Схемы высокостабильных перестраиваемых гетеродинов
Гетеродины — это генераторы, применяемые в составе радиоприемых и радиопередающих устройств для переноса спектра полезного сигнала по частоте. Основное требование, предъявляемое к гетеродинам, это стабильность частоты выходного сигнала. Достаточно часто к гетеродину дополнительно предъявляется требование перестройки в заданном диапазоне частот.
Требование стабильности частоты и возможности перестройки по частоте являются взаимноисключающими, поэтому не удается совместить их в одном устройстве. Перестройка по частоте обычно реализуется в LC-генераторах. Такие генераторы получили название генераторы, перестраиваемые напряжением (ГУН). При этом высокими параметрами по стабильности частоты обладают различные классы кварцевых генераторов, такие как TCXO, MCXO или OCXO, но они не могут перестраиваться по частоте в широком диапазоне частот.
Объединить преимущества LC и кварцевых генераторов позволяет схема фазовой автоподстройки частоты. Её структурная схема приведена на рисунке 1.
Рисунок 1. Структурная схема фазовой автоподстройки частоты
В данной схеме ОГ это высокостабильный опорный генератор частоты, ФД — фазовый детектор, ГУН — , перестраиваемый по частоте, ФНЧ — фильтр низкой частоты, выделяющий из сигнала на выходе фазового детектора напряжение, настраивающее ГУН на частоту опорного генератора. Схема, приведенная на рисунке 1 часто применяется для уменьшения фазовых шумов или джиттера кварцевого генератора.
На рисунке 2 приведен типовой спектр фазовых шумов опорного генератора.
Рисунок 2. Типовой спектр фазовых шумов генератора ГК89-ТС частотой 10 МГц
Обратите внимание, что спектр фазовых шумов фиксируется на уровне при дальнейшей отстройке от частоты генератора не снижается. У LC-генераторов, которые обычно используются в качестве ГУН, фазовые шумы при отстройке от частоты генератора уменьшаются. Пример их зависимости от частоты для генератора, управляемого напряжением, приведен на рисунке 3
Рисунок 3. Типовой спектр фазовых шумов ГУН
Для гетеродинов очень важна возможность перестройки по частоте. Её можно реализовать при помощи делителя переменного коэффициента деления ДПКД. Изменяя его коэффициент деления частоты мы будем заставлять ГУН подстраиваться под новую частоту. Таким образом цепь фазовой подстройки частоты будет вести себя как умножитель частоты опорного сигнала. Его схема приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Структурная схема цифрового умножителя частоты
Такие умножители частоты обычно применяются в цифровых микросхемах для увеличения внутренней тактовой частоты. Для гетеродинов подобная схема мало подходит, т.к. из-за достаточно высокой частоты опорного генератора шаг сетки частот получается большим. Для уменьшения шага частот обычно применяется цифровой делитель частоты, с помощью которого можно понизить частоту опорного генератора до частоты сравнения fср. Структурная схема подобного синтезатора частот приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Структурная схема цифрового синтезатора дискретной сетки частот
Частоту сравнения обычно выбирают равной ширине радиоканала. Именно он определяет необходимый шаг перестройки гетеродина по частоте. В результате частота сигнала на выходе синтезатора, служащего в качестве гетеродина или возбудителя, определяется по следующей формуле:
(1)
В настоящее время синтезаторы частоты реализуются в виде одной микросхемы. Пример принципиальной схемы синтезатора частот приведен на рисунке 6.
Рисунок 6. Принципиальная схема цифрового синтезатора дискретной сетки частот на микросхеме ADF4360-7
В данной схеме в качестве опорного генератора применен TCXO CPFT9006 фирмы IQD Frequency Products Ltd. ГУН расположен непосредственно на кристалле синтезатора частот ADF4360-7 фирмы Analog Devices. Его частота генерации задается номиналом катушек индуктивности L1 и L2. Выходной сигнал снимается с вывода 5, нагруженного на сопротивление 50 Ом. ФНЧ подключен снаружи и построен на элементах C6,C7,C8,R6,R9. Частота настройки гетеродина задается коэффициентами деления, загружаемыми микроконтроллером через выводы DATA, CLK и LE микросхемы ADF4360-7.
