DE2437284A1 - Mikrowellen-normalfrequenzgenerator mit frequenzsynthese - Google Patents

Description

Systron-Donner Corporation, Concord, Kalif. (V.St.A.)

Mikrowellen-Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese.

Pur diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden Anmeldung in den Vereinigten Staaten vom 6. August 1973 Serial No. 385,989 beansprucht.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellen-Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese.

Das rasche Anwachsen der Verwendung von Frequenzen im Mikrowellenbereich hat einen Bedarf an hochentwickelten Einrichtungen zur Erzeugung der erforderlichen Signalfrequenzen hervorgebracht. Die übertragung durch große Raumtiefen erfordert Signale mit äußerster Spektralreinheit. Satelliten-Nachrichtensysteme erfordern sehr genaue und doch noch leicht zu ändernde Frequenzen. Entwicklungslaboratorien und Forschungsstätten haben einen dringenden Bedarf sowohl an Quellen von hoher Reinheit und großer Stabilität als auch an Quellen mit der Fähigkeit zum Durchlaufen breiter Frequenzbänder sowie zur breitbandigen Modulierbarkeit.

Die bisher für solche Zwecke verfügbaren Signalquellensysteme sind durchweg umfangreich und sehr aufwendig. Außerdem

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sind sie nicht in der Lage, den Erfordernissen hinsichtlich geringen Signalrauschens und möglichst wenig unerwünschter Signalbesonderheiten zu genügen. Bei den bekannten Systemen wird im allgemeinen ein Normalfrequenzgenerator mit niedriger Frequenz benutzt, dessen Signal durch Frequenzvervielfachung auf die erwünschte Mikrowellenfrequenz gebracht wird. Durch diese Methode wird die Leistungsfähigkeit systembedingt klein gehalten, insbesondere hinsichtlich des Rauschens, da das mit der Quelle verhältnismäßig niedriger Frequenz verbundene Rauschen bis zu dem 20 log N-fachen vervielfacht wird, wobei N das Multiplikationsverhältnis ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellen-Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese zu schaffen, der sich durch besonders geringes Rauschen und besonders hohen Spektralreinheitsgrad auszeichnet.

Um diesem Ziel möglichst nahe zu kommen, weist ein Mikrowellen-Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese folgende Merkmale auf: Es ist ein abstimmbarer Mikrowellenoszillator vorgesehen, ferner eine phasenverriegelte Schleife (PLL), welche den Oszillator sowie in Reihe gekoppelt einen Mischer und einen Phasendetektor enthält. Der Ausgang des Phasendetektors ist mit dem abstimmbaren Oszillator gekoppelt und treibt diesen. Der Ausgang des Oszillators ist mit dem Mischer gekoppelt und der Ausgang des Mischers ist mit dem Phasendetektor gekoppelt. Der Mischer bzw. Phasendetektor ist mit

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einer ersten und einer zweiten Bezugsquelle gekoppelt, von denen die erste eine Ausgangsfrequenz von der gleichen Größenordnung wie der Ausgang des Normalfrequenzgenerators mit Frequenzsynthese liefert, eine solche der kristallgesteuerten Art ist und eine stufenweise veränderbare Frequenz abgibt und von denen die zweite in einem Frequenzbereich stetig regelbar ist, welcher dem Bereich der Stufe gleichwertig ist und um mindestens eine Größenordnung unterhalb der Ausgangsfrequenz der ersten Bezugsquelle liegt.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielweise näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Blockschema einer Ausführungsform gemäß der

Erfindung,
Fig. 2 ein Blockschema eines Teils von Fig. 1 mit mehr

Einzelheiten,
Fig. 3 eine Alternativausführung des Blockschemas von

Fig. 2 und
Fig. 4 eine Alternativausführung- der Blockschemen von Fig. 2 und 3.

