Управляемый автогенератор с частотной модуляцией

Авторы патента:

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в синтезаторах частот в качестве малошумящего управляемого автогенератора с частотной модуляцией. Технический результат - получение на выходе управляемого автогенератора спектрально чистого сигнала в режиме захвата по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения по одному его входу и независимо по другому его входу одновременно можно осуществить введение частотной модуляции в широком диапазоне модулирующих частот с минимальными искажениями. Для этого в предлагаемое устройство введены десятый и одиннадцатый резисторы, а также девятый и десятый конденсаторы.

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в синтезаторах частот с частотной модуляцией (ЧМ) и без введения ЧМ.

Известен управляемый автогенератор (см. патент на ПМ 86816 от 12 мая 2009 г.), построенный по схеме индуктивной трехточки на дифференциальном каскаде. Частота генерируемых колебаний определяется колебательным контуром, состоящим из последовательно включенных первой и второй индуктивно связанных катушек индуктивности и конденсатора.

Этот управляемый автогенератор может работать в двух режимах: как генератор, управляемый напряжением (ГУН), в составе синтезатора частот и как автогенератор с захватом по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения при отключении его от управляющего напряжения. Поэтому такое устройство уже называется не ГУН, а более широко-управляемый автогенератор.

Недостаток известного управляемого автогенератора состоит в следующем. Поскольку полная индуктивность последовательно соединенных первой и второй катушек индуктивности с учетом их взаимной индуктивности равна L=4L, то каждая катушка индуктивности должна иметь индуктивность L=L/4, т.е. в 4 раза меньше той, которая необходима для заданной рабочей частоты. Это приводит к тому, что с ростом частоты число витков в каждой катушке индуктивности уменьшается значительно быстрее, чем в ГУН с одной катушкой индуктивности. Следовательно, если с ростом частоты в ГУН с одной катушкой индуктивности число витков уменьшается до одного и менее (т.е. катушка индуктивности «вырождается» в отрезок проводника), то в схеме устройства-прототипа это происходит гораздо раньше уже на более низкой частоте.

«Вырождение» катушки индуктивности на высоких частотах в отрезок проводника ведет к резкому ухудшению добротности резонансного контура и повышению интенсивности шумов.

Таким образом, недостаток этого устройства состоит в невозможности работать на сравнительно высоких частотах при малых уровнях собственных шумов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является управляемый автогенератор (см. патент 92583 от 03 ноября 2009 г.), который принят за прототип.

Принципиальная электрическая схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:

1, 2, 8 - первый, второй и третий транзисторы;

3 - токозадающий элемент;

12, 13, 20, 22, 24 и 25 - третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой конденсаторы;

9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19 - первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы;

21 - четвертьволновый отрезок длинной линии;

23 - варикап.

Устройство-прототип содержит первый 1, второй 2 и третий 8 транзисторы, эмиттеры которых объединены и через токозадающий элемент 3 подключены к общей шине; первый резистор 9, включенный между коллектором третьего транзистора 8 и шиной питания, второй резистор 10, включенный между шиной питания и базой третьего транзистора 8, третий резистор 11 включенный между базой третьего транзистора 8 и общей шиной, третий конденсатор 12, включенный между коллектором третьего транзистора 8 и выходом устройства, четвертый конденсатор 13, включенный между базой третьего транзистора 8 и высокочастотным (ВЧ) входом устройства; последовательно соединенные пятый конденсатор 20, четвертьволновый отрезок длинной линии 21, шестой конденсатор 22 и катод варикапа 23, анод которого подключен к общей шине; последовательно соединенные седьмой 24 и восьмой 25 конденсаторы, причем другой вывод восьмого конденсатора 25 соединен с общей шиной, другой вывод седьмого конденсатора 24 подключен к базе первого транзистора 1, а точка соединения седьмого 24 и восьмого 25 конденсаторов подключена к точке соединения пятого конденсатора 20 и четвертьволнового отрезка длинной линии 21; четвертый резистор 14 включен между шиной питания и базой первого транзистора 1, пятый резистор 15 включен между базой первого транзистора 1 и общей шиной, шестой резистор 16 включен между коллектором первого транзистора 1 и шиной питания, седьмой резистор 17 включен между шиной питания и коллектором второго транзистора 2, восьмой резистор 18 включен между шиной питания и базой второго транзистора 2, девятый резистор 19 включен между базой второго транзистора 2 и общей шиной, коллектор второго транзистора 2 соединен также с другим выводом пятого конденсатора 20, а катод варикапа 23 соединен также с входом управляющего напряжения.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Этот управляемый автогенератор может также работать в двух режимах: как генератор, управляемый напряжением (ГУН), в составе синтезатора частот при отключении от источника ВЧ и как автогенератор с захватом по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения при отключении его от управляющего напряжения.

