6.5. Вопросы централизации магазина опорных частот

В целом ряде радиотехнических устройств одновременно работают несколько систем ДКСЧ. Например, в станции дуплексной РРЛ в одном стволе таких устройств четыре (два возбудителя передатчиков и два гетеродина приемников). Если же учесть, что каждая система, как правило, резервируется, то таких устройств оказывается уже восемь.

Так как использование систем ДКСЧ в качестве возбудителей и гетеродинов радиотехнической аппаратуры СВЧ является наиболее характерным, будем рассматривать данный вопрос применительно к этому случаю и, в частности, к станции дуплексной РРЛ сантиметрового диапазона.

По принятому нами построению возбудителя (гетеродина) с МОЧ на синтезатор подаются одновременно колебания всех опорных частот, а их комбинации и выделение нужного колебания производится в синтезаторе. Следовательно, число синтезаторов должно быть не менее числа потребителей их энергии (в нашем примере - не менее восьми). Что же касается МОЧ, то имеется несколько вариантов их построения от полной автономности до полной централизации (в [185], например, сообщается о централизованной работе одного МОЧ на 30 автономных возбудителей и гетеродинов в системе КВ связи).

Первый вариант заключается в том, что каждый возбудитель (гетеродин) состоит из синтезатора и полного МОЧ.

Второй вариант предполагает централизацию автономного эталона частоты (с резервом), работающего на все возбудители и гетеродины, а в состав последних кроме синтезаторов входят системы ГОЧ и генераторов гармоник.

Третий вариант заключается в централизации кроме ЭЧ также и системы ГОЧ. В этом случае в состав возбудителей и гетеродинов кроме синтезаторов входят только системы генераторов гармоник.

Четвертый вариант, наконец, определяется полной автономностью МОЧ, работающего на все возбудители и гетеродины.

Первый вариант не может быть признан удовлетворительным, так как наличие двух и более одновременно работающих ЭЧ из-за некогерентности их колебаний неминуемо приводит к взаимным помехам передатчиков и приемников, расположенных на одном радиотехническом объекте. Что же касается остальных вариантов, то они в известной степени являются конкурентоспособными и должны быть нами рассмотрены. Для возможности сравнения будем предполагать неизменными во всех вариантах: эталон частоты ЭЧ, систему ГОЧ (СГОЧ) и систему генераторов гармоник С ГГ, а новые устройства, которые неминуемо окажутся необходимыми (разветвители, усилители и т. п.), будем обозначать на структурных схемах отдельно (синтезаторы обозначим символом "С").

Сравним второй (рис. 6.11), третий (рис. 6.12) и четвертый (рис. 6.13) варианты по двум критериям: сложности построения системы частотообразования станции и ее надежности. При этом будем полагать разветвители (Р) пассивными, имеющими коэффициент передачи на каждое разветвление порядка K_р ≈ 0,4.

Рис. 6.11. Структурная схема резервированной системы ДКСЧ с централизованным эталоном частоты

Рис. 6.12. Структурная схема резервированной системы ДКСЧ с централизованным ЭЧ и системой ГОЧ

Рис. 6.13. Структурная схема резервированной системы ДКСЧ с полностью централизованным МОЧ

В схеме рис. 6.11 имеются дополнительные нерезервируемые элементы в виде семи разветвителей (P₁) и два резервируемых усилителя напряжения частоты f_q0. Так как по системе канализируется мощность сравнительно низкой частоты, то потерями в фидерах (коаксиальный кабель) можно пренебречь. При таком условии коэффициент усиления усилителя

т. е. порядка 15-20.

В схеме рис. 6.11 упомянутый усилитель может быть выполнен на транзисторах, так как при низкой частоте его выходная мощность исчисляется величиной 15÷20 мВт.

На схеме рис. 6.12 каждое из пяти колебаний проходит всю систему разветвления, подобную той, какая изображена на рис. 6.11. Однако, чтобы не загромождать рисунка, на схеме изображены только первые разветвители колебаний каждой частоты. Усилители и разветвители с индексами от "2" до "6" подобны таковым с индексом "1" в схеме рис. 6.11 с той разницей, что выходная мощность усилителей может доходить до единиц ватт. Однако это, понятно, не препятствует применению в них транзисторов.

Таким образом, схема рис. 6.12 сложнее схемы рис. 6.11, так как имеет десять усилителей вместо двух и 35 разветвителей вместо семи. Правда, число С ГОЧ уменьшилось с восьми до двух.

Обратимся к схеме рис. 6.13. Система канализации колебаний частот f'''_{q пр2} и f"_{q пр2} тождественна таковой в схеме рис. 6.12. Однако остальные элементы другие. Так как частоты f'_q лежат в диапазоне метровых волн, то разветвители P₈ аналогичны разветвителям Р₅, но ВОСЬМОЙ усилитель менее мощный, чем пятый, так как должен иметь выходную мощность порядка десятков милливатт при полосе пропускания около 10 МГц - он может быть транзисторным.

Частоты f"_q лежат в диапазоне дециметровых волн. Поэтому разветвители Р₉ должны быть выполнены в виде коаксиальных Т-мостов. Полоса пропускания девятого усилителя должна быть порядка ста мегагерц, а выходная мощность - до сотни милливатт (так как потерями в коаксиальных кабелях на этих частотах пренебрегать уже нельзя). Следовательно, в качестве девятого усилителя должна быть применена специальная широкополосная промежуточная ЛБВ или очень сложный многокаскадный транзисторный усилитель, ибо перестройки в МОЧ, как понятно, не допускаются.

