DE3120140C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzanalysator für sehr hohe Frequenzen, mit einem ersten Mischer, dem das zu untersuchende Frequenzspektrum sowie das Ausgangssignal eines Yttrium-Granat- Oszillators zugeführt wird, mit einem auf den ersten Mischer folgenden ersten Bandpaß für eine Festfrequenz, die wesentlich unter der niedrigsten zu untersuchenden Frequenz liegt, mit einem zweiten Mischer, der von dem Ausgangssignal des ersten Bandpasses und einer Oszillatorfrequenz F₀₂ gespeist wird und dessen Ausgang über einen zweiten Bandpaß mit einem Detektor verbunden ist, und mit einer Frequenzsteuerschaltung für den Yttrium-Granat-Oszillator, die einen Quarzoszillator von verhältnismäßig niedriger Frequenz, einen Oberwellengenerator und eine Phasenverriegelungseinrichtung mit einem Phasenkomparator zur Phasenverriegelung des Yttrium-Granat-Oszillators mit einer der Oberwellen des Quarzoszillators umfaßt.

Bei einem bekannten derartigen Frequenzanalysator für Mikrowellen (Hewlett Packard Journal, September 1971) wird eine harmonische Mischung verwendet zwecks Betrieb über einen großen Frequenzbereich mit einem über eine einzige Oktave abstimmbaren lokalen Oszillator, wofür ein YIG-Oszillator verwendet ist. Die Frequenz desselben wird elektrisch durch eine automatische Frequenzsteuerschaltung, die einen Quarzoszillator umfaßt, abgestimmt.

Ein derartiger Analysator läßt sich nicht zum Überstreichen eines großen Frequenzbereichs von Ausgangsfrequenzen in sehr kleinen Frequenzabstufungen verwenden, wie man sie mit einer Frequenzsyntheseschaltung erzeugen kann. Die Spektraleinheit des steuerbaren Oszillators muß auch größer sein als die der zu untersuchenden Signale, um keine Meßfehler zu verursachen.

Dies läßt sich zwar im allgemeinen durch die Verwendung eines Yttrium-Granat-Oszillators erreichen, jedoch nicht für den Fall, daß die zu untersuchenden Frequenzen sehr nahe bei einer Trägerfrequenz liegen. In diesem Fall arbeitet nämlich der Yttrium- Granat-Oszillator in einem Frequenzbereich, in welchem er einen verhältnismäßig hohen Rauschanteil aufweist.

Die bekannte Schaltung erlaubt auch nicht das Überstreichen eines weiten Frequenzbereichs von Ausgangsfrequenzen in sehr kleinen Frequenzschritten, wie sie etwa mittels einer Frequenzsyntheseschaltung erzeugbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzanalysator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er sich über einen sehr großen Frequenzbereich mit sehr kleinen Schritten der Frequenzänderung verwenden läßt und daß er eine sehr hohe spektrale Reinheit der Ausgangsfrequenz aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gegeben durch einen mittels einer Spannung, die von einer Vergleichsschaltung geliefert wird, in seiner Frequenz steuerbaren Hilfsoszillator, der den Oberwellengenerator und einen dritten Mischer ansteuert, dessen anderer Eingang von dem Quarzoszillator angesteuert wird, und dadurch, daß den Eingängen der Vergleichsschaltung einerseits die subtraktive Zwischenfrequenz des dritten Mischers und andererseits eine Frequenz zugeführt ist, die durch Teilung der Ausgangsfrequenz einer Frequenzsyntheseschaltung in einem Frequenzteiler erzeugt ist, dessen Teilungsverhältnis dem Vervielfachungsfaktor des Oberwellengenerators entspricht, und durch eine Einstellmöglichkeit der Frequenzsyntheseschaltung in Schritten, die kleiner sind als die Frequenz des Quarzoszillators, und durch eine Verbindung des Ausganges des Yttrium- Granat-Oszillators sowie des Ausganges des Oberwellengenerators mit den Eingängen des Phasenkomparators, wobei der Ausgang des Phasenkomperators den Ausgang der Frequenzsteuerschaltung bildet.

