Глава пятая. Анализ колец ФАПЧ синтезаторов СВЧ

5.1. Особенности колец ФАПЧ, применяемых в синтезаторах СВЧ

Как следует из предыдущих глав, кольца ФАПЧ являются одними из основных систем, входящих в активные синтезаторы СВЧ. При этом в многодекадных синтезаторах используются аналоговые, а в цифровых - цифровые системы ФАПЧ (в многокольцевых цифровых синтезаторах наряду с ЦФАПЧ используется также аналоговая ФАПЧ).

Так как теория и техника указанных разновидностей ФАПЧ исследована весьма досконально, целью данной главы будет лишь выяснение особенностей построения и задания параметров колец ФАПЧ, применяемых в синтезаторах СВЧ диапазона.

Наиболее подробно теория и расчет аналоговой ФАПЧ разработаны для простейшей системы без преобразования частоты, в которой колебания ГУН подаются непосредственно на фазовый дискриминатор и, кроме этих элементов, кольцо включает в себя лишь фильтр нижних частот и усилитель постоянного тока, причем последний нередко относится к ГУН.

Самым распространенным является анализ простейшего кольца ФАПЧ как узкополосного фильтра, т. е. колебание опорной частоты считается "загрязненным" побочными составляющими и шумами, а ГУН - нешумящим, но имеющим в спектре фоновые составляющие. В результате расчета кольца при таких исходных данных на выходе требуется получить колебания, очищенные от побочных составляющих и шумов, содержащихся в колебаниях опорной частоты, и фонов, содержащихся в колебаниях ГУН. Таким образом, кольцо должно быть как можно более узкополосным, и расширение его полосы допускается только с целью получения достаточной полосы захвата и необходимого быстродействия (скорости установления синхронизма в системе). Последняя задача успешно решается применением пропорционально-интегрирующего фильтра нижних частот. Значительное место в анализе и расчете таких систем отводится вопросам устойчивости.

Изложенное в полной мере относится к опубликованным данным по анализу и расчету колец ЦФАПЧ с той лишь разницей, что между ГУН и фазовым дискриминатором включается ДПКД, а нередко и комбинация ДФКД-ДПКД.

Рассмотрим особенности построения колец ФАПЧ и ЦФАПЧ, применяемых в синтезаторах СВЧ. В первую очередь, нужно отметить наличие преобразований частоты, причем в общем случае таких преобразований используется два. Вслед за смесителями включаются УПЧ, которые, как известно, являются инерционными звеньями. Наличие инерционных элементов в кольце автоматического регулирования вносит запаздывание отклика системы на возмущение регулируемого параметра, что уже само по себе для обеспечения устойчивости системы требует применения ФНЧ, причем, чем больше указанное запаздывание, тем более узкой должна быть полоса пропускания ФНЧ.

Как указывалось выше, при разработке диапазонных ГУН СВЧ диапазона крайне трудно добиться того, чтобы их шумовые характеристики не превышали бы значений, заданных на выходе системы ДКСЧ. Проще выполнить малошумящим эталон частоты. Поэтому другой особенностью колец ФАПЧ СВЧ синтезаторов является необходимость создания столь широкой полосы пропускания кольца, при которой в заданной информационной полосе частот радиолинии собственные шумы ГУН компенсировались бы кольцом, а шумы колебаний опорных частот пропускались бы на выход устройства. Основная трудность при этом заключается в сочетании расширения полосы пропускания кольца с высокой степенью подавления побочных составляющих, содержащихся в колебаниях опорных частот. Как будет показано ниже, эта трудность усугубляется требованием широкой полосы удержания для компенсации больших абсолютных нестабильностей частот ГУН СВЧ диапазона. Следует, однако, отметить, что из-за того, что полосы удержания значительно превосходят полосы пропускания колец ФАПЧ, последние могут быть отнесены к разряду узкополосных.

Наконец, если при абсолютно узких полосах пропускания простейших систем ФАПЧ постоянными времени нагрузки фазового дискриминатора и УПТ обычно можно пренебречь, то этого нельзя делать при анализе и расчете колец ФАПЧ, применяемых в синтезаторах СВЧ (здесь "узкополосность" колец можно назвать лишь условной).

Кроме того, поскольку параметры колец ФАПЧ (ЦФАПЧ) во времени не остаются постоянными, то можно прийти к выводу, что рассматриваемые системы являются нелинейными системами автоматического регулирования с запаздывающей обратной связью и переменными параметрами. Анализ таких систем автоматического регулирования, как правило, представляет собой чрезвычайно сложную задачу и даже для частных случаев обычно служит предметом самостоятельных исследований. С другой стороны, так как изменения параметров колец невелики и скорость этих изменений по сравнению со скоростью протекающих в них процессов чрезвычайно мала, то для облегчения решения задачи допустимо считать системы ФАПЧ системами с постоянными параметрами и фактическое изменение последних при расчете учитывать как допуски. Кроме того, как будет показано ниже, в ряде случаев удается нелинейные кольца ФАПЧ свести к квазилинейным, а запаздывающую обратную связь учитывать лишь при расчете устойчивости системы.

Как уже отмечалось, при анализе структурных схем многодекадных и цифровых активных синтезаторов СВЧ, на кольца ФАПЧ, входящие в их состав, подаются колебания трех опорных частот одновременно. Анализу и расчету требований, предъявляемых к параметрам этих колебаний и, в первую очередь, к их коэффициентам гармоничности и шумовым характеристикам, посвящена предыдущая глава. Здесь же, на основе полученных результатов будет проведен анализ и намечены пути инженерного расчета параметров как в целом колец ФАПЧ и ЦФАПЧ, так и входящих в них элементов.