DE3424786A1 - Mehrfrequenz-mikrowellensignalquelle - Google Patents

Mehrfrequenz-mikrowellensignalquelle

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DE3424786A1
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Description

DORNER & HUFNAGEL PATBNTANWÄLTE
LANOWEHRSIR. 97 SOOO MÖNCHEN S
München, 4. Juli 1984/M Anwaltsaktenz.- 27 - Pat. 356
RAYTHEON COMPANY 141 Spring Street, Lexington MA 02173-Vereinigte Staaten von Amerika
Mehrfrequenz- Mikrowellensignalquell«
Die Erfindung betrifft eine Mikrowellensignalquelle. Sie bezieht sich insbesondere auf eine in ihrer Frequenz veränderliche Mikrowellensignalquelle, die sich mit einer ausgewählten Harmonischen einer Referenzsignalquelle phasenstarr verriegeln läßt.
Mikrowellensignalquellen werden bekanntlich für die Sender- und die Empfängerstufe von Radarsystemen verwendet, in vielen Anwendungsfällen ist es höchst wünschenswert oder sogar notwendig, daß diese Quellen frequenzbeweglich sind, das bedeutet, daß ihre Frequenz sich während des Betriebs verändern läßt. Eine bekannte Möglichkeit zur Erzielung dieser Frequenzbeweglichkeit beruht darauf, daß ein in dem gewünschten Mikrowellenband arbeitender spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) mit einer aus einer Mehrzahl von Harmonischen einer mit vergleichsweise niedriger Frequenz betriebenen Referenzsignalquelle ausgewählten Harmonischen phasenstarr verriegelt wird. Um eine Frequenzbeweglichkeit zu erzielen, müssen offensichtlich wenigstens zwei Harmonische - in der Praxis sind es weit mehr - der Referenzsignalquelle in dem gewünschten Mikrowellenband liegen, und es muß eine Einrichtung vorgesehen sein, mit der zu einer gegebenen Zeit die geeignete Harmonische ausgewählt werden kann.
— 1 —
Eine bekannte Lösung beruht auf der Verwendung eines quarzgesteuerten Oszillators, der beispielsweise in dem Bereich von 40 MHz arbeitet, wobei geeignete Frequenzvervielfache vorgesehen sind, die Harmonische in dem gewünschten Mikrowellenbereich von beispielsweise 5 GHz erzeugen. Der spannungsgesteuerte Oszillator wird sodann mit einem ausgewählten Exemplar dieser Harmonischen phasenverriegelt, wobei dieser ausgewählte Harmonische zur Erzielung der angestrebten Frequenzbeweglichkeit in der erforderlichen Weise verändert werden kann. Die Schaltung zur Steuerung der Auswahl einem bestimmten Harmonischen ist jedoch vergleichsweise kompliziert, wodurch die Genauigkeit begrenzt ist und der praktischen Anwendung Schwierigkeiten in den Weg gelegt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine frequenzbewegliche Mikrowellenquelle der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der ein in einem Mikrowellenband arbeitender · spannungsgesteuerter Oszillator auf irgendeine von mehreren Harmonischen eine Referenzsignalquelle phasenverriegelbar ist, ohne daß die Notwendigkeit besteht, eine bestimmte Harmonische des Referenzsignals vorzuwählen. Dabei sollen die Anforderungen an die Genauigkeit, mit der der spannungsgesteuerte Oszillator gesteuert werden muß, relativ unkritisch sein.
Diese Aufgabe wird durch eine Mikrowellensignalquelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß wird also der in einem Mikrowellenband arbeitende spannungsgesteuerte Oszillator über einen Phasendetektor auf einen Referenzoszillator phasenverriegelt, der mit einer unterhalb der Frequenzen des Mikrowellenbandes liegenden Grundfrequenz arbeitet, während ein zweiter Phasendetektor der Steuerschaltung des Phasenregelkx^eises ein Signal zuführt, das die Phasenverriegelung anzeigt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird.
Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbildeiner frequenzbeweglichen Mikrowellensignalquelle gemäß der Erfindung,
Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild der logischen Steuerschaltung von Figur 1,
Fig. 3 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild der Phasendetektoren von Figur 1.
Es sei vorab erwähnt, daß die in den Zeichnungen dargestellte Mikrowellensignalquelle nur die zum Verständnis der Erfindung unbedingt erforderlichen Elemente enthält, um die Darstellung und die Beschreibung so einfach wie möglich zu halten. So sind beispielsweise keine Isolatoren dargestellt, obwohl tatsächliche Mikrowellensignalquellen solche Komponenten enthalten.
