Методы синтеза частот, разновидности и структурные схемы синтезаторов частот

 

При выборе функциональной схемы возбудителя на основе синтезатора частот определяющими требованиями могут быть требования по быстродействию переключения рабочей частоты, шаг изменения частоты, уровню дискретных или гладких побочных составляющих на выходе возбудителя, массогабаритным показателям и энергопотреблению. Пока не существует аналитических методов синтеза функциональной схемы возбудителя по тем или иным комбинированным критериям оптимальности. Нередко используется параметрическая оптимизацияв рамках заданной структурыпо одному из параметров (например, быстродействию). Известно [1, 4, 5], что ни один из известных методов формирования дискретной сетки частот не обладает абсолютными преимуществами перед остальными. Более того, самые совершенные технические решения часто удается получить при одновременном использовании нескольких методов синтеза с сочетанием цифровой и аналоговой элементной базы, то есть при использовании комбинации методов синтеза [6 – 8].

В общем случае выделяют следующие методы синтеза частот: прямые (пассивные), косвенные (активные), цифровые и комбинированные. В последних в произвольной комбинации используются два или три предшествующих метода. Кроме того, прямые и косвенные синтезаторы частот могут быть реализованы на аналоговой, цифровой элемнтной базе или при совместном использовании той и другой. В свою очередь, в цифровых синтезаторах частот могут быть реализованы те же алгоритмы, что и в аналоговых, но реализация базируется на цифровых микросхемах или микросборках. Стоит отметить, что при цифровом методе синтеза частот применяют специфические методы, реализация которых на элементах аналоговой техники либо невозможна, либо приводит к неприемлемому усложнению синтезатора (например, двух-, многоуровневые методы синтеза [8, 9]).

В прямых методах синтеза частота выходного сигнала формируется из частоты опорного генератора (или из частот нескольких опорных генераторов – датчиков опорных частот (ДОЧ)) путем ее преобразоавния (умножения, деления, алгебраического сложения). Нужную составляющую преобразованного колебания отделяют от остальных узкополосным перестраиваемым фильтром в селекторе гармоник (СГ) [3, 8].

Прямым методам синтеза частот свойственен ряд достоинств и недостатков: методы прямого синтеза частот предпочтительны в тех случаях, когда на выходе синтезатора частот требуется одновременно несколько когерентных сигналов с разными частотами (то есть для многочастотных синтезаторов [4]). В прямых синтезаторах частот можно обеспечить сколь угодно малый шаг частоты выходного сигнала (до тысячных долей герца) при использовании методов идентичных декад, дуад или тетрад [9].

Структурные схемы прямых синтезаторов, даже если и включают большое число узлов, функционально просты. Многие из них – пассивные, с небольшой инерционностью. Время переключения выходной частоты прямых синтезаторов частот может быть доведено до единиц наносекунд [8]. Простейший такой синтезатор строится с использованием генератора гармоник (ГГ) (рис.1.1). Из колебаний опорного и эталонного генератора (ЭГ) с помощью ГГ формируются короткие импульсы. Спектр этих импульсов богат гармониками. С помощью узкополосного полосового фильтра (ПФ) из спектра импульсов выделяется сигнал требуемой рабочей частоты . Степень подавления нежелательных компонентов на выходе синтезатора определяется ПФ.

 

Рисунок 1.1 – Синтезатор частот с использованием генератора гармоник

 

При большом числе рабочих частот указанный ПФ необходимо перестраивать в широких пределах, что на практике оказывается затруднительным. Для облегчения требований, предъявляемых к ПФ, используется специальная схема с двойным преобразованием частоты, или схема «с вычитанием ошибки» (рис.1.2).

 

Рисунок 1.2 – Схема синтезатора частот с «вычитанием ошибки»

 

В преобразователе Пр₁ частота всех гармоник, поступающих с генератора гармоник ГГ, понижается на частоту вспомогательного генератора (Г). Узкополосный фильтр (Ф) имеет центральную частоту, совпадающую с частотой одной из гармонических составляющих входного сигнала (пусть для примера – с чатотой ). Все остальные составляющие подавляются этим фильтром. Далее на выходе второго смесителя выделяется сигнал частоты .

