Устройство автоматической подстройки частоты сверхвысокочастотного генератора

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ . Союз Советских Социалистических Республик(51)М. Кл. Н 037/00 Государственный комитет СССР но делаю изобретений н открытий(72) Авторы изобретения Н. Н. Пренцлау, В. М. Дмитриев и В. Д. Бобрышев Физико-технический институт низких температур АН Украинской ССР(54) УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДСТРОЙКИ ЧАСТОТИ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ГЕНЕРАТОРАИзобретение относится к радиотехнике и может использоваться всистемах стабилизации частотыСВЧ-генераторовИзвестно устройство автоматической частоты СВЧ-генератора,содержащее последовательно соеодиненные подстраиваемый СВЧ-генератор, смеситель, к другому входукоторого подключен выход эталонного резонатора, первый усилитель промежуточной частоты, Фазовый детектор, к другому входу которого подключен второй усилитель промежуточной частоты, и Фильтр нижних частот,а также амплитудный модулятор, подключенный к выходам подстраиваемогоСВЧ-генератора и первого усилителяпромежуточной частоты Я .Однако известное устройствоимеет узкую полосу захвата, а также подвержено влиянию изменениядлин линий связи на стабильностьчастоты выходного сигнала,Цель изобретения - расширение полосы захвата.Для этого в устройство автоматической подстройки частоты СВЧ-генетора, содержащее последовательносоединенные пдстреиваемый СВЧ-генератор, смеситель, к другому входукоторого подключен выход эталонногорезонатора, первый усилитель промежуточной частоты, Фазовый детектор,5 к другому входу которого подключенвторой усилитель промежуточной частоты, и Фильтр нижних частот, а также амплитудный модулятор, подключенный к выходам подстраиваемого1 О СВЧ-генератора и первого усилителя.промежуточной частоты, между выходом амплитудного модулятора и входомвторого усилителя промежуточнойчастоты включены последовательно сое 15 диненные элемент разделения прямойи отраженной волн и дополнительныйсмеситель, а вход эталонного резонатора подключен к другому выходуэлемента разделения прямой и отра 2 О женной волн.На чертеже изображена структурная электрическая схема предложенногрустройства,Устройство автоматической подст 25 ройки частоты сверхвысокочастотногогенератора содержит подстраиваемыйСВЧ-генератор 1, систему 2 с самовозбуждением, в которую входят эталонный резонатор 3, первый усилитель30 4 промежуточной частоты (УПЧ), ампли(УПЧ),а также два развязывающихэлемента 12, 13 и выход 14 СВЧ-сигнала.Устройство работает следующимобразом.Сигнал подстраиваемого СВЧ-генератора 1 через развязывающие элементы12 и 13 подается на смеситель б иамплитудный модулятор 5 с одной боковой. Благодаря наличию спектра шумов в настроенном на частоты й первом УПЧ 4 они вызывают амплитуднуюмодуляцию СВЧ сигнала в амплитудноммодуляторе 5.если эталонный резонатор 3 настроен таким образом, чтоУ +а =1 (1)где Гр - резонансная частота эталонного резонатора 3;- частота проходящего черезпервый УПЧ 4 сигнала;- частота сигнала подг Эстрайваемого СВЧ-генератора 1,то образующийся при модуляции сигнал с частотой Ур проходит черезэталонный резонатор 3 и поступаетв смеситель б, где в результатесмешения его с сигналом Г сновавыделяется сигнал Д . При усиленииего в первом УПЧ 4 он снова поступает в амплитудный модулятор 5,в результате чего выделяется сигнал У большей амплитуды и т. п.Поэтому при соблюдениибалансаамплитуд и Фаз система 2 самовозбудится.