2.5. Сравнительная оценка компенсатора и кольца ФАПЧ

Рассмотрим применение в ЯФУ₄ и ЯФУ₅ компенсаторов или колец ФАПЧ в предположении, что в ЯФУ₁-ЯФУ₃ происходит только частичная фильтрация и отсутствует усиление колебаний опорных частот.

На рис. 2.6а изображена структурная схема компенсатора, которая выполняет функции, например, ЯФУ₅. Определим максимально возможные полосы пропускания и полосы фильтрации этой системы. Полоса пропускания ПФ₁ должна быть не уже удвоенной погрешности частоты генератора плавного диапазона, т. е.

так как вполне осуществим генератор плавного диапазона с относительной погрешностью частоты ±1⋅10^-3. Полоса фильтрации по уровню а, дБ, очевидно, должна быть П_фа1 ≤ 2β₃, где β₃ - шаг дискретности опорных частот на выходе ЯФУ₃.

Рис. 2.6. Структурные схемы выходной декады синтезатора: а) при использовании компенсатора; б) при использовании кольца ФАПЧ

Второй полосовой фильтр ПФ₂ должен пропускать без искажений любую из частот с выхода ЯФУ₄, т. е. П₂ ≥ 100β₁ = 10β₂ = β₃, где β₁ и β₂ - шаги дискретности опорных частот на выходах ЯФУ₁ и ЯФУ₂ соответственно. Он должен подавлять на а, дБ, ближайшую к f₂ побочную составляющую с частотой отстоящую на f₁, т. е. П_фа2 ≤ 2f₁.

Третий полосовой фильтр должен также иметь полосу пропускания не уже П₃ ≥ П₂ и подавлять на а, дБ, колебание частоты, отстоящей от f₃ на f₂, т. е. П_фа3 ≤ 2f₂. Так как полосы пропускания усилителей должны быть не уже полос пропускания предшествующих им фильтров, то можно определить минимальные частоты f₁, f₂ и f₃ из условия выполнения усилителя на частоту, примерно в десять раз превышающую ширину полосы пропускания. Таким образом,

Согласно рекомендациям § 1.4

Решив совместно (2.22) и (2.25), получим и а из (2.21) с некоторым запасом П₁ ≥ 2⋅10^-3f'"_{q макс}.

Теперь следует рассмотреть энергетические соотношения в системе. Если гетеродинирующими являются колебания более низких частот, то таковыми должны быть и Р₂ = Р₄К_См2К_{П Ф2}К₂, а Р₀ = Р_Г2К_См3К_{П Ф3}К₃. Обычно для нормальной работы смесителей СВЧ мощности гетеродинирующих колебаний не должны быть менее 1 мВт: Р_г1 ≈ Р₁ ≈ Р₂ ≈ 1 мВт, а превышение мощности гетеродина над мощностью "сигнала" в смесителе - не менее 10 дБ. Если принять Р_Г2 = 0,1Р_Г1, К_См1 ≈ К_См2 ≈ К_См3 ≈ -10 дБ, Р₀ ≈ 10 мВт, Р'''_q ≈ 10^-6 Вт, Р₄ ≈ 10^-4 Вт и затухание узкополосного фильтра в полосе пропускания К_ПФ1 ≈ -10 дБ, а для широкополосных фильтров К_ПФ2 = К_ПФ3 = 1, то коэффициент усиления К₁ ≈ 50 дБ, К₂ ≈ 20 дБ, К₃ ≈ 30 дБ.

Частотные соотношения в схеме можно оценить для сантиметровой декады следующим образом: f₁ ≈ 60-200 МГц, f₂ ≥ 1000 МГц, П₁ ≥ 6-20 МГц, П₂ ≥ 100 МГц, П₃ ≥ 100 МГц. П_фа1 ≤ 200 МГц, П_фа2 ≤ 120-400 МГц, П_фа3 ≤ 2000 МГц. Для декады ДМВ все эти величины оказываются на порядок меньше.

Как следует из изложенного, вопросы подавления побочных составляющих в схеме оказываются очень простыми (трудно лишь выполнить фильтр ПФ₂). Удобно так же и то, что как ГПД, так и ПФ₃ имеют только десять настроек. С точки зрения усиления выполнение усилителя напряжения при К₁ ≈ 300 не связано с трудностями, но в качестве третьего и возможно второго усилителей потребуется применить ЛБВ, что значительно усложнит устройство. Заметим, что практическая реализация третьего усилителя даже в системе ДМВ диапазона является непростой задачей, хотя устройство в этом диапазоне может быть выполнено достаточно компактным.

Нужно отметить, что из-за широких полос пропускания фильтров и отсутствия компенсации шумов ГПД компенсатор обладает довольно плохими шумовыми характеристиками.

