Телекоммуникационные системы

91

Уровень высших гармонических составляющих тока возрастает, если работа варактора будет сопровождаться заходом в область открытого p-n-перехода. В схеме варакторного умножителя (рис. 8.8) последовательные контура С1L1C2 и L3C3 настроены соответственно на основную частоту ω и требуемую гармонику

. Через емкость варактора протекают контурные токи основной частоты и требуемой гармоники. Преобразование мощности сигнала одной частоты в мощность сигнала другой частоты происходит при определенном напряжении смещения емкости p-n-перехода за счет источника Есм. Варакторные умножители частоты строят для удвоения или утроения частоты. При необходимости более высокой кратности умножения применяют цепочки из несколько последовательно включенных умножителей.

C	ic	Rсм		L2
		Eсм	Сб
		С1	L1	L3	С3
		Uвх
	t	С2	I(ω)	I(nω)	Rн
Есм	В			C4

Uω

t

Рис. 8.8. Принцип работы варакторного умножителя частоты

8.2. Возбудители радиопередатчиков

Для передачи сообщения на большие расстояния в радиопередающем устройстве осуществляется модуляция ВЧ-колебания информационным сигналом. Следовательно, в передатчике должен быть источник ВЧ-колебаний. Возбудителем такого колебания является задающий генератор – генератор с самовозбуждением. Этот автогенератор должен создавать высокостабильные гармонические колебания.

Транзисторные автогенераторы обладают низким уровнем собственных шумов, способностью менять частоту в довольно широких пределах. Их рабочая частота, определяемая параметрами транзистора, может достигать

92

десятков ГГц. Основными являются автогенераторы, работающие по трехточечной схеме. В таких автогенераторах транзистор тремя своими выводами (Э, Б, К) присоединяют к трем точкам колебательного контура, состоящего из трех реактивных элементов. По величине и знаку реактивные элементы выбирают, исходя из условия выполнения баланса фаз и амплитуд. В зависимости от того, какие реактивные элементы количественно преобладают в контуре, различают автогенераторы, построенные на схеме индуктивной и емкостной трехточки (рис. 8.9).

VT	Z	1	Z3	VT	L1	C	VT	C1
U2					L2			C2	L
U1	Z2

Обобщенная	Индуктивная	Емкостная
схема	трехточка	трехточка

Рис. 8.9. Генераторы, построенные по трехточечной схеме

Выполнение условия баланса амплитуд не вызывает затруднений, так как при правильно выбранном режиме транзистора по постоянному току легко

получить коэффициент усиления, при котором								. При		рассмотрении
фазовых соотношений в генераторе будем считать, что1L и C имеют малые
потери и	Z	Z		.		Z
	1 = 1,	2 =		2,		3 = 3. На резонансной частоте колебательной
системы			как		Коэффициент передачи делителя обратной						связи
	.	Так				,	то		Чтобы фазовый
сдвиг в/			0					величина/ .
	цепи обратной связи был равен						,			должна	быть
действительной и отрицательной, что будет иметь| |								место, если		и	будут
одного характера (либо L,						либо С). Тогда	должен быть противоположен
характеру сопротивлений						и .

Одной из особенностей при проектировании автогенератороввозбудителей является необходимость обеспечения стабильной рабочей частоты. Наиболее высокая стабильность для LC-генераторов достигается в схеме емкостной трехточки, известной как схема Клаппа (рис. 8.10).

93

	VT	L1
	C2
		Cʹ4 C5 Uвых
	C1	C4
		Cʺ4
	L3
		L2

C6

C3 R3

R2 R1

Eк

Рис. 8.10. Схема автогенератора Клаппа

Автогенератор, собранный по схеме Клаппа состоит из колебательного контура C1C2C4L1. Конденсатор С5 служит для регулирования связи генератора с нагрузкой. L2, L3 предназначены для разделения ВЧ-цепи и цепи питания по постоянному току, С3, С6 – блокировочные. Резисторы R1, R2, R3 – обеспечивают заданный режим работы транзистора по постоянному току.

Стабильность частоты передатчика является одним из основных, важнейших показателей качества его работы, обеспечить которую в соответствии со стандартами могут только кварцевые резонаторы.

