Романюк_Приемопередающие_устройства

11.7. Долговременная стабильность частоты колебаний

Частота колебаний в автогенераторе определяется резонансной частотой резонатора.

В автогенераторе Колпитца (см. рис.11.3) частота генерации близка к значению резонанс-

ной частоты LC-контура:

где Ск с1с2 - суммарная емкость контура.

с1с22

Частота генерации может изменяться при изменении индуктивности и емкости конту-

ра под влиянием внешних климатических и механических воздействий. Кроме того, по-

скольку резонатор включен в цепь автогенератора, на резонансную частоту могут оказать влияние изменения соседних элементов автогенератора, например емкостей транзистора.

Следует отметить, что на частоте генерации должно быть выполнено условие баланса фаз (11.1) и если при этом окажется, что для его выполнения фазовый сдвиг между коле-

баниями тока и напряжения на контуре к ≠ 0, частота генерации будет отличаться от ре-

зонансной. Рассмотрим требования, которым должен удовлетворять резонатор автогене-

ратора для получения высокостабильных колебаний.

Постоянство резонансной частоты резонатора. Для выполнения этого требования резонатор должен быть изготовлен из стабильных элементов и материалов, слабо подвер-

женных влиянию температуры, влажности, вибраций, ударов, других климатических и механических воздействий.

Слабое влияние соседних элементов автогенератора на частоту резонатора. Частью

полной колебательной системы автогенератора являются емкости транзистора, которые оказываются подключенными параллельно резонатору. Эти емкости существенно менее стабильны, чем элементы резонатора, их влияние желательно ослабить. Рассмотрим, как внешние по отношению к резонатору емкости влияют на частоту резонатора при парал-

лельном и последовательном резонансе [5].

Если резонатором является LC-контур, то его резонансная частота определяется соот-

Для однозначного определения величин L и C можно воспользоваться выражением для

81

тура c внешней емкостью C1. Элементы контура выполнены из стабильных материалов,

однако внешняя емкость в значительной мере подвержена всевозможным воздействиям.

L(C C1)

Рис.11.6. Параллельный колебательный контур с внешней емкостью

Если внешняя емкость изменилась C1' C1 C1 , то изменилась и резонансная частота,

причем относительное ее изменение (при малых С1)

Как видно, для уменьшения ухода частоты в параллельном контуре емкость контура С следует увеличивать, т.е. применять резонаторы с малым характеристическим сопротивлением .

На рис.11.7 приведена схема последовательного контура с параллельной внешней емкостью C1.

L

C1

C2

Рис.11.7. Последовательный контур с внешней емкостью

82

Резонансная частота последовательного контура с внешней емкостью равна:

При увеличении внешней емкости на малую величину С1 изменяется и резонансная час-

тота, причем относительное ее изменение

Как видно из полученного выражения, для ослабления влияния изменений внешней ем-

кости на резонансную частоту последовательного контура емкость контура нужно умень-

шать или увеличивать характеристическое сопротивление контура .

Итак, для ослабления влияния изменений емкостей, включенных параллельно резона-

тору, характеристическое сопротивление резонатора должно быть большим при использо-

вании параллельного резонанса и малым при использовании последовательного резонан-

са.

Малое влияние изменений сопротивления нагрузки автогенератора. Обычно ав-

тогенератор связан с нагрузкой с помощью емкости. При возможных изменениях сопро-

тивления нагрузки изменяется эквивалентная емкость связи, пересчитанная к резонатору.

При этом справедливы все соображения, связанные с влиянием внешних емкостей.

Ослабление влияния изменений фазовых сдвигов между колебаниями в цепи об-

ратной связи и транзисторе. При работе автогенератора в стационарном режиме могут изменяться фазовые сдвиги между колебаниями в цепи обратной связи о.с и транзистора

s. В результате для выполнения баланса фаз (11.1) изменится сдвиг по фазе между током и напряжением колебательного контура к. Поскольку к зависит от частоты, то при этом будет изменяться и частота колебаний в автогенераторе.