Es ist zwar bereits eine Schaltung bekannt (Gardner F. M., Facelock-Technics, New York 1979, John Wiley & Sons, S. 204 und 205), mit der sich unerwünschte Frequenzen unterdrücken lassen, z. B. die Spiegelfrequenz, es ist jedoch nicht angegeben, auf welche Weise ein sehr großer Frequenzbereich in sehr kleinen Stufen mit einem variablen Oszillator und einem Oberwellengenerator erzeugt werden kann, welcher die Ausgangsfrequenz mit dem Faktor N multipliziert, ohne die spektrale Reinheit des Signals des Quarzoszillators zu verschlechtern, und zwar trotz des Umstandes, daß die Ausgangsfrequenz des variablen Oszillators so bemessen sein muß, daß sie einen großen Frequenzschritt des Frequenzbereichs überdeckt.

Erst durch die erfindungsgemäßen Merkmale wird erstmalig erreicht, daß trotz des Umstandes, daß ein großer Schritt der Frequenzänderung des Ausgangssignals des YIG-Oszillators bereits die Größe von 100 MHz hat und daß es verlangt wird, vierzig solcher großen Frequenzschritte zu überdecken, um einen angestrebten Frequenzbereich zu überdecken, um einen angestrebten Frequenzbereich von 2 bis 6 GHz zu überstreichen, die Ausgangsfrequenz des variablen Oszillators lediglich zwischen 110,7 und 101,7 MHz veränderbar zu sein braucht.

Die Erfindung ist im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines Frequenzanalysators.

Der in der Figur dargestellte Frequenzanalysator umfaßt einen Eingangsfilter 1, der so bemessen ist, daß er das zu untersuchende Frequenzband der Frequenzänderungen einer sehr hohen Trägerfrequenz hindurchläßt. Der Eingangsfilter 1 ist beispielsweise für eine Trägerfrequenz von 1,700 bis 5,700 GHz ausgelegt. Der Ausgang des Eingangsfilters 1 führt an einen ersten Mischer 2, dem außerdem die Ausgangsfrequenz eines Yttrium-Granat-Oszillators 3 zugeführt ist. Ein derartiger Oszillator weist einen Resonator auf, der aus einer Kugel aus Eisengranat und Yttrium gebildet ist, die die Eigenschaft hat, ihre Resonanzfrequenz in einem weiten Bereich in Abhängigkeit von der Höhe des die Kugel durchsetzenden Magnetfeldes zu ändern. Die Frequenz kann beispielsweise in einem Bereich von 2000 bis 6000 MHz verändert werden. Auf den ersten Mischer 2 folgt ein erster Bandpaß 4, der eine subtraktive Zwischenfrequenz von 300 MHz durchläßt und diese an einen zweiten Mischer 5 gibt, dem außerdem eine Festfrequenz F₀₂ von 290 MHz zugeführt wird. Die subtraktive Zwischenfrequenz von 10 MHz am Ausgang des zweiten Mischers 5 gelangt über einen zweiten Bandpaß 6 an einen Detektor 7. Die am Ausgang desselben auftretenden Videobestandteile bilden das zu analysierende Spektrum, nachdem sie von der Trägerfrequenz befreit worden sind. Für jede Frequenz des Yttrium- Granat-Oszillators 3 wird die Spannung am Ausgang des Detektors 7 gemessen, wodurch die Frequenzanalyse erfolgt.

Der oben beschriebene Schaltungsteil ist an sich bekannt. Durch die Frequenzumwandlungen in den Mischern 2 und 5 ergibt sich ein Analysensignal in einem festen Frequenzbereich, in diesem Falle im Bereich von 10 MHz, in dem das Filtern und Gleichrichten keine Schwierigkeiten bietet.

Die Verwendung eines Yttrium-Granat-Oszillators mit einer Güte entsprechend einem Spannungsüberhöhungskoeffizienten von etwa 1000 bis 3000 liefert zwar ein Signal großer Spektralreinheit, jedoch ist der Rauschanteil des Oszillators für Spektralkomponenten, die nahe der Trägerfrequenz liegen, deutlich größer als für solche Komponenten, die weiter von der Trägerfrequenz entfernt liegen, so daß bei manchen Anwendungen das Rauschen des Oszilllators für Frequenzen nahe der Trägerfrequenz noch zu groß ist.

