6.3. Системы генераторов опорных частот

При анализе возможных вариантов построения синтезаторов, наиболее перспективных для применения в системах ДКСЧ СВЧ диапазона, было показано, что таковыми целесообразно иметь следующие четыре: многодекадный активный и пассивный и цифровые однокольцевой и двухкольцевой. Из рассмотрения и анализа структурных схем этих типов синтезаторов вытекает, что для нормального функционирования последних требуются различающиеся для каждого варианта опорные частоты как по числу, так и по параметрам. Следовательно, схемы и параметры МОЧ для каждого варианта будут различными. При этом различия не касаются эталона частоты (основные параметры ЭЧ - погрешность и кратковременная нестабильность частоты, - для всех систем требуются практически одинаковыми) и, как увидим ниже лишь частично, - системы генераторов гармоник. Следовательно, основные различия в МОЧ распространяются на систему генераторов опорных частот (ГОЧ).

Рассмотрим системы ГОЧ для каждого из названных выше вариантов синтезаторов.

Начнем рассмотрение с базового варианта системы ГОЧ, предназначенной для совместной работы с активным многодекадным синтезатором СВЧ (см. рис. 2.7). Как следует из этого рисунка, с МОЧ на синтезатор должны подаваться пять колебаний (групп колебаний): Поэтому в системе должно быть пять ГОЧ. Так как представляют собой сетки частот с шагом дискретности β₁, β₂ и β₃ соответственно, то выходные частоты ГОЧ должны быть: β₁, β₂, β₃, f"_qпр2 и f'''_qпр2.

Для образования колебаний указанных опорных частот частота ЭЧ f_q0 должна находиться с ними в точных кратных отношениях. В частности, она может быть равна одной из этих частот. Целесообразно, чтобы f_q0 была равна одному из значений шага дискретности сеток опорных частот.

Вначале рассмотрим вариант формирования системы ГОЧ, положив в основу равенство

Если учесть (2.10), т. е. декадность системы, то окажется, что ГОЧ(β₁) - усилитель колебаний частоты f_q0; ГОЧ(β₂) - умножитель частоты f_q0 на десять и ГОЧ(β₃) - умножитель частоты f_q0 на сто. Так как в системе принято условие (4.36), то есть умножитель частоты f_q0 на пятьдесят, а ГОЧ(f"_qпр2) - умножитель частоты f_q0 на пять.

Рассмотрим, какие требования должны быть предъявлены к каждому ГОЧ. Как показали эксперименты, для того, чтобы генератор гармоник генерировал колебания мощностью порядка 1÷10 мкВт на 50-60 гармониках, на его вход необходимо подавать мощность около 50÷100 мВт, т. е. коэффициент передачи генератора гармоник оказывается порядка 5⋅10^-4÷10^-5.

Если обратиться к выражению (4.60), то для получения подавления побочных составляющих на выходе синтезатора порядка 70÷80 дБ при υ = 100, ΔF_уд ≈ 2⋅10^-3 ≈ 10 МГц, F_п = f_q0 ≈ 1 МГц требуется иметь подавление побочных составляющих на выходе генератора гармоник "сотен" 60÷70 дБ. При m ≈ 60 из (4.13) получим, что дополнительная фильтрация на выходе ГОЧ(β₃) должна быть не меньше 36 дБ, т. е. подавление побочных составляющих вида ±f_q0 в колебаниях частоты β₃ выражается, как 96÷106 дБ.

Из (4.60) и тем более из (4.69) видно, что на выходе декады "десятков" подавление побочных составляющих вида ±f_q0 должно быть не более 50÷60 дБ. Следовательно, на выходе генератора гармоник "десятков" требуется подавление таких побочных составляющих всего на 25÷30 дБ, что вытекает лишь из требований правильной настройки декады "десятков". Поэтому на выходе ГОЧ(β₂) нужно иметь коэффициент гармоничности по помехе вида ±f_q0 65÷70 дБ.