Нестабильность частоты вспомогательного генератора определяет полосу пропускания фильтра Ф и не влияет на выходной сигнал преобразователя Пр₂. Для изменения выходной частоты в схеме с «вычитанием ошибки» достаточно только менять частоту генератора Г.

В более сложныхсинтезаторах, построенных по методу прямого синтеза, используется принцип «идентичных декад». На рис.1.3 показана структурная схема синтезатора, построенного по этому принципу. Из сигнала частоты кварцевого генератора (КГ) в формирователе вспомогательных частот (ФоВЧ) формируются десять опорных частот и сигнал частоты . Опорные частоты связаны соотношением , где ; - шаг сетки вспомогательных частот. С помощью декадных переключателей П₁,…,П₂ сигнал одной из частот можно подать на вход любого преобразователя ПР. Полосовые фильтры выделяют сигналы суммарной частоты. Частота выделенного сигнала делится в 10 раз в делителе Д (в последней декаде делитель отсутствует).

Можно показать, что выходная частота синтезатора определяется соотношением

 

,

 

где - последняя декада без делителя; - число декад; - номер положения переключателя П_к (). Если число декад , то ; если , то и т.д.

Рисунок 1.3 – Схема синтезатора частот с идентичными декадами

 

Отметим, что шаг полученной сетки частот в раз мельче интервала между соседними опорными частотами диапазона . Увеличивая число декад, можно уменьшить шаг сетки выходных частот, при этом не требуется перестройка ПФ.

Недостатком синтезаторов, построенных по методу идентичных декад, является необходимость изменения значительного числа преобразователей и фильтров, что в конечном итоге усложняет получение подавления уровня побочных частот на выходе синтезатора более чем на 60…80 дБ.

Таким образом, в как видно из приведенных примеров в синтезаторах прямого типа трудно получить выходной сигнал с высокой чистотой спектра: при транспонировании, умножении и делении частоты возникают комбинированные побочные составляющие, увеличиваются в большинстве случаев шумовые компоненты. Для повышения чистоты спектра приходится использовать большое число фильтров, далеко не всегда поддающихся миниатюризации. В результате либо увеличиваются габаритные размеры, масса синтезатора, либо ухудшаются показатели синтезатора частот по чистоте спектра выходного сигнала.

При использовании в прямых синтезаторов нескольких вспомогательных опорных частот, к стабильности которых предъявляются более жесткие требования, чем к стабильности частоты выходного сигнала, часто приходится брать в качестве опорного генератора более стабильный эталонный генератор или использовать несколько автономных опорных генераторов. Это удорожает синтезатор, увеличивает его массу, размеры, энергопотребление.

При косвенных методах синтеза частот выходной сигнал получают самостоятельно от подстраиваемого по частоте генератора (ПГ) без каких-либо нелинейных преобразований. Для обеспечения требуемой стабильности частоты ПГ используют систему автоматической подстройки частоты (АПЧ) по сигналу опорного эталонного генератора. Структурная схема такого синтезатора изображена на рис.1.4 [10].

Сигнал с выхода делителя с переменным коэффициентом деления (ДПКД) поступает на фазовый детектор (ФД), на который одновременно поступает сигнал от кварцевого генератора КГ с частотой . Выходное напряжение ФД, как в обычной системе АПЧ, через фильтр нижних частот (ФНЧ) воздействует на управляющий элемент (УЭ) (например, варикап), который изменяет частоту ПГ. В синхронном состоянии частоты сигналов, сравниваемых ФД, оказываются равными (, гле - коэффициент деления ДПКД), и, следовательно, долговременная нестабильность выходной частоты ПГ та же, что и КГ. Меняя коэффициент деления , по команде внешнего устройства, задающего код требуемой выходной частоты, можно изменять частоту колебаний на выходе синтезатора (). При этом шаг частот синтезатора равен частоте .

