Глава вторая. Многодекадные синтезаторы СВЧ

2.1. Обобщенная структурная схема системы ДКСЧ СВЧ диапазона

Рассмотренные в гл. 1 системы отличаются в основном принципом фильтрации и усиления колебаний. Эти схемы можно свести к четырем видам:

- пассивный перестраиваемый или неперестраиваемый фильтр с перестраиваемым или неперестраиваемым усилителем;

- компенсатор (двойной компенсатор, изображенный на рис. 1.3б, можно считать компенсатором с большей степенью фильтрации);

- кольцо ФАПЧ (кольцо ИФАПЧ можно считать разновидностью кольца ФАПЧ с одновременным умножением частоты; кольца ЧФАПЧ можно считать кольцом ФАПЧ с полосой захвата, равной полосе удержания);

- кольцо ЧАП.

Как было показано выше, применение ЧАП в современных синтезаторах нецелесообразно, так как она имеет ряд серьезных недостатков. Поэтому речь может идти только о трех видах устройств: о пассивном фильтре с усилителем, компенсаторе и кольце ФАПЧ. Для удобства синтеза систем ДКСЧ эти три разновидности устройств можно свести к одной эквивалентной ячейке фильтрации и усиления ЯФУ со следующими параметрами: П - полоса пропускания по уровню -3 дБ; П_фа - полоса фильтрации по уровню а, дБ; Δf_ф = 0,5П_фа - расстройка, равная половине полосы фильтрации; К_п - коэффициент передачи.

Ячейки могут быть перестраиваемыми и неперестраиваемыми, причем, как очевидно, компенсатор и кольцо ФАПЧ целесообразно применять только как перестраиваемую ЯФУ. Напомним, что ЯФУ, в состав которой входит автогенератор, называется активной (компенсатор, кольцо ФАПЧ). Отсюда следует, что пассивный фильтр или комбинация пассивный фильтр - усилитель - суть пассивные ЯФУ.

На выходе системы необходимо получить колебания заданной частоты f_0i, которая должна меняться α₀ раз дискретно с шагом β₀; заданной мощности Р₀, с коэффициентом гармоничности не менее γ₀; с шумовой девиацией частоты не более σ_0f и с относительной погрешностью частоты не более ±δf₀

Структурная схема простейшей системы, способной принципиально обеспечить формирование колебаний с перечисленными выше параметрами, изображена на рис. 2.1. Действительно, для этого эталон частоты ЭЧ должен генерировать колебания частоты f_q0, кратной частоте β₀. Эта частота в генераторе опорной частоты ГОЧ умножается или делится до частоты β₀ и подается на генератор гармоник ГГ. С выхода последнего (т. е. с выхода МОЧ) на устройство синтеза, которое здесь выродилось в одну ЯФУ, подается сетка из α₀ частот f₀ с шагом дискретности β₀. Задачами ЯФУ, имеющей α₀ перестроек, являются фильтрация колебания несущей частоты f_0i от побочных составляющих вида ±nβ₀ (n = 1, 2, 3, ...) в γ₀ раз и усиление до величины Р₀ мощности колебаний, поступающих с генератора гармоник.

Рис. 2.1. Структурная схема простейшей системы ДКСЧ

Однако указанную простейшую схему нельзя считать обобщенной, так как с увеличением несущей f₀ и числа частот α₀, а также с уменьшением шага дискретности β₀ потребуется увеличивать коэффициенты умножения частоты генератором гармоник. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению выходной мощности последнего и, следовательно, к необходимости увеличения коэффициента передачи ЯФУ. Далее, увеличение γ₀ и уменьшение β₀ потребует сужения полосы фильтрации ЯФУ. В конце концов, из-за уменьшения β₀ при ограниченной полосе П_фа побочные составляющие образуют с f_0i столь низкочастотные биения, что никогда практически не смогут быть подавлены.

Поясним изложенное примером. Пусть требуется получить f_0i = 6000 МГц, δf₀ = ±1⋅10^-7, β₀ = 1 МГц, P₀ = 10 мВт, γ₀ = 70 дБ, σ_0f = 100 Гц. Для этого случая частота на выходе ГОЧ должна быть β₀ = 1 МГц. Если выбрать частоту эталона, например, f_q0 = 10 МГц, то ГОЧ должен содержать делитель частоты на десять. Следовательно, коэффициент умножения частоты генератором гармоник m = 6000. При этом выходная мощность генератора гармоник может оказаться не более 10^-10-10^-12 Вт, т. е. коэффициент передачи ЯФУ должен быть порядка K_п ≈ 80-100 дБ. Из-за малого β₀ и большого γ₀ возможность физической реализации фильтра в ЯФУ вызывает сомнение. Для получения заданного значения σ_0f при m = 6000 даже без учета шумов, вносимых другими устройствами, шумовая девиация частоты эталона не должна превышать 0,2 Гц, что эквивалентно кратковременной нестабильности частоты этого генератора 2⋅10^-8.

