DE2441888C3

DE2441888C3 - Method for improving the switching behavior Injection of synchronized microwave oscillators in amplifiers for phase-shifted microwave signals

Info

Publication number: DE2441888C3
Application number: DE19742441888
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Dipl.-Ing. 8000 München; Thaler Hans-Jörg Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 8036 Herrsching Blix
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1974-09-02
Publication date: 1977-05-12

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung des Schaltverhaltens injektionssynchronisierter Mikrowellen-Oszillatoren in Verstärkern für phasengetastete Mikrowellensignale.The invention relates to a method for improving the switching behavior of injection-synchronized Microwave oscillators in amplifiers for phase-shifted microwave signals.

In Mikrowellen-Nachrichtenübertragungssystemen werden als Sendeverstärker für frequenzmodulierte Mikrowellensignale sowohl echte Verstärker, wie z. B. Reflexionsverstärker, als auch injektionssynchronisierte Oszillatoren verwendet. In solchen Mikrowellenverstärkern können aktive Mikrowellenzweipole, wie die IMPATT-Diode und das Gunn-Element eingesetzt werden. Reflexionsverstärker zeichnen sich dabei durch große Bandbreiten aus, jedoch nimmt die erreichbare Verstärkung bei hohen Ausgangsleistungen stark ab infolge Sättigung bzw. Kompression. Mit einem injektionssynchronisierten Oszillator sind dagegen auch bei großen Ausgangspegeln hohe Verstärkungswerte erreichbar, allerdings auf Kosten der Bandbreite und des Verstärkerrauschens.In microwave communication systems are used as transmission amplifiers for frequency-modulated Microwave signals both real amplifiers, such as. B. reflection amplifiers, as well as injection-synchronized Used oscillators. In such microwave amplifiers, active microwave bipoles, such as the IMPATT diode and the Gunn element are used. Reflection amplifiers are characterized by this large bandwidths, but the gain that can be achieved decreases sharply at high output powers due to saturation or compression. With an injection-synchronized oscillator, however, are also high gain values can be achieved at high output levels, but at the expense of bandwidth and of amplifier noise.

Durch die starke Belegung der Frequenzbereiche bis 13GHz mit konventionellen FM-Richtfunksystemen ist die Erschließung höherer Frequenzbereiche für die Nachrichtenübertragungstechnik notwendig geworden. Wegen der stark zunehmenden Regendämpfung kommen für Frequenzen oberhalb 15GHz hauptsächlich digitale Modulationsverfahren in Frage. Als günstigstes Modulationsverfahren hat sich dabei die Phasenumtastung (phase shift keying= PSK) mit 2,4 oder mehr Phasenstufen erwiesen.Due to the heavy occupancy of the frequency ranges up to 13GHz with conventional FM radio relay systems the development of higher frequency ranges for communication technology has become necessary. Because of the strongly increasing rain attenuation, frequencies above 15GHz are mainly used digital modulation method in question. Phase shift keying has proven to be the most favorable modulation method (phase shift keying = PSK) with 2.4 or more Phase steps proven.

