1.3. Метод пассивной фильтрации

1.3.1. Синтезатор с простой пассивной фильтрацией

Метод простой пассивной фильтрации завершает эволюцию интерполяционного метода с несколькими преобразованиями [28], Это самый общий случай суммирования. Устройство синтеза (рис. 1.2а) состоит из ряда однотипных по функциям ячеек суммирования, каждая из которых включает полосовой фильтр входа ПФ_вх, усилитель входа Ус_вх, смеситель См, полосовой фильтр выхода ПФ_вых и усилитель выхода Ус_вых. В частном случае один или оба усилителя могут в ячейке отсутствовать. Иногда (низкие опорные частоты, многокварцевые МОЧ) вместо входных полосовых фильтров применяют переключатели. С МОЧ на входы ячеек поступают колебания опорных частот.

Рис. 1.2. Структурные схемы синтезатора с пассивной фильтрацией: а) простой; б) в идентичных декадах

Введем следующие обозначения: опорные частоты с МОЧ - выходные частоты ячеек - напряжения и мощности в соответствующих точках - U и Р с теми же индексами, заданный устройству диапазон частот - f_{0 мин} = f₀₁÷f_{0 макс} = f_{0 р} со средней частотой f_{0 ср}, диапазоны источников отдельных частот будем обозначать такими же индексами.

В общем случае f_0p - f₀₁ = (р-1)β₀. Наиболее распространен вариант [29]-[33], когда

где a, b, g, s, r, k - целые вещественные числа натурального ряда и, кроме того, s - r = 1.

В последние годы системы ДКСЧ, как правило, автоматизируются и, кроме того, значительное число их строится с учетом возможности дистанционного управления. Это оказалось удобным выполнить, положив в основу построения синтезаторов десятичное исчисление ([29], [34]-[40], патентные материалы к § 1.3 и др.) с прямым отсчетом выходной частоты (хотя предложены системы и с двоичным исчислением, например, [41], [42], [176] и др.). Таким образом,

кроме последней ячейки, число подаваемых опорных частот на которую может отличаться от десяти. В связи с этим показанные на рис. 1.2а ячейки суммирования образуют устройства, называемые декадами. Первая декада, как видно из рисунка, является вырожденной. Условимся называть декады, в которые не входят автогенераторы, пассивными, а декады, в которые входят автогенераторы, активными. Таким образом, декады, изображенные на рис. 1.2а, являются пассивными. В соответствии с этим синтезаторы, включающие только пассивные декады, будем называть пассивными, а синтезаторы, имеющие в своем составе хотя бы одну активную декаду, - активными.

Как следует из рис. 1.2а, наименьший интервал выходных частот получается при изменении частоты f'_q на одну ступень лишь при условии выполнения равенств (1.3), т. е.

Если число частот, поступающих на вход каждой декады, обозначить через α с соответствующим индексом, а после каждого смесителя выделять только комбинационную частоту одного знака, то число частот на выходе системы или, с учетом (1.4), Поскольку возможны случаи, когда α_k ≤ 10 и когда α_k ≥ 10, то в среднем минимальная и максимальная частоты системы отличаются на k порядков.

Остановимся на вопросе выбора опорных частот. К ним предъявляются следующие требования:

- ни эти частоты, ни их гармоники не должны попадать в полосу пропускания выходного фильтра декады;

- частоты, подаваемые на смеситель декады, должны как можно меньше отличаться друг от друга, во всяком случае не более чем в 10 раз; в последнем и близких к нему случаях смеситель декады выполняются балансным (это желательно всегда, так как снижает требования к выходному фильтру); в [34] считается, что отношение этих частот должно быть в пределах 0,9-1,0; в [31] предлагается так выбирать частоты, чтобы их разность превышала 0,05 от большей из частот; в [43] еще допускается отношение частот 8:1; для облегчения фильтрации нужных частот после смесителя устройство строится по принципу "понижающего" суммирования, т. е., во-первых, выполняется равенство (1.5) и, во-вторых, все смесители работают на сложение;

- погрешность опорных частот должна быть такой, чтобы относительная погрешность выходных частот [28] не превышала допустимого значения:

где - относительная погрешность i-й опорной частоты; - отношение i-й опорной и выходной частот; - абсолютные погрешности i-й опорной и выходной частот.

В случае применения в МОЧ единственного опорного кварцевого генератора так как относительные погрешности всех опорных частот равны относительной погрешности частоты опорного кварцевого генератора, а

Отметим достоинства и недостатки рассмотренного метода.

К его достоинствам относятся, прежде всего, высокая достоверность частоты, обеспечивающаяся отсутствием выходного напряжения при пропадании колебания любой опорной частоты (без применения специальных выключающих устройств), легкость осуществления автоматической и дистанционной установок частоты непосредственно по ее номинальному значению и возможность быстрой перестройки на любую рабочую частоту. В пассивных синтезаторах достигается самое малое время перестройки, исчисляющееся десятками микросекунд в случаях применения электронных переключателей. Это время еще более сокращается при переходе от десятичной системы набора фиксированных частот к двоичной. В последней время, необходимое на смену рабочей частоты, может составлять десятки наносекунд [41]. Кроме того, метод позволяет получить сколь угодно малый шаг дискретности выходных частот и хорошие шумовые характеристики на выходе системы.

Серьезным недостатком метода является необходимость высокой степени фильтрации колебаний опорных частот входным фильтром каждой декады и колебаний выходных частот декады ее выходным фильтром. Степень фильтрации колебаний опорных частот должна быть не хуже заданного коэффициента гармоничности для всего устройства, с учетом того, что выходной фильтр декады должен быть рассчитан на пропускание без перестройки колебаний частот, занимающих полосу, равную полному диапазону перестройки предыдущей декады. Для облегчения разработки перестраиваемого входного фильтра с точки зрения уменьшения его относительной широкополосности желательно, чтобы а с точки зрения улучшения его избирательности, чтобы Таким образом, разработка входных фильтров декад связана с большими трудностями. В случае достаточно низких частот и в многокварцевых схемах этот недостаток может быть исключен путем замены входного фильтра переключателем.

Степень фильтрации колебаний выходных частот должна быть также не хуже заданного коэффициента гармоничности выходных колебаний устройства, ибо, как очевидно, полосы пропускания фильтров декад с увеличением номера декады расширяются. С учетом же обычно получаемого отношения частот, поступающих на смеситель (около десяти), становится понятной трудность подавления побочных составляющих в таких системах, более чем на 50÷70 дБ, даже при сложных фильтрах [32], [39], [44]. Кроме того, необходимо тщательно выбирать опорные частоты для каждой декады в связи с тем, что преобразование происходит и на гармониках поступающих в смеситель колебаний. Это является большим недостатком, так как практически никогда не удается исключить "пораженные" точки во всем диапазоне. К недостаткам метода относятся также большие габариты, масса и недостаточная надежность устройства, обусловленные его многоэлементностью, большим числом переключаемых фильтров, сложностью МОЧ из-за потребности в значительном количестве опорных частот и т. д.

Метод простой пассивной фильтрации, безусловно, может быть использован в любом диапазоне частот, в том числе и на СВЧ. При этом все отмеченные достоинства и недостатки системы остаются в силе.