DE69102029T2 - Verschiedene Schleifen enthaltender Mikrowellen-Frequenzsynthetisierer mit niedrigem Phasenrauschen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich sich auf einen verschiedene Schleifen enthaltenden Mikrowellen-Synthetisierer mit niedrigem Phasenrauschen, der besonders als Lokaloszillator für Systeme niederiger Kapazität geeignet ist.
• In Mikrowellensystemen, besonders in Systemen niedriger Kapazität, muß der Lokaloszillator niedriges Phasenrausche aufweisen, temparaturstabil sein und gegen die z.B. durch mechanische Belastung hervorgerufenen Frequenzsprünge geschützt sein, sodaß Nachteile wie Synchronisationsverlust des Demodulators und Verschlechterung der Bitfehlerhäufigkeit vermieden werden.
• Außerdem ist die Kanalbandbreite in Systemen niedriger Kapazität klein gegenüber der Trägerfrequenz, ebenso der Kanalabstand; die Lokaloszillatorfrequenz muß deshalb in sehr kleinen Schritten synthetisiert werden und sehr stabil sein.
• Es sind verschiedene Typen von Frequenzsynthetisierern bekannt.
• Ein erster Typ von Frequenzsynthetisierer mit Einzelschleife und spannungsgesteuertem Mikrowellenoszillator (VCO) weist in Wirklichkeit, wenn er auch in der Lage ist, die Oszillatorfrequenz in kleinen Schritten zu synthetisieren, nahe der Trägerfrequenz ein hohes Phasenrauschen auf und seine Verwendung ist wegen des möglichen Auftretens von Frequenzsprüngen riskant.
• Ein zweiter Typ des Synthetisierers enthält einen Mikrowellen-Oszillator mit dielektrischem Resonator (DRO), der zwar eine exzellente Quelle bezüglich Phasenrauschen und Freqeunzsprüngen darstellt, aber den Nachteil hat, daß er eine Frequenz erzeugt, die mit der Synthese nicht verändert werden kann, es sei denn um wenige MHz, ohne das exzellente Phasenrausch- und Stabilitätsverhalten zu verlieren.
• Einige Frequenzsynthetisierer mit Mehrfachschleife sind bekannt und könnten theoretisch die oben genannten Probleme lösen. Die genannten Strukturen sind aber gewöhnlich sehr komplex und vor allem teuer.
• Zum Beispiel, ein bekannter Typ des MW-Frequenzsynthetisierers mit Mehrfachschleife verlangt Verriegelung der Oszillatorfrequenz mittels Abtastung durch einen Phasendetektor (SFD). Dieser Typ ist sehr flexibel, hat aber den Nachteil, daß die Referenzfrequenz, da sie einen niedrigen Wert hat (z.B.100 MHz), ebenfalls sehr geringes Phasenrauschen aufweisen muß, da sich sonst das Phasenrauschen bei der gewünschten MW-Frequenz (in der Ordnung von 5-10 GHz) proportional zur genannten Referenzfrequenz verschlechtert. Das Problem besteht deshalb in dem übertriebenen Anwachsen von Komplexität und Kosten des Synthetisierers wegen der Notwendigkeit, besonders strenge Kenndaten für das Phasenrauschen verlangen zu müssen.
• Ein anderer Typ des mehrere Schleifen enthaltenden MW-Frequenzsynthetisierers wird in dem australianischen Patent AU-B-441816 beschrieben, Erfinder Raymond Winglee. Der beschriebene Synthetisierer enthält einen ersten veränderlichen Frequenzoszillator, der in der Lage ist, zur Frequenzwahl in einem gewissen Frequenzbereich eine kontinuierliche Anpassung durchzuführen, einschließlich primärer Mittel zur Wahl einer Ausgangsfrequenz und sekundärer Mittel zur Anpassung der Ausgangsfrequenz in einem kleinen Bereich von Frequenzen in der Nähe der gewählten Frequenz, als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Signal. Ein erster Nachteil des genannten Synthetisierers besteht darin, daß die genannten zweiten Mittel zu teuer und kompliziert sind: tastsächlich schließen sie einen hochstabilen Oszillator (9), einen Frequenzteiler, einen Phasenvergleicher, zwei differentiell gesteuerte quarzgesteuerte Oszillatoren (11,12) und einen Mischer (13) ein. Ein zweiter schwerer Nachteil ist, daß das Phasenrauschen der erzeugten Ausgangsfrequenz immer noch zu hoch ist.