Bei einem Yttrium-Granat-Oszillator, der durch einen Quarzoszillator geregelt ist, und dessen Resonator einen Spannungsüberholungskoeffizienten in der Größe von 100.000 hat, wobei der Yttrium-Granat-Oszillator mit aufeinanderfolgenden Oberwellen des Quarzoszillators phasenverriegelt ist, ergeben sich wesentlich kleinere Rauschkomponenten. Hierbei wird ein Quarz mit einer Frequenz verwendet, die genügend hoch ist, damit sein Eigenrauschen nicht übermäßig vergrößert wird. Bei Verwendung eines Quarzes mit einer Frequenz von 100 MHz wird der Rauschanteil höchstens um den Faktor 60 verstärkt. Hierbei kann der Yttrium-Granat- Oszillator aufeinanderfolgend die Frequenzen 2000, 2100, 2200 . . . 6000 MHz annehmen, so daß man also noch ein Intervall von 100 MHz zwischen diesen aufeinanderfolgenden Frequenzen abdecken muß. Hierzu kann man die Frequenzumsetzung in dem zweiten Mischer 5 variabel gestalten, indem man die diesem Mischer zugeführte Oszillatorfrequenz von Hand zwischen 240 und 340 MHz einstellbar macht. Der erste Bandpaß 4 muß dann allerdings ein verhältnismäßig großes Frequenzband durchlassen, so daß in manchen Fällen die Spiegelfrequenz nicht richtig ausgesiebt wird. Diese Lösung ist daher praktisch nicht annehmbar, wenn man eine hochwertige Frequenzspektralanalyse durchführen will.

Hier setzt nun die Erfindung ein. Der Yttrium-Granat-Oszillator 3 wird von einer Frequenzsteuerschaltung in seiner Frequenz in dem gesamten gewünschten Frequenzbereich gesteuert, und zwar unter Zuhilfenahme eines Quarzoszillators, von dem eine ausreichend hohe Oberwelle verwendet wird, die eine genügend hohe Spektralreinheit aufweist.

Diese Frequenzsteuerschaltung umfaßt einen mittels einer Spannung in seiner Frequenz steuerbaren Hilfsoszillator 30, dessen Ausgangsfrequenz einerseits einem Oberwellengenerator 31 und andererseits einem dritten Mischer 33 zugeführt wird. Der Oberwellengenerator 31 führt an einen Eingang eines Phasenkomperators 32, dessen anderer Eingang von der Frequenz des Yttrium-Granat-Oszillators 3 beaufschlagt wird. An den anderen Eingang des dritten Mischers 33 ist die Frequenz des Quarzoszillators 34 gelegt. Die Zwischenfrequenz des dritten Mischers 33 gelangt über einen Bandpaß 35 für die subtraktive Zwischenfrequenz an einen Phasen-Frequenzkomparator als Vergleichsschaltung 37, der außerdem eine Frequenz zugeführt wird, die aus einer Frequenzsyntheseschaltung 39 gewonnen wird, die in einem einstellbaren Frequenzteiler 38 um den Faktor N geteilt worden ist. Die Frequenzsyntheseschaltung ist so ausgebildet, daß sie eine variable Frequenz zwischen 100 und 200 MHz liefert, die in kleinen Schritten einstellbar ist. Der Ausgang der Vergleichsschaltung 37 ist mit dem Frequenzsteuereingang des Hilfsoszillators 30 verbunden.

Wenn die Frequenzsyntheseschaltung auf eine Frequenz von 100 MHz+Δ eingestellt ist, empfängt die Vergleichsschaltung 37 im eingeregelten Zustand des Hilfsoszillators 30 zwei gleiche Frequenzen von (100 MHz + Δ ). Die Frequenz des Hilfsoszillators 30 ist also:
+ 100 MHz,
und die des Yttrium-Granat-Oszillators 3 ist
N×100 MHz+100 MHz+Δ.
Anders ausgedrückt ändert sich die Frequenz in großen Schritten von 100 MHz und bedeckt den Bereich zwischen zwei großen Schritten in kleinen Schritten, die denen der Frequenzsyntheseschaltung 39 entspricht und die je nach Wunsch beliebig klein gewählt werden können.