Приведенный пример, основу которого составили весьма средние требования к выходным параметрам устройства, показал, что простейшая система (см. рис. 2.1) может представлять лишь частный случай общей системы при малом α₀, большом β₀, не очень высоких несущих частотах и нежестких нормах на коэффициент гармоничности колебаний. Другими словами, для физической реализании системы, отвечающей любым требованиям, необходимо все опорные частоты разбить на несколько групп, подать каждую группу на отдельную ЯФУ, а затем из выходных частот ЯФУ сформировать нужные выходные частоты. Однако коль скоро оказывается необходимым так или иначе группировать опорные частоты, то можно утверждать, что в общем случае построения синтезаторов СВЧ целесообразно использовать широко применяющуюся в практике ДКСЧ коротких КВ и метровых МВ волн систему декад. При этом необходимо стремиться к уменьшению числа декад, что естественно с точки зрения уменьшения габаритов, массы, потребления энергии и увеличения надежности системы. Последнее связано с особенностью построения и использования радиоаппаратуры СВЧ диапазона в отличие от устройств диапазонов КВ и МВ. Поясним это на примере связной аппаратуры.

Так как в КВ и МВ прямых связях корреспонденты могут иметь аппаратуру различных типов, оказалось удобным градуировать шкалы устройств непосредственно в килогерцах (мегагерцах). При этом для сокращения количества декад числа, обозначающие частоты, во всех радиостанциях последних годов выпуска оканчиваются нулями. Действительно, например, если сетка частот имеет шаг дискретности 100 Гц (соседние частоты 31153,200 кГц и 31153,300 кГц), то, чтобы набрать первую частоту, требуется шесть декад (I - 30000,000 кГц; II - 1000,000 кГц; III - 100,000 кГц; IV - 50,000 кГц; V - 3,000 кГц; VI - 0,200 кГц), а если числа, обозначающие частоты, оканчиваются не нулями (соседние частоты близки к первым 31153,215 кГц и 31153,315 кГц), то, чтобы набрать снова первую частоту, требуется уже восемь декад (дополнительно к шести означенным еще VII - 0,01 кГц и VIII - 0,005 кГц).

Аппаратура СВЧ, как правило, достаточно широкополосна, а диапазон рабочих частот весьма редко превышает 0,1-0,2 от средней частоты. Поэтому число рабочих частот СВЧ синтезаторов в ближайшем будущем вряд ли превысит 1000. Кроме того, как правило, у корреспондентов находится однотипная аппаратура. Поэтому нет необходимости градуировать шкалы возбудителей (гетеродинов) СВЧ устройств в номинальных значениях частот - аппаратура окажется проще, если ее градуировать в номерах фиксированных частот с декадным набором не частот, а их номеров Числа, обозначающие номинальные значения частот, в данном случае не обязательно должны оканчиваться нулями, хотя с целью унификации МОЧ это весьма желательно. Заметим, что все изложенное выше не относится к измерительным генераторам с ДКСЧ, работающим в СВЧ диапазоне. Их шкалы необходимо градуировать в номинальных значениях частот. Однако, как известно, измерительная аппаратура, хотя подчас и имеет характеристики, превышающие параметры основной радиотехнической аппаратуры, но не представляет какого-нибудь одного раздела радиотехнических устройств (в данном случае систем ДКСЧ). Это объясняется тем, что ее электрические характеристики, не говоря уже об эксплуатационных, слишком далеки от тех, которые имеет основная радиотехническая аппаратура.

Таким образом, обобщенная структурная схема системы ДКСЧ СВЧ диапазона должна содержать синтезатор, состоящий из ряда декад (одной, двух, трех, крайне редко - четырех), так или иначе связанных между собой, и МОЧ, с которого на каждую декаду синтезатора должны подаваться колебания опорных частот. Число последних, равно как и их параметры, определяются, во-первых, методом синтеза частот и, во-вторых, требованиями к параметрам всей системы ДКСЧ в целом.

В результате анализа различных методов синтеза частот, проведенных в гл. 1, можно прийти к общему выводу: все методы имеют свои достоинства и свои недостатки. Поэтому нельзя говорить об абсолютном преимуществе какого-либо одного метода перед другими, и при решении конкретной задачи нужно выбирать наиболее оптимальный метод построения синтезатора, а с ним и всей системы ДКСЧ.

Рассмотрим объективные методы построения синтезаторов СВЧ с самых общих позиций. Для правильного и полного построения синтезатора необходимо решить, как минимум, следующие задачи:

- осуществить частотообразование внутри системы;

- распределить уровни в системе;

- определить подавление побочных составляющих;

- рассчитать шумовые характеристики системы.

Очевидно, что одновременное решение указанных вопросов в общем виде является вряд ли разрешимой задачей. С другой стороны, при определенных условиях решение методом последовательных приближений может оказаться значительно проще и позволит более ясно вскрыть физическую сущность процессов в системе. Поэтому выберем второй путь решения задачи. При этом ограничимся наиболее близким к практике случаем, т. е. будем предполагать, что максимальное число рабочих частот в СВЧ синтезаторе не превышает 1000.