НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ




предыдущая главасодержаниеследующая глава

7.2. Методика инженерного расчета системы ДКСЧ с многодекадным активным синтезатором

Перед началом расчета считаем заданными основные параметры системы ДКСЧ и выбранными структурную схему синтезатора в соответствии с рис. 2.9 и структурную схему МОЧ (см. гл. 6).

1. Расчет начинается с выбора частотного плана системы ДКСЧ. В зависимости от назначения системы ее частоты могут совпадать с несущими частотами радиолинии или быть смещены относительно последних. Взаимное расположение несущих частот и частот f0 может быть односторонним нижним или верхним, когда все частоты f0 смещены относительно несущих частот соответственно вниз или вверх, и двусторонним внешним или внутренним. При двустороннем внешнем расположении половина частот f0 расположена ниже, а вторая половина - выше несущих частот. При двустороннем внутреннем расположении, наоборот, несущие частоты находятся по обе стороны от частот f0. В этом случае в частотном плане несущих частот должен быть защитный интервал Zн. При других расположениях также возможны один или несколько защитных интервалов между несущими частотами.

Задачей расчета частотного плана системы ДКСЧ является правильное расположение с точки зрения взаимных помех частот f0 относительно несущих частот.

2. Определяем число дискретных частот системы. В общем случае если имеется Zн, то при односторонних расположениях частот расчетное число частот системы α'0 превышает заданное α0:


Если же расположение частот двустороннее внутреннее или Zн = 0, то α'0 = α0. При двустороннем внешнем расположении расчет следует проводить по (7.1), но при замене Zн на Z0 (Z0 = П0 - α0β - частотный интервал между двумя группами частот f0).

3. На основании α'0 определяется число декад k (полных и неполных), входящих в систему. Так как α'0 ≤ 10k, то


При этом характеристика логарифма показывает число полных декад, а наличие ненулевой мантиссы указывает на необходимость иметь еще одну, неполную декаду. Заметим, что неполная декада должна быть самой высокочастотной.

4. Расчет частотообразования.

Определим шаг дискретности опорных частот


Вначале рассмотрим вариант, когда f0 > f'''q.

На частотном плане рис. 7.1 все величины для этого варианта подчеркнуты одинарной линией. На этом рисунке обозначены ΔП0 - помехозащитные полосы по краям диапазона рабочих частот системы.

Рис. 7.1. Частотный план активного многодекадного синтезатора СВЧ
Рис. 7.1. Частотный план активного многодекадного синтезатора СВЧ

Для рассматриваемого варианта основное уравнение частотного плана


Если частота № 1 обозначается на табло как "001", то в соответствии с (7.4) Но сетки опорных частот являются гармониками опорных частот, поступающих на генераторы гармоник, следовательно, f'q2 = (а + 1)β1. Тогда с учетом (4.36)


Согласно (2.44) или, превратив это условие в равенство,


Число опорных частот старшей декады D = α'03 (в случае дроби D округляется увеличением до целого числа).

С учетом последнего (7.6) запишется


Откуда


где r выбирается в соответствии с селективностью ПФ. Остальные опорные частоты декады


Приравняем значения f0 мин = f01 из (7.5) и (7.7). Тогда


Но мы имели условие (2.29), в соответствии с которым fII мин > П0 + ΔП0. Последнее неравенство превращается в равенство при


или


Подставим отсюда значение (b + 0,5)β2 в (7.8). Тогда, после несложных преобразований,


При проектировании системы желательно, чтобы порядок номеров гармоник в опорных частотах декад десятков и единиц был примерно одинаковым. Подставим в (7.5) a ≈ b. Тогда


Округляем b до целого значения и определяем


Остальные опорные частоты декады


Из (7.5) имеем


Остальные опорные частоты декады


Рассмотрим второй вариант, когда На рис. 7.1 все величины для этого варианта подчеркнуты двойными линиями.

Для этого случая выражение (7.4) запишется следующим образом:


а выражение (7.5) примет вид


Для рассматриваемого варианта согласно второму условию (2.44) f'''q мин > f0 макс + ΔП0 или, в виде равенства,


Но f0 макс = f0 мин + П0. С учетом этого (7.15) запишется


Остальные опорные частоты декады


Приравняем значения f0 мин = f01 из (7.14) и (7.16). Тогда


Так как условие fII мин = П0 + ΔП0 + sβ2 остается в силе и для этого варианта, то, будучи преобразованным и подставленным в (7.17), оно дает


Далее, рассуждая, как и раньше, получим


Затем, округляя b до целого значения, будем иметь


Остальные опорные частоты этой декады


Наконец, из (7.14)


Остальные опорные частоты декады единиц


Опорные промежуточные и вторые промежуточные частоты декад в соответствии с (4.36) будут равны


Диапазон частот ГУН декады сотен равен диапазону выходных частот системы, т. е. f0 мин ÷ f0 макс, а частотный диапазон ГУН декады десятков


Первые промежуточные частоты декад лежат в пределах:


5. Расчет обеспечения выходной мощности, ее равномерности по диапазону и необходимого КБВ нагрузки.

Так как нами рассматривается система с автоподстраиваемым генератором в выходной декаде, то обеспечение требуемых значений выходной мощности и равномерности последней по диапазону обеспечивается соответствующей разработкой этого генератора (при этом необходимо учитывать отбор мощности гетеродинирующих колебаний Pг1 на первый смеситель). При отработке ГУН по указанным параметрам необходимо также обеспечить ширину зоны электронной настройки не уже 2 ΔFуд ≥ 2Δf0 при механической перестройке ГУН по диапазону или не менее П0 + 2ΔFуд = f0 макс - f0 мин + 2ΔFуд при электрической перестройке.

