2.7. Примеры построения многодекадных синтезаторов СВЧ

Как следует из гл. 1 и предыдущих параграфов гл. 2, оптимальными для построения многодекадных синтезаторов СВЧ являются устройства пассивной фильтрации и кольца ФАПЧ. При анализе выяснилось, что каждая декада включает в себя две ЯФУ (первая декада оказывается вырожденной и содержит одну ЯФУ), причем входные ЯФУ декад во всех случаях пассивные, а выходные - либо также пассивные, либо активные в виде колец ФАПЧ. Поскольку вопрос построения синтезатора СВЧ рассматривался с самых общих позиций и были предприняты попытки найти наилучший вариант решения, то можно утверждать, что указанные принципы, удовлетворяющие обобщенным требованиям к синтезаторам СВЧ, являются оптимальными.

Не останавливаясь на варианте с повсеместным применением пассивных ЯФУ (он совершенно идентичен простейшей схеме рис. 1.2а), отметим достоинства полученного синтеза с ФАПЧ. С одной стороны, он проще синтезатора с повсеместным применением колец ФАПЧ (рис. 1.7в), так как вместо пяти колец содержит лишь два. С другой стороны, он не имеет недостатков, присущих методу с одним общим кольцом ФАПЧ (рис. 1.7а), и, в первую очередь, большой инерционности, что препятствует наращиванию декад. Наконец, он свободен и от основных недостатков метода с ФАПЧ в декадах при их последовательном включении (рис. 1.7б), так как, по существу, является модернизацией последнего.

Итак, наиболее приемлемыми являются два метода построения многодекадных синтезаторов СВЧ. Возникает вопрос, нельзя ли и из этих двух выбрать оптимальный, отказавшись от применения другого? Для решения этого вопроса следует сравнить их основные электрические и эксплуатационные характеристики. Такое сравнение показывает, что порядок абсолютного большинства параметров при использовании обоих методов примерно одинаковый (погрешность частоты, шумовые характеристики, шаг дискретности частот, габариты, масса, потребление энергии, надежность, сложность автоматической перестройки и дистанционного управления). И если достоверность частоты абсолютная при методе пассивной фильтрации, может быть путем введения несложной автоматики в схеме ФАПЧ увеличена до необходимого значения, то такие важнейшие параметры, как коэффициенты гармоничности и время смены рабочей частоты здесь отличаются значительно.

Выше отмечалось, что в серийных синтезаторах с простой пассивной фильтрацией даже при значительном усложнении фильтров получение коэффициентов гармоничности колебаний, превосходящих 50-60 дБ (в очень редких случаях 70 дБ), чрезвычайно затруднительно, тогда как в синтезаторах с ФАПЧ их значения могут достигать 90 дБ, а при необходимости и больше. С другой стороны, если для смены частоты в синтезаторе с простой пассивной фильтрацией требуется несколько десятков микросекунд [10], [13], [41], [50], то даже при минимальной инерционности кольца ФАПЧ, мыслимой в СВЧ системах (с двумя преобразователями частоты в кольце), только время установления синхронизма в кольце исчисляется десятками микросекунд, а время смены рабочей частоты за счет времени поиска частоты и последовательности настройки декад оказывается значительно большим; оно может достигать единиц или даже десятков миллисекунд.

Так как обычно требуются значения коэффициентов гармоничности колебаний синтезаторов СВЧ, превышающие 60 дБ, а время перестройки, меньше нескольких десятков миллисекунд, требуется довольно редко, основным методом построения многодекадных синтезаторов СВЧ следует считать метод с ФАПЧ в декадах при их последовательном включении. Впредь под активным мкогодекадным синтезатором будем понимать именно такой синтезатор.

Рассмотрим вначале пример построения активного многодекадного синтезатора сантиметрового диапазона, а затем и пассивные синтезаторы.

Итак, в качестве ЯФУ₄ и ЯФУ₅ применим кольца ЧФАПЧ, а в качестве ЯФУ₁, ЯФУ₂ и ЯФУ₃ - пассивные переключаемые фильтры, имеющие два-три звена (рис. 2.7а). В кольцо ЧФАПЧ сантиметрового ГУН (ГУН-С) входят: смесители См-С и См-Д₁, усилитель промежуточной частоты УПЧ₁, частотный ЧД₁ и фазовый ФД₁ дискриминаторы, фильтры нижних частот ФНЧ₁ и ФНЧ₂, а также усилитель постоянного тока УПТ₁. В кольцо ЧФАПЧ дециметрового диапазона входят: ГУН-Д, См-Д₂ и См-М, УПЧ₂ и УПЧ₃, ЧД₂ и ФД₂, ФНЧ₃, ФНЧ₄ и УПТ₂. Полосовые фильтры ПФ-С, ПФ-Д и ПФ-М отфильтровывают поступающие от МОЧ колебания опорных частот с шагом дискретности β₃ (сотни), β₂ (десятки) и β₁ (единицы) соответственно. Достоинством системы, как уже указывалось, является то, что все смесители работают на вычитание.