На низких частотах фазовые сдвиги в цепи обратной связи и транзисторе близки к 0,

поэтому к = 0 и колебания происходят на резонансной частоте. Импеданс параллельного контура Zк определяется выражениями (4.4) и (4.5). Для схемы Колпитца (см. рис.11.2,а)

Zк p2 Rp ,

1 jа

где p = Uк/UL - коэффициент подключения контура к выводам коллектор - эмиттер транзи-

стора; UL - амплитуда колебаний напряжения на индуктивности контура, т.е. в точках со-

единения его индуктивности и суммарной емкости; обобщенная расстройка рассчитывается по формуле (4.3)

83

На повышенных частотах появляется фазовый сдвиг внутри транзистора s, кроме того,

может быть фазовый сдвиг в цепи обратной связи o.c. При этом к = –(s + o.c). Если изме-

нится к на некоторую малую величину к, то изменится и частота, на которой выполня-

ется баланс фаз, на некоторую величину . Отклонения фазы и частоты связаны соот-

ношением

Как видно, для уменьшения изменений частоты нужно применять резонаторы с большой крутизной зависимости к( ) вблизи частоты генерации. Используя (11.11) и (4.3), получим,

что d к 2Q при p. d p

Итак, для уменьшения отклонений генерируемой частоты следует увеличивать доб-

ротность резонатора. Для этого нужно применять резонаторы с высокой собственной доб-

ротностью Q0 и ослаблять связь автогенератора с нагрузкой.

Перечислим требования, предъявляемые к созданию высокостабильного автогенера-

тора.

1.Резонатор автогенератора

-должен быть выполнен из элементов и материалов, мало подверженных влиянию внешних климатических и механических воздействий;

-иметь последовательный резонанс;

-обладать высокой собственной добротностью.

2.Связь автогенератора с нагрузкой должна быть ослаблена.

3.Транзистор автогенератора и цепь обратной связи должны обеспечивать минималь-

ную сумму фазовых сдвигов s + o.c. Для этого следует применять высокочастотные тран-

зисторы (для уменьшения s), а в цепи обратной связи использовать фазосдвигающую це-

почку, компенсирующую фазовый сдвиг в транзисторе.

Следует отметить, что высокостабильные автогенераторы бывают двух типов: автоге-

нераторы, стабилизированные высокодобротными резонаторами; генераторы, управляе-

мые напряжением, охваченные системой ФАПЧ под стабильную частоту опорного авто-

генератора.

84

не одиночные автогенераторы, а синтезаторы частот - устройства, в которых частота ко-

лебаний может скачкообразно изменяться в некотором частотном диапазоне. При этом стабильность частоты определяется высокостабильным опорным автогенератором.

В диапазоне СВЧ синтезаторы выполняют на базе автогенераторов, включенных в цепь ФАПЧ [6]. Функциональная схема синтезатора СВЧ ФАПЧ изображена на рис.11.8.

Рис.11.8. Функциональная схема синтезатора частот

Она содержит ГУН, делитель частоты колебаний напряжения ГУН в N раз, частотно-

фазовый детектор (ЧФД), ФНЧ, опорный кварцевый генератор, делитель частоты колеба-

ний опорного напряжения в n раз. На входы ЧФД поступают напряжения частоты ГУН fГУН, поделенной на N, и эталонной частоты опорного генератора fэ, деленной на n. ЧФД сравнивает частоты и фазы колебаний, поступающих на его входы, и вырабатывает сигнал ошибки при их несовпадении.

В данной схеме N - целое число. Подавая на делитель частоты управляющее напряже-

ние U, изменяющее N, можно перестраивать частоту ГУН с шагом fср

(fср - частота сравнения). При большой разнице частот fГУН/N и fэ/n ЧФД выравнивает их,

работая как частотный детектор, и в дальнейшем поддерживает равенство fГУН/N = fэ/n = fср, выступая в роли фазового детектора.