Als Sendeverstärker für phasengetastete Mikrowellen sind echte Verstärker, wie Reflexionsverstärker, geeignet. Hierbei sind wegen der begrenzten Stufenverstärkung für größere Verstärkungswerte mehrere Verstärkerstufen erforderlich. Beim Einsatz von injektionssynchronisierten Oszillatoren entstehen insofern Schwierigkeiten, da die Reaktionszeiten von injektionssynchronisierten Oszillatoren auf Phasensprünge des Ansteuersignals, vor allem auf 180° -Sprünge, mit wachsender Verstärkung sehr lang werden können, so daß das Osziilatorausgangssignal kein einwandfreies, verstärktes Abbild des Ansteuersignals mehr darstellt. In der Praxis ist der Unterschied zwischen den mit beiden Schaltungsvarianten erreichbaren Verstärkungswerter, für PSK-Signale wesentlich geringer als für FM-Signale, so daß die erwarteten Vorteile eines injektionssynchronisierten Oszillators nicht ausgenutzt werden können.Real amplifiers such as reflection amplifiers are suitable as transmission amplifiers for phase-shifted microwaves. Because of the limited stage gain, several amplifier stages are required for larger gain values. When using injection-synchronized oscillators, difficulties arise because the response times of injection-synchronized oscillators to phase jumps in the control signal, especially to 1 80 ° jumps, can become very long with increasing amplification, so that the oscillator output signal no longer represents a flawless, amplified image of the control signal . In practice, the difference between the gain values that can be achieved with both circuit variants is much smaller for PSK signals than for FM signals, so that the expected advantages of an injection-synchronized oscillator cannot be exploited.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Phasenschaltverhalten von injektionssynchronisierten Mikrowellenoszillatoren zu verbessern und damit die mit dieser Schaltungsvariante für phasengetastete Mikrowelllensignale erreichbaren Verstärkungswerte v.c3entlich zu erhöhen.The invention is based on the object of the phase switching behavior of injection-synchronized To improve microwave oscillators and thus those with this circuit variant for phase-shifted V.c3 to increase the gain values that can be achieved by microwave signals.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Verbesserung des Schaltverhaltens injektionssynchronisiertei Mikrowellenoszillatoren in Verstärkern für phasengetastete Mikrowellensignale gelöst durch eine zur Phasentastung des Ansteuersignals synchrone, differentielle Frequenzmodulation des Oszillators.This object is achieved according to the invention by a method for improving the switching behavior injection-synchronized in microwave oscillators in Amplifiers for phase-keyed microwave signals solved by one for phase-keying the control signal synchronous, differential frequency modulation of the oscillator.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ergibt sich eine beträchtliche Steigerung der für phasengetastete Mikrowellensignale möglichen Verstärkung eines injektionssynclironisierten Oszillators bei geringem zusätzlichem Aufwand. Dadurch ergeben sich günstigere Aufbauten von PSK-Richtfunksendern mit Träge.-versorgungeti geringer Ausgangsleistung und einstufigen Sendeverstärkern, die sich durch geringen Aufwand und besseren Gesamtwirkungsgrad auszeichnen.The measure according to the invention results in a considerable increase in the for phase-shifted Microwave signals possible amplification of an injection-synchronized Oscillator with little additional effort. This results in cheaper structures for PSK radio link transmitters with inertia supply low output power and single-stage transmission amplifiers, which are characterized by low effort and better overall efficiency.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes itellen die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen dar.Advantageous refinements and developments of the subject matter of the invention are set out in the subclaims measures specified.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachstehend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführurlgsbeispielen näher erläutert.Further details of the invention are shown below with reference to in the drawing Exemplary embodiments explained in more detail.

In der Zeichnung zeigenShow in the drawing

F i g. 1 a bis 1 d Diagramme des Verlaufs der Phase des Ansteuersignals, der Phase des CLzillatorsignals ohne Modulation, der Frequenz des freilaufenden Oszillators mit Modulation und der Phase des Oszillatorsignals mit Modulation undF i g. 1 a to 1 d diagrams of the course of the phase of the Control signal, the phase of the oscillator signal without modulation, the frequency of the free-running oscillator with modulation and the phase of the oscillator signal with modulation and

F i g. 2 ein Blockschaltbild eines PSK-Senders mit den Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.F i g. 2 shows a block diagram of a PSK transmitter with the devices for carrying out the invention Procedure.

Der Erläuterung der einzelnen Figuren sollen noch einige Ausführungen über die physikalischen Grundlagen und mathematischen Zusammenhänge vorangestellt werden:In order to explain the individual figures, a few remarks on the basic physical principles are intended and mathematical relationships are preceded by:

Das statische und dynamische Verhalten eines injektionssynchronisierten Oszillators, wird durch die Mitziehbandbreite Δωτηζ*., das ist die maximale Frequenzdifferenz zwischen dem freilaufenden Oszillator und dem Synchronisiersignal, charakterisiert.The static and dynamic behavior of an injection-synchronized oscillator is characterized by the drag bandwidth Δωτηζ *., That is the maximum frequency difference between the free-running oscillator and the synchronization signal.

Dabei gilt die BeziehungThe relationship applies

Q₁.Q ₁ .

HlSt.

die Synchronisierverstärkung ist mit P₅=Synchronisierleistung und P₀=Oszillatorleistung, ω₀ die Oszillatorkreisfrequenz und Ql die Oszillatorgüte. the synchronization gain is with P ₅ = synchronization power and P ₀ = oscillator power, ω ₀ the oscillator angular frequency and Ql the oscillator quality.

Die Modulationsgrenzfrequenz Q_g für die Verstärkung von frequenzmodulierten Mikrowellensignalen isi durch die Mitziehbandbreite ΔωτηΆΧ gegebenThe modulation cutoff frequency Q _g for the amplification of frequency-modulated microwave signals is given by the drag bandwidth ΔωτηΆΧ

als Näherung:as an approximation:

d<,d <,

_d -- = U_s = const. _d - = U _s = const.