Das vereinfachte Blockschema nach Fig. 1 der erfindungsgemäßen Schaltung enthält drei grundsätzlich wichtige Stufen, nämlich eine phasenverriegelte Schleife (PLL) 11, eine erste Frequenzquelle 12 mit der Zusatzbezeichnung A und eine zweite Frequenzquelle 13 mit der Zusatzbezeichnung B. Die phasenverriegelte Schleife 11 enthält eine Reihenschaltung eines

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Mischers 14 und eines Phasendetektors 16. Die Bezugsquelle A ist mit dem Mischer 14'und die Bezugsquelle B mit dem Phasendetektor 16 verbunden. Auf der Zeichnung sind typische Arbeitsfrequensen mit angegeben.

Die Zehntelungseinheit 17 teilt die Differenzfrequenz des Mischers 14 durch 10 und legt sie an den Phasendetektor 16. Dieser vergleicht ihre Phase mit der Ausgangsfrequenz der Bezugsquelle B und legt sein Ausgangssignal an den Schleifenverstärker 18 der phasenverriegelten Schleife. Dieses Fehlersignal der Schleife wird an einen abstimmbaren Yttrium-Eisen-Granat-Mikrowellenoszillator 19 - eine sogenannte YIG-Einheit - angelegt. Das Ausgangssignal aus dem Oszillator

19 auf der Leitung 22 ist eine Mikrowellenfrequenz im Bereich zwischen 2 und 4 Gigahertz und wird über einen Mikrowellenkoppler 24 einer Ausgangsklemme 23 zugeführt. Der Koppler an der Leitung 26 liefert auch die zweite Eingangsfrequenz für den Mischer 14, die mit der Ausgangsfrequenz der Bezugsquelle A auf der Leitung 35 verglichen wird, um eine Differenzfrequenz, die bei der bevorzugten Ausführungsform 100 bis 200 MHz beträgt, auf der Mischerausgangsleitung 27 zu bilden. Diese wird durch 10 geteilt und beträgt dann 10 bis

20 MHz, was der Ausgangsfrequenz der Bezugsquelle B entspricht.

Die Bezugsquelle B erzeugt ein geringes Rauschen aufweisendes schmalbandiges VHP-Signal mit einem hohen Grad von

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Frequenzauflösung, praktisch einer Auflösung bis zu 1 Hz. B ist also im Effekt eine stetig veränderbare Frequenzquelle. Aus einer mit 29 bezeichneten Quelle kann eine Bezugsfrequenz von beispielsweise 5 MHz sowohl der Bezugsquelle A als auch der Bezugsquelle B zugeführt werden, um Phasenkongruenz beider Bezugsquellen A und B zu gewährleisten. Es können sehr verschiedene Arten von Schaltungen für die Bezugsquelle B verwendet werden. Vorzugsweise enthält diese mehrere phasenverriegelte Schleifen mit Einrichtungen zum Ändern der Frequenz in dem gewünschten Bereich. Die Ausgangsfrequenz auf der Leitung 31 weist wegen ihrer Veränderbarkeit ein verhältnismäßig hohes Rauschen auf, aber aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird dieses Rauschen nicht beispielsweise um das Hundertfache bis auf die Ausgangsfrequenz von 2 Gigahertz, sondern praktisch nur höchstens bis auf das Zehnfache vervielfacht; dies ist auf die Zehntelungseinheit 17 zurückzuführen. Dadurch wird das Rauschen, das durch die Bezugsquelle B beigesteuert wird, ganz außerordentlich klein gehalten. Die Bezugsquelle B hat, vom Standpunkt des Rauschens aus gesehen, eine äquivalente Ausgangsfrequenz von 100 bis 200 MHz, die natürlich gleich der Differenzfrequenz am Ausgang des Mischers 14 auf der Leitung 27 ist.

Diese Differenzfrequenz wird von der Bezugsquelle A geliefert, da deren Frequenz in Stufen um jeweils 100 MHz veränderbar ist, so daß eine Versetzung dieser Stufe gegenüber der Endausgangsfrequenz an der Klemme 23 hergestellt werden

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kann. Aber die Bezugsquelle A ergibt ein relativ geringes Rauschsignal in dem Mikrowellenfrequenzbereich durch die Phasenverriegelungsmultiplikation bei Verwendung eines Kristalloszillators als Frequenzquelle. Die Bezugsquelle A kann, wie die Figuren 2, 3 und 4 beispielsweise zeigen, sehr verschiedene Schaltungen aufweisen.