• Demzufolge stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, die oben genannten Nachteile zu umgehen und einen billigen, verschiedene Schleifen enthaltenden MW-Frequenzsynthetisierer anzugeben, der wenig Raum einnimmt, niedriges Phassenrauschen und hohe Immunität gegen Frequenzsprünge aufweist und besonders für Lokaloszillatoren in Systemen niedriger Kapazität geeignet ist.
• Der Synthetisierer enthält im wesentlichen eine MW-Frequenzsynthetisierer-Schleife, eine in groben Schritten programmierbare Frequenzsynthetisierer-Schleife sowie eine in feinen Schritten programmierbare Frequenzsynthetisier-Schleife, alle auf besonders wirkungsvolle Weise aufgebaut und miteinander verbunden.
• Zur Erreichung des genannten Zwecks ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein verschiedene Schleifen enthaltender MW-Frequenzsynthetisierer mit niedrigem Phasenrauschen, wie in Anspruch 1 beschrieben.
• Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden an Hand der weiter unten gebenen genauen Beschreibung einer praktischen Ausführung aufgeklärt, die jedoch lediglich ein nicht einschränkendes Beispiel ist und sich auf die anliegenden Zeichnungen bezieht, die folgendes zeigen: Bild 1 Übersichtsschaltbild des verschiedene Schleifen enthaltenden Frequenzsynthetisierers, welcher der Gegenstand der Erfindung ist, Bild 2 u.3 Verlauf des Phasenrauschens mit der Frequenzabweichung des Trägers in einigen Schaltungsblöcken des Synthetisierers.
• Wie in Bild 1 gezeigt, enthält der Frequenzsynthetisierer im wesentlichen eine MW-Frequenzsynthetisiererschleife, die aus den mit der gebrochenen Linie 1 umrissenen Blöcken besteht, eine in groben Schritten programmierbare Frequenzsynthetisiererschleife, die aus den mit der gebrochenen Linie 2 umrissenen Blöcken besteht, eine in feinen Schritten programmierbare Frequenzsynthetisier-Schleife, die aus den mit der gebrochenen Linie 3 umrissenen Blöcken besteht sowie einem equivalenten Oszillator mit den Schleifen 1 und 2 an den Punkten B und D.
• Schleife 1 besteht aus den unten beschriebenen Schaltungsblöcken. VCO1 bezeichnet einen VCO-Mikrowellenoszillator mit einer Ausgangsfrequenz von etwa 3,6 GHz, einer Bandbreite von etwa 100 MHz und einem Gütefaktor von etwa Q 50, der auf bekannte Weise aufgebaut ist, d.h. mit bipolarem Transistors und Varaktor-Diode auf Aluminiumsubstrat zur Steuerung der Oszillatorfrequenz.
• DV1 bezeichnet einen Frequenzteiler durch 16 für die Ausgangsfrequenz von VCO1, die dieser z.B. über einen Mikrostrip-Richtkoppler A bekannten Typs empfängt. Wegen der hohen Eingangsfrequenz besteht DV1 aus einer Kaskade zweier Frequenzteiler durch 4, deren HF-Seite mit dem Bauteil AVANTEK IFD-50010 aufgebaut ist.
• MIX bezeichnet einen normalen Mischer für die Frequenz an Ausgang B von DV1 (etwa 225 MHz) und einen normalen 220 MHz Quarzoszillator XOSC.
• Der Ausgang von MIX mit einer Frequenz von etwa 5 MHz ist mit dem Eingang eines normalen Phasenvergleichers CF1 verbunden, dessen Eingang mit dem Ausgang C der Sekundärschleife 2 verbunden ist, die ebenfalls eine Frequenz von etwa 5 MHz aufweist.
• Der Ausgang von CF1 ist mit einem normalen Schleifenfilter zweiter Ordnung FA1 verbunden (Grenzfrequenz etwa 50 kHz), das die Varaktordiode des MW-Oszillators VCO1 steuert.
• Schleife 2 übernimmt die Funktion des in groben Schritten progammierbaren Frequenzsynthetisierers (1 MHz) und besteht aus den unten beschriebenen Schaltungsblöcken
• VCO2 bezeichnet einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO im Frequenzbereich 60-120 MHz, der aus einem normalen VHF-Oszillator mit LC-Komponenten und dem bipolaren Transistor BJT mit einem geringen Gütefaktor von etwa Q 10 besteht.
• DVP2 bezeichnet einen normalen programmierbaren Frequenzteiler, der die Ausgangsfrequenz von VCO2 durch die Zahl N2 teilt, die von außen zwischen etwa 60 und 120 einstellbar ist, sodaß am Ausgang eine Frequenz von etwa 1 MHz zur Verfügung steht.
• VCPO2 bezeichnet einen spannungsgesteuerten piezoelektrischen Oszillator mit einer Sollfrequenz von 8 MHz, der auf die übliche Weise mit einem bipolaren Transistor, einer Varaktordiode zur Kontrolle der Schwingfrequenz und einem piezoelektrischen Hohlraumresonator (Gütefaktor etwa Q 1000, Frequenzabweichung ± 100 kHz) aufgebaut ist.