Die in Figur 1 dargestellte frequenzbewegliche Mikrowellensignalquelle ist in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Sie umfaßt einen beispielsweise im C-Band arbeitenden spannungsgesteuerten Mikrowellenoszillator VCO 11. Dessen Ausgangssignal wird über Richtungskoppler 13 und 15 einem Leistungsteiler 17 bzw. einem Filter 19 zugeführt. Das Filter 19 ist ein Schmalbandfilter, das auf die niedrigste gewünschte Ausgangsfrequenz des VCO 11 abgestimmt ist. Das Ausgangssignal des Filters 19 wird in einem Detektor 21 gleichgerichtet und bildet ein erstes Eingangssignal für eine logische Steuerschaltung 23, die weiter unten im einzelnen beschrieben wird.
Der Leistungsteiler 17 bewirkt, daß das im C-Band liegende Ausgangssignal des Richtungskoppler^ 13 zu einem Phasendetektor 251 und über einen 90"-Phasenschieber zu einem Phasendetektor 25Q gelangt. Die Phasendetektoren 251 und 25Q werden weiter unten in Verbindung mit Figur 3 erläutert. Hier möge es zunächst genügen, darauf hinzuweisen, daß die Phasendetektoren 251 und 25Q bewirken, daß die von einem Referenzoszillator 27 abgegebene Referenzfrequenz Subharmonische der Betriebsfrequenz des, spannungsgesteuerten Oszillators 11 bilden. Die Referenzsignale für die Phasendetektoren 251 und 25Q werden dem Referenzoszillator 27, (der im vorliegenden Fall ein mit 40 MHz arbeitender quarzgesteuerter Oszillator ist), über einen Leistungsteiler 29 zugeführt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 251 wird über einen Schalter 33 und einen Verstärker 35 zur Impulsformung dem spannungsgesteuerten Oszillator VCO 11 als Steuersignal zugeführt. Der Richtungskoppler 13, der Leistungsteiler 17, der Phasendetektor 251, der Schalter 33 und der Verstärker 35 stellen zusammen eine PLL-Schaltung. d. h. einen Phasenregelkreis, dar, der die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 11 mit einer Harmonischen des 40'MHz-Referenzoszillators 27 phasenstarr verriegelt. Wenn die PLL-Schaltung verriegelt ist, befindet sich das Ausgangssignal des Phasendetektors 251 bei einem oder in der Nähe eines Nulldurchgangs. Umgekehrt hat das Ausgangssignal des Phasendetektors 25Q, (das ebenfals ein Eingangssignal für die logische Steuerschaltung 23 darstellt), hier ein Maximum.
Im folgenden sei anhand von Figur 1 und 2 die Funktion der frequenzbeweglichen Mikrowellensignalquelle 10 erläutert: Der logischen Steuerschaltung 23 wird von außen ein Frequenzauswahl-Signal sowie ein Auswertesignal zugeführt. Ersteres ist für die gewünschte Betriebsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO 11 kennzeichnend, während letzteres den genannten Oszillator auf die gewünschte Frequenz abstimmt. Das Frequenzauswahl-Signal, das ein Digitalwort sein kann, wird
einem Komparator 37 zugeführt., während das Auswertesignal einerseits einem Sägezahnspannungsgenerator zugeführt wird und andererseits das Auslösesignal für einen Zähler 41 bildet. Beim Auftreten eines Auswertesignals erzeugt der Sägezahnspannungsgenerator 39 eine Grobabstimmungsspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator VCO 11, durch die dessen Frequenz unter die untere Frequenzgrenze des Mikrowellen-Betriebsfrequenzbandes geführt wird. Die Grobabstimmungsspannung des Sägezahnspannungsgenerators-39 bewirkt sodann, daß die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO 11 "hochfährt" bis ein Ausgangssignal des Detektors 21 an die logische Steuerschaltung 23 abgegeben wird, das anzeigt, daß der spannungsgesteuerte Oszillator VCO 11 auf die unterste Grenzfrequenz des