Глава третья. Цифровые синтезаторы СВЧ

3.1. Основная структурная схема цифрового синтезатора СВЧ и частотораспределение

Как следует из § 1.10, принципиально можно строить систему ДКСЧ с использованием цифровой фазовой автоподстройки частоты в любом диапазоне частот, в том числе и на СВЧ. Известные публикации о таких системах, правда лишь дециметрового диапазона (например, [116], [123]), относятся ко второй половине 60-х годов. Что же касается диапазона СМВ, то нам известна лишь одна статья [121] 1971 г., в которой описывается цифровой синтезатор этого диапазона. Условимся считать, что синтезаторы диапазона до 400 МГц относятся к метровому диапазону волн, к которому они ближе не только потому, что захватывают диапазон, лишь немногим превосходящий границу метрового, но и по принципам своего построения.

Так как ширина диапазона рабочих частот простейшего цифрового синтезатора не может превышать максимального быстродействия ДПКД, практически простейшие системы ЦФАПЧ на СВЧ не применимы. Выше отмечалось, что включение ДФКД перед ДПКД делает систему более инерционной и ухудшает шумовые характеристики последней. Действительно, если максимальное быстродействие современных ДПКД составляет примерно 50 МГц, то для f₀ = 5 ГГц (середина сантиметрового диапазона) потребуется ДФКД с коэффициентом деления с = 100, т. е. при прочих равных условиях полоса кольца ЦФАПЧ от этого сужается в данном примере на два порядка.

Кроме указанного принципиального недостатка следует отметить и то, что практическое выполнение делителей частоты на СВЧ до сих пор является трудно разрешимой задачей. Действительно, диапазонные регенеративные делители частоты весьма сложны, склонны к паразитным самовозбуждениям и при больших коэффициентах деления не обеспечивают необходимой достоверности постоянства заданного коэффициента деления [11]. Более перспективны генераторы субгармоник на базе синхронизируемого на субгармониках выходной частоты автогенератора. Однако достоверность работы такого делителя при больших коэффициентах деления также невысока. Следует считать, что единственно надежным в настоящее время является делитель, составленный из цепочки последовательно включенных бистабильных триггеров. Однако быстродействие триггерных делителей пока ограничено частотами 300-400 МГц, т. е. практически диапазоном метровых волн. Таким образом, признать целесообразным применение системы с ДФКД-ДПКД на СВЧ также нельзя.

Как было показано в § 1.10, система ЦФАПЧ с гетеродинированием (рис. 1.12в), хотя и более громоздкая, но обладает электрическими характеристиками, не уступающими простейшей системе. Она не ограничена быстродействием ДПКД и, следовательно, может быть использована в синтезаторах СВЧ. Однако применение этой системы на СВЧ имеет свои особенности. Во-первых, поскольку ширина диапазона рабочих частот П₀ = f_{0 макс} - f_{0 мин} на СВЧ практически всегда превышает быстродействие ДПКД f_{ДП макс}, гетеродинирование должно осуществляться не одной частотой, а сеткой опорных частот f_q^(k) (как в старшей декаде многодекадной системы ДКСЧ). Во-вторых, шаг дискретности указанной сетки β_k не должен превосходить ширину диапазона устойчивого деления ДПКД f_{ДП макс} - f_{ДП мин}, т. е. практически β_k < 30-40 МГц. Обычно ширина диапазона рабочих частот составляет 10-20%. Поэтому столь малый шаг дискретности опорных частот резко усложнит как синтезатор, так и МОЧ. Если же выбрать этот шаг β_k > f_{ДП макс} - f_{ДП мин}, то перед ДПКД придется включить ДФКД в виде одного или двух триггеров. Столь малый коэффициент деления ДФКД (с = 2 или с = 4), во-первых, заметно не ухудшит электрические характеристики системы и, во-вторых, по мере освоения промышленностью более быстродействующих ДПКД сначала ДФКД выродится в один триггер (с = 2), а затем и вовсе сможет быть исключен из схемы.

Таким образом, типичная для СВЧ структурная схема цифрового синтезатора может быть изображена так, как показано на рис. 3.1а. Для этой системы

Рис. 3.1. Структурные схемы цифрового синтезатора СВЧ: а) с одним гетеродинированием; б) с двумя гетеродинированиями

Совместное решение (3.1) и (3.2) дает

Но

Тогда из (3.3) и (3.4) коэффициент деления ДПКД

Во второй главе были определены критерии [ф-ла (2.44)] выбора опорных частот, обусловливающие отсутствие неконтролируемых кольцом ФАПЧ побочных составляющих на выходе синтезатора. Посмотрим, как эти критерии выполняются в схеме рис. 3.1а. Так как

то, подставляя (3.6) в (3.1), получим

Но

Из (2.44) следует, что необходимо выполнить условие Если в последнем выражении принять экстремальный случай (неравенство заменить равенством) и с учетом этого подставить (3.8) в (3.7), то окажется, что

Однако, как правило, в СВЧ системах П₀ >> f_{ДП макс}. Поэтому либо коэффициент деления ДФКД нужно выбирать достаточно большим, либо условие (2.44) в системе рис. 3.1а может быть выполнено лишь в частном случае.

Здесь было принято, что Однако и при можно придти к тем же выводам.

Выше было показано отрицательное влияние ДФКД на параметры системы, особенно при большом с. Нельзя рассчитывать и на резкое увеличение быстродействия ДПКД в ближайшем будущем. Поэтому система рис. 3.1а может применяться лишь в узкодиапазонном синтезаторе.

Так как выполнение одного из неравенств (2.44) следует считать обязательным, необходимо опорные частоты f'_q транспонировать "вверх" или "вниз" за пределы рабочего диапазона синтезатора, а если синтезатор работает на смеситель приемника или передатчика, то и за пределы рабочего диапазона несущих частот радиолинии. При этом, как очевидно, условия (2.44) необходимо дополнить еще одним неравенством

Структурная схема цифрового синтезатора СВЧ диапазона с указанным транспонированием опорных частот изображена на рис. 3.1б. Как видно из рисунка, в систему введено еще одно преобразование частоты при помощи новой опорной частоты f'_q. Частотные соотношения для системы рис. 3.1б:

Совместное решение ур-ний (3.11)-(3.13) дает

Но

Тогда из (3.14) и (3.15) коэффициент деления ДПКД

причем пределы его изменения определяются следующим образом:

где β₂ - шаг дискретности опорных частот f"_q.

Так как первая и вторая промежуточные частоты меняются при перестройке ГУН в пределах β₂, то полосы пропускания УПЧ₁ и УПЧ₂

Итак, структурную схему рис. 3.1б будем считать основной структурной схемой цифрового синтезатора СВЧ.