ES2770331T3 - Oscilador de microondas con tecnología de circuitos integrados - Google Patents
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Abstract
Oscilador de microondas con tecnología de circuitos integrados, comprendiendo el oscilador una salida (Sf) de microondas que proporciona una frecuencia Fout de oscilación función de una señal Vt de control, siendo obtenido el cambio de la frecuencia Fout del oscilador bajo el efecto de la variación de la tensión Vt de control aplicada a un varactor (10) del oscilador (VCO), caracterizado porque la frecuencia Fout de oscilación puede ser modulada alrededor de una frecuencia Fc central a través de dos entradas de control del oscilador, comprendiendo el oscilador una primera entrada Ec1 de control activada por una primera señal Vt1 de control que fija la frecuencia Fc central del oscilador y una segunda entrada Ec2 de control activada por una segunda señal Vt2 de control que permite la modulación lineal de esta frecuencia FC central, siendo la señal Vt de control del oscilador una función de las dos señales Vt1 y Vt2 de control, siendo la señal Vt de control aplicada al varactor del oscilador resultante de la suma: **(Ver fórmula)** siendo k un parámetro comprendido entre 0 y 1 seleccionado en función de la aplicación, siendo k una función de la segunda señal Vt2, expresada por k(Vt2), siendo la señal Vt de control por tanto: con F(Vt2) = k(Vt2).Vt2 generando la función F, a partir de la segunda tensión Vt2 de control, la tensión F(Vt2) = k(Vt2).Vt2
Description
DESCRIPCIÓN
Oscilador de microondas con tecnología de circuitos integrados
La invención se refiere a un oscilador de microondas con tecnología de circuitos integrados y en particular a los MMIC es decir en lengua inglesa “Monolithic Microwave Inegrated Circuit" que funcionan en las gamas de frecuencias comprendidas entre 1 GHz y 100 GHz.
Estos osciladores integrados de microondas son utilizados para numerosas aplicaciones en telecomunicaciones, en radar y en particular en el campo de los radares para automóvil. En las aplicaciones para automóvil un radar envía una onda de microondas que se encuentre reflejada por uno o más objetivos cuyas distancias y velocidades puedan ser deducidas de los retardos y variaciones de fase medidos en la señal reflejada.
La sensibilidad es un rendimiento fundamental para los radares, en particular para las aplicaciones automóviles. Esta sensibilidad es definida como la capacidad de detectar los objetivos distantes (una superficie equivalente de radar baja) así como la capacidad de discriminar los objetivos próximos entre ellos.
Para ello hace falta que el espectro de la señal de retorno del radar sea lo más restringido posible alrededor de su frecuencia de emisión, o expresado de otra manera, la anchura de banda de la señal a -3dB debe ser lo más baja posible.
Por ejemplo, la figura 1 representa el espectro de una señal recibida de banda de base (demodulada) por un radar del estado de la técnica sin ningún dispositivo de servocontrol o de precorrección de su frecuencia de emisión. En ordenadas el nivel relativo en dB de la señal recibida y en abscisas la frecuencia F en kHz. La anchura de banda es importante del orden de 80 kHz a -3dB con respecto al máximo de potencia de la señal recibida. Dicha anchura de banda es incompatible con la sensibilidad necesaria para una discriminación de objetivos.
Existe una relación directa entre la linealidad del oscilador generador de frecuencia del radar y la sensibilidad del mismo.
La figura 2a muestra un esquema simplificado de un oscilador controlado por tensión designado también según el acrónimo VCO, en lengua inglesa “voltaje controled osállato?’. El VCO comprende una salida Sf de oscilación de microondas de frecuencia Fout y una entrada Ec de control de la frecuencia del VCO.
El cambio de la frecuencia Fout del VCO se obtiene por la evolución de la capacidad de un varactor 10 integrado en el VCO. La variación de la tensión Vt1 de control aplicada al varactor, por la entrada Ec de control del VCO, resulta en una modificación de la capacidad del varactor y por tanto de la frecuencia de resonancia del VCO.