Кварцевые пластинки обладают пьезоэлектрическим эффектом и, как всякое упругое тело, обладают собственной резонансной частотой механических колебаний, зависящей от размеров пластины. Можно подобрать такие размеры, чтобы ее резонансная частота механических колебаний была близка к частоте переменного напряжения, прикладываемого к пластинке. Схематическое изображение простейшего резонатора дано на рис. 8.11. Кварцевую пластинку можно рассматривать как электромеханическую колебательную систему и сравнить ее свойства с обычным колебательным контуром.

	б
а	КР
в	г

Рис. 8.11. Кварцевый резонатор: а – пластина кварца; б – электроды в виде напыленной на поверхность металлической пленки; в – выводы; г – схемное изображение

Как видно из схемы замещения (рис. 8.12) частотная характеристика кварцевого резонатора имеет два резонанса: последовательный (f1) и параллельный (f2).

94

	x	L
Lк
Cк	f1	f2
	C0		f

rк

C C

Рис. 8.12. Схема замещения кварцевого резонатора

Так как Ск ≈ 0,007 – 0,05 пФ, а С0 ≈ 5 – 20 пФ (С0 >> Ск), то 1 ≈ 2 , где

	1= к = 1/(2π		) ,	2 = 1/(2π	·	к	) . В интервале от f1 до f2 реактивное
		кСк
					к	к

сопротивление кварца имеет индуктивный характер, а за пределами - емкостной. Кварцевый резонатор в виде индуктивности можно включить в схему емкостной трехточки (рис. 8.13). На этом же рис. 8.13 показана практическая схема автогенератора, колебания которого близки к к.

КР			к		С4	С2
	VT			R1
		С2				VT
						С5 Uвых
С1		L	С3	С1
				R2		R3
		КР

Рис. 8.13. Схема автогенератора с кварцевым резонатором

Для небольшой коррекции частоты предусмотрена катушка L. C1, C2, KP, L – образуют контур емкостной трехточки, R1, R2 – служат для выбора рабочей точки, С3, С5 – разделительные.

Кварцевая стабилизация в диапазоне частот

Радиопередающие устройства, как правило, предназначаются для работы не на одной фиксированной частоте, а в широком диапазоне частот. При этом, на какой бы частоте не работал передатчик, он должен обеспечить требуемую стандартами стабильность частоты. В LC-генераторах, частоту которых менять

95

просто, получить ТКЧ более 10-4 невозможно, а стабильные кварцевые генераторы работают на одной частоте.

Увеличить ширину диапазона частот высокостабильных колебаний на выходе возбудителя удается путем применения устройств, основанных на синтезе частот. Такое устройство (рис. 8.14) включает в себя высокостабильный кварцевый автогенератор (КГ), генератор гармоник (ГГ) и каскады синтеза частот (синтезатор С).

КГ ГГ

Uвых( k)

~

С

Рис. 8.14. Принцип синтеза высокостабильных частот

Частота колебаний на выходе возбудителя всегда кратна частоте КГ, а стабильность определяется стабильностью кварцевого автогенератора. От возбудителя такого вида можно получить ограниченное число рабочих частот.

Возбудитель передатчика, частота которого плавно меняется в диапазоне частот, можно построить, используя интерполяционный метод. На смеситель СМ подается два колебания: одно от высокостабильного КГ с частотой fk, другое – от интерполяционного (перестраиваемого по частоте LC-генератора)

генератора ИГ с частотой	(рис. 8.15). На выходе СМ получают токи
различных частот: к, , к	и т.д.

ИГ СМ

~

LC

~

ʹ

k

КГ

Ф

~ k+ LC

~

~ Uвых

Рис. 8.15. Схема реализации интерполяционного метода

Фильтр Ф на выходе СМ выделяет из всех частот одну комбинационную

– суммарную или разностную. В рассматриваемых возбудителях к , поэтому стабильность в основном определяется кварцевым автогенератором; колебание требуемой гармоники выделяется узкополосным фильтром, к которому предъявляются очень высокие требования, так как сигнал на выходе

96

возбудителя должен обладать спектральной чистотой (не иметь паразитных гармоник, «загрязняющих» основной сигнал). Выделить нужную гармоническую составляющую с помощью резонансных систем простым способом не удается, особенно при малом различии соседних гармоник по частоте.