Обратите внимание, что размеры микросхемы синтезатора частот, которую можно использовать в качестве гетеродина, составляют всего 4×4 мм. В качестве примера на рисунке 7 приведена фотография отладочной платы синтезатора частот, реализованного на подобной микросхеме.
Рисунок 7. Фотография отладочной платы синтезатора частот
Дата последнего обновления файла 30.03.2018
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Источник
Способы перестройки по частоте
Один из способов уменьшения чувствительности радиоприемной или радиолокационной системы к помехам состоит в применении широкополосных сигналов, которые рассмотрены в гл. 9. Здесь нельзя полностью осветить этот вопрос. Однако ранее было показано, что при расширяющем спектр кодировании передаваемых информационных сигналов их полоса значительно увеличивается. Тем самым уменьшается вероятность того, что на приемной стороне при декодировании переданная информация будет искажена помехой.
Поскольку адаптивное формирование лучей осуществляется как для широкополосных, так и для узкополосных сигналов, в общем случае оно совместимо с методами расширения спектра. Адаптивное формирование лучей используется для уменьшения влияния направленных помех. При этом, как показано выше, чем мощнее помеха, тем выше уровень режекции. Однако на выходе адаптивного устройства формирования лучей остаются составляющие помех, и в таких случаях надежной передачи информации можно достичь за счет кодирования информации с расширением спектра на передающей стороне и соответствующего декодирования сигнала на выходе адаптивного устройства.
Одним из основных способов расширения спектра является перестройка рабочей частоты. Этот способ состоит в следующем. Для передачи каждого бита цифровой информации отводится некоторый заданный интервал времени, который назовем информационным интервалом. В пределах этого интервала на заданной несущей частоте формируется синусоидальный сигнал, некоторая фаза которого соответствует нулю информации, а сдвинутая на 180° — единице, что представляет собой фазовую манипуляцию. При перестройке рабочей частоты на каждом информационном интервале частота синусоидальной несущей изменяется по случайному закону в соответствии со случайным кодом, который известен как на передающей, так и на приемной сторонах. Длительность информационного интервала такова, что формируется много периодов несущей, причем на более высоких частотах формируется большее число периодов.
На приемной стороне для определения фазы принятого синусоидального сигнала на каждом информационном интервале осуществляется его корреляционная обработка. При больших длительностях информационного интервала (т. е. для низких скоростей передачи двоичной информации) можно надежно определять фазу при действии мощной помехи и таким образом восстанавливать переданную двоичную информацию. Обычно сигналы имеют несущие частоты около 1 ГГц с расширением спектра за счет перестройки частоты в пределах ±5% со скоростью от 100 до 1000 переключений в секунду.
Метод расширения спектра путем перестройки рабочей частоты представляет особый интерес потому, что его использование позволяет разработать адаптивные алгоритмы, существенно уменьшающие или полностью исключающие рассмотренный выше эффект подавления сигнала.
В основном эти алгоритмы предназначены для исключения из адаптивного процесса всех составляющих полезного сигнала при сохранении его формы на выходе решетки.
На рис. 14.25 приведена схема адаптивного устройства с алгоритмом Фроста, обрабатывающего сигналы с перестройкой рабочей частоты. Для системы такого вида, имеющей четырехэлементную линейную решетку, проведено моделирование на ЭВМ. Сигналы антенны подаются на входы одинаковых режекторных фильтров с плоской АЧХ и линейной ФЧХ на всех частотах, за исключением некоторой любой заданной одной частоты режекции. Частота режекции изменяется с помощью электронного переключения и в любой момент времени выбирается такой, чтобы она соответствовала частоте принимаемого полезного сигнала. На каждом информационном интервале частота полезного сигнала изменяется в соответствии с известной случайной последовательностью. В приемнике синхронизированный генератор кода частоты воспроизводит эту последовательность и частоту сигнала и устанавливает частоту режекторных фильтров и местного генератора синусоидального сигнала. Для простоты изложения в схеме на рис. 14.25 опущены многие необходимые компоненты. Описываемый способ можно применить в решетках с произвольной геометрией.