La figura 2b muestra un esquema equivalente del varactor 10 del circuito de oscilación del VCO de la figura 2a. El esquema es equivalente al de una capacidad variable en función de una tensión Vt1 de control aplicada a sus bornes.
La figura 2c ilustra la variación de la frecuencia (Fout) del VCO en función de la tensión Vt1 de control aplicada al varactor 10 de la figura 2a. Esta variaciones no lineal, lo que presenta el inconveniente de reducir la sensibilidad del radar.
El oscilador de un radar automóvil está controlado en frecuencia por una entrada de control que asegura un cambio de la frecuencia de emisión del oscilador pero también para efectuar una modulación de la frecuencia de emisión alrededor de una frecuencia Fc central.
Para concebir un radar de sensibilidad fuerte, hace falta una muy buena linealidad de la variación de la frecuencia de emisión durante la modulación de la misma por el control por tensión del VCO.
Los osciladores de microondas del estado de la técnica de tecnología de circuitos integrados no son suficientemente lineales para obtener buenos rendimientos en las aplicaciones de radares automóviles. Para mejorar esta linealidad se utilizan dispositivos externos al circuito integrado, tales como un bucle de servocontrol en la frecuencia del oscilador o bien una predistorsión de la señal Vt1 de control del VCO. Estas soluciones existentes para mejorar la linealidad del oscilador comprenden los defectos:
- un coste del sistema de compensación suplementario,
- un nivel de integración de la parte de generación de frecuencia,
- una complejidad mayor de la arquitectura del radar,
- una pureza espectral deficiente del radar con respecto a las regulaciones de las emisiones de radiación, - una banda pasante de modulación de la fuente limitada por los dispositivos alternativos de mejora de la linealidad,
- una distorsión de la señal recibida por el radar debido a la discretización de los dispositivos alternativos de mejora de la linealidad.
El documento US2002/0089387 A1 describe un oscilador controlado por tensión para la modulación de frecuencia.
Con el fin de paliar los inconvenientes de los osciladores de microondas integrados de la técnica anterior, la invención propone un oscilador de microondas con tecnología de circuitos integrados, comprendiendo el oscilador una salida de microondas que proporciona una frecuencia Fout de oscilación función de una señal Vt de control, caracterizado porque la frecuencia Fout de oscilación puede ser modulada alrededor de una frecuencia Fc central a través de dos entradas de control del oscilador, una primera entrada Ec1 de control activada por una primera señal Vt1 de control que fija la frecuencia Fc central del oscilador y una segunda entrada Ec2 de control activada por una segunda señal Vt2 de control que permite la modulación lineal de esta frecuencia Fc central, siendo la señal Vt de control del oscilador una función de las dos señales Vt1 y Vt2 de control, la señal Vt de control aplicada al varactor del oscilador resultante de la suma:
siendo k un parámetro arbitrario comprendido entre 0 y 1 seleccionado en función de la aplicación, siendo k una función de la segunda señal Vt2, expresada por k(Vt2), siendo la señal Vt de control por tanto:
con F(Vt2) = k(Vt2).Vt2
generando la función F, a partir de la segunda tensión Vt2 de control, la tensión F(Vt2) = k(Vt2).Vt2
Un objetivo principal de la invención es mejorar la linealidad del oscilador controlado por tensión.
Otros objetivos son una simplificación de la realización del oscilador así como una bajada de los costes de fabricación.
La solución propuesta por la invención está basada en la adición de un sistema integrado analógico no lineal en el MMIC. Esta solución aumenta la linealidad de la variación de frecuencia enfunción de una tensión de control destinada a modular la emisión, y por tanto mejora la sensibilidad del radar. Un oscilador controlado por tensión es lineal cuando su frecuencia de salida es proporcional a su tensión de control. Además, el oscilador así realizado conserva otra tensión de control estándar que permite fijar la frecuencia central de funcionamiento.