 

Рисунок 1.4 – Схема синтезатора, работающего по методу косвенного синтеза

 

Система АПЧ в косвенных синтезаторах, как правило, является фазовой (ФАПЧ) ввиду большой точности ее работы по сравнению с частотной АПЧ [4, 11]. При этом параметры колец ФАПЧ должны выбираться помимо всего прочего с учетом ширины спектра формируемого сигнала (формируемого вида работ). Например, постоянная времени кольца ФАПЧ ограничивает максимальную скорость угловой модуляции, а уменьшение инерционности кольца ФАПЧ ухудшает фильтрующие свойства кольца по отношению к побочным составляющим и высокочастотным флуктуациям частоты (фазы) опорного генератора. Отметим также, что при необходимости формирования в возбудителе (синтезаторе рассматриваемого типа) определенного вида работ (какого-либо типа модуляции или манипуляции, например, частотной), это можно осуществить, вводя информационный сигнал непосредственно на вход УЭ. Что касается ПГ, то в качестве него используется, как правило, транзисторный автогенератор, выполненный по схеме емкостной трехточки, и УЭ с варикапом, включенным в колебательный контур.

В качестве ДКПД часто используются счетчики импульсов, выполенные на цифровых интегральных схемах как средней, так и большой степени интеграции. Цифровые ДПКД устойчиво работают на частотах входного сигнала до 1.5 … 2 ГГц. Если ГГц, то для снижения частоты входного сигнала ДПКД используют понижение частоты либо вычитание (при помощи преобразователя частот Пр, см. рис.1.5), либо делением (рис.1.6).

 

 

а) б)

Рисунок 1.5 – Синтезатор частот с: а) ДПКД с понижением частоты, б) ДПКД и делением

 

При понижении частоты колебаний на выходн ДПКД вычитанием частота ПГ . Здесь - коэффициент умножения умнжителя частоты (УЧ). При этом шаг сетки частот синтезатора остается равным .

При понижении частоты колебаний на входе ДПКД с помощью делителя с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД) шаг частот синтезатора равен .

Отметим, что схема с дополнительным делителем (см. рис.1.5.б) имеет определенные преимущества по сравнению со схемой, в которой используется понижение частоты вычитанием (см. рис.1.5.а), поскольку не требуется применения умножителя и смесителя. Эти элементы приводят к повышению уровня побочных составляющих в спектре выходного сигнала синтезатора.

 

Рисунок 1.6 – Двухкольцевая схема синтезатора частот

 

В системах ДПКД при малом частотном шаге требуется низкая частота КГ . В этом случае для подавления нежелательных побочных частот в спектре выходного сигнала синтезатора, обусловленных помехой с частотой , действующей непосредственно на выходе ФД (внешняя помеха), необходимо увеличивать инерционность системы. Однако при этом, как уже указывалось, будут плохо фильтроваться внутренние помехи, вызванные собственными шумами ПГ. Для устранения проиворечий между фильтрацией внешних и внутренних помех в синтезаторах используют двухкольцевые системы ФАПЧ (рис.1.6). Одно из колец выбирается достаточно инерционным (ПГ₁, УЭ₁, ФНЧ₁, ДПКД₁), что обеспечивает хорошую фильтрацию внешних помех с частотой . Второе кольцо (ПГ₂, УЭ₂, ФНЧ₂, ДПКД₂) делается малоинерционным, что позволяет обеспечивать хорошее подавление собственных шумов выходного генератора ПГ. Соответствующим выбором коэффициентов деления ДПКД₁, ДПКД₂, ДПКД₃ можно при заданном диапазоне работы синтезатора (частота перестройки ПГ₂) обеспечить малую перестройку ПГ₁, что позволяет использовать КГ в качестве ПГ₁. Это, в свою очередь, дает возможность устранить влияние собственного шума этого генератора на спектральные характеристики выходного генератора ПГ₂. Синтезаторы с ДПКД, часто называемые также цифровыми, позволяют максимально использовать элементы цифровой схемотехники. Они имеют значительные преимущества перед другими типами синтезаторов по габаритным размерам, массе, технологичности и надежности.

