DE69821531T2

DE69821531T2 - Verfahren und anordnung zum verringern der rückwirkung von lasteinflüssen in einem frequenzgenerator mit einer phase locked loop schaltung

Info

Publication number: DE69821531T2
Application number: DE69821531T
Authority: DE
Inventors: F. John FIENHAGE; N. David GRANTHAM; A. Mark KOBLER
Original assignee: L3 Communications Corp
Current assignee: L3 Technologies Inc
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-11-16
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: EP1044504A1; JP2001527313A; AU1460999A; KR100576246B1; DE69821531D1; KR20010033519A; WO1999033178A1; EP1044504B1; US6157262A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Frequenzquellen, insbesondere phasenverriegelte Frequenzquellen, die sehr hohe Frequenzen und hohe Energieniveaus liefern.
Es ist oft wünschenswert, eine Frequenzquelle zu haben, die die Frequenz nicht ändert, um eine Vorrichtung, wie zum Beispiel Sender, bei festen Frequenzen zu betreiben. Kristalloszillatoren werden für solche Zwecke verwendet. Wenn aber die Ausgangsfrequenz sehr hoch ist, sind die Kosten eines Kristalloszillators mit dieser Frequenz sehr hoch. Spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCO) in einem Phasenregelkreis, welcher einen Kristalloszillator mit niedrigerer Frequenz nutzt, können genutzt werden, um eine sehr stabile Hochfrequenzquelle zu liefern. Wenn jedoch die Ausgangsenergie groß ist, wurde festgestellt, daß das Ausgangssignal auf den VCO rückgekoppelt werden kann (mittels Strahlung und/oder Leitung) und eine Phasenverschiebung verursacht, die die Ausgangsfrequenz von dem gewünschten Wert weg verschiebt.
Das Dokument EP 0643494 offenbart einen Homodyn-Radioempfänger mit einem lokalen Oszillator und einem Phasenverschiebungs-Netzwerk, welches jeweilige, bezüglich der Phase um 90° verschobene Signale an jeweilige Mischer liefert. Ein Vervielfacher und ein Teiler, die in Reihe angeordnet sind, werden zwischen den lokalen Oszillator und das Phasenverschiebungs-Netzwerk gebracht, wobei der Vervielfacher die Frequenz des lokalen Oszillators mit einem Faktor von drei multipliziert und wobei der Teiler die Ausgangsfrequenz des Vervielfachers durch zwei teilt.
Nach einem Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung nach dem Anspruch 1 geschaffen.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen eines Signals mit einer gewünschten Frequenz gemäß Anspruch 3 geschaffen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer bekannten Phasenregelkreis-Frequenzquelle; und
2 eine schematische Darstellung der Erfindung.
1 zeigt eine bekannte Konstantfrequenzquelle in Form einer Phasenregelkreis-Frequenzquelle 10, die betreibbar ist, um eine relativ große Ausgangsfrequenz f₁ zu erzeugen. In dieser Schaltung kann die Frequenz f₁ beispielsweise 1500 MHz sein. Die Phasenregelkreis-Quelle 10 umfaßt eine Kristalloszillator-Referenzfrequenzquelle 12 zum Erzeugen einer relativ niedrigen Frequenz f₂. In dieser Schaltung kann f₂ beispielsweise 10 MHz sein. Es ergibt sich, daß die Auswahl der Kristalloszillatorfrequenz sich aus der gewünschten Ausgangsfrequenz f₁ berechnet und daß häufig Standard-Kristalloszillatoren mit vorbestimmten Frequenzen zur Verfügung stehen, die nach Wunsch bezüglich bestimmter Variablen geändert werden können. Der Ausgang des Kristalloszillators 12 wird auf einer Leitung 13 erzeugt, die mit einer „Teile durch R"-Box 14 verbunden ist, um einen Ausgang auf einer Leitung 16 an einen Phasendetektor 18 zu erzeugen. In dieser Schaltung kann der Wert von R 2 sein. Der Phasendetektor 18 empfängt auch ein Rückkopplungssignal auf einer Leitung 20 und vergleicht die zwei Eingänge, um auf einer Leitung 22 ein Phasenfehlersignal zu erzeugen. Ein Signal auf der Leitung 22 wird mit Hilfe eines Schleifenfilters 24 gefiltert und über eine Leitung 26 auf einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 28 gegeben. Der VCO 28 erzeugt die relativ hohe Ausgangsfrequenz f₁ auf einer Leitung 30, welche genutzt wird, um eine Lasteinrichtung zu beliefern, beispielsweise einen Sender 32. Der Ausgang auf Leitung 30 wird darüber hinaus über eine Leitung 34 auf eine „Teile durch A"-Schaltung 36 rückgekoppelt, welche das Signal durch einen berechneten Wert A teilt, der in dieser Schaltung 300 sein. Das geteilte Signal wird auf der Leitung 20 dem Phasendetektor 18 präsentiert. Die Schaltung 36 erzeugt das Rückkopplungssignal auf der Leitung 20, und dieses Signal wird bei normalem Betrieb gleich dem Signal auf Leitung 16 ausgebildet. Dementsprechend existiert keine Änderung des Eingangs des Filters 22, und die Ausgangsfrequenz f₁ bleibt konstant. Wenn sich die Frequenz f₁ zu ändern beginnt, ändert sich das Rückkopplungssignal an dem Phasendetektor 18, und der Eingang an den VCO 28 ändert sich, um die Frequenz zurück auf f₁ zu bringen. Als Mathematik der Phasenregelkreis-Schaltung ergibt sich, daß die Ausgangsfrequenz f₁ (1500 MHz) geteilt durch A (300) gleich 5 MHz ist. Die Kristalloszillator-Frequenz (10 MHz) geteilt durch R (2) ist auch 5 MHz.
