專利名稱：超寬帶電壓調(diào)諧振蕩器的逆差頻合成方法
逆差頻合成方法是一種新的頻率合成技術(shù)方法。利用該方法可以制造出覆蓋幾個至十幾個倍頻程以上的微波頻率超寬帶電壓調(diào)諧振蕩器(VoltageTunedOscillator)簡稱VTO。它采用變?nèi)荻O管作為調(diào)諧元件，在頻率合成中自動抵消了變?nèi)莨艿姆蔷€性特性。所以用這種方法合成的VTO不僅保持了快速調(diào)諧的特點(diǎn)，而且它與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比較還具有良好的超寬帶線性特性以及極高的壓控靈敏度。逆差頻方法解決了VTO在調(diào)諧帶寬、線性度以及壓控靈敏度三方面相互制約、互為矛盾的技術(shù)難題，它是一種低成本地制造高性能VTO的先進(jìn)技術(shù)方法。它廣泛適應(yīng)于電子儀器、電子對抗設(shè)備等領(lǐng)域中變頻與制造高性能VTO的要求。它在降低設(shè)備的復(fù)雜程度、提高整機(jī)的可靠性方面它也有一定的現(xiàn)實(shí)價值。
逆差頻合成方法是指使在同一個調(diào)諧電壓控制下的兩個壓控振蕩器(VCO)的振蕩頻率同時逆向調(diào)諧變化，用混頻和濾波的方式提取它們的差拍頻率作為所需要的信號。
圖(1)是該方法的原理框圖，VCO1與VCO2是在同一個調(diào)諧電壓Vd控制下其頻率向互逆方向變化的壓控振蕩器，即當(dāng)Vd變化時，如VCO1的頻率向上升方向變化則VCO2的頻率向下降方向變化，反之亦然。VCO1與VCO2的頻率覆蓋范圍在常規(guī)VCO范圍之內(nèi)，即調(diào)諧寬度在一個倍頻程之內(nèi)。M為混頻器，A為一隔直流放大器，F(xiàn)為低通濾波器，經(jīng)過這樣的頻率變換后從濾波器輸出的頻率可以達(dá)到超寬帶的頻率覆蓋范圍。
設(shè)調(diào)諧電壓允許的變化范圍為V1～V2，對應(yīng)于VCO1與VCO2的頻率變化范圍為f11～f12及f21～f22。設(shè)調(diào)諧電壓Vd＝Vs是V1～V2范圍內(nèi)的任意電壓值，對應(yīng)VCO1與VCO2的頻率是f1s和f2s。逆差頻方法所要求的條件是當(dāng)f1s高于f2s時，使(f1s-f2s)小于VCO2的最低頻率f22。在實(shí)際應(yīng)用中必須使所選用的低通濾波器能夠選通它們的差頻(f1s-f2s)而截止f22以上的高頻信號。
其工作過程為當(dāng)調(diào)諧電壓為Vs時，兩個壓控振蕩器的輸出頻率f1s與f2s進(jìn)入到混頻器M中進(jìn)行混頻，在混頻器中的非線性器件作用下，混頻后的信號中包含如下成份直流信號、基波(f1s、f2s)、二次諧波(2f1s、2f2s)、差頻(f1s-f2s)以及和頻(f1s+f2s)信號。隔直流放大器A隔去直流成份并將差頻信號進(jìn)行放大，所選擇的低通濾波器F使其截止頻率略高于差頻信號的最高頻率。于是除了差頻信號(f1s-f2s)能夠通過濾波器之外，因基波、二次諧波以及和頻信號的頻率均高于低通濾波器的截止頻率，所以這些頻率都被濾去，從濾波器輸出的信號頻率只有差頻頻率(f1s-f2s)。當(dāng)調(diào)諧電壓從V1變到V2時，f1s從f11變到f12，而f2s從f21變到f22，從濾波器輸出的頻率變化為(f11-f21)至(f12-f22)，這個頻率變化范圍往往達(dá)到幾個倍頻程至是十幾個倍頻程以上，變頻的結(jié)果構(gòu)成了一個具有超寬帶功能的電壓調(diào)諧振蕩器。
