Введение

Важность кварцевой стабилизации частоты общеизвестна. Уже несколько десятков лет этот способ стабилизации применяется в длинноволновом и коротковолновом диапазонах. В послевоенные годы кварцевая стабилизация частоты стала широко внедряться в аппаратуру метровых волн и в последние десятилетия - в радиоустройства СВЧ диапазона.

К наиболее представительному классу радиосистем СВЧ диапазона, в котором применяется кварцевая стабилизация частоты, относятся устройства радиосвязи. В подавляющем большинстве такими устройствами являются радиорелейные линии всех типов: прямой видимости (РРЛ-ПВ), тропосферные (ТРРЛ) и спутниковые, использующие в качестве ретранслятора искусственные спутники Земли (ИСЗ). Однако, кроме связной радиоаппаратуры, кварцевая стабилизация СВЧ находит применение и в других областях радиотехники, в частности, в радиолокации (допплеровские РЛС, РЛС с активным ответом, РЛС с частотной модуляцией и т. п.), а также в телеметрии, радионавигации и телевидении.

Известно, что кварцевая стабилизация частоты обеспечивает радиолинии такие важные параметры, как достоверность номинального значения частоты (в частности, обеспечивается беспоисковая и бесподстроечная связь); возможность автоматического и дистанционного управления перестройкой частот радиолинии; возможность сужения полосы пропускания радиотракта, что повышает помехозащищенность и улучшает энергетические параметры линии; она упрощает обслуживание линии, так как при этом требуется меньше операторов (особенно операторов высокой квалификации).

Однако насыщенность диапазона радиосредствами различного назначения приводит к тому, что даже относительно высокая помехозащищенность, обеспечиваемая применением кварцевой стабилизации частоты, оказывается недостаточной для достижения хорошей электромагнитной совместимости. Поэтому для "отстройки" от помех радиосредства должны работать в некотором диапазоне частот.

Сочетание требований кварцевой стабилизации частоты и диапазонности радиосредств приводит к необходимости использования диапазонно-кварцевой стабилизации частоты (ДКСЧ).

Вначале ДКСЧ стала применяться в наиболее загруженных диапазонах длинных (ДВ) и коротких (КВ) волн, а затем и в диапазоне метровых волн (МВ). В настоящее время уже диапазоны дециметровых и сантиметровых волн оказались под угрозой перегрузки. Поэтому актуальным стало внедрение ДКСЧ и в эти диапазоны, т. е. в диапазон СВЧ.

Однако довольно часто применение ДКСЧ объясняется не только загруженностью диапазона, но также и некоторыми специфическими особенностями применяемой аппаратуры. Например, одним из способов борьбы с замираниями в тропосферном канале связи является так называемый способ "оптимальных частот" [1], при котором дискретно меняется несущая частота ТРРЛ. В радиолокации известен [2] способ улучшения помехозащищенности путем изменения несущей частоты от импульса к импульсу по случайному закону. Для защиты от помех двадцати дуплексных каналов системы связи через ИСЗ [3], [4] передача осуществляется на 16 скачками меняющихся частотах, номинальные значения которых выбираются по случайному закону из 4096 дискретных частот в диапазоне 8 ГГц. Для передачи секретной информации применяется меняющаяся также по случайному закону несущая частота радиолинии [П3.19]. Имеются сведения о применении ДКСЧ в автоматических пеленгаторах [5], в телевидении [6], в радионавигации [7] и т. д. Как следствие широкого применения ДКСЧ в различных областях радиотехники, она также интенсивно внедрилась и в радиоизмерительную аппаратуру.

Чаще ДКСЧ применяется в передвижных радиосредствах широкого назначения; реже - в специализированных стационарных установках.

Развитие систем ДКСЧ становится все более и более стремительным. Достаточно сказать, что в настоящее время более пятидесяти фирм США, Великобритании, Франции, ФРГ, Японии, ГДР и других стран серийно выпускают устройства различных типов для различных диапазонов частот, правда, преимущественно КВ и МВ. Кроме того, разрабатываются устройства ДКСЧ в виде возбудителей передатчиков и гетеродинов приемников.

Существенное развитие получили устройства ДКСЧ и в изделиях отечественной радиопромышленности.

Большое разнообразие задач, решаемых при помощи систем ДКСЧ, привело к тому, что даже в таких "освоенных" диапазонах, как КВ и МВ диапазоны, имеется много разновидностей этих устройств. Что же касается систем ДКСЧ, работающих на СВЧ, то из-за отсутствия общей теории и основных рекомендаций по разработке указанные системы проектируются весьма произвольно и часто недостаточно объективно.

Устройства ДКСЧ вообще, а СВЧ диапазона в особенности, являются довольно сложными комплексами, включающими целый ряд радиотехнических устройств, таких, как кварцевые и квантовые генераторы, генераторы, управляемые напряжением, усилители различных классов, умножители частоты, делители частоты с постоянными и переменными коэффициентами деления, смесители, фильтры различных типов, фазовые и частотные дискриминаторы и т. п., для одного описания устройства и работы которых не хватило бы книги значительно большего объема. С другой стороны, все перечисленные устройства описаны в большом числе специальных изданий, в которых подробно освещены как теория, так и техника проектирования последних. Поэтому в предлагаемой вниманию читателя книге перечисленные устройства считаются известными, и весь материал посвящен анализу и синтезу устройств ДКСЧ как радиотехнических систем.

Несмотря на наличие определенного опыта разработки систем ДКСЧ СВЧ диапазона, весьма целесообразны анализ и обобщение значительного опыта разработчиков систем ДКСЧ более длинноволновых диапазонов с целью его использования при синтезе подобных систем в диапазоне СВЧ. Однако для возможности анализа большого числа литературных источников автор попытался изложить материал в более или менее общем виде, приняв единую систему обозначений.