Частоты f'''_q - частоты сантиметрового диапазона. Следовательно, разветвители мощности Р_Т суть волноводные T-мосты, а фидеры - волноводы (применение в качестве фидеров коаксиальных кабелей, как правило, нецелесообразно из-за очень больших потерь в них на сантиметровых волнах). Полоса пропускания седьмого усилителя может доходить до 1000 МГц, а выходная мощность - превышать 100 мВт. Поэтому в качестве этого усилителя следует применить широкополосную промежуточную ЛБВ.

Таким образом, схема рис. 6.13 оказывается значительно сложнее схемы рис. 6.12, так как вместо четырех транзисторных усилителей требует применения четырех ЛБВ, а также использования в одном канале волноводных фидеров. Кроме того, два транзисторных усилителя должны быть весьма широкополосными. Правда, вместо 24 генераторов гармоник, схема рис. 6.13 использует только шесть, но генераторы гармоник являются столь несложными устройствами, что данное преимущество не выглядит серьезным.

Итоговое сопоставление схем по числу элементов и по их сложности приведено в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Таким образом, вариант по схеме рис. 6.13 оказался значительно сложнее двух других и его применение не может по этой причине быть признано целесообразным. Правда, мы рассмотрели варианты построения системы частотообразования только сантиметровой станции. Однако подобное же рассмотрение вариантов дециметровой аппаратуры показывает, что хотя они и не так сильно разнятся между собой, но общий вывод, сделанный выше, остается справедливым.

Сравним варианты рис. 6.11 и рис. 6.12 по критерию надежности. Так как во всех случаях имеем резервированные системы, то требуется задаться видом резервирования. Очевидно, что общее резервирование с постоянно включенным резервом применить нельзя из-за того, что основной и резервный кварцевые генераторы ЭЧ генерируют колебания, отличающиеся друг от друга на величину погрешности частоты, а также из-за того, что в основном и резервных возбудителях (гетеродинах) выходные частоты не синфазны. Поэтому, как показано на структурных схемах, применяем раздельное резервирование замещением: резервируется только автономная часть системы и возбудители (гетеродины), причем кратность резервирования равна единице (на схемах пунктир показывает, что резерв автономной части находится в "теплом" состоянии). Заметим, что, как показано в [186], поэлементное резервирование замещением дает наибольший выигрыш надежности при прочих равных условиях. Однако и более детальное резервирование замещением делать нецелесообразно из-за низкой надежности переключающих устройств.

Будем считать отказом системы мгновенным отказ любого элемента: так как в этом случае дуплексная связь нарушается. В этом случае схема для расчета надежности варианта рис. 6.11 изобразится так, как представлено на рис. 6.14, а варианта рис. 6.12 - как представлено на рис. 6.15.

Рис. 6.14. Структурная схема системы ДКСЧ с централизованным ЭЧ для расчета надежности

Рис. 6.15. Структурная схема системы ДКСЧ с централизованным ЭЧ и системой ГОЧ для расчета надежности

На рис. 6.14, 6.15 изображены соединения с постоянно включенным резервом, но, во-первых, фактически осуществляемый "теплый" резерв замещением близок по надежности к "горячему" резерву замещением, а последний - к постоянно включенному и, во-вторых, при большей простоте вычислений получим некоторый расчетный запас надежности.

Итак, вероятность безотказной работы всей системы

а парциальные вероятности

где λ_А, λ_В и λ_С - суммарные интенсивности отказов основных соединений узлов А, В и С соответственно.

Для оценки надежности вариантов из-за незнания конкретных принципиальных схем необходимо задаться сравнительной надежностью элементов, исходя из опыта построения подобных систем. Введем понятие об элементарной интенсивности отказов λ_Э.

Тогда интенсивность отказов отдельных элементов можно приблизительно оценить следующим образом:

Суммарные интенсивности отказов узлов

Если задаться λ_Э ≈ 10^-4 1/ч и временем работы t = 12 ч (обычно 12 ч задается как время необслуживаемой работы), то можно рассчитать надежность вариантов при условии, что ремонт резервированной системы за это время производиться не будет.

Расчет по ф-лам (6.22)-(6.24) для обоих вариантов дает Р'_А(12) = 0,9996; Р'_В(12) = 0,9916; Р'_С(12) = 0,9768; Р"_А(12) = 0,9941; Р"_В(12) = 0,9496; Р"_С(12) = 0,9867, а вероятность безотказной работы всей системы частотообразования, полученная из (6.21), Р'_Σ(12) = 0,9024 и Р"_Σ(12) = 0,8948.

Таким образом, расчетная надежность обоих вариантов получилась практически одинаковой (превышение первой над второй при таком ориентировочном расчете нельзя считать показательным). Не является значительно превалирующим один из вариантов и по сложности (см. табл. 6.4). Кроме этого, в качестве примера была рассмотрена система ДКСЧ сантиметрового диапазона с активным многодекадным синтезатором. Рассмотрение систем с другими типами синтезаторов, а также этих систем в дециметровом диапазоне также показывают отсутствие резкого преимущества одного варианта перед другим.

Итак, рассмотрение вопроса централизации МОЧ показало, что ЭЧ всегда должен быть централизованным, а системы генераторов гармоник должны быть конструктивно объединены с синтезаторами. Что же касается систем ГОЧ, то вопрос их централизации или автономности не является критичным и должен решаться в каждом отдельном случае проектирования системы, исходя из удобства размещения и обслуживания аппаратуры.