На основании равенства (4.57) заключаем, что необходимая степень подавления побочных составляющих вида ±f_q0 в колебаниях частоты f'''_qпр2 равна этому подавлению в колебаниях частоты f'''_q - 60÷70 дБ, а в напряжении частоты f"_qпр2, как и в колебаниях частоты f"_q, - 25÷30 дБ.

В соответствии с предъявленными выше требованиями можно представить себе примерную структурную схему системы ГОЧ. На входе системы должен быть включен усилитель напряжения частоты f_q0, с выхода которого мощности разделяются и подаются на входы всех ГОЧ.

ГОЧ(β₁) должен усиливать колебания частоты f_q0 примерно до 50÷100 мВт.

ГОЧ(β₂) должен иметь в своем составе умножитель частоты f_q0 на десять, ПФ на частоту 10f_q0 с полосой фильтрации по уровню 70 дБ П_Ф70 = 2f_q0 И усилитель с выходной мощностью 50÷100 мВт.

ГОЧ(β₃) придется иметь не менее чем двухступенным. Действительно, если умножать частоту f_q0 сразу на сто, то потребуется ПФ на частоту 100 f_q0 с полосой фильтрации по уровню 100 дБ П_Ф100 = 2f_q0. Такой фильтр в настоящее время разработать вряд ли возможно. Если же применить двухступенную схему ГОЧ с включением в каждую ступень УЧ на десять, полосового фильтра и усилителя, то выполнение ГОЧ станет более реальным. Коэффициент передачи УЧ на десять можно оценить величиной 10^-2, т. е. фильтр первой ступени должен быть настроен на частоту 10f_q0 и иметь полосу фильтрации по уровню 100 дБ П_Ф100 = 2f_q0. При этом предполагается, что заданное на выходе ГОЧ подавление побочных составляющих вида ±f_q0 осуществляется фильтром первой ступени (сосредоточенная селекция). Можно легко показать, что фильтр второй ступени, настроенный на частоту 100 f_q0, должен иметь полосу фильтрации по уровню 70 дБ, равную П_Ф70 = 20 f_q0. Выходной усилитель ГОЧ должен обеспечивать мощность 50÷100 мВт.

По тем же соображениям ГОЧ(f'''_qпр2) должен строиться двухступенным, умножитель на десять - фильтр с П_Ф70 = 2f_q0 и умножитель на пять - фильтр с П_Ф60 = 20 f_q0. На выходе ГОЧ должен быть усилитель, обеспечивающий на входе фазового дискриминатора напряжение около 1 В.

Устройство ГОЧ(f"_qпр2) должно включать умножитель частоты f_q0 на пять, полосовой фильтр с П_Ф30 = 2 f_q0 и УС с выходным напряжением 1 В.

Общая структурная схема системы ГОЧ по рассчитанному варианту изображена на рис. 6.6. Как видно из рис. 6.6, из-за одинаковых требований к фильтрам ГОЧ (β₂) и первой ступени ГОЧ(f'''_qпр2), оказалось возможным в качестве первой ступени ГОЧ(f'''_qпр2) использовать ГОЧ(β₂). В схеме подразумевается применять пассивные разделители мощности (Р) на два направления без потери мощности.

Рис. 6.6. Структурная схема системы ГОЧ для активного многодекадного синтезатора СВЧ. Вариант f_q0 = β₁

Теперь сформируем систему ГОЧ, положив в основу равенство

В этом варианте ГОЧ(β₁) - делитель частоты f_q0 на десять; ГОЧ(β₂) - усилитель колебаний частоты f_q0; ГОЧ(β₃) - умножитель частоты f_q0 на десять; ГОЧ(f'''_qпр2) - умножитель f_q0 на пять и ГОЧ(f"_qпр2) - делитель частоты f_q0 на два. Очевидно, что требования к выходным колебаниям ГОЧ остаются такими же, как и в предыдущем варианте.