Таким образом, анализируя все выше сказанное и материал, приведенный в [1 - 11] можно отметить, что основное преимущество активных синтезаторов частот – низкий уровень дискретных побочных спектральных составляющих, достигающий – 115дБ. Кроме того, в активных синтезаторах частот основные узлы легче реализовать на цифровых микросхемах, нежели в пассивных синтезаторах. Здесь требуется гораздо меньше фильтров, смесителей частот, что способствует микроминиатюризации активных синтезаторов, технологичности их производства и эксплуатации.

Недостатки систем активного синтеза по сравнению с пассивными – большее время перестройки с одной рабочей частоты на другую, трудности уменьшения шага сетки частот и возможность генерации выходного сигнала, частота которого не соответствует установленному органами управления значению (при выходе из строя кольца ФАПЧ, при ложных захватах по частоте системой ФАПЧ [11]). Известны трудности реализаци активных синтезаторов частоты на частотах выше нескольких гигагерц. Однако указанные недостатки не являются принципиальными, хотя для их преодоления требуется существенное усложнение функциональной схемы (вместо однокольцевой системы ФАПЧ приходится использовать двух-, трехкольцевые ФАПЧ; для уменьшения шага частоты или для синтеза частот выше нескольких десятков-сотен мегагерц использовать смесители частот; для надежной и более качественной работы систему АПЧ нужно дополнять вспомогательными устройствами поиска по частоте и индикаторами захвата). Дополнительные, усложняющие синтезаторы устройства могут в отдельных случаях свести на нет преимущества активного метода синтеза частот по сравнению с пассивными.

Переход к цифровой элементной базе как в пассивных, так и в активных методах синтеза частот позволяет получить преимкщества (по сравнению с аналоговой элементной базой) в части уменьшения массы, габаритных размеров устройств, повысить надежность и технологичность, хотя и снижает максимальное значение рабочей частоты, так как максимальная частота на выходе синтезатора ограничена быстродействием используемых в нем микросхем (обычно не превышает нескольких десятков мегагерц).

Цифровые методы активно используются многими фирмами (SONY, FUJITSY, NATIONAL SEMICONDUCTOR, PHILIPS, MOTOROLA, QUALCOMM, MITEL и т.д.) как при создании синтезаторов частот прямого, таки и косвенного типов. Появление в последние годы доступных микросхем, содержащих все необходимые узлы для построения синтезаторов на основе прямого цифрового синтеза, предоставляет альтернативу синтезаторам на основе ФАПЧ в диапазоне частот до 100 МГц. Синтезаторы частоты на основе прямого цифрового синтеза привлекательны в первую очередь сравнительно высокими характеристиками, отсутствием необходимости настройки, малым числом внешних элементов, легкостью управления и осуществления модуляции различных видов. Однако малое количество типов микросхем прямого цифрового синтеза с тактовыми частотами выше 300 МГц не позволяет им конкурировать с синтезаторами на основе ФАПЧ на частотах выше 200 МГц. Значительно уступают они пока синтезаторам на основе ФАПЧ и в спектральной чистоте выходного сигнала [12]. Кроме того, можно отметить, что цифровые синтезаторы и прямого и косвенного типов принято подразделять на схемы профессиаонального использования (с расширенными функциональными возможностями, пригодностью к эксплуатации в наиболее жестких условиях, возможностью снижения энергопотребления в ждущем режиме и т.п., например, синтезаторы моделей SP8853A/B, SP8858, SP8861 и т.д.) и схемы для массового применения, предназначенных для более узких и конкретных областей использования и более щадящих условиях эксплуатации (например, синтезаторы MC12206, UMA1014, LMX1501A, CXA1356N, MB15E03). Это, естественно сказывается на массогабаритных показателях, типов корпусов и стоимости изделий. В то же время, предельный показатель по отдельным параметрам в ряде случаев для второй группы могут быть даже более высокими.

