DE10034325C2 - Abstimmschaltung für einen YIG-Oszillator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abstimmschaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Abstimmschaltungen dieser Art für YIG-Oszillatoren sind bekannt (Buch von U. Rohde, "Microwave and Wireless Synthesizers", Seite 402 ff, Spektrumanalysatoren FSA bzw. FSE der Firma Rohde & Schwarz). YIG-Oszillatoren werden als über einen großen Frequenzbereich von beispielsweise 4 bis 12 GHz abstimmbare Oszillatoren benutzt, die über eine entsprechende Phasenregelschleife auf eine beispielsweise durch einen Synthesizer vorgegebene niedrigere Referenzfrequenz synchronisiert werden. Dabei werden hohe Anforderungen an das Phasenrauschen des YIG-Oszillators außerhalb der Regelbandbreite gestellt, außerdem soll die Abstimmgeschwindigkeit als auch das Einschwingen bei großen Frequenzsprüngen möglichst in der gleichen Größenordnung, wie bei mit üblichen über Kapazitätsdioden abstimmbaren spannungsgesteuerten Oszillatoren liegen.

Die Abstimmung der Schwingfrequenz erfolgt bei einem YIG-Oszillator durch ein Magnetfeld, wobei relativ hohe magnetische Feldstärken benötigt werden. Der Hauptteil dieser Feldstärke wird durch eine Hauptspule mit Eisenkern erzeugt, die Feinabstimmung erfolgt mit Hilfe einer kleineren Luftspule (auch FM-Spule genannt). Durch die große Induktivität der Hauptspule in Verbindung mit den damit verbundenen Streukapazitäten läßt sich ein YIG-Oszillator über die Hauptspule nur schmalbandig nachführen. Für Bandbreiten größer als 100 kHz erfolgt die Regelung über die Luftspule, deren Fangbereich durch die Bauart des YIG-Oszillators auf ca. 50 MHz begrenzt ist.

Bei einer bekannten Abstimmschaltung für einen YIG-Oszillator wird die Hauptspule mit einem Vorabstimmstrom gespeist, der aus der in einem Prozessor digital vorgegebenen gewünschten Ausgangsfrequenz des YIG-Oszillators über einen Digital/Analog-Wandler und eine entsprechend steuerbare Stromquelle erzeugt wird. Es ist auch bekannt, die Hauptspule mit einem Vorabstimmstrom zu speisen, der aus der Ausgangsspannung des Phasendetektors über einen U/I- Konverter erzeugt wird (Deutsche Offenlegungsschrift DE 197 01 306 A1 und DE 197 16 776 A1). Die Synchronisation erfolgt getrennt davon über die Luftspule in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Phasendetektors. Nachteil dieser bekannten Anordnungen ist der durch die Stromquelle der Hauptspule produzierte Rauschstrom, durch den der YIG-Oszillator mit starkem Phasenrauschen außerhalb der Regelbandbreite moduliert wird. Zur Verbesserung des Phasenrauschens ist es zwar bekannt, parallel zur Hauptspule noch einen Kondensator zu schalten (Astrof, K. L. "Frequency Synthesis in a Microwave Signal Generator" in: HP- Journal, Nov. 1977, S. 11), der zusammen mit der Hauptspule einen Schwingkreis bildet, wodurch jedoch die Frequenzeinstellgeschwindigkeit bei hohen Frequenzsprüngen herabgesetzt wird. Ein schneller Frequenzwechsel ist also nur ohne Kondensator möglich, dann ist aber wieder das Phasenrauschen unzulässig schlecht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Abstimmschaltung für einen YIG- Oszillator zu schaffen, bei der trotz geringem Schaltungsaufwand das Phasenrauschen gering und die Abstimmgeschwindigkeit groß ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Abstimmschaltung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung wird auch die Hauptspule des YIG-Oszillators unmittelbar durch die Ausgangsspannung des Phasendetektors gespeist. Der Strom durch die Hauptspule ergibt sich durch die angelegte Spannung dividiert durch die Impedanz der Hauptspule. Da der Blindwiderstand mit zunehmender Frequenz ansteigt, führt dies zu einem Tiefpaßverhalten. Wegen dieses Tiefpaßverhaltens und wegen der niedrigen Ausgangsimpedanz der die Hauptspule speisenden Spannungsquelle prägt diese Schaltung nur einen vernachlässigbaren Rauschstrom ein. Die Abstimmgeschwindigkeit ist nicht eingeschränkt, da ein parallel zur Hauptspule liegender Kondensator überflüssig ist. Auch Einschwingvorgänge werden vermieden.

Der Gleichstromwiderstand der Hauptspule ist stark temperaturabhängig. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Frequenz ist daher sehr ungenau. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird daher nach den Unteransprüchen nicht nur eine zusätzliche Vorabstimmspannung für die Hauptspule vorgeschlagen, sondern auch noch eine entsprechende Begrenzung des maximalen und minimalen Hauptspulenstromes über die Messung des an einem Serienwiderstand der Hauptspule entstehenden Spannungsabfalls.

Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die Hauptspule nicht mehr aus einer Stromquelle, sondern aus einer Spannungsquelle gespeist. Charakteristikum einer Spannungsquelle ist, daß diese eine niedrige Ausgangsimpedanz von praktisch Null besitzt und somit der Hauptspule nur einen vernachlässigbaren Rauschstrom einprägt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer erfindungsgemäßen Abstimmschaltung für einen YIG-Oszillator 1, dessen beispielsweise zwischen 4 und 12 GHz einstellbare Ausgangsfrequenz f über einen Frequenzteiler oder Mischer 2 auf eine niedrigere Ausgangsfrequenz f/N herabgesetzt wird, die in einen Phasendetektor 3 mit der Referenzfrequenz f_r eines Referenzoszillators 4, beispielsweise eines Frequenzsynthesizers, verglichen wird. Die Einstellung der gewünschten Ausgangsfrequenz f des YIG-Oszillators erfolgt in einem Prozessor 10, über den auch der Frequenzteiler 2 bzw. der Frequenzmischer zum Herabsetzen der Ausgangsfrequenz und der Referenzoszillator 4 entsprechend gesteuert ist, wie dies durch die Wirkverbindungen angedeutet ist. Die dem Phasenfehler zwischen den beiden Frquenzwerten f/N und f_r entsprechende Ausgangsspannung U des Phasendetektors 3 wird über ein Schleifenfilter 5 zur Speisung sowohl der Hauptspule 6 als auch der Luftspule 7 des YIG-Oszillators 1 benutzt. Das Schleifenfilter 5 besteht in bekannter Weise aus einem Operationsverstärker 8 mit einem Rückkopplungskreis in Form der Reihenschaltung eines Kondensators C1 und eines Widerstandes R3 sowie einem Vorwiderstand R2. Dieses Schleifenfilter 5 besitzt Tiefpaßcharakter. Die Ausgangsspannung U des Phasendetektors 3 wird über einen Widerstand R1 der Luftspule 7 zugeführt und dieser ein vorbestimmter Steuerstrom eingeprägt. Gleichzeitig wird über diese Ausgangsspannung U des Phasendetektors 3 die Hauptspule 6 direkt gespeist.

Die Speisespannung für die Hauptspule 6 kann gemäß Fig. 2 zusätzlich auch noch durch eine Vorabstimmspannung U1 einer Voreinstellschaltung in Abhängigkeit von der eingestellten Ausgangsfrequenz f vorgewählt werden. Dazu wird aus der im Prozessor 10 eingestellten Ausgangsfrequenz f ein digitaler Voreinstellwert für den YIG-Oszillator 1 berechnet, der über einen Digital/Analog-Wandler 11 in eine dazu proportionale Steuerspannung U₁ umgesetzt wird, die über einen Spannungsaddierer 13 der Steuerspannung U des Phasendetektors 3 überlagert wird. Diese Addierschaltung ist so dimensioniert, daß die Vorabstimmspannung U₁ überwiegt und hauptsächlich den Strom der Hauptspule 6 bestimmt, während die Ausgangsspannung U des Phasendetektors 3 entsprechend herabgesetzt ist und im wesentlichen nur zur Feinabstimmung dient.

Der Gleichstromwiderstand der Hauptspule 6 ist stark temperaturabhängig, aus der Spannung kann daher nicht genau auf die Frequenz geschlossen werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird daher in Reihe zur Hauptspule 6 noch ein temperaturstabiler Meßwiderstand 14 geschaltet und der daran entstehende Spannungsabfall U₃ als zusätzliche Steuergröße benutzt.

Über diese zusätzliche Steuergröße kann mittels eines Fensterkomparators 12 die Spannung an der Hauptspule 6 des YIG-Oszillators bei Erreichen einer Obergrenze bzw. Untergrenze begrenzt werden, so daß weder der Minimalstrom noch der Maximalstrom der Hauptspule 6 unterschritten bzw. überschritten wird. Dazu werden aus der im Prozessor 10 vorgegebenen einzustellenden Ausgangsfrequenz f unter Berücksichtigung des Fangbereiches des YIG-Oszillators 1 (im Ausführungsbeispiel ist der Fangbereich ±50 MHz, also insgesamt 100 MHz angenommen) in zwei DA- Wandlern 15, 16 zwei getrennte Vorabstimmspannungen U₄ und U₂ erzeugt, die in den beiden Operationsverstärkern des Fensterkomparators 12 mit der am Widerstand 14 abfallenden Spannung U₃ verglichen werden. Überschreitet die obere Grenzspannung U₄ die Spannung U₃, so wird über die Diode 17 der Regelspannung U eine Spannung U₁ addiert, so daß U₃ auf den Wert von U₄ begrenzt wird. Entsprechendes gilt für die untere Grenze U₂, wenn diese die Spannung U₃ unterschreitet, wird über eine Diode 18 die Spannung U ebenfalls entsprechend korrigiert. Dadurch wird gewährleistet, daß weder Minimalstrom noch Maximalstrom der Hauptspule unterschritten bzw. überschritten wird. Die beiden Grenzspannungen U₄ und U₂ können bei Verwendung eines Mischers 2 wie eine Vorabstimmung im vorgegebenen Abstimmbereich des YIG-Oszillators mitgezogen werden. Bei Verwendung eines Frequenzteilers 2 wird über diese Anordnung verhindert, daß der YIG-Oszillator durch zu wenig Abstimmstrom in der Schwingung abreißt oder oberhalb der maximal erlaubten Ausgangsfrequenz schwingt.