Рис. 14.25. Система для приема сигналов с перестройкой рабочей частоты при наличии помехи
Режекторные фильтры введены для исключения из адаптивного процесса составляющих сигнала. На входе устройства обработки, реализующего алгоритм Фроста, может быть только помеха. Его входной сигнал не содержит полезного сигнала. В адаптивном устройстве обработки .и вспомогательном устройстве обработки, которое имеет ту же структуру, но само по себе не является адаптивным, устанавливаются одинаковые весовые коэффициенты. На входы вспомогательного устройства сигналы поступают непосредственно с элементов антенны и не проходят через режекторные фильтры, поэтому на его выходе воспроизводится любой полезный сигнал, приходящий по направлению приема. При моделировании на ЭВМ полезный сигнал в направлении приема в соответствии с ограничениями, введенными в алгоритм Фроста, проходит через систему с единичным коэффициентом передачи и линейно изменяющимся фазовым сдвигом. При моделировании узкополосной помехи с углом прихода 45° относительно направления приема наблюдалось ее глубокое подавление.
В системе на рис. 14.25 с соответствующей регулировкой фазы определяется корреляционная функция выходных сигналов вспомогательного устройства обработки и местного генератора синусоидальных сигналов. Частота синусоидального сигнала, как показано на рисунке, устанавливается генератором кода частоты, а корреляционная функция вычисляется с помощью умножителя и интегратора на информационном интервале. В зависимости от фазы принимаемого сигнала, которая, в свою очередь, зависит от того, соответствует принимаемый сигнал нулю или единице, интеграл от произведения представляет собой отрицательную или положительную величину. В конце информационного интервала интегратор сбрасывается на нуль и готов для интегрирования в течение следующего информационного интервала.
На рис. 14.26 приведены результаты моделирования на ЭВМ работы интегратора. На рис. 14.26, а показан выходной сигнал интегратора для системы с вспомогательным устройством формирования лучей, аналогичной системе на рис. 14.25. Как видно из рисунка, переданная последовательность равна 0, 1, 0, 0, 1, 1, далее информация не передавалась. В течение периодов интегрирования корреляционные функции возрастают почти линейно, а при отсутствии принимаемого полезного сигнала их значения практически равны нулю. На рис. 14.26, б для такого же входного сигнала с перестройкой рабочей частоты показан выходной сигнал обычного адаптивного устройства формирования лучей, реализующего алгоритм Фроста (без режекторных фильтров и вспомогательного устройства). Здесь явно наблюдается эффект подавления сигнала, а в некоторых случаях его искажения настолько существенны, что декодирование информации осуществляется в области порога. Анализ рассмотренного примера приведен в [19].
Таким образом, становится очевидным, что схема на рис. 14.25 является эффективной.
Рис. 14.26. Форма сигнала на выходе интегратора: а — при адаптации с перестройкой рабочей частоты по схеме на рис. 14.25; б — для обычного устройства формирования лучей по алгоритму Фроста
В результате применения режекторных фильтров, исключающих попадание составляющих полезного сигнала в адаптивное устройство обработки и их влияние на значения весовых коэффициентов, предотвращается подавление сигнала. Весовые коэффициенты формируются независимо от полезного сигнала, и при их установлении во вспомогательном устройстве на его выходе воспроизводится полезный сигнал. Аналогичный подход применим ко всем видам адаптивных приемных решеток.
Источник
14.3. Способы перестройки частоты
Частота генераторов Ганна и генераторов на ЛПД может быть перестроена в широких пределах путем изменения частоты резонатора. Таким образом, проблема перестройки генераторов сводится к проблеме частотной перестройки резонатора. В основном используются три способа такой перестройки: механический, электронный и магнитный.
Механический способ перестройки, например, с помощью перемещения короткозамыкающего поршня, широко используется в экспериментальных работах, так как с его помощью удается просто перестраивать размеры резонатора в весьма широких пределах. Резонатор также можно перестраивать, используя подстроечный винт, дополнительная индуктивность которого понижает частоту резонатора. Оба эти способа позволяют, однако, осуществить только грубую перестройку частоты. Более точной механической перестройки можно добиться, перемещая вдоль резонатора диэлектрическую шайбу. Уменьшая диэлектрическую проницаемость и толщину шайбы, можно осуществить весьма точную перестройку резонатора.
