, В, равное

где - среднее значение амплитуды колебания В;

t - время, с;

и ν₁(t) - соответственно средняя и шумовая составляющие круговой частоты колебания эталонного генератора, рад/с;

- шумовая составляющая фазы (фазовый шум) колебания, рад, поступает на сигнальный вход II смесителя 14.

Рассматривая подстраиваемый генератор 2, стабилизированный резонатором 4, как эквивалентный подстраиваемый генератор (ЭПГ), его выходное колебание можно представить в следующем виде:

где - среднее значение амплитуды колебания эквивалентного подстраиваемого генератора, В;

и ν₂(t) - соответственно средняя и шумовая составляющие круговой частоты колебания эквивалентного подстраиваемого генератора, рад/с;

- шумовая составляющая фазы (фазовый шум) эквивалентного подстраиваемого генератора в радианах.

Благодаря стабилизирующему резонатору и увеличивается эквивалентная добротность контура подстраиваемого генератора 2 и снижаются его фазовые (частотные) флуктуации.

При этом вначале предварительно, перестраивая резонатор 4, осуществляют грубую настройку эквивалентного подстраиваемого генератора на частоту входного эталонного генератора 1. Затем, наблюдая осциллограмму биений на выходе усилителя постоянного тока 11 (на чертеже электронный осциллограф не показан), снижают эту частоту биений путем плавной электронной перестройки частоты ЭПГ изменением величины постоянного напряжения на его управляющем (модулирующем) входе. При частоте биений, меньшей начальной разности частот обоих генераторов, происходит автоматическое приближение частоты подстраиваемого генератора 2 к частоте входного эталонного генератора 1 и в результате чего наступает режим захвата. В режиме захвата средняя частота подстраиваемого генератора становится равной средней частоте входного эталонного генератора, т.е.

Затем с помощью переменного фазовращателя, входящего в состав типового БФД 6, добиваемся того, чтобы разность фаз колебаний его сигнального I и II опорного каналов стала равной

Напряжение шумов с выхода интегратора 7 в широкополосном усилителе 8 усиливается и в противофазе подается на управляющий вход I фазового модулятора 9.

Наблюдая за показанием выходного индикатора шума измерителя фазовых шумов (флуктуации фазы) (не показано) на выходе фазового модулятора 9, путем регулирования величины усиления широкополосного усилителя 8 добиваемся минимума показания.

В идеальном случае, при внесении в колебание u₂(t) подстраиваемого генератора равных компенсирующих флуктуаций фазы, т.е. ϕ_к(t)=-ϕ₂(t), будет иметь место полная компенсация флуктуации фазы выходного колебания системы

Колебание u₂(t) ЭПГ через входной делитель мощности 3 и фазовращатель (не показан на чертеже, но входит в типовой состав БФД 6) поступает на опорный вход II СВЧ балансного фазового детектора 6, а через выход I входного делителя мощности 3 - на вход стабилизирующего резонатора 4.

При прохождении медленных флуктуаций фазы и частоты через резонатор 4 спектр суммарных флуктуаций фазы ϕ_р(j Ω) на его выходе, приближенно равен

где - спектр фазовых флуктуаций ЭПГ,

ν₂(j Ω) - безразмерный спектр флуктуаций частоты;

j - безразмерное мнимое число;

Ω - круговая частота флуктуаций, рад /с;

Q - безразмерная нагруженная добротность;

ω₀ - резонансная частота стабилизирующего резонатора, рад /с.

Спектр флуктуации разности фаз колебаний ϕ(j Ω), действующих на обоих входах СВЧ балансного фазового детектора 6, с учетом выражения ϕ_p(j Ω) будет равен

Спектр же самого выходного напряжения СВЧ балансного фазового детектора 6, соответственно равен

Здесь S_фд - крутизна БФД, В/рад.

Для устранения влияния частотной зависимости u_фд(j Ω) далее это напряжение подвергают интеграции в интеграторе 7, куда оно поступает и по выходу из которого имеет вид

где К_и - коэффициент передачи интегратора, рад/с.