Для получения качественного сигнала в широком диапазоне частот наиболее часто применяют возбудители, построенные по методу косвенного синтеза частот с фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ). Принцип работы такого возбудителя показан на рис. 8.16. В основе фазовой синхронизации автогенераторов с помощью системы фазовой автоподстройки ФАП по сигналу эталонной частоты лежит измерение текущей разности фаз колебаний подстраиваемого автогенератора ПГ (нестабильного LC-генератора, но выдающего «чистый» гармонический сигнал) с эталонным генератором ЭГ (КГ) с последующим использованием сигнала ошибки для коррекции частоты и фазы ПГ.

		ФД	ПГ		VD1
ЭГ	φЭГ	φПГ	вых			C
		ФД	ЭГ	ПГ	1	R

	УЧ			ФД
			R	C
~
ФНЧ ~ y	ЭГ	2
а		VD2		б

ЭГ φ

ЭГ

1

2 ПГ

в

Рис. 8.16. Принцип работы возбудителя, построенного по методу косвенного синтеза частот: а – структурная схема; б – фазовый дискриминатор; в – диаграмма работы фазового дискриминатора

97

В фазовом дискриминаторе простейшей ФАП (рис. 8.16, а) текущая фаза ПГ(t) колебаний ПГ сравнивается с фазой эталонного сигнала φЭГ(t) и вырабатывается сигнал ошибки ФД(t), который преобразуется цепью управления в виде ФНЧ в управляющее напряжение y, подаваемое на управитель частоты УЧ (варикап). Под действием управляющего напряжения в колебательный контур ПГ через УЧ вносится корректирующая частотная расстройка ∆ . Добавляясь к собственной частоте ПГ ПГ, она уменьшает исходное рассогласование фаз.

Возможны различные способы построения ФД. Часто используется балансная схема (рис. 8.16, б), где применено встречное детектирование

векторной суммы			и векторной разности
колебаний ПГ и ЭГ. Выходным			напряжением ФД	ФД является		разность
	ПГ	ЭГ				ПГ	ЭГ
напряжений, выпрямленных амплитудными детекторами на диодах VD1 и VD2.
Как видно из рис. 8.16, в величина			ФД зависит от разности фаз		между UЭГ и

UПГ. При этом взаимно компенсируются постоянные составляющие выпрямленных напряжений, которые не зависят от разности фаз колебаний ПГ и ЭГ.

Если	ЭГ и ПГ являются	косинусоидальными напряжениями, то на
выходе ФД:	образуется два	колебания	cos ·cos		cos
cos

ФД

ФД

cos cos

ЭГ	ПГ	ЭГ	ПГ ,
ЭГ	ПГ	ЭГ	ПГ ,

где А – амплитуда полученных колебаний,	ЭГ и ПГ – начальные фазы ЭГ и
ПГ. Первое высокочастотное колебание	задерживается ФНЧ, а второе

используется в качестве управляющего напряжения. Если ПГ ЭГ, то управляющее напряжение, воздействуя на варикап ПГ, приближает его частоту

кЭГ. При совпадении частот происходит захват частоты ведомого,

перестраиваемого генератора частотой ЭГ (кварцевого).

Структурная схема синтезатора косвенного (непрямого) синтеза частот

В синтезаторах непрямого синтеза (рис. 8.17) источником колебаний рабочей частоты служит перестраиваемый по частоте генератор ПГ (выдает чистое гармоническое колебание, но нестабильное). Текущая частота ПГ ПГ непрерывно сопоставляется с частотой ЭГ, полученной из эталонной частоты ЭГ методом прямого синтеза (умножение частоты). Сравнение частот ПГ и

ЭГ осуществляется ФАП.

98

ЭГ ГГ

ЭГ ~

ДОЧ – датчик опорных частот (умножитель, делитель частоты)

ФД		ПГ
ЭГ	ПГ		~	вых
		∆		ПГ =	ЭГ
ФД ФНЧ	y		УЧ
≈

ФАП

Рис. 8.17. Структурная схема синтезатора косвенного синтеза частот

Датчик опорных частот содержит эталонный генератор ЭГ и генератор гармоник ГГ. Собственная частота ПГ устанавливается вблизи желаемой гармоники ЭГ ( ЭГ), выбранной внутри рабочего диапазона сетки частот. Системе ФАП обеспечивает точное совпадение текущей частоты ПГ с частотой гармоники высокостабильного генератора.