Bei Fig. 2 ist ein kristallgesteuerter VCO 32 mit der 5 MHz-Bezugsfrequenzquelle 29 gekoppelt, die ein Signal von 100 MHz erzeugt. Dieses wird einem Stichprobenmischer 33 zugeführt, welcher Teil einer phasenverriegelten Schleife ist, die einen von einer Mikrowellenspannung gesteuerten Oszillator 3^ enthält, dessen Ausgang auf der Leitung 35 mit dem Mischer 14 verbunden ist. Somit werden die 100 MHz des kristallgesteuerten Oszillators durch das Phasenverriegelungs-Multiplikationsverfahren um das Zwanzig- bis Vierzigfache vervielfacht.

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Ausführungsform wie Fig. 2, bei der ein VCO 32 benutzt wird, der aber einen Kammgenerator 37 betreibt, um die 100 MHz-Stufen zu bilden. Dadurch wird wieder eine phasenverriegelte Schleife gebildet, welche einen abstimmbaren Filter 38 enthält, dessen Ausgangssignal auf der Leitung 35 dem' Mischer zugeführt wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 schließlich ist nur ein kristallgesteuerter schaltbarer spannungsgesteuerter

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Oszillator vorgesehen, der nach Stufen von je 100 MHz steuerbar ist.

Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß, was den Reinheitsgrad der Ausgangsfrequenz der Bezugsquelle A anlangt, der verwendete kristallgesteuerte Oszillator offenbar die mit dem denkbar niedrigsten Rauschen behaftete Charakteristik bei Mikrowellen ergibt. Wenn diese Ausgangsfrequenz in der zwei Bezugsquellen aufweisenden phasenverriegelten Schleife 11 mit der vergleichsweise nicht oder nur wenig z.B. um das Zehnfache oder weniger vervielfachten Ausgangsfrequenz aus der Bezugsquelle B kombiniert wird, so ist der insgesamt erreichte Rauschpegel des Normalfrequenzgenerators gemäß der Erfindung sehr niedrig.

Die Verwendung des YIG-Oszillators 19 ist insofern vorteilhaft als der typische Gütefaktor Q annähernd 2000 beträgt und die Abstimmkurve über eine Bandbreite von einer Oktave eine hohe Linearität aufweist. Außerdem ist die Ausgangsfrequenz aus dem YIG-Oszillator mit nur sehr niedrigen unerwünschten Frequenzkomponenten behaftet.

Die Bezugsfrequenzquelle 29 von 5 MHz kann ein Caesium- oder Rubidiumkristalloszillator sein.

Betriebsmäßig verbessert sich bei höheren Mikrowellenfrequenzen das Träger-zu-Phase-Rauschverhältnis immer mehr bis es eine Höhe etwa im Bereich von 9 Gigahertz erreicht.

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Dies wird durch die Hochfrequenz-Bezugsquelle A bestimmt. Speziell die Spektralrauschdichte wird diejenige des fünften Obertons eines Kristalloszillators multipliziert mit 90 bis 9 Gigahertz. Die Rauschdichte innerhalb des Prequenzgangs der phasenverriegelten Schleife 11 ist die Gesamtsumme aus den beiden Bezugsquellen A und B. Unterhalb 5 Gigahertz kommt der größere Beitrag an Rauschen aus der Bezugsquelle B. Aber dieser Beitrag bleibt konstant und ist für die Ausgangsfrequenz indifferent. Die Hochfrequenz-Bezugsquelle A hat unterhalb 5 Gigahertz weniger Rauschen, aber da die Ausgangsfrequenz nach 5 Gigahertz und darüberhinaus bewegt wird, wird diese Bezugsfrequenz auch weiterhin mit jeweils einer Steigerung von 100 MHz der Ausgangsfrequenz multipliziert. Wenn 9 Gigahertz durch Multiplikation erreicht werden, ist die Bezugsquelle A diejenige, welche das größere Rauschen aufweist und somit ist die Ausgangsrauschdichte diejenige der Bezugsquelle A. Eine alternative Ausbildung zur Senkung dieses 9 Gigahertz betragenden Rauschpegels besteht darin, daß ein Normalfrequenzgenerator 13 mit 100 bis 200 MHz benutzt wird. Die Weglassung der Zehntelungseinheit 17 kann den Rauschbeitrag um 20 dB vermindern, sofern die Bezugsquelle mit 100 bis 200 MHz so rein ist, wie die Bezugsquelle mit 10 bis 20 MHz.