Рис. 2.7. Пример построения многодекадного синтезатора СМВ диапазона: а) активного при последовательном включении декад; б) пассивного

Рассмотрим частотообразование в системе. Выходная частота f_0i = f_IIIi сравнивается на См-С с опорной частотой

Полученная первая промежуточная частота лежащая в диапазоне ДМВ, в свою очередь, сравнивается с частотой декады десятков f_IIi в смесителе См-Д₁:

Вторая промежуточная частота в станционном состоянии системы ЧФАПЧ равна опорной частоте

Решив (2.38), (2.39) и (2.40) совместно, получим

Аналогично находим

Подставляя (2.42) и (2.41), имеем

Как видно, выражение (2.43) абсолютно идентично исходному основному уравнению системы (2.1), где т. е. частоты являются частотами сдвига. Отсюда следует еще одно преимущество схемы с ЧФАПЧ по сравнению со схемой рис. 2.3. В последней для осуществления сдвига частоты в схему вводилась специальная ЯФУ. Здесь это может быть достигнуто всего лишь изменением опорной частоты, подаваемой на ФД₁ или ФД₂, и изменением настройки частотного дискриминатора ЧД₁ или ЧД₂.

На выходе синтезатора включен ферритовый вентиль ФВ-С. Он может быть не единственным вентилем в системе, но при низком (а еще хуже меняющемся) КБВ нагрузки его включение обязательно, так как в противном случае возможен эффект длинной линии.

Следует остановиться на очень важном вопросе выбора частот f'''_q и f_II. Действительно, если частоты будут выбраны в рабочем диапазоне синтезатора, то неминуемо появление не контролируемых кольцом ФАПЧ побочных составляющих, ибо колебания частот f'''_q проходят на выход устройства, ослабляясь только развязкой между входами См-С, которая не может быть большой. Поэтому должно выполняться одно из условий:

Выполнив одно из этих условий и выбрав из (2.41) можно определить диапазон частот декады десятков f_II.

Если выходные частоты системы расположены в дециметровом диапазоне, то общая идея построения синтезатора (рис. 2.7а) остается в силе. Меняются только элементы. Это относится и к миллиметровому диапазону.

В заключение следует подчеркнуть универсальность полученной структуры синтезатора. Действительно, если требуемое число частот ограничено двумя разрядами, то для сантиметрового варианта устройства из схемы исключаются некоторые элементы дециметрового кольца, а для дециметрового - ПФ-С и сантиметровое кольца ЧФАПЧ. Наоборот, если число разрядов необходимо увеличить, то для этого достаточно добавить нужное число декад (метрового диапазона, коротковолнового и т. д.), по построению совершенно идентичных декадам рис. 2.7а, причем декада единиц во всех случаях окажется вырожденной.

Рассмотрим пример построения синтезатора с применением только пассивной фильтрации при тех же условиях (рис. 2.7б). Для возможности получения меньшего числа настроек в ЯФУ₄ и ЯФУ₅ (полосовые фильтры ПФ-Д₂ и ПФ-С₂) выберем вариант, когда смесители См-С и См-Д работают на сложение. При этом, как уже указывалось, целесообразно строить систему, используя ур-ние (2.18), т. е. гетеродинирующими должны быть колебания с частотами f_I и f_II. Поэтому после полосовых фильтров ПФ-М и ПФ-Д₂ необходимо включить усилители (с индексами М и Д соответственно). На выходе синтезатора между полосовым фильтром ПФ-С₂ и ферритовым вентилем ФВ-С также нужно включить усилитель (с индексом С).

Частотораспределение в системе определяется уравнением

Выражение (2.45) совершенно идентично основному уравнению системы (2.1) при условии равенства суммы сдвиговых частот нулю.

Из сравнения структурных схем рис. 2.7б и рис. 2.2а вытекает их полнейшая идентичность. При этом ЯФУ₁ представлена ПФ-М с усилителем Ус_М, ЯФУ₂ - только ПФ-Д₁, ЯФУ₃ - то же, только ПФ-С₁, ЯФУ₄ - фильтром ПФ-Д₂ и усилителем Ус_д и, наконец, ЯФУ₅ - фильтром ПФ-С₂ и усилителем Ус_с.