• Die Ausgangsfrequenz von VCPO2 wird durch den normalen Frequenzteiler DV2 durch 8 geteilt.
• Ein normaler Phasenvergleicher CF2 vergleicht die Phase des Ausgangssignals der Frequenzteiler DVP2 und DV2 und überträgt ein Fehlersignal an das normale Schleifenfilter zweiter Ordnung FA2 (Grenzfrequenz etwa 50 kHz), das die Varaktordiode des Oszillators VCO2 steuert.
• Die Ausgangsfrequenz von VCO2 wird in einem normalen Frequenzteiler DV3 durch 16 geteilt, dessen Ausgang C mit einem Eingang des Phasenvergleichers CF1 verbunden ist.
• Bei der Sollfrequenz von 8 MHz am Ausgang von VCPO2, d.h. der Ausgangsfrequenz 1 MHz von DV2, können am Ausgang von VCO2 durch Programmierung von DVP2 Schritte von 1 MHz erzeugt werden und damit Schritte von 1/16 MHz am Ausgang von DV3. Da die Ausgangsfrequenz von VCO1 über DV1 ebenfalls durch 16 geteilt wird, resultiert ein Syntheseschritt von 1 MHz in Schleife 1 am Ausgang von VCO1, falls die Steuerung nur über die Programmierung von Schleife 2 erfolgt. Schleife 2 steuert also die Erzeugung der Syntheseschritte von 1 MHz und bestimmt außerdem die Bandbreite des Synthetisierers, die von der Bandbreite des Oszillators VCO2 (etwa 60 MHz) abhängt.
• Schleife 3 übernimmt die Funktion des in feinen Schritten programmierbaren Frequenzsynthetisierers und besteht aus den nachfolgend beschriebenen Schaltungsblöcken.
• DVP3 bezeichnet einen normalen programmierbaren Frequenzteiler, der die Ausgangsfrequenz des Freqeunzteilers DV1 durch die von außen einstellbare Zahl N3 teilt, sodaß am Punkt B Synthese-Feinschritte von 3,9 kHz zur Verfügung stehen, die durch das Vorhandensein des Multiplizierers DV1 (mal 16) am Ausgang des Oszillators VCO1 zu 62,5 kHz-Schritte werden (gleich den Trägerabstand von Übertragungskanälen niedriger Kapazität).
• TCXO bezeichnet einen Oszillator mit der Referenzfrequenz 8 MHz, der auf übliche Weise mit einem Quarzosillator und einer Varaktordiode zur Kontrolle der Schwingfrequenz aufgebaut ist, gesteuert von einem Netzwerk zum Temeperaturausgleich, sodaß zwischen -40ºC und +80ºC eine Stabilität von ± 2 ppm eingehalten wird. TCXO bestimmt das Verhalten des gesamten Synthetisierers, Gegenstand der vorliegenden Erfindung, bezüglich Temperatur und Alterung.
• Der normale Frequenzteiler DV4 teilt die Ausgangsfrequenz von TCXO durch 2048 und gibt sie an den Eingang des Phasenvergleichers CF3 weiter dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Frequenzteilers DVP3 verbunden ist.
• Ein normales Schleifenfilter FA3 mit der niedrigen Grenzfrequenz 100 Hz empfängt das Ausgangssignal von CF3 und erzeugt das Steuersignal D für die Varaktordiode des Oszillators VCPO2.
• Die Schaltung von Schleife 3 "sieht" zwischen den Punkten B und D einen equivalenten Oszillator, dessen Frequenz mit der Ausgangsfrequenz von DV1 übereinstimmt, d.h. ausgehend von der MW-Schwingung von VCO1: von DV1 durch 16 geteilt und von Schleife 2 in groben Schritten und von Schleife 3 in feinen Schritten programmiert.
• Folglich bestimmt Schleife 3 die Synthese-Feinschritte des MW-Synthetisierers (62,5 kHz) und kompensiert ebenfalls verschiedene Änderungen (Temperatur, Langzeitverhalten).
• Wir wollen nun das Verhalten des Synthetisierers bezüglich Phasenrauschen betrachten. Siehe Bilder 2 und 3, die das Verhalten des Phasenrauschens als Funktion der Trägerfrequenzabweichung für verschiedenene Bauteile zeigen.
• Allgemein gesprochen kann man aus dem Bild ablesen, daß das Phasenrauschen mit zunehmender Frequenzabweichung abnimmt. Angenommen, man will für das Phasenrauschen einen Wert von PNu ≤ -100 dBc/Hz bei einer Trägerfrequenzabweichung von 1 kHz am MW-Ausgang U des Synthetisierers erreichen, ein Kennwert, der als gut zu bezeichnen ist.
