Глава седьмая. Элементы проектирования и расчет систем ДКСЧ СВЧ диапазона

7.1. Основные требования и выбор структурной схемы системы ДКСЧ

В качестве исходных для проектирования системы ДКСЧ задаются следующие параметры:

- рабочий диапазон частот f_{0 мин}÷f_{0 макс};

- число частот в рабочем диапазоне α₀;

- шаг дискретности частот выходных колебаний β₀;

- относительная погрешность частоты ±δf₀;

- выходная мощность Р₀ и ее относительная неравномерность ΔP₀/P₀ при оговоренном КБВ нагрузки;

- коэффициент гармоничности выходных колебаний γ₀;

- шумовая характеристика в виде одного из параметров: а) среднеквадратичное значение паразитной девиации частоты σ_0f (дисперсия частотных шумов σ²_0f) в полосе частот при максимальной частоте F_{М макс}; б) среднеквадратичные значения фазового набега σ_0φ за время τ_с или паразитной девиации фазы σ_0φ (дисперсии фазовых шумов σ²_0φ) в полосе частот при максимальной частоте F_{М макс}; в) относительная кратковременная нестабильность частоты δσ_0f = σ_0f/f_{0 макс} за время τ_с;

габариты, масса;

- потребление энергии от источника питания;

- среднее время наработки на отказ Т_н при среднем времени восстановления Т_в, которое должно учитывать также время работы аппаратуры без обслуживания;

- время перехода на другую фиксированную частоту (время перестройки) τ_п;

- требование автоматической перестройки и дистанционного управления (в некоторых случаях - требование управления системой от ЭВМ);

- время готовности аппаратуры после включения T_г;

- время перехода на резерв Т_р;

- условия эксплуатации (диапазон изменений внешней температуры, влажность среды, механические воздействия, давление, подвижность аппаратуры и т. п.).

На основании изложенного выше зададимся априори, что:

- все частоты радиотехнического объекта образуются от одного единственного эталона частоты f_q0, имеющего относительную погрешность частоты δf_q0 ≤ δf₀, причем, если δf_q0 ≥ 10^-7, то выбирается опорный кварцевый генератор, а при δf_q0 ≤ 10^-8 - один из типов квантовых стандартов частоты;

- выходным частотам системы присваиваются фиксированные номера, возрастающие по мере увеличения частоты;

- в основу построения системы закладывается декадный принцип формирования выходных частот (в специальных случаях - двоичный);

- в качестве синтезаторов СВЧ могут применяться: многодекадный активный синтезатор с использованием колец аналоговой ФАПЧ; многодекадный пассивный синтезатор; двоичный пассивный синтезатор; однокольцевой цифровой синтезатор с использованием ЦФАПЧ и двухкольцевой цифровой синтезатор (с ФАПЧ и ЦФАПЧ).

В основу проектирования современной системы ДКСЧ СВЧ диапазона вне зависимости от выбранного типа синтезатора необходимо положить требования максимального уменьшения габаритов, массы, потребления энергии и увеличения надежности. Поэтому следует исключать механические и электромеханические устройства перестройки и коммутации, повсеместно применять полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы, полосковые СВЧ элементы и печатный монтаж. Источники питания должны строиться на безнакальных элементах.

Структурную схему системы ДКСЧ выбирают исходя из типа синтезатора. Учитывая изложенные выше соображения об оптимизации объемно-весовых и энергетических характеристик системы, если возможно, всегда следует отдавать предпочтение однокольцевому цифровому синтезатору. Однако имеются параметры, которые реализовать в системе с таким синтезатором практически невозможно.

Рассмотрим основные параметры системы ДКСЧ, главным образом влияющие на выбор типа синтезатора и, как следствие, на выбор структурной схемы МОЧ. Таких параметров можно назвать пять: шаг дискретности частот β₀; коэффициент гармоничности колебаний γ₀; шумовая характеристика; время перестройки τ_п; эксплуатационные характеристики (исключая τ_п).

Следует сразу оговориться, что не существует синтезатора, оптимального сразу по всем приведенным параметрам, а также, что обеспечение получения одних параметров находится в противоречии с получением других, - как правило, всегда требуется находить компромиссное решение.

Иллюстрируем сказанное примерами.

Наиболее критичным параметром является время перестройки τ_п. Если оно задается не превышающим единиц микросекунд, то ни один тип синтезатора с активной фильтрацией не способен удовлетворить этому требованию. В данном случае выбор оказывается однозначным - требуется применить пассивный синтезатор, причем, как показано в [41], двоичный пассивный синтезатор обеспечивает максимальное быстродействие (τ_п может исчисляться десятками наносекунд). Однако, выбрав синтезатор с пассивной фильтрацией, следует помнить, что получение больших значений коэффициентов гармоничности колебаний, превышающих 40÷50 дБ, добиться чрезвычайно трудно, особенно если шаг дискретности частот β₀ мал. Применение пассивного синтезатора влечет за собой невысокие эксплуатационные характеристики системы.

Требование получения наилучших эксплуатационных характеристик (исключая τ_п) заставляет остановить выбор на однокольцевом синтезаторе с применением ЦФАПЧ. Однако при этом следует помнить, что данный тип синтезатора теоретически неспособен) компенсировать флуктуации и шумы ГУН в полосе, превышающей 0,5 β₀/с, а реально - в еще меньшей. Кроме того, время перестройки вряд ли можно обеспечить меньшим сотен миллисекунд [13], [104], [107], [118]. Таким образом, критичным параметром для данного типа синтезатора является шаг дискретности частот ро.

Улучшить шумовые характеристики цифрового синтезатора можно только за счет ухудшения эксплуатационных путем перехода к двухкольцевой системе, применив в выходном кольце аналоговую ФАПЧ. Однако при этом необходимо учитывать, что, как правило, время перестройки синтезатора еще больше увеличивается.

Наилучшие электрические характеристики можно получить, используя многодекадный активный синтезатор с кольцами аналоговой ФАПЧ. Такой синтезатор практически не имеет ограничений по параметрам β₀, γ₀ и шумовым характеристикам. Однако его эксплуатационные характеристики признать очень хорошими нельзя. Действительно, он может обеспечить время перестройки, измеряемое сотнями микросекунд - единицами миллисекунд, т. е. лучше, чем цифровые, но значительно хуже, чем пассивные синтезаторы. Остальные эксплуатационные характеристики у него несколько лучше, чем у пассивных синтезаторов, но заметно уступают характеристикам цифровых синтезаторов (особенно однокольцевого).

Таким образом, можно сделать общий вывод: не существует лучшего типа синтезатора СВЧ - могут применяться все названные синтезаторы, причем применение каждого конкретного типа определяется требованиями, предъявляемыми к конкретной системе ДКСЧ.

Последний вывод делает целесообразным рассмотрение порядка инженерного расчета систем ДКСЧ СВЧ диапазона с применением каждого типа синтезатора. Однако следует иметь в виду, что время перестройки, исчисляемое микросекундами, требуется чрезвычайной редко. В то же время порядок величин коэффициентов гармоничности колебаний 70 дБ и выше является обычным требованием. Учитывая это, а также и то, что системы с пассивными синтезаторами имеют худшие эксплуатационные характеристики, последние практически (особенно на СВЧ) применяются чрезвычайно редко. Поэтому методика инженерного расчета пассивных синтезаторов ниже не приводится.