— Q₁ IG.- Q ₁ IG.

"X)"X)

(3)(3)

(4)(4)

G =G =

/0/ 0

/■ _ "Ό/ ■ _ "Ό

J₀ - _τ-J ₀ - _τ -

(6)(6)

2020th

Für die Reaktionszeit des injektionssynchronisierten Oszillators auf 180°-Phasensprünge des Ansteuersignals ergibt sich mit der AnnahmeFor the response time of the injection-synchronized oscillator to 180 ° phase jumps of the control signal arises with the assumption

1ü1ü

Die Umschaltzeit wächst also mit der Wurzel aus der Verstärkung. Nimmt man als zulässigen oberen Grenzwert für die Umschaltzeit T₁₈₀- die Hälfte einer Taktperiode anThe switching time increases with the square root of the gain. If one assumes as the permissible upper limit value for the switchover time T ₁₈₀ - half of a clock period

r,__7;, ₍₅₎ r, _ _7; , ₍₅₎

so ergibt sich folgender Grenzwert für die erreichbare Verstärkung:this results in the following limit value for the gain that can be achieved:

4>4>

Für /b = 20GHz, Λ= 100 MHz und <?_L = 50 ergibt sich somit eine maximale Verstärkung von nur 12 dB.For / b = 20GHz, Λ = 100 MHz and <? _L = 50 results in a maximum gain of only 12 dB.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der Diagramme la bis Id erläutert, in denen die charakteristischen Verläufe der Zeit für einen + 90°-Sprung des Ansteuersignals aufgezeichnet sind. Fig. la zeigt dabei den Phasensprung des ansteuernden, ilso synchronisierenden Mikrowcllensignals, das von einem digitalen Phasenmodulator abgegeben wird. Fig. Ib demonstriert die Antwort des Oszillators auf das Ansteuersignal, nämlich die Phase des injektionssynchronisierten Oszillators. Di°se Phase ist für zwei verschiedene Verstärkungswerte Ci und (J> dargestellt, wobei d wesentlich kleiner als G₂ ist. Wie F i g. 1 b zeigt, ist dabei der Verlauf der Phase für die große Verstärkung Gi wesentlich flacher als der für die kleine Verstärkung C₁. so daß die Phase ihren Maximalwert erst wesentlich nach der Zeit , ~ erreicht. Für hoheThe method according to the invention is explained with reference to the diagrams la to Id, in which the characteristic curves of the time for a + 90 ° jump of the control signal are recorded. Fig. La shows the phase jump of the driving, ilso synchronizing microwave signal, which is emitted by a digital phase modulator. Fig. Ib demonstrates the response of the oscillator to the control signal, namely the phase of the injection-synchronized oscillator. This phase is shown for two different gain values Ci and (J> , where d is significantly smaller than G _2. As FIG. 1 b shows, the course of the phase for the large gain Gi is significantly flatter than that for the small gain _C1. so that the phase until much reaches its maximum value after the time ~. For high

- Ji - Ji

Verstärkungen ergibt sich also eine unzulässig lange Umschaltzeit. Die Umschalizeit wird erfindungsgemäß durch eine zur Phasentastung des Ansteuersignals synchrone, differentielle Modulation der Oszillatorfrequenz, d. h. also durch eine kurzzeitige Anhebung der Frequenz des freilaufenden Oszillators während des Umschaltvorgangs, stark verkürzt. Damit werden Verstärkungswerte G möglich, die ohne zusätzliche Modulation unzulässig lange Umschaltzeiten zur Folge haben. Fig. Ic zeigt die Frequenz des freilaufenden Oszillators, die während des Umschaltvorganges um den Betrag Δ f angehoben ist Die Phase des Oszillatorsignals mit Modulation ist in Fig. Id dargestellt, woraus deutlich ersichtlich ist, daß der Anstieg der Phase während des Umschaltens wesentlich steiler ist als bei der Phase ohne Modulation und damit also die Umschaltzeit auch für eine große Verstärkung G: auf einen kleinen Werf reduziert ist.Reinforcements result in an inadmissibly long switchover time. According to the invention, the switching time is greatly shortened by a differential modulation of the oscillator frequency that is synchronous with the phase keying of the drive signal, ie by a brief increase in the frequency of the free-running oscillator during the switching process. This enables gain values G which, without additional modulation, result in inadmissibly long switching times. Fig. Ic shows the frequency of the free-running oscillator, which is increased by the amount Δ f during the switching process. The phase of the oscillator signal with modulation is shown in Fig. Id, from which it can be clearly seen that the rise in phase is significantly steeper during switching than with the phase without modulation and thus the switching time for a large gain G: is reduced to a small throw.