Фазовые соотношения системы 2 . Здесьи ФП - крутизны Фазочастотных характеристик эталонного резонатора 3 и первого УПЧ 4 соответственно. ь Г и дй - Флуктуации частоты сигналов, проходящих через эталонный резонатор 3 и первый УПЧ 4 при флуктуации частоты дГ и под- страиваемого СВЧ-генератора 1.Р сдвиг Фазы в соответствующих элементах, причем первый индекс показы-вает, от какого элемента поступает сигнал, а второй индекс - куда он ,поступает. Решение системы уравнений (2) приаГ да. - ; --1 ,/р (3)Из выражений (3) и ( Й) следует, что, едли 1 Р)7 д, то Мр Ы ЬГ,. а ЬЙ,М, т. е. через эталонный резонатор 3 проходит более стабильный по .частоте сигнал, чем Гг . КоэфФициент стабилизации при этом равен(1+Гр/Фй) кр/Гр = КРассмотрим фазы сигналов, проходя щих на Фазовый детектор 9На первый вход амплитудного модулятора 5 подается сигнал с фазойа на второй - с Фазой Р 16 . Поскольку амплитудный модулятор 5 с однойбоковой, то на его выходе имеем два 20 сигнала: сигнал несущей частоты СВЧс Фазойи сигнал боковой с фазойРд = Рь +Р 46 (в зависимости от того,на нижней или верхней боковой работает система 2), Ъ случае малой 25 связи линии с эталонным резонатором3 (что обычно выполняется на практике) часть мощности, поступающей навход эталонного резонатора 3 на частоте У + Ь 1 , отражается, при этом ЗО фаза отраженного сигнала Р (МР ) зависит от расстройки ЬГг . В то жевремя сигнал с частотой Г , находясьдалеко за пределами полосы пропускания эталонного резонатора 3, приотражении не приобретает сдвига Фазы,зависящего от расстройки Ь 1 р . Поэтомуна выходе дополнительного смесителя 10 в результате смешения отражен,ных сигналов с частотой Г, и Фазой.Я и сигнала 1 р с фазой Р (БАР) име ем сигнал с частотой ) и фазой 1 о 6 4 Ь (6 Р) 16 -РМР)5 (") В фазовом детекторе 9 выделяетсясигнал постоянного тока, пропорциональный разности Фаз, подаваемых наего входы сигналов ЬЫХ 46 ( Р) 45 ( ) (б) т. е. пропорционально расстройке сиг, нала АГР относительно резонансной частоты эталонного резонатора 3 (для малых расстроек).Поскольку на входы фазового детектора 9 подаются сигналы однойчастоты Я. , то сигнал ошибки навыходе фазового детектора 9 зависитне от разности частот. подаваемыхна его входы сигналов, а от разности фаз между ними. Поэтому прииспользовании в устройстве фазового детектора 9 с полосой не нижеполосы пропускаиия первогЬ УПЧ 4 нет необходимости использовать систему(9) 50 60 65 поиска, так как система частотной автоподстройки частоты (ЧАПЧ) сработает во всем диапазоне Флуктуациичастоты подстраиваемого СВЧ-генератора 1. При этом поскольку сигналошибки равен нулю при д 1 Р : О, т, е.при работе на резонансной частотеэталонного резонатора 3, система ЧАПЧдействует на подстраиваемый СВЧ-генератор 1 таким образом, чтобы ЬГРуменьшалась. При использовании сигнала с выхода 14 эталонного резонатора 3 его Флуктуация частоты равна где К - коэффициент стабилизации автоматической подстройки частоты (АПЧ) предлагаемого устройства с учетом перераспределения Флуктуаций дГ, .Рассмотрим влияние изменения длины линии связи на частоту выходного с эталонного резонатора 3 сигнала. Для этого составим систему уравнений, подобную (2), с.учетом изменения набега фазы из-за изменения длины линии связи. Решение его приводит к следующему уравнению: где дЯ и М - изменение частот сигналов, проходящих через первый УПЧ 4 и эталонный резонатор 3 из-за изменения набега Фазы Р 1 в линиях при изменении их длины. При стабилизации известной системы по сигналу первого УПЧ 1 ф. д зе 1лЛ Р дЯ"где д Й- -- Флуктуация проходястщего через первый УПЧ 4 сигнала при включенной системе АПЧ (М","я 2 ДГР изменение частоты проходящего через эталонный резонатор 3 сигнала при включенной системе АПЧ и том же набеге фазы Р,),В предлагаемом устройствеМлгде дГР - р-Р- идЯ. - Флуктуация проходящего через эталонный резонатор 3 и первый УПЧ 4 сигнала при включейной системе АПЧ предлагаемого устройства из-за изменения набега фазы Рл при изменении длин линий.