Während angenommen wird, daß die Frequenz f₁ mit der Schaltung nach 1 konstant gehalten wird, wurde festgestellt, daß bei den hohen Frequenzen, die hier involviert sind, und bei dem benötigten großen Energieausgang eine ungewünschte Kopplung von dem Ausgang zurück auf den VCO 28 auftritt. Dieses Kopplung kann aufgrund eines leitenden Übergangs durch den normalen RF-Ausgangsweg und/oder durch Gleichstrom-Energie- oder Steuer- Leitungen auftreten. Alternativ oder zusätzlich kann diese Kopplung auch aufgrund von Strahlung auftreten, weil es an einer perfekten Abschirmintegrität fehlt. Darüber hinaus können die Dauer und die Wiederholungsrate der Sendeimpulse des Senders 32 so sein, daß die Frequenz des Oszillators mit Hilfe der normalen Rückkopplung, die mit dem Phasenregelkreis zur Verfügung gestellt wird, nicht korrigiert werden kann. Weil die VCO-Ausgangsfrequenz und die Frequenz f₁ des Senders 32 gleich sind, wenn die Ausgangsfrequenz in den VCO 28 gekoppelt wird, wird dieses als eine vergrößerte Rückkopplung von dem Oszillator betrachtet. Diese Änderungen der Phase der Rückkopplung verursachen, daß der VCO 28 die Ausgangsfrequenz verschiebt, um diesen Phasen-Offset zu beseitigen. Der Phasen-Offset verursacht eine ungewünschte Verschiebung („load pulling"-Lastzug bzw. Lastverschiebung) der Ausgangsfrequenz. Hier arbeitet der VCO bei der gleichen Frequenz oder einer in ganzzahliger Beziehung stehenden Frequenz des Ausgangs f₁, und das ungewünscht gekoppelte Signal ist phasenkohärent mit dem VCO, wodurch der VCO sehr empfindlich für das gekoppelte Signal wird.
Unsere Lösung dieses Problems besteht darin, daß der VCO-Ausgang F und das Ausgangssignal f₁ nicht durch irgendeine ganze Zahl in Beziehung stehen, so daß keine Phasenkohärenz existiert. In 2 bleiben der Phasenregelkreis-Oszillator 10 und seine Komponenten im wesentlichen gleich wie in 1 und weisen die selben Bezugszeichen auf. Die in 2 genutzten Werte sind verschieden, und wenn beispielsweise angenommen wird, daß die gewünschte Ausgangsfrequenz f₁ immer noch 1500 MHz ist, kann der Ausgang des VCO 28 nun auf 1000 MHz (eine nicht ganzzahlige Beziehung zu 1500 MHz) gesetzt werden. Der Wert von A in der „Teile durch A"-Schaltung 36 kann nun 200 sein, der Wert von R in der „Teile durch R"-Schaltung 14 kann nun 2 sein, und der Frequenzausgang des Kristalloszillators 12 kann nun 10 MHz sein. Für die Mathematik der Phasenregelkreis-Schaltung in 2 ergibt sich dann, daß die Ausgangsfrequenz F (1000 MHz) geteilt durch A (200) gleich 5 MHz ist und daß die Kristalloszillator-Frequenz f₂ (10 MHz) geteilt durch R (2) auch 5 MHz ist.
Zusätzlich zu der Phasenregelkreis-Schaltung umfaßt 2 eine „Teile durch N"-Schaltung 50, die verbunden ist, um eine etwas niedrigere VCO-Ausgangsfrequenz F zu empfangen und sie durch eine kleine ganze Zahl (beispielsweise 2) zu teilen, um ein noch niedrigeres Frequenzsignal auf einer Leitung 52 zu erzeugen. Das Signal auf Leitung 52 wird an eine „Multipliziere mit M"-Schaltung 54 gegeben, die das Signal mit einem kleinen ganzzahligen Wert M (beispielsweise 3) multipliziert, um die gewünschte Ausgangsfrequenz f₁ von 1500 MHz auf einer Leitung 56 zu erzeugen und an den Sender 32 zu liefern. Es ergibt sich, daß das Ausgangssignal des VCO 28 auf der Leitung 30 mit 3/2 multipliziert wird, so daß es gleich der gewünschten Ausgangsfrequenz f₁ auf der Leitung 56 ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die gewünschte Ausgangsfrequenz f₁ immer noch 1500 MHz, und dementsprechend muß F bei N (2) und M (3) 1000 MHz sein (1000 MHz dividiert durch N (2) mal M (3) = 1500 MHz). Nun wird festgestellt, daß die Ausgangsfrequenz f₁ ein nicht ganzzahliges Vielfaches der VCO-Frequenz F ist, so daß die Empfindlichkeit des VCO 28 für irgendein ungewünschtes Koppeln an das Ausgangssignal wesentlich vermindert ist. Während die ungewünschte Rückkopplung kein Frequenz-Offset verursacht, kann sie eine kleinere nicht konstante Variation bei der Schwebungsfrequenz verursachen. Dieses erzeugt ein kleines Seitenbandsignal auf dem VCO-Ausgang, was von dem Träger um die Schwebungsfrequenz getrennt ist und leicht mittels nachfolgender Filterung entfernt werden kann, insbesondere wenn N und M ausgewählt werden, um eine hohe Schwebungsfrequenz zu erzeugen.
Es ergibt sich, daß wir eine Quelle mit konstanter hoher Frequenz angegeben haben, die in der Lage ist, eine hohe Energie zu übertragen, wobei eine geringe Empfindlichkeit für Lastzug besteht, weil jegliches ungewünschtes Koppeln der Ausgangsfrequenz f₁ zurück auf den Eingang des VCO von dem VCO nicht als Rückkopplung gesehen wird, da es nicht die selbe Frequenz aufweist oder eine Harmonische oder Teilharmonische hiervon ist. Deshalb ändert sich die Rückkopplung des VCO's nicht hinsichtlich der Phase, und der VCO muß keine verirrte Phasenänderung korrigieren, so daß die Ausgangsfrequenz nicht verschoben wird. Viele Modifikationen ergeben sich für den Fachmann bezüglich der Vorrichtung, die zur Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform genutzt wurde. Beispielsweise muß die Quelle nicht zur Energieversorgung eines Senders genutzt werden, andere Lasten können angewendet werden. Der Kristalloszillator kann durch andere Formen fester Referenzoszillatoren mit niedriger Frequenz ersetzt werden, und die verschiedenen Werte, die für A, R, M, N und die gewünschte Frequenz genutzt wurden, können sich für unterschiedliche Anwendungen ändern. Tatsächlich können A, R, M und N programmierbar sein, so daß die Erfindung genutzt werden kann, wo es notwendig ist, eine feste aber programmierbare Frequenz zu erzeugen.