• Das bedeutet, daß das Phasenrauschen an Punkt B (Bild 1) (Ausgang von DV1) mindestens PNb ≤ -124 = PNu - 201og16 dBc/Hz sein muß, d.h. ein um den Teilerfaktor von DV1 vermindertes Phasenrauschen.
• Der Oszillator VCPO2 erzeugt das Phasenrauschen PNv < -130 dBc/Hz, das nach Durchlaufen des Teilers DV2 vermindert ist, wodurch am Eingang von CF2 ein Phasenrauschen von PNv1 < PNv - 201og8 = -148 dBc/Hz auftritt. Zusätzlich trägt die sehr niedrige Grenzfrequenz des Filters FA3 dazu bei, daß durch den Abschnitt der Schleife 3 zwischen den Punkten B und D kein nenenswerter Beitrag zum Phasenrauschen im Steuersignal von VCPO2 an Punkt D geleistet wird. Das am Ausgang von DV2 noch vorhandene Phasenrauschen kann deshalb vernachlässigt werden.
• Der Oszillator XOSC erzeugt das Phasenrauschen PNx < -130 dBc/Hz, während der Beitrag des Mischers MIX und des Schleifenfilters FA1 den Wert PNmf < -140 dBc/Hz hat. Da die genannten Beiträge zum Phasenrauschen kleiner als der gewünschte Wert sind, ist das Verhalten der Schleife 2 und damit des Oszillators VCO2 entscheidend, dessen Phasenrauschverhalten in Bild 2 für zwei Fälle mit nicht unterbrochenen Linien angedeutet ist, d.h. mit offener Schleife (VCO2pna) und geschlossener Schleife 2 (VCO2pnc). Bei niedrigen Frequenzenbweichungen folgt die geschlossene Schleife der Tendenz der gestrichelten Linie PN2c für das von dem Frequenzteiler DVP2 einschließlich Rückkopplungsarm kommende Phasenrauschen und folgt bei höheren Frequenzabweichungen der Tendenz der offenen Schleife.
• Im Vergleich zu dem an seinem Eingang vorhandenen Rauschen (Kurve VCO2pnc), vermindert der Frequenzteiler DV3 das Rauschen an Punkt C seines Ausgangs um 24 dB, wie durch den Verlauf der Kurve PNb angezeigt wird. Die Kurve PNb stellt außerdem das Phasenrauschen an Punkt B dar, da der Rauschbeitrag anderer Bauteile wie bereits erwähnt vernachlässigt werden kann, und das sollte ja gerade erzielt werden. PNb hat den Wert -124 dBc/Hz bei einer Frequenzabweichung von 1 kHz. Es ist leicht einzusehen, daß das Phasenrauschen von VCO2 auf dem Wege zu Punkt U sich so verhält, als ob es in DV3 durch einen Betrag dividiert und dann in DV1 mit dem gleichen Betrag multipliziert worden wäre (16), wodurch man erreicht, daß die Kurve des Phasenrauschens von VCO2 nach Punkt U verlegt wird. Dieses Verhalten ist auch experimentell bewiesen, wie in Bild 3 gezeigt, wo eine nicht unterbrochene Linie die Tendenz des Phasenrauschens an Ausgang U in beiden Fällen zeigt (offene Schleife 1 PNua und geschlossene Schleife 1 PNuc). Wie man sieht, entspricht die Kurve PNuc der gestrichelten Linie der Kurve PNub in Bild 3. Das am Ausgang des Frequenzteilers vorhandene Phasenrauschen PNb wird zum Eingang zurückgekoppelt.
• Das Verhalten des Synthetisierers bei Vorhandensein von Phasenrauschen im Synthetisierer wird folglich durch VCO2 bestimmt.
• Was das Verhalten des Frequenzsynthetisierers in Gegenwart von Frequenzsprüngen anbelangt, kann folgendes gesagt werden: die genannten Frequenzsprünge werden im wesentlichen durch externe mechanische Belastung des Oszillators hervorgerufen und erzeugen entsprechende Frequenzänderungen in der Nähe des Sollwertes, die dann in Abhängigkewit von der entsprechenden Schleife geglättet werden. In unserem Fall ist die Schleife 1 zweiter Ordnung und die Schleifenverstärkung hat bei etwa 50 kHz Abweichung von der Trägerfrequenz eine Nullstelle, wodurch es möglich ist, alle Störungen unterhalb der genannten Grenzfrequenz auszuglätten.
• Die Oszillatoren XOSC und VCPO2 sind außerdem in einem Metallbehälter mit mechanischer Schwingungsdämpfung montiert.
• Die obige Beschreibung macht die mit der vorliegenden Erfindung erreichbaren Vorteile klar, besonders was die auf die Verwendung normaler Bauteile und Technologien zurückzuführenden niedrigen Kosten und die wegen der Verwendung weniger Bauteile kleinen Abmessungen anbelangt, während gleichzeitig gute Kenndaten für Phasenrauschen, Kompression von Frequenzsprüngen und Synthese der Oszillatorfrequenz in feinen Schritten erreicht werden.