Так как в ГОЧ(β₁) требуется применить ДЧ на десять, то для надежной работы он строится двухступенным: в первой ступени частота f_q0 делится на два, напряжение фильтруется, а во второй ступени происходит дальнейшее деление частоты на пять. После делителей частоты должны быть включены фильтры, обеспечивающие подавление побочных составляющих вида +0,5f_q0 и +0,4f_q0. Перед делителями частоты должны также стоять фильтры, соответственно подавляющие побочные составляющие вида ±0,5f_q0 и ±0,1f_q0. Степень подавления может быть выяснена только после выбора конкретных схем делителей частоты. Однако в других ГОЧ не должны попадать колебания с частотами 0,5f_q0 и 0,1f_q0.

Остальные ГОЧ строятся по описанному выше принципу или по принципам, заложенным в системе ГОЧ первого варианта. Структурная схема системы ГОЧ второго варианта изображена на рис. 6.7.

Рис. 6.7. Структурная схема системы ГОЧ фильтра для активного многодекадного синтезатора СВЧ. Вариант f_q0 = β₂

Наконец, выберем

В этом варианте ГОЧ(β₃) - усилитель напряжения частоты f_q0; ГОЧ(f'''_qпр2) - делитель частоты f_q0 на два; ГОЧ(β₂) - делитель частоты 0,5f_q0 на пять; ГОЧ(f"_qпр2) - делитель частоты 0,1f_q0 на два и ГОЧ(β₁) - делитель частоты 0,05f_q0 на пять. Структурная схема этого варианта системы ГОЧ представлена на рис. 6.8. Как видно из рисунка, система построена на базе делителей частоты. Так как делители частоты в настоящее время мыслятся триггерными, выполненными на базе интегральных микросхем, то этот вариант системы представляется наиболее заманчивым. К полосовым фильтрам, включенным после делителей частоты, не предъявляется жестких требований - они должны лишь выделить первые гармоники частот импульсных последовательностей. Напротив, полосовые фильтры на входах делителей частоты должны быть достаточно селективными, чтобы воспрепятствовать проникновению низких частот в более высокочастотные ГОЧ. В этом плане преимущество имеет схема последовательного деления частоты (как изображено на рис. 6.8) по сравнению со схемой параллельной подачи на все ГОЧ частоты f_q0 и деления последней сразу на полные коэффициенты деления, т. е. на 1, 2, 10, 50 и 100. В частности, при делении на 100 мы встретились бы с такими же трудностями в выполнении входного ГОЧ(β₁), как и В выполнении выходного фильтра ГОЧ(β₃) в первом варианте системы ГОЧ.

Рис. 6.8. Структурная схема системы ГОЧ для активного многодекадного синтезатора СВЧ. Вариант f_q0 = β₃

Заметим, что в варианте рис. 6.8 некоторые входные полосовые фильтры ГОЧ можно заменить фильтрами верхних частот, что упрощает конструкцию системы.

Сравним рассмотренные варианты системы ГОЧ по числу элементов (табл. 6.3).

Таблица 6.3

Как следует из табл. 6.3, наиболее проста система ГОЧ, построенная в соответствии с (6.16). Она и более предпочтительна в том смысле, что не содержит узлов, трудных в исполнении. С другой стороны, видимо система, построенная на основании равенства (6.17), может быть более компактной. При выборе варианта системы следует также иметь в виду, что высококачественные ГКО в настоящее время могут быть выполнены лишь на частоты f_q0 = 1÷10 МГц. В этом плане для системы ДКСЧ диапазона СМВ предпочтение нужно отдать варианту, построенному по (6.16).