Claims

Vorrichtungmit einer Frequenzquelle, die zum Erzeugen eines Signals mit einer Quellenfrequenz (F) konfiguriert ist, und Frequenzeinstellmittel (50, 54), die an die Frequenzquelle betreibbar gekoppelt sind, wobei die Frequenzeinstellmittel konfiguriert sind zum Empfangen des Signals mit der Quellenfrequenz (F) und zum Erzeugen eines Ausgangssignals mit einer Frequenz (f1) als Funktion der Quellenfrequenz (F), so daß die Ausgangsfrequenz (f1) weder eine Harmonische noch eine Teilharmonische der Quellenfrequenz (F) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Frequenzeinstellmittel auf einen Sender gegeben wird, wobei die Frequenzquelle einen Phasenregelkreis (20–36) umfaßt, welcher das Signal mit der Quellenfrequenz (F) liefert, und wobei die Frequenzeinstellmittel der Verminderung des Lastzuges dienen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzeinstellmittel eine N-Dividierschaltung und eine M-Multiplizierschaltung umfassen, wobei N bzw. M ganze Zahlen sind.
Verfahren zum Erzeugen eines Signals mit einer gewünschten Ausgangsfrequenz (f1), das Verfahren die folgenden Schritte umfassend: Vorsehen einer Frequenzquelle, die zum Erzeugen eines Signals mit einer Quellenfrequenz (F) konfiguriert ist, Vorsehen von Frequenzeinstellmitteln (50, 54), die an die Frequenzquelle betreibbar gekoppelt sind, wobei die Frequenzeinstellmittel konfiguriert sind, um das Signal mit der Quellenfrequenz (F) zu empfangen und das Ausgangssignal mit der Ausgangsfrequenz (f1) als eine Funktion der Quellenfrequenz (F) zu erzeugen, so daß die Ausgangsfrequenz (f1) weder eine Harmonische noch eine Teilharmonische der Quellenfrequenz (F) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Frequenzeinstellmittel auf einen Sender gegeben wird, wobei die Frequenzquelle einen Phasenregelkreis (18–36) umfaßt, der das Signal mit der Quellenfrequenz (F) liefert, und wobei die Frequenzeinstellmittel zur Verminderung eines Lastzuges dienen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzeinstellmittel eine N-Dividierschaltung und eine M-Multiplizierschaltung umfassen, wobei N bzw. M ganze Zahlen sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch. gekennzeichnet, daß die N-Dividierschaltung und die M-Multiplizierschaltung arbeiten, um an den Sender ein Signal mit einer Ausgangsfrequenz (f1) zu liefern, welches gleich 3/2 der Quellenfrequenz (F) ist.