В режиме ГУН управляющее напряжение U_упp поступает на катод варикапа 23 колебательного LC-контура на основе последовательно соединенных четвертьволнового отрезка длинной линии 21, шестого конденсатора 22 и варикапа 23, которые вместе образуют высокодобротную индуктивность L, а параллельно этой индуктивности L включен восьмой конденсатор 25. Четвертьволновый отрезок длинной линии 21 используется в качестве трансформатора комплексных сопротивлений, преобразующего нагружающую линию емкостную реактивность в виде последовательно соединенных шестого конденсатора 22 и варикапа 23 в индуктивную без значительных потерь. Это позволяет реализовать высокодобротную индуктивность L в виде четвертьволнового отрезка длинной линии, нагруженного на высокодобротный конденсатор. Вместе с конденсатором С 25 образованный таким образом резонансный LC-контур связан с базой первого транзистора 1 автогенератора через седьмой конденсатор 24. Пятый конденсатор 20, включенный между коллекторной нагрузкой (резистор 17) второго транзистора 2 и точкой соединения четвертьволнового отрезка длинной линии 21 с конденсаторами 24 и 25, обеспечивает положительную обратную связь автогенератора, построенного по дифференциальной схеме на транзисторах 1 и 2.

При изменении U_упp изменяется емкость С варикапа 23. Это изменение емкости С варикапа 23 трансформируется четвертьволновым отрезком длинной линии 21 в соответствующее изменение индуктивности L, т.е. в полученном таким образом LC-контуре изменение частоты осуществляется путем изменения индуктивности L.

Делитель напряжения на резисторах 14 и 15 создает необходимое напряжение смещения в цепи базы первого транзистора 1, коллекторной нагрузкой которого является резистор 16. Делитель напряжения на резисторах 18 и 19 создает определенное напряжение смещения в цепи базы второго транзистора 2.

В режиме ГУН источник ВЧ возбуждения отключен и на базу третьего транзистора 8 через разделительный конденсатор 13 не поступает внешний сигнал, но ВЧ составляющие эмиттерного тока, формируемые в общем токозадающем элементе 3, проходят и в коллекторном токе третьего транзистора 8, что приводит к тому, что третий транзистор 8 работает как буферный усилитель, с коллекторной нагрузки которого (резистор 9) через разделительный конденсатор 12 поступают на выход генерируемые колебания. Делитель напряжения на резисторах 10 и 11 создает определенное напряжение смещения в цепи базы третьего транзистора 8.

В режиме работы управляемого автогенератора в качестве автогенератора с захватом по частоте от внешнего источника ВЧ возбуждения управляющее напряжение U_упp остается неизменным (запоминается), а на вход ВЧ поступают внешние колебания, которые затем через разделительный конденсатор 13 приходят на базу третьего транзистора 8. В результате в управляемом автогенераторе происходит захват по частоте от внешнего источника и на выход его через разделительный конденсатор 12 поступает ВЧ сигнал, синхронный с внешними колебаниями.

При этом каскад на третьем транзисторе 8 позволяет вводить ВЧ сигнал от внешнего источника для осуществления захвата управляемого автогенератора по частоте и одновременно выполняет функцию буферного каскада с хорошей развязкой управляемого автогенератора от воздействия нагрузки на его стабильность.

Недостаток устройства-прототипа состоит в следующем.

В настоящее время в различной радиоаппаратуре требуется получение стабильного ВЧ сигнала с равномерной частотной модуляцией (ЧМ) в широком диапазоне модулирующих и несущих частот, например, в системах связи с псевдослучайной последовательностью (ПСП) импульсов.

В известном управляемом автогенераторе при введении ВЧ сигнала от внешнего источника невозможно получить на выходе частотно-модулированный сигнал в широкой полосе модулирующих частот с минимальными искажениями, т.е. получить равномерную амплитудно-частотную модуляционную характеристику (АЧМХ) в диапазоне модулирующих частот, например, от 0,1 Гц или 0,01 Гц и менее до нескольких десятков кГц. Это объясняется тем, что источник ВЧ сигнала представляет собой обычно быстродействующий синтезатор частот (СЧ) на основе кольца импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ). Если вводить ЧМ в этот СЧ и затем уже ВЧ сигнал с ЧМ подавать на ВЧ вход управляемого автогенератора, то получить на его выходе частотно-модулированный ВЧ сигнал с равномерной АЧМХ и стабильной девиацией практически невозможно. В кольце ИФАПЧ введение ЧМ в широком диапазоне частот воспринимается как внешние или внутренние помехи, которые кольцо компенсирует (подавляет). В результате диапазон ЧМ резко сужается, и появляются значительные искажения.