Цифровые синтезаторы частоты

Цифровыми синтезаторами частоты (ЦСЧ) называют устройства, вырабатывающие гармонические колебания и построенные с применением элементов цифровой схемотехники. ЦСЧ (рис. 8.18) реализуют по методу непрямого синтеза, используя систему ФАП, работающую в импульсном режиме (ИФАП). В отличие от обычной ФАП в нее введены формирователи пилообразного (ФЭ) и прямоугольного (ФГ) импульсов, а фазовый дискриминатор заменен импульсным фазовым детектором (ИФД).

В схеме имеется делитель частоты с переменным коэффициентом деления, к которому подключен интерфейс выбора коэффициента деления . В

ИФД через ФГ и ДПКД поступают короткие импульсы с частотой ПГ, а через

ФЭ пилообразное напряжение с частотой ЭГ. С помощью ключевой схемы фиксируется уровень пилообразного напряжения в момент прихода импульса. Запоминающая схема поддерживает этот уровень до прихода следующего короткого импульса. В результате на выходе ИФД получается ступенчатое напряжение д, которое сглаживается ФНЧ и, воздействуя на управитель частоты (УЧ), меняет частоту ПГ.

В синхронном установившемся режиме последовательность импульсов с частотой ПГ будет попадать на одну и ту же точку пилообразного напряжения.

99

На выходе ИФД в этом случае получается постоянное напряжение, которое через УЧ создает расстройку, необходимую для поддержания синхронизации. Для получения сетки стабильных частот импульсы от ПГ подается на ИФД через ДПКД-делитель с переменным, управляемым коэффициентом деления. Это устройство выполняется на основе триггерных счетчиков с обратными связями, и по командным сигналам может изменять коэффициент деления в широких пределах.

от схемы управления коэффициентом деления

ЭГ

ЭГ

ЭГ

ФЭ		ИФД		ДПКД					ФГ
~	ПН		ДПКД	/		~

ед

УЧ ПГ ФНЧ ≈ y ~

а

ЭТ

t

П

t

TЭГ

ДПКД

t

дТПГ

t

б

Рис. 8.18. Цифровой синтезатор частоты: а – структурная схема; б – временные диаграммы.

100

Пусть 10 и на ИФД поступает каждый десятый импульс из последовательности импульсов, образованных в ФГ напряжением ПГ. Тогда,

если ПГ = 10		ЭГ в схеме создается состояние синхронизма колебаний ПГ и ЭГ.
Установив			и грубо увеличив	ПГ примерно на 10%, снова
получим на	выходе ДПКД частоту поделенных импульсов, близкую к				ЭГ, и
		10 1 11

снова система входит в синхронизм. Таким образом, меняя коэффициент деления ДПКД в пределах возможностей схемы, зависящих от числа двоичных разрядов счетчика, и перестраивая грубо (теми же командами) ПГ, получим на выходе любую из частот сетки, сохраняющую стабильность частоты ЭГ.

Квантовые стандарты в синтезаторах частоты

Стандарт частоты хранит и воспроизводит колебания определенной частоты с максимально достижимой точностью. Наряду со стабильностью, стандарт должен обладать исключительно высокой воспроизводимостью значения частоты. В кварцевых генераторах резонансная частота зависит от размеров кристалла кварца, которые не могут быть выдержаны идеально в процессе его изготовления. Частоты излучательных квантовых переходов определены природой вещества, они повторяются во всех квантовых приборах, построенных на основе одного материала. Таким образом, квантовые приборы наилучшим образом удовлетворяют требованиям, предъявляемым к стандартам частоты, поэтому их применение в качестве эталонных генераторов в синтезаторах частоты чрезвычайно перспективно.

Однако непосредственному использованию квантовых стандартов (КС) препятствует их очень высокая рабочая частота и малая выходная мощность. Так, молекулярный генератор на пучке молекул аммиака (рис. 8.19) генерирует

не превышает 10		Вт.		23870130	кГц (	1,25	см). Выходная мощность
колебания с частотой			КС
	-10		Нестабильность частоты 10-12.

В веществе (NH3), которое помещается в СВЧ-резонатор, настроенный на частоту рабочего квантового перехода, предварительно создается в сортирующей системе инверсия заселенностей (когда число электронов на одном из энергетических уровней с большей энергией N2 больше числа электронов на уровне с меньшей энергией N1). При компенсации потерь энергии в резонаторе возникают стабильные колебания СВЧ.