Mikrowellen-Betriebsfrequenzbandes abgestimmt ist. In der logischen Steuerschaltung 23 dient das Ausgangssignal des Detektors 21 als Rücksetzsignal für den Zähler 41. Dem zweiten Eingang des Zählers 41 wird über das Tiefpaßfilter 24 das Ausgangssignal des Phasendetektors 25Q zugeführt. Das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 24 durchläuft aufeinanderfolgend Ausgangsspannunqsmaxima, wenn die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO 11 über die verschiedenen Harmonischen des 40 MHz-Referenzsignals hinweg abgestimmt wird. Jedes dieser Spannungsmaxima inkrementiert den Zähler 41, so daß dann, wenn sein Zählstand dem in den Komparator 27 eingegebenen Frequenzauswahl-Wort entspricht, ein Ausgangssignal mit dem logischen Pegel 1 von dem Komparatur 37 an den Sägezahnspannungsgenerator 39 abgegeben wird, durch das der Oszillatordurchlauf beendet wird. Das Ausgangssignal mit dem logischen Pegelwert 1, das der Komparator 37 erzeugt, wird ferner dem Schalter 33 als Steuersignal zugeführt. Es bewirkt, daß dieser Schalter 33 geschlossen wird und seinerseits die Phasenverriegelungsschleife (PLL-Schaltung) schließt, so daß sie auf der gewünschten Harmonischen des 4 0 MHz-Referenzsignals verrriegelt wird. Das Erreichen der Phasenverriegelung wird dadurch angezeigt, daß der Phasendetektor 25Q ein reines Gleichspannungs-Ausgangssignal abgibt.
Zwischen dem Auftreten eines Ausgangssignals des Detektors 21 und dem ersten Spannungsmaximum am Ausgang des Tiefpaßfilters 24 besteht eine hinx'eichend große Zeitverzögerung, die es dem Zähler 41 ermöglicht, dieses erste Spannungsmaximum zu ermitteln und den DurchStimmvorgang zu beenden, falls dieser erste Zählstand dem in dem Komparatur 37 gespeicherten Frequenzauswahl-Wort entspricht. Die für die vorangehend beschriebene Frequenzsuche erforderliche Zeit hängt von der Zählgeschwindigkeit des Zählers-41 und der Zeitkonstanten des Phasenregelkreises (PLL-Schaltung) ab. Ein Zählintervall von weniger als einer Mikrosekunde und eine Schleifenbandbreite von mehr als einem Megaherz haben sich bewährt, so daß die Suchgeschwindigkeit in der Größenordnung von 1 ms/MHz erzielt wird.
Die Genauigkeit der frequenzbeweglichen Mikrowellensignalquelle 10 wird primär durch die Eigenschaften des Filters 19 bestimmt. Für einen einwandfreien Betrieb der frequenzbeweglichen Quelle 10 muß der Abfall bei niedrigen Frequenzen scharf ausgeprägt und auf einen Bruchteil der 40 MHz-Referenzfrequenz frequenzstabil sein. Darüber hinaus besteht zur Gewährleistung der Genauigkeit der Quelle lediglich das Erfordernis, daß der Abfall der Grobfrequenzabstimmspannung, die dem spannungsgesteuerten Oszillator VCO 11 zugeführt wird, hinreichend niedrig ist, um die entsprechenden Gatter in der logischen Steuerschaltung 23 zu betätigen, bevor die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators VCO 11 in den Fangbereich der nächsthöheren Harmonischen des 40 MHz-Referenzsignals ansteigt.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Phasendetektoren, hier des Phasendetektors 251. Es ist daher ein Impulsgenerator 51 vorgesehen, dessen Eingangssignal das 40 MHz-Referenzsignal bildet, das über den Leistungsteiler 29 zugeführt wird. In dem Impulsgenerator 51 befindet sich eine (nicht dargestellte) "Schritterfassungs"-Diode, die von dem 40 MHz-Referenzsignal getriggert wird und zur Erzeugung von Abtastimpulsen dient.
Diese Abtastimpulse des Impulsgenerators 51 werden in einem Dämpfungsglied 53 gedämpft, bevor sie einem Balun-Transformator 55 zugeführt werden.