В качестве одного из примеров цифрового синтезатора прямого типа может служить синтезатор, построенный на основе суммирования импульсных последовательностей. Структурная схема такого синтезатора, выполненная полностью на цифровых интегральных микросхемах, приведена на рис.1.7.а. Эпюры соответствующих импульсных последовательностей изображены на рис.1.7.б.

Сигнал высокостабильного опорного генератора ОГ поступает на триггерный счетчик – делитель Д, состоящий из двоичных разрядов (на рис.1.7. показано три разряда). На входе делителя каждого разряда (Д₁, Д₂, Д₃) получаются две последовательности импульсов (например, на выходе 1 и 1', см. рис.1.7.б), сдвинутые на ( - период соответствующий импульсной последовательности). Частота импульсной последовательности на выходе каждого делителя в 2 раза меньше частоты входной импульсной последовательности.

С выходов 1', 2', 3' и т.д. импульсные последовательности поступают на один вход схемы И. На другой вход этой схемы поступает 1 или 0 с регистра частоты. Если в регистре частоты записана 1, то соответствующая импульсная последовательность (см. рис.1.7.а импульсные выходные последовательности с делителей Д₁ и Д₃) проходит на схему ИЛИ, если же записан 0, то схема И закрыта и импульсная последовательность на нее не проходит (см. на рис.1.7.а выходную импульсную последовательность с делителя Д₂). Следовательно, на выходе схемы ИЛИ происходит суммирование соответствующих последовательностей в соответствии с заданным кодом частоты. В результате получается импульсная последовательность с неравномерной расстановкой импульсов (см. на рис.1.7.б выход схемы ИЛИ), средняя частота импульсов которых определяется управляющим кодом, записанным в регистре частоты. Для уменьшения неравномерности импульсов на выходе схемы ИЛИ включают делитель частоты (Д на рис.1.7.а) с коэффициентом деления . На выходе такого делителя импульсная последовательность более равномерная (см. на рис.1.7.б выход делителя Д). Чем выше коэффициент деления, тем больше равномерная выходная импульсная последовательность и тем меньше уровень побочных частот в выходном спектре синтезатора. Но при этом частоты синтезатора при заданной частоте ОГ оказываются низкими.

 

а) б)

Рисунок 1.7 – Цифровой синтезатор частот на основе суммирования импульсных последовательностей: а) структурная схема, б) эпюры импульсных последовательностей

 

Другой разновидностью синтезатора частот, в котором использован цифровой принцип формирования частот, является синтезатор с цифровым формированием отсчетов синтезируемого колебания. Структурная схема такого синтезатора приведена на рис.1.8. В блоке памяти (БП) хранятся отсчеты синусоиды (данные о значении синусоиды при различных фазах). По определенной программе в соответствии с кодом частоты, записанным в блоке установки частоты БУЧ, вычисляются текущие значения синусоиды. Обычно БП выполняется в виде микропроцессорного устройства, которое используется как счетчик времени (накопитель фазы). Частота в импульсной последовательности на выходе цифро-аналогового преобразователя ЦАП кратна шагу сетки частот: , где .

 

Рисунок 1.8 – Синтезатор частот с цифровым формированием отсчетов

 

Поскольку на выходе синтезатора необходимо формирование синусоидального колебания, то после БП включается ЦАП (см. рис.1.8). Для устранения побочных частот после блока ЦАП включен ФНЧ, который фильтрует тактовую частоту, ее гармоники и комбинационные частоты. Число отсчетов синусоиды определяется объемом памяти блока вычисления отсчетов БП. Если все отсчеты синусоиды считываются с частотой , то период импульсной последовательности на выходе блока ЦАП , где - период сигнала ОГ. Следовательно, минимальная частота импульсной последовательности

 

.