Die Frequenz des Yttrium-Granat-Oszillators 3 ist durch eine Spannung V _c von Hand steuerbar. Es sei bemerkt, daß die Frequenz des Hilfsoszillators 30 für eine Frequenz des Yttrium-Granat-Oszillators 3 zwischen 2000 und 6000 MHz zwischen den äußeren Grenzen von etwa 110,7 und 101,7 variiert und daß die Abhängigkeit dieser Variation einem Sägezahnverlauf mit abnehmender Amplitude entspricht. Wenn zum Beispiel die Frequenz des Yttrium-Granat-Oszillators 3 von 2000 auf 2100 MHz ansteigt, wächst die des Hilfsoszillators 30 von 105,2 auf 110,7, um dann plötzlich auf einen Wert von 105 MHz abzufallen, während bei einem Frequenzanstieg des Oszillators 3 von 5400 auf 6000 MHz die Frequenz des Hilfsoszillators 30 von 101,72 auf 103,4 ansteigt, um dann plötzlich auf 101,69 MHz abzufallen.

Daraus ergibt sich letztlich, daß der Hilfsoszillator 30 geringe Frequenzvariationen aufweist, also eine große Spektralreinheit hat, und daß die Frequenzänderungen umso kleiner sind, je höher die zu messende Frequenzkomponente ist. Die parasitären Frequenzen, die durch die Regelung entstehen, erzeugen eine genügend hohe Frequenz, die sich durch den Eingangsfilter 1 aussieben lassen, und auch die Spiegelfrequenz wird durch diesen ausgesiebt.

Claims (1)

1. Frequenzanalysator für sehr hohe Frequenzen, mit einem ersten Mischer (2), dem das zu untersuchende Frequenzspektrum sowie das Ausgangssignal eines Yttrium-Granat-Oszillators (3) zugeführt wird, mit einem auf den ersten Mischer folgenden ersten Bandpaß (4) für eine Festfrequenz, die wesentlich unter der niedrigsten zu untersuchenden Frequenz liegt, mit einem zweiten Mischer (5), der von dem Ausgangssignal des ersten Bandpasses (4) und einer Oszillatorfrequenz (F₀₂) gespeist wird und dessen Ausgang über einen zweiten Bandpaß (6) mit einem Detektor (7) verbunden ist, und mit einer Frequenzsteuerschaltung für den Yttrium- Granat-Oszillator (3), die einen Quarzoszillator (34) von verhältnismäßig niedriger Frequenz, einen Oberwellengenerator (31) und eine Phasenverriegelungseinrichtung mit einem Phasenkomperator zur Phasenverriegelung des Yttrium-Granat-Oszillators (3) mit einer der Oberwellen des Quarzoszillators (34) umfaßt, gekennzeichnet durch einen mittels einer Spannung, die von einer Vergleichsschaltung (37) geliefert wird, in seiner Frequenz steuerbaren Hilfsoszillator (30), der den Oberwellengenerator (31) und einen dritten Mischer (33) ansteuert, dessen anderer Eingang von dem Quarzoszillator (34) angesteuert wird, und dadurch, daß den Eingängen der Vergleichsschaltung (37) einerseits die subtraktive Zwischenfrequenz des dritten Mischers (33) und andererseits eine Frequenz zugeführt ist, die durch Teilung der Ausgangsfrequenz einer Frequenzsyntheseschaltung (39) in einem Frequenzteiler (38) erzeugt ist, dessen Teilungsverhältnis dem Vervielfachungsfaktor des Oberwellengenerators (31) entspricht, und durch eine Einstellmöglichkeit der Frequenzsyntheseschaltung (39) in Schritten, die kleiner sind als die Frequenz des Quarzoszillators (34), und durch eine Verbindung des Ausganges des Yttrium-Granatoszillators (3) sowie des Ausganges des Oberwellengenerators (31) mit den Eingängen des Phasenkomparators (32), wobei der Ausgang des Phasenkomparators (32) den Ausgang der Frequenzschaltung bildet.