為了達(dá)到擴(kuò)展調(diào)諧頻率范圍的目的，在本方法提出之前人們已經(jīng)廣泛地運(yùn)用了模擬頻率合成技術(shù)與數(shù)字頻率合成技術(shù)。逆差頻合成方法屬于模擬方法，它與傳統(tǒng)方法相比較具有調(diào)諧速度快、線性特性好、能夠達(dá)到很高的壓控靈敏度。傳統(tǒng)的模擬頻率合成方法是采用一個電調(diào)諧振蕩器與一個點(diǎn)頻振蕩器進(jìn)行合成，電調(diào)諧振蕩器可以是變?nèi)莨苷{(diào)諧的VCO或電流調(diào)諧的YIG振蕩器。而YIG的調(diào)諧速度慢、制造成本高，在捷變調(diào)諧中不宜使用。VCO的調(diào)諧速度快、造價低，但調(diào)諧線性不好，其振蕩頻率f與調(diào)諧電壓Vd有如下關(guān)系
式中L為諧振回路電感，C為與變?nèi)莨懿⒙?lián)的等效電容，Cjo是變?nèi)莨艿牧闫媒Y(jié)電容，φ為接觸電勢，n是變?nèi)葜笖?shù)。其調(diào)諧特性曲線是一條如圖(2)a所示的非線性特性曲線AB。它與一固定頻率振蕩器合成后，可以實(shí)現(xiàn)差頻信號的超寬帶調(diào)諧，但合成后的頻仍然保持了非線性特征，如圖(2)a中EF線所示。
在逆差頻合成方法中，是兩個頻率變化的振蕩器參與頻率合成，一個是普通的VCO，而另一個是同時逆調(diào)諧的VCO，它們在同一個調(diào)諧電壓的控制下，進(jìn)行頻率的動態(tài)合成。它不僅使合成后的差頻信號具有超寬帶調(diào)諧的特點(diǎn)，而且使差頻信號中的非線性在合成時相互抵消，當(dāng)使兩個VCO其頻率對電壓的非線性增量趨于一致時，所得到的合成頻率具有接近于直線的調(diào)諧特性，如圖(2)b中E'F'所示即為它的調(diào)諧特性曲線。
實(shí)現(xiàn)能夠逆向調(diào)諧的VCO的方法是采用了一個預(yù)置電壓。圖(3)給出了逆差頻合成方法的主振線路圖，它包括VCO1與VCO2部分。T1、T2為振蕩管，Re1、R11、R12與Re2、R21、R22分別是T1、T2的直流偏置電阻，C1、C2、C4、C5、C6、C8、C9均為濾波電容，C3、C7為隔直流耦合電容，RFC1～RFC9是扼流線圈，D1、D2、D3、D4是變?nèi)荻O管。在C點(diǎn)預(yù)置一負(fù)電壓Vp，使它大于或等于最大的調(diào)諧電壓，保證D3與D4處于反偏狀態(tài)。當(dāng)負(fù)的調(diào)諧電壓Vd從B點(diǎn)輸入變大時，D1、D2的結(jié)電容變小，VCO1的振蕩頻率升高，信號通過L2耦合輸出，同時D3、D4的結(jié)電容增大，VCO2的振蕩頻率下降，信號通過L4耦合輸出。
逆差頻合成方法要比傳統(tǒng)的變頻方法所獲得的壓控靈敏度提高一倍，下面對它進(jìn)行說明。定義經(jīng)過頻率合成產(chǎn)生的VTO其壓控靈敏度為壓控靈敏度·(K)＝ (頻率變化量(Δf))/(調(diào)諧電壓變化量(ΔV))圖(2)中，f11～f12為VCO1的頻率變化范圍，f21～f22為非線性特性增量與前者一致的逆向變化的VCO2的頻率變化范圍，fo為傳統(tǒng)變頻方法中的點(diǎn)頻振蕩器的頻率，用圖解法對這兩種方法所獲得的差頻壓控靈敏度進(jìn)行比較?？梢栽O(shè)定fo＝f2，根據(jù)已知條件，有如下幾何關(guān)系KF＝BK-DK，EJ＝AJ-CJΔAGB≌ΔEHF所以FH＝BG又因?yàn)镵'F'＝B'K'-D'K'，E'J'＝A'J'-C'J'ΔA'G'B'≌ΔC'I'D'所以F'H'＝B'D'-G'I'＝2B'G'由于ΔAGB≌ΔA'G'B'故有F'H'＝2B'G'＝2FH逆差頻方法壓控靈敏度K1=