Далее это напряжение усиливается в широкополосном усилителе 8 с безразмерным коэффициентом усиления К_у и подается в противофазе на модулирующий вход I СВЧ фазового модулятора 9.

Таким образом, на его выходе спектр компенсирующих флуктуаций фазы ϕ_к(j Ω), описывается выражением

где - безразмерный коэффициент;

S_фм - крутизна модуляционной характеристики СВЧ фазового модулятора 9, рад/В.

Сами же компенсирующие флуктуации фазы на выходе СВЧ фазового модулятора ϕ_к(t) равны

где e^{j Ωt} - безразмерная экспоненциальная функция времени.

Для медленных флуктуаций фазы, полагая в частном случае коэффициент D=const, ϕ_к(t) можно представить в виде

Тогда результирующие флуктуации фазы колебаний на выходе СВЧ фазового модулятора 9 представляются в виде следующего выражения:

ϕ_фм(t)=ϕ₂(t)-Dϕ₂(t)=(1-D)ϕ₂(t).

Из последнего выражения следует, что задача компенсации флуктуации фазы выходных колебаний системы сводится к минимизации величины 1-D, что достигается путем регулирования величины и фазы коэффициента усиления широкополосного усилителя 8. В случае идеального компенсатора D=1, и тогда ϕ_фм(t)=0.

Таким образом, с помощью измерителя флуктуации фазы, подключенного к выходу СВЧ фазового модулятора 9 (на чертеже не показано), настраиваем широкополосный усилитель 8 по усилению и по фазе так, чтобы реализовался минимум показания выходного индикатора шума измерителя.

В реальных условиях работы эффект компенсации будет значительным в определенном диапазоне частот флуктуации Ω, в котором коэффициент 1-D≅0, поскольку приходится считаться с инерционностью функциональных элементов схемы компенсации, в первую очередь с инерционностью резонатора 4.

Достоинством предложенной совокупности средств компенсации фазового шума является то, что предельное значение подавления фазового шума ограничивается не условием самовозбуждения цепи компенсации, а искажениями амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик, возникающими в канале компенсации, и неточностью процесса интегрирования компенсирующего сигнала в интеграторе 7.

Следовательно, можно добиться более глубокого эффекта снижения фазового шума (более 20 дБ) в определенном диапазоне частот флуктуации.

Причем для достижения сверхнизких уровней фазового шума на выходе петли ФАПЧ используют малошумящий высокостабильный эталонный генератор, т.е. генератор такого же типа, как и в известном решении аналога.

Схема фазовой автоматической подстройки частоты радиоэлектронной аппаратуры, содержащая эталонный генератор высокостабильного по частоте колебания, подаваемого на последовательно соединенные друг с другом смеситель, усилитель промежуточной частоты, фазовый детектор, усилитель постоянного тока, фильтр нижних частот и через управляющий вход подстраиваемый генератор, а также включающая однополосный амплитудный модулятор, соединенный с опорным входом смесителя, и кварцевый генератор сдвига, соединенный с модулирующим входом однополосного амплитудного модулятора и опорным входом фазового детектора, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены входной делитель мощности, стабилизирующий резонатор, выходной делитель мощности, балансный фазовый детектор СВЧ, интегратор, широкополосный усилитель и фазовый модулятор СВЧ, при этом выход подстраиваемого генератора соединен с входным делителем мощности, который через стабилизирующий резонатор соединен своим первым выходом с выходным делителем мощности, соединенным соответственно первым выходом с высокочастотным входом однополосного амплитудного модулятора, вторым выходом - с сигнальным входом балансного фазового детектора СВЧ, опорный вход которого соединен со вторым выходом входного делителя мощности, а выход балансного фазового детектора СВЧ через интегратор и широкополосный усилитель соединен с модулирующим входом фазового модулятора СВЧ, высокочастотный вход которого соединен с третьим выходом входного делителя мощности, причем выход фазового модулятора СВЧ состоит из отвода соответствующего его напряжения за пределы схемы.