Рассмотрим теперь применение в качестве ЯФУ₅ кольца ФАПЧ (рис. 2.6б), воспользовавшись свойством, присущим системам с ФАПЧ: возможностью работы всех смесителей на вычитание, что позволит обойтись без фильтра после См₁. Итак, на смеситель См₁ поступают опорные колебания малой мощности с ЯФУ₃ и гетеродинирующие колебания ГУН. На выходе См₁ выделяется колебание частоты поступающее на смеситель См₂. На этот же смеситель подаются также гетеродинирующие колебания с ЯФУ₄ частоты в необходимой степени очищенные от побочных составляющих. На выходе См₂ образуется колебание частоты которая сравнивается в фазовом дискриминаторе ФД с опорной частотой f₂.

Для определения полосы фильтрации воспользуемся материалами работы [131]. Если в качестве фильтра нижних частот ФНЧ применить пропорционально-интегрирующий фильтр с достаточно большим (порядка 50-100) отношением постоянных времени υ = Т₁/Т₂, то можно считать, что нормированная частотная характеристика системы определится ее предельным значением

где

- безразмерная частота помехи; F_п - частота помехи, т. е. частота, на которую отстоит побочная составляющая от основной частоты на выходе системы; ΔF_уд - полоса удержания ФАПЧ.

Полоса удержания ФАПЧ должна быть не меньше двойной погрешности частоты ГУН (обычно порядка 2⋅10^-3f₀). Частота F_п, как очевидно, равна β₃.

Пренебрежем единицей под радикалом (2.26) по сравнению со значительно большим вторым слагаемым. Тогда из (2.26) и (2.27) можно получить

Из выражения (2.28) следует, например, что для подавления побочной составляющей на 70 дБ при υ = 100 необходимо, чтобы F_п/ΔF_уд ≥ 20. Заметим, что в системе рис. 2.6б именно такое соотношение и может иметь место без учета фильтрующего действия ЯФУ₃. Однако этот вывод не вполне справедлив по двум причинам. Во-первых, выражение (2.26) не учитывает запаздывания в системе, вносимое усилителем. Реальная же частотная характеристика системы оказывается ниже, а фильтрующее действие ФНЧ, следовательно, будет больше. Во-вторых, самой опасной побочной составляющей является не та, которая отстоит от f₀ на β₃, а та, которая отстоит от f₀ на β₁. Последняя может иметь место в том случае, когда При этом борьба с ней даже с помощью кольца ФАПЧ весьма затруднена. Во избежание подобного явления, очевидно, необходимо выбрать

Выясним, каким требованиям должен отвечать фильтр в ЯФУ₃. Если выбрать f₂ = 0,5β₃, то этот фильтр должен только подавлять зеркальную помеху. Выше отмечалось, что двух- трехзвенный фильтр подавляет соседнюю составляющую на 25-50 дБ. Очевидно, такой фильтр окажется вполне удовлетворительным, гак как, во-первых, подавление зеркальной помехи не менее чем в 30 раз по напряжению обеспечит нормальную работу ФАПЧ, а, во-вторых, дополнительное подавление побочных составляющих даст возможность снизить требования к пропорционально-интегрирующему фильтру.

Определим энергетические соотношения в системе. Если для нормальной работы ФД на него с усилителя должно подаваться напряжение U₁ = 1 В, то

Отсюда

Подстановка реальных значений в (2.30) показывает, что К₁ ≈ 60 дБ. Что же касается коэффициента усиления УПТ, то с учетом реальных характеристик ГУН К₂ ≤ 100. Последнее обеспечивает однокаскадным УПТ. Общий коэффициент усиления кольца ФАПЧ по мощности может достигать 50-60 дБ.

Таким образом, дадим теперь сравнительную оценку компенсатора и кольца ФАПЧ.

1. Оба устройства активные, так как имеют по одному перестраиваемому автогенератору. С точки зрения числа перестроек предпочтение нужно отдать компенсатору, так как применение его в любой декаде требует лишь десяти перестроек, в то время как применение кольца ФАПЧ в ЯФУ₄ требует ста перестроек, а в ЯФУ₅ - тысячи.

2. В компенсаторе имеются два перестраиваемых устройства, а в кольце ФАПЧ - только одно.

3. В компенсаторе по сравнению с кольцом ФАПЧ на единицу больше смесителей и усилителей, а вместо простого ФНЧ компенсатор содержит три полосовых фильтра, из которых один перестраиваемый. Кроме того, в компенсаторе СМВ диапазона требуется применение одной-двух ЛБВ. Отсюда следует, что кольцо ФАПЧ более простое и, следовательно, более надежное устройство.

4. Фильтрующие свойства кольца ФАПЧ выше, чем компенсатора.

5. Как будет показано ниже, шумовые характеристики кольца ФАПЧ значительно лучше, чем компенсатора.

6. Время смены частот в синтезаторе с компенсаторами значительно меньше, что объясняется широкополосностью последних и независимостью настройки каждой декады от настройки предыдущих.

В заключение следует заметить, что если по заданным условиям нельзя применить простую пассивную ЯФУ, то, как правило, целесообразнее использовать кольцо ФАПЧ. Преимущество кольца ФАПЧ перед компенсатором отмечается также в [11] и [117].