 

Изменяя число импульсов ОГ, считываемых за период (то есть число ), можно изменить частоту импульсной последовательности на выходе ЦАП.

Минимальное число импульсов ОГ равно двум, следовательно,

 

.

 

Верхняя частота определяется граничной частотой цифровых микросхем и блока ЦАП. С повышением выходной частоты необходимо увеличивать быстродействие ЦАП. Поскольку на выходе синтезатора нет деления частоты, то его граничная частота с отсчетами синтезируемого колебания оказывается выше, чем в синтезаторах, построенных на основе суммирования импульсных последовательностей.

Следует заметить, что иногда использование только цифровой

элементной базы может привести к повышению уровня побочных спектральных составляющих (не лучше – (50 … 60) дБ). В общем случае цифровым активным синтезаторам частот свойственны дополнительные причины ухудшения спектральной чистоты выходного сигнала: эффекты квантования по времени и по уровню в цифровых системах ФАПЧ; ошибка аппроксимации частоты; ограниченность минимальной длительности фронтов или срезов импульсов в кольце цифровой ФАПЧ.

Эти ухудшения становятся актуальными с позиции электромагнитной совместимости радиосредств, особенно в наше время, когда происходит стремительное развитие радиовещания, телевидения, радиосвязи, радиолокации и радионавигации. А поэтому проблема электромагнитной совместимости диктует ужесточающие требования по нормам допустимых отклонений частоты передатчиков, нормам на ширину полосы частот полезных сигналов и уровням побочных излучений. В связи с этим, как правило, цифровая часть синтезатора частот комбинируется с аналоговой для уменьшения вредных эффектов квантования [1].

С другой стороны, цифровая реализация даже отдельных узлов синтезатора частот позволяет получить новые качества возбудителя: программируемость переключения рабочей частоты, вида и параметров модуляции, запоминание номинала частоты при прерываниях сигнала и т.д. Помимо этого, использование активных методов цифрового синтеза позволяет снять антагонизм требований по малости шага изменения частоты, быстродействию и чистоте спектра выходного колебания. Это обеспечивается усложнением функциональной схемы (к примеру, вместо однокольцевой системы ФАПЧ приходится использовать двух-, трехкольцевую, кроме того, дополненную микропроцессорным счетно-решающим устройством для согласованного переключения делителей частоты). Тем не менее, усложнения цифрового активного синтезатора частот в значительной степени не проблематичны из-за большой технологичности цифровых методов обработки сигнала.

В заключение данного раздела отметим некоторые особенности конструирования синтезаторов СВЧ диапазона [3]. Проблема стабильности частоты возбудителя в приемопередающих устройствах существовала всегда. На относительно низких частотах (до 100-150 МГц) она решалась применением кварцевых резонаторов, на более высоких (400 МГц) – с помощью резонаторов на поверхностно-акустических волнах (ПАВ-резонаторах), для стабилизации же сверхвысоких частот часто применяют диэлектрические резонаторы из высокодобротной керамики или другие высокодобротные резонаторы [1]. Описанные способы стабилизации с помощью пассивных компонентов имеют свои достоинства – простоту и сравнительную дешевизну реализации, но их главный недостаток – невозможность сколько-нибудь существенной перестройки частоты без смены частотозадающего элемента – резонатора. Невозможность быстрой электронной перестройки рабочей частоты при сохранении ее стабильности резко ограничивает применение радиоустройств, не позволяя, например, реализовать многоканальность. Помимо этого синтез сетки частот непосредственно в диапазоне СВЧ в настоящее время затруднен из-за ограниченного быстродействия микросхем, узкой полосы делителей и умножителей частоты.