= (2FH)/(V2-V1)傳統(tǒng)變頻方法壓控靈敏度K2= (FH)/(V2-V1)比較以上二式得K1＝2K2即逆差頻方法壓控靈敏度比傳統(tǒng)變頻方法壓控靈敏度提高了一倍。
逆差頻方法的理論首先經(jīng)過了計算機(jī)的數(shù)值計算與分析，驗(yàn)證了它的正確性，然后通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了它的可行性。在國家“八五”重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目某智能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中，需要頻率范圍為50-300MHz的高靈敏度線性VTO作為本振信號源。根據(jù)逆差頻合成方法設(shè)計制做了實(shí)驗(yàn)電路，經(jīng)過調(diào)試結(jié)果表明VCO1與VCO2的頻率變化分別為765～910MHZ和720～600MHz時，VTO的輸出頻率變化是45-310MHz，最大線性絕對偏差小于4MHz，壓控靈敏度為21.0MHz/V1。經(jīng)過測試其穩(wěn)定度度、諧波純度等項(xiàng)指標(biāo)均滿足實(shí)際需要。另一個設(shè)計是在更高將頻率上進(jìn)行頻率合成，VCO1的頻率為1569～1747MHz，VCO2的頻率為1539～1422MHz，合成后的VTO頻率變化范圍為30-325MHz，線性度可達(dá)2.2%，壓控靈敏度高達(dá)42MHz/V。現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)正投入生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中。
權(quán)利要求
1.一種新的頻率合成方法，用于設(shè)計制造超寬帶高性能電壓調(diào)諧振蕩器(VTO)。其特征是以兩個壓控振蕩器與混頻器、隔直流器件、低通濾波器組成一個頻率變換電路。它可以是器件的組合形式也可以是由分立元件電路構(gòu)成或以上兩者的混合體組成。
2.權(quán)利要求1的兩個壓控振蕩器其特征在于受同一個調(diào)諧電壓的控制，在調(diào)諧過程中它們的頻率朝互逆的方向變化。
3.權(quán)利要求2所指的壓控振蕩器是采用變?nèi)荻O管作為調(diào)諧元件，各變?nèi)荻O管的非線性特性一致性好。
4.權(quán)利要求2中實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器頻率互逆變化的方法是在變?nèi)荻O管上加一反向的預(yù)置電壓。
5.權(quán)利要求1中的混頻器與低通濾波器其特征是可以采用一般的商用器件，隔直流器件優(yōu)先采用隔直流放大器，也可以采用隔直流電容替代之。
全文摘要
本發(fā)明是一種新的頻率合成方法，它以變?nèi)荻O管作為調(diào)諧元件，采用兩個互逆變化的VCO來動態(tài)合成一個超寬帶的電壓調(diào)諧振蕩器(Voltage TunedOscillator)簡稱VTO。用該方法可以獲得微波頻段范圍的幾個至十幾個倍頻程以上的超寬帶快速調(diào)諧的VTO，它具有在合成過程中自動抵消非線性特性，顯著提高壓控靈敏度的優(yōu)點(diǎn)特征。它適用于電子儀器、電子對抗設(shè)備等領(lǐng)域中設(shè)計制造高性能VTO的需要，也適用于其它情況下的頻率變換。
文檔編號H03B21/02GK1091230SQ93102188
公開日1994年8月24日 申請日期1993年2月20日 優(yōu)先權(quán)日1993年2月20日
發(fā)明者徐得勝 申請人:機(jī)械電子工業(yè)部第四十一研究所