Возможности дискретной перестройки можно увеличить, если применить синтезатор частот, в котором N не целое, а дробное число. Помимо изменения коэффициента деления частоты ГУН можно изменять коэффициент деления n частоты опорного генератора. Из-

вестны схемы, в которых имеется два кольца ФАПЧ и два опорных автогенератора, в этом

85

случае эталонные колебания поступают на ЧФД от кварцевого, но перестраиваемого гене-

ратора, стабилизированного вторым опорным генератором.

При построении синтезатора частот важно обеспечить два его качества:

симальное отклонение частоты от заданного значения в течение достаточно больших от-

резков времени (больше нескольких секунд).

Чистота выходного спектра определяется наличием побочных спектральных состав-

ляющих и уровнем боковых шумовых полос. Побочные составляющие отсутствуют в вы-

ходном спектре синтезатора, если правильно выбрать полосу пропускания цепи ФАПЧ.

Частота и амплитуда выходных колебаний автогенератора флуктуируют относительно средних значений. Если колебания напряжения автогенератора подать на амплитудный де-

тектор, на выходе получим случайную функцию времени, называемой амплитудным шумом.

При частотном детектировании выходных колебаний автогенератора получим случайную функцию времени, которая называется частотным, или фазовым шумом.

Наличие амплитудного и фазового шума колебаний напряжения автогенератора приво-

дит к появлению боковых полос в спектре выходной мощности автогенератора. Следует от-

метить, что в современных радиосигналах информация заключена в изменении частоты или фазы несущих колебаний, поэтому при проектировании синтезаторов основное внимание об-

ращают на уровень фазового шума выходных колебаний синтезатора.

Фазовый шум синтезатора частот определяется шумами ГУН, опорного автогенерато-

ра и ЧФД. В перечисленных устройствах источниками шума являются главным образом транзисторы. В автогенераторах флуктуации выходного тока транзистора преобразуются в случайные изменения фазы автоколебаний. В частотно-фазовом детекторе выходное на-

пряжение имеет шумовую составляющую, которая попадает на варикап ГУН, также вы-

зывая фазовый шум.

Уровень фазового шума синтезатора оценивают спектральной плотностью мощности

S(F), зависящей от частоты F флуктуаций фазы выходного напряжения ГУН. Спектраль-

ная плотность мощности фазового шума S - это дисперсия случайной функции U(t), де-

ленная на узкий интервал частот. Здесь U - амплитуда колебаний напряжения ГУН, (t) -

флуктуации фазы этого напряжения.

Спектр мощности выходных колебаний синтезатора показан на рис.11.9, где частота F

- это величина отстройки частоты генерации (несущей). Как видно, спектральная плот-

86

ность фазового шума увеличивается с уменьшением частоты флуктуаций F и зависит от полосы пропускания системы ФАПЧ.

Обычно измеряют относительную спектральную плотность мощности фазового шума S

'(F) = 10lg S(F ) , где Р - мощность автогенератора. Величина S '(F) измеряется в дБн/Гц, что

P

означает выраженное в децибелах отношение мощности шума, заключенного в полосе 1 Гц при отстройке этой полосы на частоту F от несущей, к мощности генератора.

Рис.11.9. Спектр выходной мощности синтезатора частот

Если частоты фазовых флуктуаций F напряжения синтезатора попадают в полосу пропускания системы ФАПЧ, то относительная спектральная плотность мощности фазо-

вого шума синтезатора равна:

где S 'э(F) и S 'ЧФД - относительные спектральные плотности мощности фазового шума эта-

лонного генератора и шума, вызванного частотно-фазовым детектором, М = fГУН/ fэ.

Если же частоты F флуктуаций фазы выходного напряжения синтезатора настолько велики, что не попадают в полосу пропускания системы ФАПЧ, то

S '(F) = S 'ГУН,

где S 'ГУН - относительная спектральная плотность мощности фазового шума ГУН.

В качестве опорных генераторов обычно используют автогенераторы, стабилизиро-

ванные по частоте кварцевыми резонаторами. Наиболее стабильными являются кварцевые автогенераторы частот 2 - 5 МГц, с увеличением частоты долговременная стабильность уменьшается. Если подобные генераторы применить для построения синтезаторов, рабо-

тающих на частотах единиц и десятков гигагерц, то долговременная стабильность частоты синтезаторов равна стабильности опорного генератора, однако спектральная плотность мощности фазового шума в соответствии с (11.12) оказывается весьма высокой из-за зна-

чительной величины коэффициента M.