Эти трудности можно обойти, если мелкую сетку ДМЧ сформировать в области частот, где нет технических препятствий для ее реализации, а затем с помощью умножения частоты или гетеродинирования трансформировать ее в требуемый диапазон частот. Примеры такого построенния синтезаторов СВЧ можно найти в [13], один из вариантов типовой схемы синтезатора в СВЧ диапазоне представлен на рис.1.9. Объем ДМЧ разбит на три группы разрядов. Младшую группу разрядов ДМЧ, определяющую минимальный шаг сетки , обычно реализуют с помощью ДФКД и цифрового синтезатора частот (ЦСЧ), при этом он содержит наибольшее число частот. Средние и старшие разряды получают прямым синтезом, используя умножители частоты, генераторы гармоник и коммутируемые полосовые фильтры. Эти сетки частот содержат небольшое количество составляющих (2…4) и шаг, соответствующий

диапазону ДМЧ предыдущего разряда.

 

Рисунок 1.9 – Структурная схема синтезатора частоты в диапазоне СВЧ

 

В качестве нелинейных элементов генераторов гармоник используют диоды с накоплением зарядов, позволяющие формировать импульсы тока с весьма крутыми фронтами и срезами. Спектр на выходе такого ГГ убывает примерно по закону (где - номер гармоник), в то время, как для ГГ с обычнымдиодом он изменяется как . Это позволяет выделить гармоники с высокими номерами () непосредственно в СВЧ диапазоне.

Построить коммутируемые полосовые фильтры в диапазоне СВЧ технологически более сложно, чем в умеренном диапазоне частот, где используют элементы с сосредоточенными параметрами (обычно на СВЧ используют полосковую технологию). В некоторых случаях (если не требуется высокого быстродействия) выгодно применять ПФ с сердечниками на основе железоиттриевого граната (ЖИГ). Колебательные системы с ЖИГ сердечниками обладают высокой добротностью () и могут линейно перестраиваться по частоте при изменении тока подмагничивания в катушке управления в широком диапазоне частот (порядка декады). В настоящее время используют ЖИГ с частотой гиромагнитного резонанса от сотен мегагерц до десятков гигагерц.

В синтезаторах СВЧ диапазона частоты ДМЧ различных разрядов обычно суммируют с помощью суммирующего («охватывающего») кольца ФАП (рис.1.9). Так как уровни входных сигналов на смесителях СМ1 и СМ2 этого кольца на СВЧ малы, то основное усиление происходит в операционном усилителе (усилителе постоянного тока (УПТ)) на выходе фазового детектора ФД. Поэтому высокие требования предъявляют к уровню шумов смесителей. Основным источником шумов в смесителе является нелинейный элемент. Использование диодов с барьером Шоттки позволяет снизить уровень шума в смесителях СВЧ.

Помимо этого стоит отметить, что интенсивное развитие микроэлектроники дало свои плоды и в сфере построения цифровых синтезаторов частот высокой интеграции СВЧ диапазона. На рынке стали появляться цифровые синтезаторы нижней части СВЧ диапазона, позволяющие осуществить быструю электронную перестройку рабочей частоты сохраняя при этом ее высокую стабильность. Существует два основных типа таких интегральных синтезаторов с ФАПЧ – программируемые, значения частоты в которых задается внешним микроконтроллером по трехпроводной шине, и непрограммируемые, где коэффициенты деления внутренних делителей частоты фиксированы, а опорная частота задается внешним кварцевым резонатором. В простых СВЧ схемах обычно применяют непрограммируемые интегральные синтезаторы, например, MC12179 фирмы Motorola [14], к недостаткам которого следует отнести необходимость точного выбора кварцевого резонатора, что не всегда возможно. Программируемые синтезаторы частоты, например UMA1020М фирмы Philips, лишены этого недостатка, а поскольку в современных системах связи обязательно присутствует управляющий микроконтроллер, осуществить программирование такого синтезатора технически несложно. Автогенераторы сверхвысокочастотного диапазона используются в виде функционально законченных модулей, выполненных по гибридной технологии [15]. Примером применения описанных решений может служить простой лабораторный синтезатор сверхвысокой частоты, позволяющий с высокой точностью генерировать и стабилизировать частоту в диапазоне 1900 – 2275 МГц. Структурная схема синтезатора показана на рис.1.10.а, внешний вид на на рис.1.10.б.