Рассмотрим теперь систему ГОЧ для пассивного многодекадного синтезатора, построенного по структурной схеме рис. 2.7б. Как следует из этой схемы, на входы синтезатора должны подаваться колебания опорных частот в виде трех сеток: f'_q, f"_q, f'''_q с шагом дискретности β₁, β₂ и β₃ соответственно. Следовательно, система ГОЧ должна включать три ГОЧ: ГОЧ(β₁), ГОЧ(β₂) и ГОЧ(β₃), что достигается исключением из схем рис. 6.6 - рис. 6.8 ГОЧ, формирующих колебания опорных промежуточных частот. При этом остальная часть схемы рис. 6.6 практически не изменена (лишь исключается один разветвитель колебаний f_q0 и из ГОЧ(β₂) исключается один разветвитель и один усилитель). В схеме рис. 6.7 на ГОЧ(β₁) подается колебание частоты f_q0, в связи с чем в этом ГОЧ делитель частоты на пять заменяется делителем на десять (или вводится дополнительно ДЧ на два). Схема же рис. 6.8 меняется более радикально: и в ГОЧ(β₁) и в ГОЧ(β₂) вместо ДЧ на пять включаются ДЧ на десять с подачей на вход ГОЧ(β₂) колебаний частоты f_q0 с разветвителя системы, а на вход ГОЧ(β₁) - частоты 0,1f_q0 с выхода ГОЧ(β₂).

Так как в синтезаторе практически не подавляются побочные составляющие вида ±f_q0, то они должны быть ослаблены в нужной степени в системе ГОЧ (с учетом того, что в системе генераторов гармоник коэффициенты гармоничности колебаний уменьшаются). Это требование налагает на селективность фильтров системы повышенные требования так, что схема рис. 6.6 оказывается практически неприемлемой. Сравнение систем, построенных на основании (6.16) и (6.17), может быть окончательно проведено при расчете конкретных устройств, но в большинстве случаев предпочтение следует отдать системе по (6.16).

Обратимся к построению систем ГОЧ для цифровых синтезаторов СВЧ. Вначале рассмотрим систему ГОЧ для синтезатора, выполненного по структурной схеме рис. 3.1б, помня, что необходимы две опорных частоты f'_q с шагом дискретности β₁ = 0,5β₂ и что в синтезаторе применен ДФКД с с = 2.

Если, как и ранее, предположить, что система ДКСЧ должна иметь на выходе α₀ = 1000 частот, то соотношение между β₂ и f_qпр3 должно составлять 200, а система ГОЧ должна содержать три ГОЧ: ГОЧ(β₁), ГОЧ(β₂) и ГОЧ(f_{q пр3}).

Анализ системы ГОЧ для активного многодекадного синтезатора, выполненный в соответствии с равенством (6.15), показывает, что в рассматриваемом случае выбирать f_q0 = f_{q пр3} = 0,5β₀ неразумно, ибо при умножении частоты f_q0 на 200 создаются еще большие трудности при выполнении полосовых фильтров, чем при умножении на 100. Также преждевременно выбирать f_q0 = β₂. Целесообразнее выбирать частоту ЭЧ либо равной β₁ = 0,5β₂, либо имея в виду качество выполнения ГКО:

Структурная схема системы ГОЧ при таком выборе эталонной частоты может быть представлена так, как изображено на рис. 6.9. Как видно из сравнения рис. 6.9 с рис. 6.7, ГОЧ(β₂) и ГОЧ(β₁) на рис. 6.9 по построению тождественны ГОЧ(β₃) и ГОЧ(f'''_{q пр2}) на рис. 6.7 соответственно. Что же касается построения ГОЧ(f_{q пр3}), то в качестве делителя частоты на 20 целесообразно использовать триггерный делитель, а ПФ на его выходе необходим только в том случае, если в качестве напряжения опорной частоты на ФД синтезатора подается напряжение синусоидальной формы. Если используется импульсное напряжение, то ПФ включаться не должен.

Рис. 6.9. Структурная схема системы цифрового однокольцевого синтезатора СВЧ

Селективность ПФ, включенного на входе ДЧ на 20, определяется двумя параметрами: уровнем напряжения частоты f_{q пр3}, проникающего с выхода ДЧ на вход последнего, и допустимыми уровнями побочных составляющих вида ±f_{q пр3} в колебаниях частот β₁ и β₂. Если последние легко рассчитать, то обратная проводимость ДЧ для колебаний частоты f_{q пр3} зависит от примененных в делителе микросхем, монтажной схемы делителя и т. п. и поэтому может быть определена только экспериментально. Следует отметить, что поскольку кольцо ЦФАПЧ рассчитывается на полное подавление помех с частотой f_{q пр3}, поступающих в виде полезного напряжения на вход ФД, подавление кольцом помех этой частоты в виде побочных составляющих в колебаниях других опорных частот не должно представлять трудностей. Видимо в большинстве случаев практики рассматриваемый фильтр вообще может в схему не включаться.