87

Для снижения фазового шума выходных колебаний синтезатора целесообразно увели-

чивать частоту опорного генератора, при этом снижается коэффициент M с сопутствую-

щим уменьшением S, но уменьшается и долговременная стабильность частоты. Актуаль-

ной является задача выбора оптимальной частоты опорного генератора, при которой в синтезаторе достигается высокая долговременная стабильность частоты и низкий уровень фазового шума. Например, в [7] предлагается для минимизации коэффициента M, а следо-

вательно, и уровня фазового шума синтезатора применить высокочастотный опорный ге-

нератор, ГУН с уменьшенной (относительно требуемого значения) частотой, а на выходе синтезатора поставить умножитель частоты.

88

12.Преобразователи частоты

Врадиопередатчиках есть задача перенести частотный спектр сформированного ра-

диосигнала на более высокую, несущую, частоту. Такой перенос осуществляется в уст-

ройствах, называемых повышающими преобразователями частоты (up-converter). В ра-

диоприемниках преобразуют принятый радиосигнал на более низкую, промежуточную,

частоту. Для подобного переноса служат понижающие преобразователи частоты (downconverter). В состав преобразователя частоты входят следующие устройства: смеситель,

гетеродин, фильтр. Функциональная схема преобразователя частоты приведена на рис.12.1.

Рис.12.1. Функциональная схема преобразователя частоты

На входы преобразователя поступают колебания частот радиосигнала fc и гетеродина fг. В смесителе частот образуются колебания fc ± fг. В повышающих преобразователях фильтр пропускает в нагрузку колебания fc + fг, в понижающих - (fc fг). Смеситель - это устройство, содержащее нелинейный элемент: сопротивление, емкость или индуктив-

ность. В качестве гетеродина обычно применяют синтезатор частот.

12.1. Общие сведения о смесителях частот

Идея образования колебаний суммарной или разностной частоты fc ± fг из колебаний час-

тот fc и fг основана на перемножении входных напряжений. Действительно, если напряже-

ние сигнала

uc (t) Uc cos ct ,

напряжение гетеродина

uг (t) Uг cos гt ,

где Uc и Uг - амплитуды, то при uc (t) uг (t) получаются колебания частот c ± г:

Uc cos ct Uг cos гt 12 UcUг cos( c г )t 12 UcUг cos( c г )t .

89

Перемножитель частоты может быть реализован при использовании нелинейных вольт-амперных, вольт-кулонных или ампер-веберных характеристик. В понижающих преобразователях применяются ВАХ диодов или транзисторов, в повышающих - вольт-

кулонные характеристики варикапов.

Рассмотрим механизм работы смесителя частот для понижающего преобразователя частот. Нелинейным элементом является диод, имеющий нелинейную ВАХ. К диоду под-

водится напряжение

u(t) U0 Uc cos ct Uг cos гt U0 u~ ,

где U0 - постоянное напряжение смещения; u~ - мгновенное переменное напряжение

Нелинейную ВАХ можно разложить в ряд Тэйлора в окрестности постоянного напря-

жения U0. В этом случае ток диода

Видно, что уже при квадратичной аппроксимации ВАХ диода в выходном токе появ-

ляется составляющая, пропорциональная произведению входных напряжений. При ап-

проксимации ВАХ полиномом n-степени в составе выходного тока имеются составляю-

щие частоты

mfc nfг ,

где m = 0, 1, 2, 3, ...; n = 0, 1, 2, 3,…

Из всех комбинационных частот полезной в понижающих преобразователях является промежуточная частота fпр fc fг . Остальные частоты должны быть отфильтрованы.

12.2.Работа смесителя частот при большой амплитуде гетеродина

ималой амплитуде радиосигнала

Врадиоприемнике мощность принимаемого сигнала весьма мала, в то время как мощность гетеродина может быть существенно больше. В этом случае ВАХ можно раз-

90