При сравнении схем рис. 2.7а и б на первый взгляд может показаться, что синтезатор на схеме рис. 2.7б проще. Однако это не так. Действительно, если для получения коэффициентов гармоничности порядка 70-80 дБ в схеме рис. 2.7а требуются двухзвенные полосовые фильтры, то в схеме рис. 2.7б - шести-, семизвенные (рис. 2.5). Если же ограничиться в схеме рис. 2.7б двух-, трехзвенными фильтрами, то можно получить коэффициенты гармоничности колебаний всего 25-50 дБ. Далее, как показано в § 2.3, усиление в ЯФУ₄ и ЯФУ₅ требуется порядка 50 дБ. Если в схеме рис. 2.7а кольцо ФАПЧ легко обеспечивает такое усиление (например, для выходной мощности 10 мВт требуется мощность огорных колебаний 0,1 мкВт), то дециметровый и сантиметровый усилители в схеме рис. 2.7б с таким усилением получаются сложными и громоздкими. Поэтому по сложности, габаритам, массе и т. д. обе схемы примерно одинаковы, если от схемы рис. 2.7б не требуются высокие коэффициенты гармоничности колебаний. Если же схема рис. 2.7б должна обеспечить такое же значение этого параметра, как и схема рис. 2.7а, то ее объемно-весовые характеристики и надежность оказываются намного хуже, чем у активного многодекадного синтезатора.

В некоторых случаях, например, в радиолокационных станциях со сменой рабочей частоты от импульса к импульсу [2] требуется очень малое время перестройки, исчисляемое сотнями наносекунд - единицами микросекунд. Для этого активный многодекадный синтезатор оказывается непригодным и практически единственным решением задачи является применение пассивного синтезатора. Однако и схема рис. 2.7б, т. е. пассивный многодекадный синтезатор, из-за относительной узкополосности фильтров также имеет слишком большое время установления колебаний. Кроме того, время, необходимое на переключение полосовых фильтров, имеющих десять настроек (положений), также велико. Для повышения быстродействия синтезатора следует отказаться от декадного способа набора выходных частот и использовать двоичный.

В качестве примера синтезатора с двоичным набором частот рассмотрим наиболее удачную структурную схему синтезатора, работающего в сантиметровом диапазоне (4,0-4,255 ГГц) с числом рабочих частот α₀ = 256, шагом дискретности β₀ = 1 МГц и временем смены рабочей частоты τ_п = 80 нс (41]. Высокое быстродействие в этой системе ДКСЧ удалось получить ценой уменьшения коэффициента гармоничности колебаний (30 дБ) и увеличения габаритов (устройство занимает целую стойку).

Структурная схема описываемого синтезатора при принятых выше обозначениях изображена на рис. 2.8. При этом следует оговориться, что как указывается в цитируемом источнике, в системе применяются широкополосные усилители, которые на структурной схеме, приводимой там, не изображены. Поэтому в схему рис. 2.8 были внесены указанные усилители в соответствии с рекомендациями, изложенными в § 2.4.

Рис. 2.8. Пример построения пассивного двоичного синтезатора СВМ диапазона

Синтезатор работает следующим образом. От МОЧ на восемь двухпозиционных переключателей опорные частоты подаются парами: f₁₀₁ = 256 МГц и f₁₀₂ = f₁₀₁ + 1 = 257 МГц; f₁₀₃ = 384 МГц и f₁₀₄ = f₁₀₃ + 2 = 386 МГц; f₁₀₅ = 384 МГц и f₁₀₆ = f₁₀₅ + 4 = 388 МГц; f₁₀₇ = 576 МГц и f₁₀₈ = f₁₀₇ + 8 = 584 МГц; f₁₀₉ = 384 МГц и f₁₁₀ = f₁₀₉ + 16 = 400 МГц; f₁₁₁ = 576 МГц и f₁₁₂ = f₁₁₁ + 32 = 608 МГц; f₁₁₃ = 576 МГц и f₁₁₄ = f₁₁₃ + 64 = 640 МГЦ; f₁₁₅ = 864 МГц и f₁₁₆ = f₁₁₅ + 128 = 992 МГц. Если более низкую частоту на выходе каждого двоичного переключателя представить логическим нулем ("0"), а более высокую - логической единицей ("1"), то любую частоту на выходе синтезатора можно изобразить в двоичном коде, т. е. управлять синтезатором можно при помощи простейшей ЭВМ непосредственно.

Далее выбранные частоты (по одной из каждой пары) попарно трижды суммируются на смесителях и образуют выходную частоту синтезатора. После первой группы смесителей имеем четыре группы по четыре частоты:

после второй - две группы по шестнадцать частот:

Наконец, на выходе синтезатора после последнего смесителя имеем 256 частот от f₀₀₀₁ = 4000 МГц до f₀₂₅₆ = 4255 МГц через 1 МГц.

Отметим две особенности системы. Во-первых, для получения высокого быстродействия применяются бинарные переключатели, фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), широкополосные смесители и широкополосные усилители. Поэтому коэффициент гармоничности колебаний и получился столь низким, а всякие попытки его увеличения путем сужения полос пропускания элементов устройства приводили к ухудшению быстродействия. Во-вторых, для формирования указанных опорных частот потребовался очень сложный и громоздкий МОЧ (его структурная схема будет приведена в гл. 6). Совместно с громоздким синтезатором он и определил габариты системы.