Claims (7)

1. Verschiedenen Schleifen enthaltender Mikrowellen-Frequenzsynthetisierer, mit einer Hauptschleife (1), die eine Frequenz über ein weites Frequenzband synthetisiert, sowie einer Schaltung, mit der der Wert der synthetisierten Frequenz in groben oder feinen Schritten programmiert werden kann, und in dem:

die genannte Hauptschleife (1) einen ersten spannungsgesteuerten Mikrowellen-Oszillator (VCO1), einen ersten Frequenzteiler (DV1), einen Mischer (MIX), einen ersten Phasenvergleicher (CF1) und ein erstes Schleifenfilter (FA1) in Kaskandenschaltung einschließt, in welcher der genannte Mischer (MIX) eine erste von einem Referenzoszillator (XOSC) erzeugte Referenzfrequenz von der Ausgangsfrequenz des ersten Frequenzteilers (DV1) subtrahiert, wobei ein Mischsignal entsteht, das an einen Eingang des ersten Phasenvergleichers (CF1) übertragen wird, an dessen zweiten Eingang eine zweite von der genannten Programmierschaltung (2) erzeugte Referenzfrequenz weitergeleitet wird, wobei der erste Phasenvergleicher ein erstes Fehlersignal zur Steuerung des ersten spannungsgesteuerten Oszillators (VCO1) abgibt, der eine programmierte synthetische Frequenz erzeugt;

