Глава шестая. Магазины опорных частот систем ДКСЧ СВЧ диапазона

6.1. Основные принципы построения магазинов опорных частот

Выше были рассмотрены структурные схемы различных синтезаторов СВЧ и проанализированы требования как к самим синтезаторам, так и к колебаниям опорных частот, поступающим на них с МОЧ. Таким образом, в зависимости от типа и схемы синтезатора, известны такие параметры колебаний опорных частот, как их число, частоты, форма, мощность или амплитуда напряжения, шаг дискретности, коэффициенты гармоничности, погрешность частоты и шумовые характеристики. Этих требований вполне достаточно, чтобы синтезировать схему МОЧ.

Выше предполагалось, что в МОЧ есть один общий опорный кварцевый или квантовый генератор ГКО. Однако это не принципиальное требование, так как МОЧ может содержать несколько кварцевых генераторов, т. е. быть многокварцевым.

Рассмотрим вопрос о многокварцевости МОЧ. Например, в [28] указывается, что многокварцевые схемы МОЧ проще однокварцевых. В известной степени с этим нельзя не согласиться, так как однокварцевые схемы требуют большего числа умножителей и делителей частоты различных фильтров и т. п. Однако многокварцевые схемы только тогда оказываются проще, когда: не требуется получения высоких значений опорных частот (после кварцевых генераторов не нужно включать умножители частоты); не требуются малые погрешности опорных частот (можно применять нетермостатированные или слабо термостатированные кварцевые генераторы с переключаемыми кварцами); стоимость устройства существенного значения не имеет. Последнее можно иллюстрировать цифрами, приводимыми в [36]. В период опубликования этой статьи кварцевый генератор с нестабильностью 10^-7 стоил 200-400 английских фунтов; с нестабильностью 10^-8 - 500-800 фунтов; с нестабильностью 10^-9 - 1200-2000 фунтов, а с нестабильностью 10^-10 и ниже - более 5000 фунтов. Указанные цифры к настоящему времени изменились незначительно.

Отметим еще один недостаток многокварцевых схем. Так как в этом случае опорные частоты не находятся точно в кратных отношениях, то при любых нелинейных преобразованиях как в МОЧ, так и в синтезаторе, получается большое число колебаний очень низких комбинационных частот (квазинулевых биений), которые практически невозможно подавить.

С учетом изложенного выше становится понятным, почему многокварцевые системы применяются только в устаревшей аппаратуре.

Существует большое число различных по построению устройств, формирующих колебания опорных частот. Для возможности их сравнения попытаемся предложить единую обобщенную структурную схему МОЧ.

Разделим любой МОЧ на три составные части (рис. 6.1): эталон частоты ЭЧ, включающий кварцевый или квантовый генератор ГКО, системы термостатирования СТС и терморегулирования СТР; система генераторов опорных частот СГОЧ; система генераторов гармоник СГГ - генераторов сеток частот.

Рис. 6.1. Обобщенная структурная схема магазина опорных частот

В эталон частоты кроме упомянутых элементов могут входить также усилители, умножители частоты УЧ (если частота кварцевого генератора меньше требуемой на выходе ЭЧ частоты f_q0), делители частоты ДЧ (если частота кварцевого генератора больше частоты f_q0) и т. д. Примером применения умножителя частоты в ЭЧ может служить система [73], где f_q0 = 5 МГц, а кварцевый генератор применен на 1 МГц. Примером применения делителя частоты в ЭЧ может служить система [87], где, наоборот, f_q0 = 1 МГц, а кварцевый генератор рассчитан на 5 МГц.

В систему ГОЧ входят различные генераторы опорных частот. С выхода каждого должны сниматься гармонические или импульсные колебания одной частоты заданных амплитуды, чистоты, с заданными шумовыми характеристиками и т. д. Поэтому ГОЧ может включать в себя усилители, УЧ, ДЧ, неперестраиваемые фильтры и т. п. Как правило, в одном ГОЧ весьма редко встречаются одновременно и УЧ и ДЧ. Поэтому на рис. 6.1 в ГОЧ₁ частота, умножается на n₁, а в ГОЧ₃ - на n₃; в ГОЧ₂ частота делится на n₂, а в ГОЧ_k - на n₄. На выходе ГОЧ_k-1 частота равна f_q0 - этот ГОЧ является просто усилителем.

Генераторы опорных частот либо своими выходами включаются на входы генераторов гармоник (ГОЧ₁, ГОЧ₂, ГОЧ_k), либо выделяют колебания опорных частот на выходы МОЧ непосредственно (ГОЧ₃, ГОЧ_k-1). Последнее использование ГОЧ иллюстрируют частоты f_qн (см. рис. 1.26), f_qп и f_ФД (см. рис. 1.7г), все частоты, кроме f_qT (см. рис. 1.7б), и т. д.

Входящие в ГОЧ УЧ и ДЧ могут быть одно- и многокаскадными. Например, в [33] подчеркивается, что для более надежной работы ДЧ на десять выполнен двухкаскадным (на два и пять). В некоторых случаях (см. [91]), чтобы облегчить выполнение фильтров, в качестве УЧ предлагается использовать одночастотные системы ИФАПЧ.

Назначение генераторов гармоник - сформировать сетки частот с заданным шагом дискретности. Как правило, генератор гармоник представляет собой УЧ с апериодическим выходом и поэтому генерирует определенное число (обычно десять) гармоник частоты, которая на него подается с ГОЧ. Однако имеются примеры и другого построения генераторов гармоник. Например, на рис. 1.7б модуляторы декад выполняют функции генераторов гармоник - генерируют сетку частот с заданным шагом дискретности. Аналогичные примеры описаны в [28], [176].

Одно из основных требований, предъявляемых к генераторам гармоник, - равномерность мощности гармоник по диапазону. Для этого иногда в генераторе гармоник входное синусоидальное колебание преобразуется в импульсную последовательность с определенной формой импульсов, а уже затем эта последовательность подается на нелинейный элемент [28], [78], [175].

Даже в тех случаях, когда выходные колебания должны быть импульсными, они получаются методом формирования из синусоидальных кварцованных напряжений. При этом имеется только одна особенность: с каждого выхода МОЧ должны выдаваться импульсы лишь одной, неизменной частоты следования. Поэтому схема построения такого МОЧ проста: вначале при помощи ГОЧ получаются кварцованные синусоидальные напряжения нужных частот или их гармоник, а затем из этих напряжений формируются импульсные последовательности. Таким образом, в случае импульсных выходных напряжений генераторы гармоник в схеме МОЧ заменяются устройствами формирования импульсов, часто включающими импульсные ДЧ.

Как видно из изложенного, МОЧ представляет собой достаточно сложное устройство, включающее большое число элементов различного назначения, подробный анализ которых увел бы нас слишком далеко за рамки данной книги. С другой стороны, в таком анализе и нет необходимости, так как по каждому элементу, входящему в МОЧ, имеется большое число подробных публикаций. Поэтому в данной главе сосредоточим внимание лишь на вопросах, принципиальных для оптимального построения МОЧ, как одной из двух основных частей системы ДКСЧ СВЧ диапазона. Рассмотрим все системы, входящие в МОЧ, в соответствии с его обобщенной структурной схемой (рис. 6.1).