La invención se comprenderá mejor con la ayuda de los ejemplos de realización de osciladores de microondas con tecnología de MMIC en referencia las figuras adjuntas en las cuales:
- la figura 1, ya descrita, representa el espectro de una señal recibida por un radar del estado de la técnica;
- la figura 2a, ya descrita, muestra un esquema simplificado de un oscilador controlado por tensión;
- la figura 2b, ya descrita, muestra un esquema equivalente del varactor del circuito de oscilación del VCO de la figura 2a;
- la figura 2c, ya descrita, ilustra la variación de la frecuencia del VCO en función de la tensión Vt1 de control aplicada al varactor de la figura 2a;
- la figura 3a muestra una primera realización de un VCO según la invención;
- la figura 3b muestra un punto divisor de tensión para la obtención del parámetro k;
- la figura 3c muestra la tensión Vt aplicada a los bornes de la capacidad del varactor del VCO de la figura 3a;
- la figura 3d muestra la variación de la frecuencia de oscilación del VCO en función de la tensión Vt1 para una tensión Vt2 constante;
- la figura 3e muestra la variación de frecuencia Fout de oscilación en la salida del VCO en función de la segunda tensión Vt2 de control para una tensión Vt1 constante;
- la figura 4a muestra otra realización del VCO según la invención;
- la figura 4b muestra la tensión Vt aplicada a los bornes de la capacidad del varactor del VCO de la figura 4a;
- la figura 4c muestra la variación de frecuencia del VCO de la figura 4a en función de la segunda tensión VT2 , tensión aplicada al varactor con Vt1 constante;
- la figura 5a muestra la tensión F(Vt2) = k(Vt2).Vt2 obtenida a partir de la segunda tensión Vt2 de control en la salida de la función F;
- la figura 5b muestra la tensión aplicada a uno de los bornes de la capacidad del varactor, es decir k(Vt2).Vt2 en función de la segunda tensión Vt2 de control;
- la figura 5c muestra una realización práctica de la función F y
- la figura 6 muestra el espectro de la señal recibida por un radar que comprende un VCO según la invención. La figura 3a muestra una realización de un VCO que comprende, como en el VCO de la figura 2a, la salida Sf de oscilación de microondas de frecuencia Fout y una entrada Ec1 de control de la frecuencia del VCO y según una característica principal de la invención, una segunda entrada Ec2 para la aplicación al VCO de una segunda señal Vt2 de control.
El cambio de la frecuencia Fout del VCO es obtenido bajo el efecto de la variación de la tensión Vt de control aplicada al varactor (10) del VCO.
Según otra característica de esta invención, la señal Vt de control aplicada al varactor del VCO resulta de la suma:
En esta primera realización k es un parámetro comprendido entre 0 y 1, seleccionado en función de la aplicación. El valor de k puede, por ejemplo, ser obtenido por un simple punto divisor de tensión. La figura 3b muestra dicho punto divisor de tensión para la obtención del parámetro k que comprende dos resistencias R1 y R2 en serie, la tensión k.Vt2 es obtenida en el punto de conexión de las dos resistencias R1, R2 en serie.
La figura 3c muestra la tensión Vt aplicada a los bornes de la capacidad del varactor del VCO de la figura 3a, la tensión Vt1 en uno de los bornes y la tensión k.Vt2 en el otro borne de de la capacidad del varactor.
La figura 3d muestra la variación de la frecuencia Fout de oscilación del VCO en función de la tensión Vt1 para una tensión Vt2 constante. Se constata que está variación es similar a la del VCO del estado de la técnica de la figura 2a. Por tanto esta configuración de dos tensiones Vt1 y Vt2 de control no perturba el funcionamiento descrito para el VCO del estado de la técnica de la figura 2a. Esto permite además conservar un gran intervalo de funcionamiento de frecuencia.