Die Verbesserung der Schaltzeit eines injektionssynchronisierten Oszillators ist für beliebige Phasensprünge im Bereich zwischen 0° und ±180° möglich, wie sie bei den praktisch verwendeten Modulationsarten auftreten (2PSK:0°, ±180°; 4PSK-.O⁰, ±90°, ±180° usw.). Für eine Verkürzung der Umschaltzeit ist es dabei jedoch erforderlich, daß das Vorzeichen der durch die Modulation bewirkten Frequenzänderung Δ f mit dem Vorzeichen der Phasenänderung des Steuersignals übereinstimmt, da sich sonst keine Beschleunigung, sondern eine Verzögerung des Umschaltverhaltens ergibt. Lediglich bei 180°-Phasensprüngen ist im Prinzip durch beide Modulationspolaritäten die gleiche Verbesserung der Schaltzeit möglich.The switching time of an injection-synchronized oscillator can be improved for any phase jumps in the range between 0 ° and ± 180 °, as occurs with the types of modulation used in practice (2PSK: 0 °, ± 180 °; 4PSK-.O ⁰ , ± 90 °, ± 180 ° etc.). However, for shortening the switching time, it is necessary here that the sign of the modulation caused by the frequency change Δ f with the sign of the phase change of the control signal matches, otherwise no acceleration, but a delay of the switching behavior is obtained. Only in the case of 180 ° phase jumps is the same improvement in switching time possible in principle through both modulation polarities.

Die Dauer der durch die Modulation bewirkten Frequenzänderung Δ /"ist dabei in jedem Fall kürzer zu wählen als die geforderte Gesamtschaltzeit, d. h. die differentielle Modulation wird nur während des Unischaltvorganges vorgenommen. Maßgebend für die erreichbare Verbesserung der Schaltzeiten des injektionssynchronisierten Oszillators ist dabei das Produkt aus Dauer und Größe der Frequenzänderung Af. The duration of the frequency change Δ / ″ caused by the modulation must be selected to be shorter than the required total switching time, ie the differential modulation is only carried out during the switching process Duration and size of the frequency change Af.

Die Modulation des injektionssynchronisierten Oszillators kann dabei auf verschiedene Arten durchgeführt werden, zum Beispiel durch eine an den Oszillatorkreis angekoppelte Varaktordiode, der das Modulationssignal zugeführt wird. Diese Art der Frequenzmodulation ist bei allen Mikrowellenoszillatoren mit beliebigen aktiven Elementen möglich. Eine besonders vorteilhafte Modulationsmöglichkeit ergibt sich, wenn als aktive Elemente IMPATT-Dioden oderGunn-Elemente eingesetzt werden, die für hohe Os/illatorfrequenzen sehr gut geeignet sind IMPATT-Oszillatoren lassen sich über den Betriebsstrom der IMPATT-Diode, Gunn-Oszillatoren über die Betriebsspannung des Gunn-Elements in einfacher Weise frequenzmodulieren.The injection-synchronized oscillator can be modulated in various ways are, for example, by a varactor diode coupled to the oscillator circuit, which the modulation signal is fed. This type of frequency modulation can be used with all microwave oscillators active elements possible. A particularly advantageous modulation option arises when used as an active one Elements IMPATT diodes or Gunn elements are used which are very well suited for high oscillator frequencies. IMPATT oscillators can be used over the operating current of the IMPATT diode, Gunn oscillators via the operating voltage of the Gunn element in frequency modulate easily.