 

а) б)

Рисунок 1.10 – Цифровой СВЧ синтезатор частот: а) функциональная схема,

б) внешний вид

 

Как видно из схемы, синтезатор состоит из управляемого напряжением генератора (ГУН или VCO) JTOS-2200 фирмы Mini-Circuits JTOS-2200, интегрального синтезатора частоты UMA-1020М и микроконтроллера Z86E0208PSC фирмы Zilog. Сверхвысокочастотный сигнал, генерируемый ГУНом, поступает на выход лабораторного синтезатора и на вход главного программируемого делителя частоты, входящего в схему UMA-1020М. Опорный сигнал, вырабатываемый кварцевым генератором JCO-8, поступает на вспомогательный программируемый частотный делитель, также входящий в схему UMA-1020М. Коэффициенты обоих делителей – главного и вспомогательного – устанавливаются микроконтроллером Z86E0208PSC по трехпроводной (данные DATA, синхронизация CLK и разрешение записи /ENABLE) шине. Внутреннего ПЗУ микроконтроллера достаточно для программирования семи различных значений частот и одного тестового режима. Конкретные значения частот (или тестовый режим) устанавливаются перемычками на печатной плате синтезатора. Перед загрузкой очередного значения частоты в интегральный синтезатор микроконтроллер опрашивает порт, подключенный к перемычкам, и, в соответствии с полученными данными, выбирает ту или иную прошивку. Новое значение частоты устанавливается автоматически при включении питания платы синтезатора.

Себестоимость такого синтезатора не превышает 30 долларов. При этом в качестве удешевления устройства можно, во-первых, объединить кварцевый источник опорных колебаний синтезатора и микроконтроллера, во-вторых, ГУН можно разработать самостоятельно на транзисторах или усилительных интегральных микросхемах

 

1. Проектирование радиопередатчиков. Учеб. пособие для вузов / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 2000. – 656 с: ил.

2. Павлов Б.А., Филатов В.Н. Возбудители радиопередающих устройств: Учеб. пособие / СПбГУАП. СПб., 2003. 24.: ил.

3. Проектирование радиопередающих устройств СВЧ: Учеб. пособие для вузов / Уткин Г.М., Благовещенский М.В., Жуховицкая В.П. и др.; Под ред. Г.М. Уткина. – М.: Сов. радио, 1979. – 320 с., ил.

4. Рыжков А.В., Попов В.М. Синтезаторы частоты в технике радиосвязи. – М.: Радио и связь, 1991. – 264 с.

5. Власов В.А. Возбудители радиопередатчиков. – М.: МЭИС, 1984. – 104с.

6. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме / В.Б. Козырев, В.Г. Лаврушенков, В.П. Леонов и др.; Под ред. И.А. Попова. – М.: Радио и связь, 1985. – 168 с.

7. Пестряков А.В. Интегральные схемы для устройств синтеза и стабилизации частоты // CHIP NEWS. – 1996. - №2. – С. 2 – 9.

8. Нефедов А.В. Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги: Справочник: В 7 т. – М.: КубКа, 1997, 1998.

9. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. – М.: Радио и связь, 1972. – 447 с.

10. Радиопередающие устройства: Учебник для вузов / В.В. Шахгильдян, В.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др.; Под ред. В.В. Шахгильдяна. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 2003. – 560 с.: ил.

11. Клепацкая И.И., Рыжков А.Е. Проектирование возбудителей радиопередатчиков. – Л.: ЛЭИС, 1979. – 54 с.

12. Иванов А.А. Синтезатор частоты для ЯМР-аппаратуры на основе микросхемы прямого цифрового синтеза AD9852 // Структура и динамика

молекулярных систем, 2003 г., Выпуск Х, часть 1, стр 399 – 402.

13. Галин А.С. Диапазонно-кварцевая стабилизация СВЧ. – М.: Связь, 1976. – 255 с.