Если цифровой синтезатор двухкольцевой (рис. 3.5), то, как следует из его структурной схемы, система ГОЧ должна формировать колебания также трех частот: β₂, f"_qпр2 и f'_qпр2. Четвертая опорная частота, из которой формируется частота f'_q, поступающая на синтезатор, как правило, выбирается равной β₁ = f"_qпр2 (в некоторых случаях β₁ = β₂); поэтому специально ее формировать в системе ГОЧ не требуется. Коль скоро указанные три частоты соответственно равны частотам β₂, β₁ и f_{q пр3}, которые формируются системой ГОЧ для однокольцевого цифрового синтезатора рис. 3.1б, то структурная схема рис. 6.9 является структурной схемой системы ГОЧ и для двухкольцевого цифрового синтезатора, параметры выходных колебаний которой определяются расчетом последнего.

Наконец, рассмотрим построение системы ГОЧ для синтезатора с двоичной системой формирования частот (рис. 2.8). В § 2.7 указывалось, что на 16 входов этого синтезатора подается 12 различных частот: 256, 257, 384, 386, 388, 400, 576, 584, 608, 640, 864 и 992 МГц (частоты 576 и 384 МГц трижды). На рис. 6.40 представлена упрощенная структурная схема МОЧ для такого синтезатора. На схеме изображены балансные смесители с подавлением колебаний несущей частоты на 30 дБ, а также фильтрующие усилители ФУ, обладающие необходимыми фильтрующими и усилительными характеристиками.

Как следует из структурной схемы рис. 6.10, ЭЧ представлен опорным кварцевым генератором (ГКО) на f_q0 = 32 МГц и следующим вслед за ним мощным усилителем (10 Вт). Система генераторов гармоник представлена одним генератором ГГ, генерирующим семь гармоник частоты 32 МГц с номерами: 8, 12, 18, 19, 20, 27, 31 и, поскольку ФУ на выходе ГГ неперестраиваемые, их следует отнести также к системе генераторов гармоник.

Рис. 6.10. Структурная схема МОЧ для пассивного двоичного синтезатора СВЧ

Система ГОЧ включает пять бинарных ДЧ со следующими за ними ФУ и пять смесителей с последующими ФУ. Это пример системы ГОЧ, в которую входят смесители. Они не могут быть отнесены к синтезатору, так как формируют на выходах колебания опорных частот, которые существуют все одновременно и из которых в синтезаторе формируются выходные частоты с одновременной генерацией лишь одной.

Расчет такого МОЧ не представляет труда. Действительно, если положить коэффициенты передачи смесителей и фильтров синтезатора равными -10 дБ и -1 дБ соответственно, то мощности колебаний опорных частот на выходах МОЧ должны быть на 34 дБ больше, чем требуется на входе выходного усилителя синтезатора. Далее, так как частоты на выходах бинарных ДЧ много меньше выходных частот генератора гармоник, то колебания этих частот и должны быть гетеродинирующими. И, наконец, так как коэффициенты передачи смесителей МОЧ также можно принять равными -40 дБ, то коэффициенты усиления ФУ₃ должны быть на 10 дБ больше потерь в фильтрах, входящих в эти усилители.

Селективность фильтров, входящих во все фильтрующие усилители, определяется значениями коэффициентов гармоничности колебаний на выходе синтезатора. Так как в последнем применена пассивная фильтрация, то побочные составляющие должны подавляться в полной мере в местах возникновения последних. Заметим, что даже при столь небольших значениях коэффициентов гармоничности колебаний, которые заданы на выходе системы (30 дБ), фильтры в ФУ₁ и особенно в ФУ₃ являются сложными, многозвенными.