В то же время управляемый автогенератор не охвачен кольцом ИФАПЧ. Поэтому в управляемом автогенераторе можно было бы получить почти идеальную АЧМХ в широком диапазоне модулирующих и несущих частот.

Для устранения указанного недостатка в управляемый автогенератор с частотной модуляцией, содержащий первый, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых объединены и через токозадающий элемент подключены к общей шине; первый, второй и третий резисторы; третий и четвертый конденсаторы, причем первый резистор включен между коллектором третьего транзистора и шиной питания, второй резистор включен между базой третьего транзистора и шиной питания, третий резистор включен между базой третьего транзистора и общей шиной, третий конденсатор соединяет коллектор третьего транзистора и выход устройства, четвертый конденсатор соединяет базу третьего транзистора и высокочастотный вход устройства; а также четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы; последовательно соединенные пятый конденсатор, четвертьволновый отрезок длинной линии, шестой конденсатор и катод варикапа; последовательно соединенные седьмой и восьмой конденсаторы, причем другой вывод восьмого конденсатора соединен с общей шиной, другой вывод седьмого конденсатора подключен к базе первого транзистора, а точка соединения седьмого и восьмого конденсаторов подключена к точке соединения пятого конденсатора и четвертьволнового отрезка длинной линии; четвертый резистор включен между шиной питания и базой первого транзистора, пятый резистор включен между базой первого транзистора и общей шиной, шестой резистор включен между коллектором первого транзистора и шиной питания, седьмой резистор включен между шиной питания и коллектором второго транзистора, восьмой резистор включен между шиной питания и базой второго транзистора, девятый резистор включен между базой второго транзистора и общей шиной, коллектор второго транзистора соединен также с другим выводом пятого конденсатора, а катод варикапа соединен также с входом управляющего напряжения, введены последовательно соединенные десятый и одиннадцатый резисторы, а также девятый и десятый конденсаторы, причем точка соединения десятого и одиннадцатого резисторов и одного из выводов девятого конденсатора соединена с анодом варикапа, а точка соединения десятого конденсатора и десятого резистора соединена с входом модулирующего напряжения, при этом другие выводы девятого, десятого конденсаторов и одиннадцатого резистора соединены с общей шиной.

Принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения: 1, 2, 8 - первый, второй и третий транзисторы; 3 - токозадающий элемент;

12, 13, 20, 22, 24, 25, 26, 29 - третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый конденсаторы;

9, 10, 11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 27, 28 - первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый, десятый и одиннадцатый резисторы;

21 - четвертьволновый отрезок длинной линии;

23 - варикап;

Предлагаемое устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 8 транзисторы, эмиттеры которых объединены и через токозадающий элемент 3 подключены к общей шине; первый резистор 9, включенный между коллектором третьего транзистора 8 и шиной питания, второй резистор 10, включенный между шиной питания и базой третьего транзистора 8, третий резистор 11 включенный между базой третьего транзистора 8 и общей шиной, третий конденсатор 12, включенный между коллектором третьего транзистора 8 и выходом устройства, четвертый конденсатор 13, включенный между базой третьего транзистора 8 и высокочастотным (ВЧ) входом устройства; последовательно соединенные пятый конденсатор 20, четвертьволновый отрезок длинной линии 21, шестой конденсатор 22 и катод варикапа 23; последовательно соединенные седьмой 24 и восьмой 25 конденсаторы, причем другой вывод восьмого конденсатора 25 соединен с общей шиной, другой вывод седьмого конденсатора 24 подключен к базе первого транзистора 1, а точка соединения седьмого 24 и восьмого 25 конденсаторов подключена к точке соединения пятого конденсатора 20 и четвертьволнового отрезка длинной линии 21; четвертый резистор 14 включен между шиной питания и базой первого транзистора 1, пятый резистор 15 включен между базой первого транзистора 1 и общей шиной, шестой резистор 16 включен между коллектором первого транзистора 1 и шиной питания, седьмой резистор 17 включен между шиной питания и коллектором второго транзистора 2, восьмой резистор 18 включен между шиной питания и базой второго транзистора 2, девятый резистор 19 включен между базой второго транзистора 2 и общей шиной, коллектор второго транзистора 2 соединен также с другим выводом пятого конденсатора 20, катод варикапа 23 соединен с входом управляющего напряжения U_упp, а анод варикапа 23 соединен с девятым конденсатором 26, с десятым резистором 27 и одиннадцатым резистором 28. При этом другой вывод десятого резистора 27 соединен с модулирующим входом U_МОДи десятым конденсатором 29, другой вывод которого соединен с общей шиной. Другой вывод одиннадцатого резистора 28 и другой вывод девятого конденсатора 26 соединены с общей шиной.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Предлагаемый управляемый автогенератор может работать, как и прототип, в двух режимах: как генератор, управляемый напряжением (ГУН), в составе синтезатора частот с введением управляющего напряжения U_упp на катод варикапа 23 при отключенном входе от источника ВЧ и как автогенератор с захватом по частоте от внешнего источника высокочастотного возбуждения при отключении его от управляющего напряжения U_упp.