La figura 3e muestra una variación de la frecuencia Fout de oscilación en la salida del VCO en función de la segunda tensión VT2 de control para la primera tensión Vt1 de control constante.
Se señala en la figura 3e que la característica dependiente está invertida, y cuanto menos esta el factor k delante de 1, más lineal es la variación de frecuencia en función de Vt2. Se realiza de dicho una variación de la frecuencia Fout más o menos importante según el valor de k alrededor de Fout (Vt1=cte) en función de Vt2. La pendiente de la curva de la línea 3e varía de hecho menos en lo que se refiera su valor medio cuanto más pequeño sea el intervalo de variación considerado.
Este dispositivo proporciona un gran intervalo de funcionamiento para el radar en función de Vt1, y un modo de funcionamiento en función de Vt2 más apropiado para la modulación de frecuencia del radar.
La figura 4a muestra una realización del VCO según la invención.
En esta realización del VCO, k es una función de la segunda tensión Vt2, referida como k(Vt2), estando comprendido el valor de esta función entre 0 y 1. La tensión Vt de control resultante aplicada al varactor del VCO será expresada por:
expresada de otra forma:
con F(Vt2) = k(Vt2).Vt2
En esta otra realización la función F genera, a partir de la segunda tensión Vt2 de control, la tensión F(Vt2) = k(Vt2).Vt2.
La figura 4b muestra la tensión Vt aplicada a los bornes de la capacidad del varactor del VCO de la figura 4a, la tensión Vt1 en uno de los bornes y la tensión k(Vt2).Vt2 en el otro borne de la capacidad del varactor.
La totalidad de la invención es utilizada en esta realización de la figura 4a con una adición de la segunda tensión Vt2 de control a través de la función F. La función k depende en esta otra realización de la tensión Vt2.
La función F que proporciona la tensión F(Vt2) = k(Vt2).Vt2 al varactor es una función no lineal que permite compensar de manera analógica la variación de la pendiente de la frecuencia Fout en función de la segunda tensión Vt2 con la primera tensión Vt1 constante.
La figura 4c muestra la variación de frecuencia Fout del VCO de la figura 4a en función de la segunda tensión Vt2 aplicada al varactor con una Vt1 constante.
Se obtiene por tanto como se ilustra en la figura 4c una pendiente casi constante de Fout en función de Vt2 y Vt1 constante.
Este oscilador controlado por tensión, según la invención, proporciona siempre un gran intervalo de funcionamiento para el radar en función de Vt1, y un modo de funcionamiento fen unción de Vt2 incluso más apropiado a la modulación de la frecuencia del radar, ya que tiene una linealidad aumentada de F(Vt2) a Vt1 constante. Lo cual mejora directamente la sensibilidad del radar sin añadir una compensación externa al VCO.
La figura 5a muestra la tensión obtenida F(Vt2) = k(Vt2).Vt2 a partir de la segunda tensión Vt2 de control en la salida de la función F y la figura 5b la curva de tensión aplicada uno de los bornes de la capacidad del varactor, es decir k(Vt2).Vt2 en función de la segunda tensión Vt2 de control.
La función F es típicamente no lineal.
En una gama de tensión Vt2 dada y finita, la tensión F(Vt2) puede ser descrita por la serie:
con
n € {1;+oc}
a¡ e {-x;+oc}
i e |1;n>
siendo n e i números enteros positivos, ai es un número real.
La figura 5c muestra una realización práctica de la función F a partir de elementos lineales como resistencias, y de elementos no lineales como diodos.
En este ejemplo, la función F es realizado por un cuadripolo que comprende:
- una entrada Ef1 y una salida Sf1 conectadas por una resistencia R0. La salida Sf1 está conectada a un potencial de referencia, por ejemplo una masa M, por p redes (0, 1, 2, ..i,...p) en paralelo, cada una de las redes que comprende una resistencia R1, R2, R3,...Ri,....Rp en serie con un número j de diodos D, estando j comprendido entre 0 y q.
