Глава первая. Методы диапазонно-кварцевой стабилизации частоты

1.1. Основные определения

Системой диапазонно-кварцевой стабилизации частоты (ДКСЧ) будем называть устройство, на выходе которого можно получить колебания любой частоты из дискретного ряда в заданном диапазоне с относительной погрешностью, равной или близкой к относительной погрешности примененного эталона частоты (опорного кварцевого или квантового генератора).

Известно большое число методов построения систем ДКСЧ. Однако для того, чтобы их классифицировать и сравнивать, необходимо условиться о критериях этого сравнения. Примем в качестве таких критериев основные характеристики систем ДКСЧ, разделив их на электрические и эксплуатационные.

К основным электрическим характеристикам относятся: рабочий диапазон частот f_{0 мин}-f_{0 макс}, число частот в рабочем диапазоне α₀, шаг дискретности частот β₀, относительная погрешность частоты δf₀, достоверность частоты, выходная мощность Р₀ и ее неравномерность в диапазоне частот ΔР₀, коэффициенты гармоничности колебаний γ₀, коэффициенты нелинейных искажений и шумовые характеристики.

Под шагом дискретности частот будет понимать интервал между соседними рабочими частотами. В общем случае интервалы между дискретными частотами могут быть неодинаковыми. Однако в абсолютном большинстве практических случаев из-за больших эксплуатационных преимуществ они выбираются равными.

Относительная погрешность частоты δf₀ есть отношение абсолютной погрешности частоты Δf₀ к ее номинальному значению f₀:

В свою очередь, абсолютная погрешность частоты показывает, насколько реально генерируемая частота отличается от номинального значения. Она является суммой неточности установки частоты и ее нестабильности из-за влияния дестабилизирующих факторов, действующих в течение длительного времени (медленные изменения питающих напряжений, климатические воздействия, старение частотозадающих элементов, несистематические механические воздействия, изменения нагрузки и т. д.). Так как в большинстве случаев практики важен лишь сам факт несоответствия частоты генерируемых колебаний заданному номинальному значению, а не причины этого несоответствия, впредь будем пользоваться в основном понятием погрешности частоты.

При построении системы ДКСЧ важно, чтобы частота выходных колебаний не отличалась от установленного номинального значения более чем на обусловленную погрешность все время, вплоть до следующей перестройки. Однако, как будет показано ниже, не все методы ДКСЧ обеспечивают абсолютное выполнение этого требования. Поэтому целесообразно ввести такую характеристику, как достоверность частоты.

Любая система ДКСЧ включает большое число элементов, осуществляющих нелинейные преобразования исходного колебания эталона частоты. Поэтому выходное колебание системы не является гармоническим и содержит, кроме колебания рабочей частоты, также побочные составляющие. Последнее условно можно разделить на две категории: гармоники рабочей частоты и составляющие, частоты которых, как правило, хотя и находятся с рабочей частотой в точных кратных отношениях, но не являются ее гармониками. Количественно интенсивность высших гармоник, как обычно, характеризуется коэффициентом нелинейных искажений, а интенсивность побочных составляющих - коэффициентом гармоничности: отношением мощности основного колебания Р₀ к мощности каждой побочной составляющей Р_п:

Вышеуказанное разделение побочных составляющих не является случайным. Действительно, в СВЧ системах ДКСЧ рабочий диапазон редко превосходит 20% средней частоты. Поэтому коэффициент нелинейных искажений, как правило, не представляет интереса. Наоборот, коэффициенты гармоничности колебаний являются одним из главных и решающих факторов, определяющих выбор метода ДКСЧ.

Другим важнейшим фактором в этом плане являются шумовые характеристики системы. Поскольку любую систему ДКСЧ можно представить эквивалентным генератором, то и все параметры, так или иначе определяющие шумовые характеристики генераторов (кратковременная нестабильность частоты, энергетический спектр шумов, девиация частоты, девиация фазы, отношение сигнал/шум и т. п.), можно применить для характеристики систем ДКСЧ (конкретные формы характеристик выбираются ниже).

Очевидно, что остальные электрические характеристики систем ДКСЧ особых пояснений не требуют.

К основным эксплуатационным характеристикам систем ДКСЧ можно отнести: габариты, массу, потребление энергии источников питания, надежность, сложность автоматической перестройки и дистанционного управления, а также время готовности аппаратуры после включения и время, необходимое на перестройку системы с одной рабочей частоты на другую. Заметим, что в литературе встречается еще ряд эксплуатационных характеристик, но они лишь дополняют или детализируют упомянутые выше. Действительно, от числа регулировок зависит сложность автоматической перестройки и дистанционного управления, сложность схемы и конструкции определяет надежность, необходимое число опорных частот определяет сложность схемы и конструкции и, следовательно, надежность, ремонтопригодность опять же определяет надежность, так как количественно характеризуется средним временем восстановления аппаратуры и т. д. Что же касается таких характеристик систем, как серийноспособность и стоимость, то они в большей степени зависят не от состава аппаратуры, а от завода-изготовителя (культура производства, технологическая дисциплина, степень автоматизации и т. д.) и от массовости выпуска изделий.

Как упоминалось выше, при сравнении методов ДКСЧ будут использоваться основные электрические и эксплуатационные характеристики. Однако так как здесь рассматриваются СВЧ системы, то при анализе важным критерием сравнения будет степень сложности применения метода в системах СВЧ диапазона.