Bei dem Prinzipschahbild eines PSK-Senders mit Direktmodulation für ein PCM-Richtfunksystem mit Vierphasenmodulation (4 DPSK) nach F i g. 2 ist mit 1 die Trägerversorgung, mit 2 der Phasenmodulator, mit 3 ein ModülationsansteueiAL'rstärker, mit 4 eine Differenzkodierschaliung. mit 5 der Sendeverstärker, mit 6 die Stromversorgung für den Scndeverslärker und mit 7 eine Modulationslogik und ein Ansteuerverstärker bezeichnet. Das von der Trägerversorgung 1 kommende Mikrowellensignal wird dabei in einem Vierphasenmodulator 2 moduliert, der seinerseits über einenIn the basic diagram of a PSK transmitter with direct modulation for a PCM radio relay system Four-phase modulation (4 DPSK) according to FIG. 2 is with 1 the carrier supply, with 2 the phase modulator, with 3 a ModülationsansteueiAL'rstarkker, with 4 a difference coding circuit. with 5 the transmitter amplifier, with 6 the power supply for the amplifier and with 7 denotes a modulation logic and a control amplifier. The one coming from the carrier supply 1 The microwave signal is modulated in a four-phase modulator 2, which in turn has a

Modulatortreiber 3 (Modulatoranstcuerverslärkcr) und einen mit diesem verbundenen Kodiercr 4 angesteuert wird. Das modulierte Signal wird durch den Sendeverstärker 5, der als injektionssynchronisierter Oszillator mit synchroner Modulation ausgebildet ist, auf die erforderliche Sendeleistung verstärkt und an die Antenne 8 abgegeben. Aus dem Kodierer 4, der einen Takteingang 9 und einen Signaleingang 10 aufweist. wird mit Hufe der Ansteuerlogik 7 ein Modulationssignal abgeleitet. Mit diesem Modulationssignal wird entweder direkt eine Varaktordiode im injeklionssynchronisierten Oszillator (strichliert eingetragene Verbindungslinie a) oder über eine Regelschaltung 6 der Betriebsstrom einer IMPATT-Diode bzw. die Betriebsspannung eines Gunn-Elements (ausgezogene Verbindungslinie b) moduliert. Mit der Verstärkeranordnung ^ς aus den Baugruppen 5, 6 und 7 lassen sich auch für phasengetastete Signale hohe Verstärkungen mit injektionssynchronisierten Oszillatoren erreichen. Damit wird ein Senderaufbau mit einer Trägerversorgung mit relativ niedriger Ausgangsleistung und mit einem ι ο einstufigen Sendeverstärker möglich, der sich außerdem durch einen günstigen Gesamtwirkungsgrad auszeichnet Modulator driver 3 (Modulatoranstcuerverslärkcr) and an encoder 4 connected to it is controlled. The modulated signal is amplified to the required transmission power by the transmission amplifier 5, which is designed as an injection-synchronized oscillator with synchronous modulation, and output to the antenna 8. From the encoder 4, which has a clock input 9 and a signal input 10. a modulation signal is derived with the aid of the control logic 7. This modulation signal is used to either directly modulate a varactor diode in the injection-synchronized oscillator (dashed connecting line a) or a control circuit 6 to modulate the operating current of an IMPATT diode or the operating voltage of a Gunn element (solid connecting line b). With the amplifier ^{arrangement ς} from the assemblies 5, 6 and 7, high amplifications with injection-synchronized oscillators can also be achieved for phase-shifted signals. This enables a transmitter structure with a carrier supply with a relatively low output power and with an ι ο single-stage transmission amplifier, which is also characterized by a favorable overall efficiency

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Method for improving the switching behavior of injection-synchronized microwave oscillators in amplifiers for phase-shifted ·; Microwave signals, characterized by a for Phase keying of the control signal synchronous, differential frequency modulation of the oscillator.

2. The method according to claim 1, characterized in that the frequency modulation has a Varactor diode is effected in the oscillator.

3. The method according to claim 1, characterized in that for generating vibrations in the oscillator an active microwave semiconductor element is used.

4. The method according to claim 3, characterized in that the modulation of the injection-synchronized oscillator is effected by varying an operating parameter of the active microwave semiconductor element.

5. The method according to claim 3, characterized in that as an active microwave semiconductor element an IMPATT diode is used.

6. The method according to claim 5, characterized in that the modulation of the injection-synchronized Oscillator is effected by varying the operating current of the IMPATT diode.

7. The method according to claim 3, characterized in that as an active microwave semiconductor element a Gunn element is used.

8. The method according to claim 7, characterized in that the modulation of the injection-synchronized Oscillator is caused by varying the operating voltage of the Gunn element.

9. Method for improving the switching behavior of injection-synchronized microwave oscillators in amplifiers for phase-shifted microwave signals in digital communication systems according to one of the preceding claims, characterized in that a coding circuit is intended to derive the signal modulating the oscillator from the control signal (s) for the microwave phase modulator.

4545