Fig. 4 zeigt die Abstimmsteilheit der beiden Spulen 6 und 7 des YIG-Oszillators in der erfindungsgemäßen Abstimmschaltung, Fig. 5 zeigt die Schleifenverstärkung der offenen Regelschleife. Die Hauptspule 6 besitzt im wesentlichen Tiefpaßcharakteristik, die Luftspule 7 eine weitgehend frequenzunabhängige Steilheit. Der -3dB-Punkt dieser Steilheit der Luftspule liegt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 bei etwa 3 MHz. Er muß weit außerhalb der Regelbandbreite liegen, da sonst der Regelkreis durch die Phasendrehung instabil wird. Fig. 4 zeigt, daß der Schnittpunkt zwischen den beiden Abstimmsteilheiten von Hauptspule 6 und Luftspule 7 bei ca. 30 kHz liegt. Dieser Schnittpunkt kann durch das Verhältnis der Widerstände R2 und R3 des Schleifenfilters 5 bestimmt werden. Eine größere Verstärkung im Regelkreis schiebt die Abstimmkennlinie der Hauptspule nach oben und der Schnittpunkt wandert zu höheren Frequenzen. Der Frequenzgang der Hauptspulenansteuerung bewirkt ein Ansteigen der Schleifenverstärkung zu tiefen Frequenzen hin, ähnlich wie dies in üblichen Regelschleifen durch das Schleifenfilter erzeugt wird. Zusammen mit der Zeitkonstante R3/C1 des Schleifenfilters 5 ergibt sich damit eine Regelschleife dritter Ordnung.

Fig. 5 zeigt die Schleifenverstärkung der offenen Regelschleife. Der Knick in der Kennlinie der Hauptspule bei 10 kHz rührt von der Zeitkonstante R3/C1 her. Mit dem dargestellten Verlauf der offenen Schleife erhält man eine gute Regelcharakteristik. Der Dämpfungsfaktor der Schleife liegt damit bei ca. 0,7. Die Regelcharakteristik kann durch Verschieben des Schnittpunktes zwischen den Abstimmkennlinien von Hauptspule und Luftspule eingestellt werden.

Claims (3)

1. Abstimmschaltung für einen YIG-Oszillator (1), bei der die durch einen Frequenzteiler (2) oder Mischer herabgesetzte Ausgangsfrequenz (f) des YIG- Oszillators (1) in einem Phasendetektor (3) mit einer niedrigeren Referenzfrequenz (f_r) verglichen wird und die Ausgangsspannung (U) des Phasendetektors (3) über ein Schleifenfilter (5) die zur Feinabstimmung dienende Luftspule (7) des YIG- Oszillators (1) speist, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Hauptspule (6) des YIG-Oszillators (1) durch die Ausgangsspannung (U) des Phasendetektors (3) gespeist ist.

2. Abstimmschaltung nach Anspruch 1 mit einer Voreinstellschaltung, in der aus der Ausgangsfrequenz (f) des YIG-Oszillators (1) über einen Digital/Analog- Wandler (11) eine dieser Ausgangsfrequenz (f) des YIG-Oszillators (1) entsprechende Grobabstimmungsspannung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Grobabstimmspannung (U₁) und die Ausgangsspannung (U) des Phasendetektors (3) addiert (Addierstufe 13) die Hauptspule (6) speisen.

3. Abstimmschaltung nach Anspruch 2 mit einem in Reihe zur Hauptspule (6) angeordneten temperaturstabilen Meßwiderstand (14), dadurch gekennzeichnet, daß aus der Ausgangsfrequenz (f) des YIG-Oszillators (1) und den oberen und unteren Grenzwerten (±50 MHz) des Fangbereiches des YIG-Oszillators über Digital/Analog-Wandler (15, 16) zwei entsprechend unterschiedliche obere und untere Grobabstimmspannungen (U₄ bzw. U₂) erzeugt werden, die in einem Fensterkomparator (12) jeweils mit dem Spannungsabfall am Meßwiderstand (14) verglichen werden, so daß die Grobabstimmspannung (U₁) der Hauptspule (6) auf diese dem Minimalstrom bzw. Maximalstrom der Hauptspule (6) entsprechenden oberen bzw. unteren Grenzwert begrenzt wird.