Ввиду большой инерционности механический способ перестройки неудобен для промышленных применений. Электронная перестройка свободна от этого недостатка. Наиболее известны три способа электронной перестройки: перестройка частоты с помощью изменения напряжения смещения на диоде
Ганна или ЛПД, с помощью варактора и с помощью p-i-n -диодов. При изменении напряжения смещения меняется эквивалентная емкость диода, помещенного в резонатор, что и приводит к изменению частоты резонатора. Изменение эквивалентной емкости в случае диода Ганна, обусловливается расширением домена с ростом поля, падением дрейфовой скорости, изменением времени переходных процессов формирования и рассасывания домена, а также изменением температурного режима диода. К настоящему времени теоретический анализ зависимости частоты генератора от смещения с учетом всех этих факторов не проведен. Экспериментально наблюдалось как увеличение, так и падение частоты с ростом напряжения смещения. Крутизна частотной перестройки при таком способе перестройки невелика и колеблется в пределах от 2 до 20 МГц/В в зависимости от параметров материала, частотного диапазона и режима работы.
Следует отметить, что исследования зависимости частоты генератора от напряжения смещения необходимы для оценки влияния на стабильность генератора паразитного изменения напряжения смещения. Кроме того, этот способ позволяет осуществить автоподстройку частоты генераторов на диоде Ганна.
Более эффективным способом электронной перестройки является перестройка с помощью варактора. Возможны два основных конструктивных способа подключения варактора: емкостной и индуктивный. При емкостном способе связи варактор помещается в тот же резонатор, в котором работает ганновский диод. При индуктивном способе связи варактор помещается в отдельный резонатор, связанный с резонатором, в котором работает активный диод, петлей связи. В этом случае степень связи определяется размером и положением петли.
Перестройка с помощью варактора нашла широкое практическое применение и в настоящее время целый ряд фирм поставляет генераторы Ганна с в а- рактором, встроенным в корпусе генератора. Обычной для серийных генераторов с варактором является перестройка частоты в пределах примерно 10 % от собственной частоты генерации. Например, удалось получить перестройку в полосе 1 ГГц при частоте генерации 13 ГГц.
В микрополосковых схемах оказывается удобным перестраивать частоту генераторов Ганна с помощью p-i-n -диодов. Этот метод основан на изменении частоты резонатора при переключении помещенного в него p-i-n -диода из высокоомного в низкоомное состояние. Достоинствами этого метода являются малая инерционность частотной перестройки, связанная с малым временем переключения p-i-n -диода (около 10 –9 с) и возможность значительного изменения частоты. Важный недостаток этого способа – возможность менять частоту только дискретными ступенями.
Наиболее распространенный способ магнитной перестройки основан на том, что в качестве резонатора используется ферримагнитная сфера (обычно из железоиттриевого граната – сфера ЖИГ). Собственная частота такого резонатора равна частоте ферримагнитного резонанса ω = γ Н , где γ = 2,8 МГц/Гс – ги-
ромагнитное отношение. Фирмы Varian Associates и Phisical Electronics
Laboratories выпустили в продажу генераторы Ганна, перестраиваемые с помощью сферы ЖИГ в пределах всего 3-см диапазона (8 – 12,4 ГГц). Достоинства этого метода – высокая линейность перестройки и существенное снижение шумов благодаря весьма высокой добротности ЖИГ-резонатора.
1. Какие способы формирования переходов используются при изготовлении диодов?
2. Какие технологические приемы используются при изготовлении твердотельных СВЧ-генераторов?
3. Какие основные конструктивные элементы содержат диодные полупроводниковые СВЧ-генераторы в волноводном исполнении?
4. Какие основные конструктивные элементы имеют двухчастотные генераторы Ганна?
5. В чем суть механического способа частотной перестройки резонатора?
6. В чем суть электронного способа частотной перестройки резонатора?
7. В чем суть магнитного способа частотной перестройки резонатора?
Источник