При изменении U_УПР изменяется емкость С варикапа 23. Это изменение емкости С варикапа 23 трансформируется четвертьволновым отрезком длинной линии 21 в соответствующее изменение индуктивности L, т.е. в полученном таким образом LC-контуре изменение частоты осуществляется путем изменения индуктивности L.

В режиме захвата частоты от внешнего источника ВЧ для осуществления частотной модуляции выходного ВЧ сигнала модулирующее напряжение U_МОД подается через делитель на резисторах 27 и 28 на анод варикапа 23, а на катоде варикапа 23 сохраняется постоянное напряжение U_упp. Изменение модулирующего напряжения U_МОД на аноде варикапа 23 приводит к соответствующему изменению емкости варикапа 23 и резонансной частоты контура с заданной девиацией. Конденсатор 26 необходим, чтобы закоротить на общую шину (на «землю») по высокой частоте анод варикапа 23. Конденсатор 29 необходим для фильтрации шумов и высокочастотных помех на модулирующем входе. Делитель на резисторах 27 и 28 выбирается таким, чтобы получить заданный уровень девиации ЧМ сигнала на выходе управляемого автогенератора.

Таким образом, введение ЧМ от модулирующего источника и захват частоты от внешнего ВЧ источника происходит независимо по двум разным входам, что позволяет получить на выходе управляемого автогенератора спектрально чистый сигнал в широком диапазоне радио частот и, при необходимости, одновременно равномерную частотную модуляцию в широком диапазоне модулирующих частот.

В результате в предлагаемом управляемом автогенераторе за счет введения новых элементов и в связи с другими элементами устройства можно получить спектрально чистый выходной сигнал с заданным шагом сетки частот, например, для работы его в качестве гетеродина приемника без подачи модулирующего напряжения U_МОД. Также можно при введении модулирующего напряжения U_МОД получить частотно-модулированный сигнал в широком диапазоне модулирующих частот и оптимальной девиацией частоты для работы его в качестве частотно-модулированного возбудителя передатчика.

Управляемый автогенератор с частотной модуляцией, содержащий первый, второй и третий транзисторы, эмиттеры которых объединены и через токозадающий элемент подключены к общей шине; первый, второй и третий резисторы, третий и четвертый конденсаторы, причем первый резистор включен между коллектором третьего транзистора и шиной питания, второй резистор включен между базой третьего транзистора и шиной питания, третий резистор включен между базой третьего транзистора и общей шиной, третий конденсатор соединяет коллектор третьего транзистора и выход устройства, четвертый конденсатор соединяет базу третьего транзистора и высокочастотный вход устройства; а также четвертый, пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый резисторы; последовательно соединенные пятый конденсатор, четвертьволновый отрезок длинной линии, шестой конденсатор и катод варикапа; последовательно соединенные седьмой и восьмой конденсаторы, причем другой вывод восьмого конденсатора соединен с общей шиной, другой вывод седьмого конденсатора подключен к базе первого транзистора, а точка соединения седьмого и восьмого конденсаторов подключена к точке соединения пятого конденсатора и четвертьволнового отрезка длинной линии; четвертый резистор включен между шиной питания и базой первого транзистора, пятый резистор включен между базой первого транзистора и общей шиной, шестой резистор включен между коллектором первого транзистора и шиной питания, седьмой резистор включен между шиной питания и коллектором второго транзистора, восьмой резистор включен между шиной питания и базой второго транзистора, девятый резистор включен между базой второго транзистора и общей шиной, коллектор второго транзистора соединен также с другим выводом пятого конденсатора, а катод варикапа соединен также с входом управляющего напряжения, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные десятый и одиннадцатый резисторы, а также девятый и десятый конденсаторы, причем точка соединения десятого и одиннадцатого резисторов и одного из выводов девятого конденсатора соединена с анодом варикапа, а точка соединения десятого конденсатора и десятого резистора соединена с входом модулирующего напряжения, при этом другие выводы девятого, десятого конденсаторов и одиннадцатого резисторов соединены с общей шиной.