Из, (9) и (10) следует, что р /Ыр=2 Кт, т.е. флуктуация частоты: проходящего через эталонный резонатор 3 сигнала снижается в 2 К раз,В известном устройстве АПЧ подстраиваемого СВЧ-генератора 1 осуществляется по сигналу первого УПЧ 4. Поскольку сдвиг Фазы первого УПЧ 4 равен д 2", то при включенной АПЧ флуктуация Д Йф, а, следовательно,. и фаза Фд дйфснижается в К раз. При больших К ,д дЯ/ (Орд р Поскольку в системе 2 должен соблюдаться баланс фаз, то РЫ=-РЛ, Таким образом, сдвиг частоты генерации, вызванный изменением набега Фазы Рл из-за изменения длин линий .практически полностью переносится на сигнал, проходящий через эталонный резонатор 3.В предлагаемом же устройстве стабилизация осуществляется таким образом, что дГР уменьшается в К раз. Для системы 2 в данномЪ)ф случае баланс фаз имеет вид 1 дй й, Поэтому изменение частоты сигнала, вызванного набегом Фазы Р в от.личие от известного практически полностью переносится на сигнал промежуточной частоты, а проходящий через эталонный резонатор 3 сигнал оказывается мало чувствитель.ным к л ф При исследовании предлагаемого устройства используется широкополосный нерезонансный фазовый детектор 9. .В этом случае полоса захвата устройства равняется полосе пропускания первого УПЧ 4 и составляет5 мГц на частоте 30 мГц. При этом получен Кт 2000. Поскольку полоса фазового детектора 9 выбирается заведомо больше полосы пропускания первого УПЧ 4, то система ЧАПЧ предлагаемого устройства срабатывает при наличии возбуждения в системе 2. Практически захват осуществлялся включением системы ЧАПЧ при возбужденной системе 2. Для известного устройства при тех же условиях полоса захвата равняется 0,5 - 0,7 мГц.Поэтому при возбуждении системы 2 за пределами этой полосы система ЧАПЧ не срабатывает, Для ее срабатывания необходимо либо вручную перестраивать частоту подстраиваемого СВЧ-генератора 1 до попадания сигнала Й в полосу захвата фазового детектора 9, либо использовать автоматическую систему поиска, Влияние изменения длин линий связи на стабильность частоты выходного сигнала также снижается в 2 Кг раз. Формула изобретения Устройство автоматической подстройки частоты сверхвысокочастотного (СВЧ) генератора, содержащее последовательно .соединенные подстраивае758530 Составитель А. Слободскийедактор М, Ликович Техред М. Рейвес Корректс п аказ 5767/20 Тираж 995ЦНИИПИ Государственного комитпо делам изобретений и откры113035, Москва, Ж"35, Раушская наб Подписно а ССС 4/ ипиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная, 4 мый СВЧ-генератор, смеситель, к другому входу которого подключен выходэталонного резонатора, первый усилитель промежуточной частоты, ФаЗовый детектор, к другому входу которого подключен второй усилительпромежуточной частоты, и Фильтр нижних частот, а также амплитудный модулятор, подключенный к выходам подстраиваемого СВЧ-генератора и первоГо усилителя промежуточной частоты,о т:л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью расюирения полосы захвата,между выходом амплитудного модулятора и входом второго усилителя промежуточной частоты включены последовательно соединенные элемент разделения прямой и отраженной волн и дополнительный смеситель, а вход эталонного резонатора подключен к другому выходу элемента разделения прямой иотраженной волн,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Р 489193, кл. Н 03 8 3/0, 1973 (прототип).