Попытки классифицировать системы ДКСЧ неоднократно предпринимались и ранее в целом ряде отечественных [18], [19], [60] и зарубежных [8], [16] работ. Однако ни одна классификация не получила абсолютного и длительного признания. Это произошло, на наш взгляд, потому, что одни авторы исходили из весьма неполного перечня требований, предъявляемых к системам, а другие ограничивались лишь отдельными классами систем. Поэтому в результате анализа предпочтение оказывалось какому-либо одному, реже двум типам устройств, достоинства которых подчеркивались, а недостаткам уделялось значительно меньшее внимание.

Понимая бесперспективность доказательства абсолютного преимущества какого-нибудь одного метода ДКСЧ перед другими и признавая полезность применения любого из них в зависимости от специфики решаемой задачи, приведен классификационный обзор различных систем ДКСЧ, сравнение их по основным электрическим и эксплуатационным характеристикам. Так как целью книги является анализ систем СВЧ диапазона, то одним из основных критериев сравнения является легкость и целесообразность осуществления той или иной системы на СВЧ. По этой причине в обзоре не нашли отражения сугубо "длинноволновые" системы ДКСЧ, в частности, со сложением импульсных последовательностей [20], [21], [П2.51], [П2.114], с цифро-фазовым методом [22], [П2.87], [П2.92] и т. п. Не рассматриваются также старые, не нашедшие широкого распространения и неперспективные на СВЧ системы с импульсной синхронизацией [23], [24] и сверхгенерацией.

Кроме большого числа публикаций в периодических изданиях по системам ДКСЧ имеется значительное количество патентов ряда стран. Нам показалось полезным привести сводку указанных патентов. Она помещена после "списка литературы".

Выше указывалось, что основное развитие получили системы ДКСЧ метровых и более длинных волн. Однако прямой перенос принципов построения этих систем в диапазон СВЧ не является оптимальным. Поэтому при использовании основных положений, лежащих в основе построения систем ДКСЧ указанных диапазонов, проводится синтез систем для получения оптимальных вариантов их построения в СВЧ диапазоне. При этом системы разделяются на два класса: многодекадные и цифровые.

Однако для осуществления синтеза системы необходимо произвести частотообразование и распределение уровней колебаний внутри системы, обеспечить необходимую степень подавления побочных составляющих и требуемые шумовые характеристики. Решить такую задачу в общем виде путем составления системы уравнений и ее решения, с одной стороны, чрезвычайно трудно (если только вообще возможно), а с другой - и нецелесообразно. Наоборот, решение методом последовательных приближений наглядно, обеспечивает понимание сути физических процессов, происходящих в системе, и дает возможность синтезировать систему постепенно, что важно с точки зрения изменения последней при вариации требований к ней.

В результате указанного синтеза сделано заключение, что из всех существующих методов ДКСЧ на СВЧ наиболее целесообразно использовать многодекадные активные (с применением колец фазовой автоподстройки частоты) и пассивные (с применением простой пассивной фильтрации) системы, а также однокольцевые и двухкольцевые цифровые системы (с использованием цифровой фазовой автоподстройки частоты). В некоторых случаях необходимо применять пассивные системы, основанные на двоичном принципе набора частоты. Поэтому в последующем изложении внимание уделяется только этим системам.

Наиболее важными и определяющими тип и структуру системы являются требования по подавлению побочных составляющих и шумовые характеристики. Поэтому анализу и расчету этих параметров в книге отводится особое место.

Выше говорилось об использовании в системах ДКСЧ фазовой автоподстройки частоты (аналоговой и цифровой). По системам ФАПЧ имеется большое число публикаций, в том числе и столь фундаментальных, как [25]-[27]. В то же время системы фазовой автоподстройки частоты, используемые в устройствах ДКСЧ СВЧ диапазона, имеют ряд специфических особенностей. Поэтому, не претендуя на нововведения в теорию ФАПЧ, для учета указанных особенностей в книге приводится краткий анализ указанных систем и даются рекомендации по их расчету.

Важной, хотя и не определяющей составной частью любой системы ДКСЧ является так называемый магазин опорных частот, от правильного построения которого зависят многие электрические и эксплуатационные характеристики всего устройства. Краткому анализу возможных способов построения магазина опорных частот и входящих в него узлов посвящена гл. 6. В ней, в частности, на основании таких критериев, как простота и надежность, рассматривается вопрос о полной или частичной централизации магазина опорных частот в тех случаях, когда его колебания используются несколькими потребителями.

В настоящее время совершенно отсутствуют пособия и руководства по проектированию и инженерному расчету даже таких наиболее распространенных систем ДКСЧ, как системы КВ и МВ диапазонов, не говоря уже о системах СВЧ диапазона. Поэтому, а также желая придать книге практическую направленность, специальное внимание уделяется изложению элементов проектирования и расчету (с приведением последнего в строгом порядке) наиболее универсальных, на наш взгляд, активной многодекадной и цифровых систем ДКСЧ СВЧ диапазона. В качестве иллюстраций и для подтверждения некоторых теоретических выводов приводятся примеры расчета таких систем, предназначенных для работы в середине диапазона сантиметровых волн. Однако, не изменяя методов и порядка расчета, при использовании приведенного материала можно рассчитать подобные системы как в дециметровом, так и в миллиметровом диапазонах. Следует отметить, что из-за ограниченного объема книги указанный материал касается устройств ДКСЧ только как систем, т. е. не затрагивает вопросов проектирования и расчета элементов в них входящих, в том числе и устройств автоматической настройки и дистанционного управления, автоматического резервирования и сигнализации, практически мало чем отличающихся от подобных устройств, применяемых в системах ДКСЧ более длинноволновых диапазонов.