In der Praxis hat die Bezugsquelle A eine Ausgangsfrequenz an ihre Leitung 35, die stets 100 bis 200 MHz unterhalb der Ausgangsfrequenz liegt und stets um Vielfache oder Stufen von

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jeweils 100 MHz verändert wird. Wie oben erörtert, ergibt diese Art einer Bezugsquelle mit einer durch eine kristallgesteuerte gestufte phasenverriegelte Schleife vervielfachten Frequenz ein besonders geringes Rauschen am Ausgang verglichen mit dem Stand der Technik, bei dem ein Normalfrequenzgenerator mit niedriger Frequenz lediglich durch Vervielfachung bis auf die Gesamtausgangsfrequenz gebracht wurde oder bei dem eine einzige Mikrowellenquelle mit einem Normalfrequenzgenerat or verriegelt wurde. Bei Anwendungsfällen, in denen hohe Leistungspegel erforderlich sind, kann ein Verstärker an dem Ausgang des YIG-Oszillators 19 in der Leitung 22 vorgesehen werden.

Der Normalfrequenzgenerator gemäß der Erfindung kann auch leicht in seiner Frequenz moduliert werden, indem ein' äußeres Frequenzmodulationssignal durch den YIG-Oszillator selbst in die Abstimmspule des YIG-Oszillators hineinaddiert wird.

Daraus wird ersichtlich, daß durch die Erfindung ein Mikrowellen-Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese geschaffen wurde, der sich durch besonders geringes Rauschen in Verbindung mit einem besonders hohen Spektralreinheitsgrad auszeichnet.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ' 1 .J Mikrowellen-Normalfrequenzgenerator mit Frequenzsynthese, dadurch gekennzeichnet, daß er neben einem abstimmbaren Mikrowellenoszillator eine diesen sowie, in Reihe gekoppelt, einen Mischer und einen Phasendetektor enthaltende phasenverriegelte Schleife (PLL) aufweist, wobei der Ausgang des Phasendetektors mit dem abstimmbaren Oszillator gekoppelt ist und diesen treibt, der Ausgang des Oszillators mit dem Mischer gekoppelt ist und der Ausgang des Mischers mit dem Phasendetektor gekoppelt ist, daß der Mischer bzw. Phasendetektor mit einer ersten und einer zweiten Bezugsquelle gekoppelt ist, von denen die erste eine Ausgangsfrequenz von der gleichen Größenordnung wie die des Normalfrequenzgenerators mit Frequenzsynthese liefert, eine solche der kristallgesteuerten Art ist und eine stufenweise veränderbare Frequenz abgibt, und von denen die zweite in einem Frequenzbereich stetig regelbar ist, welcher dem Stufenbetrag gleichwertig ist und um mindestens eine Größenordnung unterhalb der Ausgangsfrequenz der ersten Bezugsquelle liegt.

   2. Normalfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufen 100 MHz und der Bereich der zweiten Quelle 10 bis 20 MHz betragen und daß die PLL eine Zehntelungseinheit zwischen dem Mischer und dem Phasendetektor enthält.

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   3. Normalfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abstimmbare Mikrowellengenerator eine Yttrium-Eisen-Granateinheit (YIG) ist.

   4. Normalfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsfrequenz der ersten Quelle gegenüber derjenigen des Normalfrequenzgenerators um die erwähnte Stufe versetzt ist.

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