Por ejemplo, en esta realización, la red de rango i=1 comprende una resistencia R1 en serie con un diodo D, la red de rango i=2 comprende una resistencia R2 en serie con dos diodos D, la red de rango i comprende una resistencia Ri con i diodos y así sucesivamente.
Por supuesto, el número de diodos D en una red puede ser diferente del rango de la red. Por ejemplo la red de rango i puede comprender una resistencia Ri con j diodos D.
Por supuesto en teoría el número de red no está limitado y se puede expresar que:
p 1;+ « \
q e^i+Ki'
R¡ e 1! 0¡+«¡'
i £10; p f-
j <H0;q¡-
siendo p, q, i, j números enteros positivos. Ri es un número real positivo.
Sin embargo la función puede también ser realizada a partir de cualquier elemento que tenga un comportamiento no lineal de su corriente en función de la tensión que les aplicada (por ejemplo transistores,...).
La figura 6 muestra el espectro de la señal recibida de banda de base (demodulada) por un radar que comprende un VCO según la invención a comparar al espectro de la señal de la figura 1 de un radar que no comprende tal VCO. La anchura de banda a -3dB de la potencia máxima de la señal recibida por el radar que comprende el VCO según la invención es de 10 kHz a comparar con la del radar del estado de la técnica que presenta una anchura mucho mayor del orden de 80 kHz.
Claims (4)
1. Oscilador de microondas con tecnología de circuitos integrados, comprendiendo el oscilador una salida (Sf) de microondas que proporciona una frecuencia Fout de oscilación función de una señal Vt de control, siendo obtenido el cambio de la frecuencia Fout del oscilador bajo el efecto de la variación de la tensión Vt de control aplicada a un varactor (10) del oscilador (VCO),
caracterizado porque la frecuencia Fout de oscilación puede ser modulada alrededor de una frecuencia Fc central a través de dos entradas de control del oscilador, comprendiendo el oscilador una primera entrada Ec1 de control activada por una primera señal Vt1 de control que fija la frecuencia Fc central del oscilador y una segunda entrada Ec2 de control activada por una segunda señal Vt2 de control que permite la modulación lineal de esta frecuencia FC central, siendo la señal Vt de control del oscilador una función de las dos señales Vt1 y Vt2 de control, siendo la señal Vt de control aplicada al varactor del oscilador resultante de la suma:
siendo k un parámetro comprendido entre 0 y 1 seleccionado en función de la aplicación,
siendo k una función de la segunda señal Vt2, expresada por k(Vt2), siendo la señal Vt de control por tanto:
con F(Vt2) = k(Vt2).Vt2
generando la función F, a partir de la segunda tensión Vt2 de control, la tensión F(Vt2) = k(Vt2).Vt2
2. Oscilador según la reivindicación 1, caracterizado porque la función F es realizada a partir de elementos lineales como resistencias (R0, R1, R2,...Rp), y elementos no lineales como diodos (D) o transistores.
3. Oscilador según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en una gama de tensiones Vt2 de control dada y finita, la tensión F(Vt2) puede ser descrita por la serie:
con
n € {1;+oc}
a¡ e {-x;+oc}
i e {1;n}
siendo n e i números enteros positivos, ai es un número real.
4. Oscilador según la reivindicación 3, caracterizado porque la función F es realizada por un cuadripolo que comprende:
- una entrada Ef1 y una salida Sf1 conectadas por una resistencia R0, estando la salida Sf1 conectada a un potencial de referencia, por ejemplo una masa M, por p redes (0, 1, 2, ..i,...p) en paralelo, comprendiendo cada una de las redes una resistencia R1, R2, R3,...Ri,....Rp en serie con un número j de diodos D, estando j comprendido entre 0 y q, con
p e ( i ;+=>=!'
q g { Q;+k \
R¡ g "i Q;+=>= \
i e-í O; p¡'
j e"!0; qí'
siendo p, q, i, j números enteros positivos. Ri es un número real positivo.
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