Die Phasendetektoren 251 und 25Q sind mit Abtastung arbeitende Detektoren. Bekanntlich muß nach den Grundsätzen der Abtasttheorie die Abtastrate gleich oder größer sein als der doppelte Wert der höchsten Frequenz in dem Spektrum des abzutastenden Signals. In diesem Fall bildet die höchste Frequenz die obere Grenze der Rauschbandbreite der Regelschleife. Um einwandfreien Betrieb als Phasendetektor zu gewährleisten, ist es außerdem erforderlich, daß die Impulsbreite der Abtastimpulse gleich oder kleiner ist als die halbe Periode der höchsten abzutastenden Frequenz, so daß eine Abtastung des Signals auf beiden Seiten eines Nulldurchgangspunktes stattfindet. Das letztgenannte Erfordernis bedeutet, daß - falls die höchste Frequenz des Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators VCO 11 (Figur 1) ein Signal des C-Bandes von beispielsweise 5 GHz ist die Impulsbreite der Abtastsignale gleich oder kleiner als 100 Pikosekunden sein muß. Da die durchschnittliche Impulsbreite der von dem Impulsgenerator 51 erzeugten Impulse in der Größenordnung von 200 bis 250 Pikosekunden liegt, (was primär auf die Reaktionszeit der Schritterfassungsdioden zurückzuführen ist), ist ein Impulsformernetzwerk erforderlich, um die gewünschten 100 Pikosekunden-Impulse zu erzeugen.
Der Balun-Transformator 55 bewirkt, daß den beiden Zweigen eines symmetrischen Impulsformernetzwerks Signale gleicher Amplitude, jedoch entgegengesetzter Polarität zugeführt werden. Diese Impulse wandern über Gleichspannungs-Trennkondensatoren 57A und 57B, ubertragungsleitungsabschnitte 59A und 59B und Kondensatoren 51A und 51B zu einem Punkt B und werden von dort reflektiert. Bei der Reflektion an einem virtuellen Kurzschluß im Punkt B erfahren die Impulse eine 180°-Phasenumkehr. Die elektrische Länge der Ubertragungsleitungsabschnitte 59A und 59B ist so bemessen, daß eine Verzögerung von 50 Pikosekunden
entsteht. Wenn die vordere Flanke der reflektierten Impulse wieder an den Punkten A und A1 erscheint, löscht der reflektierte Anteil des Impulses den ankommenden Impuls von 200 bis 250 Pikosekunden aus, so daß an den Punkten A und A1 letztlich ein Impuls mit einer Dauer von 100 Pikosekunden erzeugt wird. Diese 100-Pikosekunden-Impulse bewirken das Durchlässigwerden von Schottky-Dioden 63A und 63B, die normalerweise durch herkömmliche Vorspannungs-Steuerschaltungen in Sperrichtung vorgespannt sind. Diese Schaltungen beinhalten Spannungsteile und Hochfrequenzdrosseln. Wenn die Schottky-Dioden 63A und 63B durchlässig sind,- laden 100-Pikosekunden-Signalproben des im C-Band liegenden Signals einen Kondensator 65 auf. Die Ladespannung dieses Kondensators 65 wird dem spannungsgesteuerten Oszillator VCO 11 (Figur 1) als Steuerspannung zugeführt. Der beschriebene Abtastvorgang bewirkt, daß das von dem Leistungsteiler 17 (Figur 1) kommende im Spektrum des C-Bandes liegende Eingangssignal in Intervallen weitergegeben wird, die der Abtastfrequenz entsprechen. Wenn die Frequenz des im C-Band liegenden Ausgangssignals des spannungsgesteuerten Oszillators VCO 11 sich einer Harmonischen des Referenzsignals nähert, erzeugt der Phasendetektor 251 zunächst ein Wechselspannungsausgangssignal mit der Differenzfrequenz. Sobald das im C-Band liegende Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators gleich einer Harmonischen des Referenzsignals ist, liefert der Phasendetektor ein Gleichspannungs-Ausgangssignal, das dem Cosinus der Phasendifferenz zwischen dem C-Band-Signal und einer entsprechenden Harmonischen des Referenzsignals proportional ist.