die genannte in einer Sekundärschleife (2) angeordnete grobschrittige Programmierschaltung einen zweiten spannungsgesteuerten Oszillator (VCO2) enthält, sowie einen ersten programmierbaren Frequenzteiler (DVP2), einen zweiten Phasenvergleicher (CF2) und ein zweites Schleifenfilter in Kaskadenschaltung (FA2), wobei die Ausgangsfrequenz des ersten programmierbaren Frequenzteilers (DVP2) an einen Eingang des zweiten Phasenvergleichers (CF2) weitergeleitet wird, an dessen zweiten Eingang eine grobschrittige, von einem dritten spannungsgesteuerten Oszillator (VCPO2) erzeugte Frequenz weitergeleitet wird, wobei der zweite Phasenvergleicher (CF2) ein zweites Fehlersignal zur Steuerung des zweiten spannungsgesteuerten Oszillatyors (VCO2) erzeugt, sodaß die genannte zweite Referensfrequenz entsteht; und

die genannte feinschrittige Programmierschaltung (3) einen zweiten programmierbaren Frequenzteiler (DVP3) enthält, der die genannte Ausgangsfrequenz des ersten Frequenzteilers (DV1) aufteilt, wodurch eine in feinen Schritten anwachsende Frequenz entsteht, die an den ersten Eingang eines dritten Phasenvergleichers (CF3) weitergeleitet wird, an dessen zweiten Eingang eine von einem zweiten Referenzoszillator (TCXO) erzeugte feinschrittige Referenzfrequenz übertragen wird, wobei der dritte Phasenvergleicher (CF3) ein drittes Fehlersignal erzeugt, das über ein drittes Schleifenfilter (FA3) den genannten dritten spannungsgesteuerten Oszillator (VCPO2) steuert, der die genannte grobschrittige Referenzfrequenz erzeugt.

2. Verschiedene Schleifen enthaltender MW-Frequenzsynthetisierer wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte grobschrittige Programmierschaltung (2) ebenfalls folgendes enthält: einen zweiten Frequenzteiler (DV3), der die Ausgangsfrequenz des genannten zweiten spannungsgesteuerten Oszillators (VCO2) teilt, sodaß sie genannte zweite Referenzfrequenz für die Hauptschleife (1) entsteht; einen dritten Frequenzteiler (DV2), der die Ausgangsfrequenz des genannten dritten spannungsgesteuerten Oszillators (VCPO2) teilt, sodaß die genannte grobschrittige Referenzfrequenz entsteht.

3. Verschiedene Schleifen enthaltender MW-Frequenzsynthetisierer wie in Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte zweite Frequenzteiler (DV3) die genannte Ausgangsfrequenz des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators (VCO2) durch einen Divisionswert teilt, der gleich dem Divisionswert des ersten Frequenzteilers (DV1) ist, sodaß die Bandbreite und das Phasenrauschen der Hauptschleife (1) jeweils mit dem Frequenzband und dem Phasenrauschen des zweiten spannungsgesteuerten Oszillators (VCO2) übereinstimmen.

4. Verschiedene Schleifen enthaltender MW-Frequenzsynthetisierer wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte zweite spannungsgesteuerte Oszillators (VCO2) der Sekundärschleife (2) einen niedrigen Gütewert hat.

5. Verschiedene Schleifen enthaltender MW-Frequenzsynthetisierer wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte dritte spannungsgesteuerte Oszillators (VCPO2) aus einem spannungsgesteuerten Oszillator mit piezoelektrischem Hohlraumresonator besteht.

6. Verschiedene Schleifen enthaltender MW-Frequenzsynthetisierer wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturstabilität durch den genannten zweiten Referenzoszillator (TCXO) bestimmt wird, der ein Netzwerk zur Temperatuirkompensation enthält.

7. Verschiedenen Schleifen enthaltender MW-Frequenzsynthetisierer wie in Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Divisionswert des ersten Frequenzteilers (DV1) gleich 16 ist und die genannte von dem ersten Referenzoszillator (XOSC) erzeugte erste Referenzfrequenz gleich 220 MHz ist, sodaß ein Mischsignal mit einer Frequenz von eta 5 MHz entsteht.