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Claims (4)

  1. Patentansprüche '
    Frequenzbewegliche Mikrowellensignalquelle
    - mit einem spannungsgesteuerten Oszillator (11) zur Erzeugung eines an beliebiger Stelle innerhalb eines vorbestimmten Mikrowellenfrequenzbandes liegenden Mikrowellensignals in Abhängigkeit von entsprechenden Steuersignalen,
    - mit einem quarzge.steuerten Oszillator (27), der mit einer Frequenz schwingt, die unterhalb des genannten Mikrowellenfrequenzbandes liegt, wobei innerhalb des vorbestimmten Mikrowellenfx'equenzbandes liegende äquidistante Harmonische erzeugt werden, \
    gekennzeichnet durch
    - eine erste Einrichtung (39) zur Erzeugung eines ersten Steuersignals, durch das die Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (11), von einer vorbestimmten Seite des genannten Mikrowellenfrequenzbandes aus beginnend, durchgestimmt wird, · ;
    - eine zweite (251) und eine dritte Einrichtung (25Q), d .enen i die Ausgangssignale des spannungsgesteuerten Oszillators (H)' und des quarzgesteuerten Oszillators (27) zuführbar sind und die zur Erzeugung eines zweiten Steuersignals bzw. eines Kennzeichnungssignals dienen, wobei das zweite Steuersignal für die Phasendifferenz zwischen der Ausgangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators (11) und der nächstliegenden Harmonischen des quarzgesteuerten Oszillators (27) innerhalb des vorbestimmten Mikrowellenfrequenzbandes kennzeichnend ist und zu Null wird, wenn diese Phasendifferenz zu Null wird,< und wobei das Kennzeichnungssignal jedesmal erzeugt wird, wenn das zweite Steuersignal durch Null geht, sowie eine vierte Einrichtung (41, 37), die durch das Anzeigesignal und ein Kommandosignal beeinflußbar ist, das für' Anzahl der Harmonischen kennzeichnend ist, die zwischen einer gewünschten Harmonischen und der der vorbestimmten
    " ' 342478$
    Seite des Mikrowellenfrequenzbandes nächstliegenden Harmonischen liegen, wobei diese vierte Einrichtung ein drittes Steuersignal erzeugt, wenn die Anzahl der Anzeigesignale mit der von dem Kommandosignal verkörperten Anzahl von Harmonischen übereinstimmt und wobei dieses dritte Steuersignal die weitere Funktion deters ten Einrichtung (39) verhindert und bewirkt, daß das zweite Steuersignal (von 251 über 23) mit dem spannungsgesteuerten Oszillator (11) verbunden wird und der spannungsgesteuerte Oszillator (11) mit der gewünschten Harmonischen phasenstarr verriegelt wird.
  2. 2. Mikrowellensignalquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (251) folgende Teile umfaßt:
    a) Durch das Ausgangssignal des quarzgesteuerten Oszillators (27) steuerbare Mittel (51, 53, 55), die bei jedem in positiver Richtung verlaufenden Nulldurchgang dieses Ausgangssignals gleichzeitig ein positives und ein negatives Abtastsignal erzeugen, deren Dauer gleich oder kleiner ist als die halbe Periodendauer der höchsten Frequenz des Mikrowellensignals des spannungsgesteuerten Oszillators (27),
    b) Dioden (63A, 63B), die in Abhängigkeit von den positiven und den negativen Abtastsignalen das in dem jeweiligen Zeitpunkt vorhandene Mikrowellensignal gleichrichten und dadurch ein Kennzeichnungssignal erzeugen, dessen Amplitude und Polarität der Phasendifferenz zwischen demjenigen der jeweiligen Zeitpunkt vorhandenen Mikrowellensignal und der nächstliegenden Harmonischen des quarzgesteuerten Oszillators (27) entsprechen sowie
    c) ein Integrierglied (65) zur Integration dieses Kennzeichnungssignals und zur Erzeugung des zweiten Steuersignals, wobei dieses Steuersignal eine derartige
    — 2 —
    Frequenzänderung des spannungsgesteuerten Oszillators (11) bewirkt, daß das Kennzeichnungssignal letztlich zu Null wird.
  3. 3. Mikrowellensignalquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (25Q) ähnlich ausgebildet ist wie die zweite Einrichtung (251) und zusätzlich einen Phasenschieber beinhaltet, der die Phase des quarzgesteuerten Oszillators um 90° dreht, derart, daß das Kennzeichnungssignal erzeugt wird, das ein Maximum aufweist, wenn das zweite Steuersignal zu Null wird.
  4. 4. Mikrowellensignalquelle nach einem der vohergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einrichtung folgende Teile beinhaltet:
    a) Einen Zähler (41) der durch die Kennzeichnungssignale fortschaltbar ist und der eine Digitalzahl ausgibt, die beim Auftreten jeweils eines Kennzeichnungssignals erhöht wird, sowie
    b) einen digitalen Komparator (37) zur Erzeugung des dritten Steuersignals, der durch die von dem Zähler (41) erzeugte Digitalzahl und das zur Frequenzauswahl dienende Kommandosignal beaufschlagbar ist.
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