Что же касается КБВ нагрузки, то из-за сложности расчета этого параметра последний должен определяться экспериментально. Для этого на круговой диаграмме Вольперта строятся нагрузочные характеристики ГУН и по ним определяется такое значение КБВ, при котором максимальное отклонение частоты не превосходит допустимой величины.

Однако снятие нагрузочных характеристик является весьма трудоемким процессом. Поэтому измерения можно упростить следующим образом. Собирается измерительная установка по структурной схеме рис. 7.2, ГУН через направленный ответвитель НО нагружен на переменный аттенюатор Ат переменный фазовращатель ФВр и короткозамыкающую нагрузку КЗ. Частота генератора контролируется счетчиковым частотомером СЧ. Изменением аттенюации добиваются такого минимального затухания Нмин, при котором изменение фазы отраженной от КЗ волны в пределах 2π не вызывает отклонения частоты ГУН более нормы ΔfГУН/Н. Нетрудно вычислить, что Нмин эквивалентно нагрузке с КБВмин = (Нмин - 1)/(Нмин + 1). Если реальная нагрузка имеет КБВН < КВНмин, то нужно включить на выходе синтезатора аттенюатор с затуханием


либо ферритовый вентиль с обратным затуханием, равным Н2АТ (прямым затуханием пренебрегаем).

Рис. 7.2. Структурная схема установки для измерения влияния КБВ нагрузки на нестабильность частоты генератора
Рис. 7.2. Структурная схема установки для измерения влияния КБВ нагрузки на нестабильность частоты генератора

В случае включения аттенюатора мощность ГУН нужно увеличить в НАТ раз, т. е.


6. Расчет распределения уровней колебаний.

На основании выводов из практики задаемся:

- мощности колебаний опорных частот

- напряжения колебаний опорных промежуточных и промежуточных частот, подаваемые на фазовые дискриминаторы,

- коэффициенты передачи перестраиваемых фильтров в полосе прозрачности

- коэффициенты передачи диодных балансных смесителей

Мощность автоподстраиваемого генератора выходной декады уже определилась выше (7.25). Переходное затухание направленного ответвителя, через который эта мощность подается на первый смеситель декады


Мощность ГУН декады десятков должна быть выбрана такой величины, чтобы с учетом переходных затуханий направленных ответвителей, включенных между этим ГУН и гетеродинным входом второго смесителя декады сотен G'''HO2 и между ГУН и гетеродинным входом первого смесителя декады десятков G"НО1, на указанные смесители подавалась необходимая мощность


Выходная мощность декады единиц, если она подается в качестве мощности гетеродинирующих колебаний на второй смеситель декады десятков, должна быть порядка 1÷2 мВт, т. е. коэффициент усиления усилителя, включенного после фильтра, должен быть порядка 20÷30 дБ. Если же колебания декады единиц являются для второго смесителя декады десятков "сигнальными", то усилитель после ПФ не включается.

Для того чтобы режимы первых смесителей декад не зависели от мощности гетеродинирующих колебаний, поступающих на вторые смесители декад, при отсутствии первых УПЧ в декадах развязка между входами вторых смесителей должна быть не менее 10÷20 дБ.

Суммарные коэффициенты усиления УПЧ в кольцах ФАПЧ определяются из условия

КУПЧ = Uпр2/√(Pq(k)KПФKСм1KСм2RСм2). (7.28)

Если в кольце применен один УПЧ, то значение КУПЧ из (7.28) относится к его коэффициенту усиления, а если - два, то это значение распределяется между ними. При этом выходное напряжение первого УПЧ Uпр1 не должно превосходить значения, определяемого из выражения


В некоторых случаях бывает целесообразно с точки зрения получения минимальных "полосовых" побочных составляющих на входах второго смесителя мощности "сигнала" и гетеродина поменять местами (в рассматриваемой нами схеме это целесообразно сделать на входах См2 декады десятков). Тогда с выхода УПЧ1 должна сниматься мощность Рг2, а на "сигнальный" вход См2 подаваться напряжение, не превышающее значения, полученного из (7.29). Напомним, что (7.29) выведено из условия, сформулированного в § 4.2, о необходимости иметь превышение мощности гетеродина над мощностью "сигнала" не менее 15 дБ (в последнем выражении приняты пределы 15÷20 дБ).

В реальных устройствах величины, входящие в знаменатель выражения (7.28), да и само значение КУПЧ меняются при изменении частоты, смене полупроводниковых приборов, при изменении питающих напряжений, под влиянием климатических и механических воздействий и т. п. При этом, однако, значение Uпр2 должно оставаться примерно постоянным. Для этого в УПЧ вводятся системы АРУ и РРУ, необходимые коэффициенты регулирования которых можно определить, исходя из следующих соображений.

Следует различать "статические и "динамические" нестабильности коэффициентов передачи кольца от входа ПФ до входа ФД. "Статические" нестабильности это нестабильности, вызванные разбросом параметров деталей, входящих в элементы кольца и дающие изменения коэффициентов передачи при нормальных условиях. "Динамические" нестабильности вызываются изменением коэффициентов передачи элементов кольца при изменении частоты (по диапазону), климатических воздействий, питающих напряжений и т. п.

Учитывая это, сначала определяется максимально необходимый коэффициент усиления УПЧ КУПЧ макс макс из (7.28) при подстановке в это выражение минимально возможных значений величин, взятых из технических условий (ТУ) на элементы кольца. Затем определяются из практики (или берутся из ТУ) "статические" нестабильности входящих в знаменатель (7.28) величин, добавляются к каждой величине (например, КПФ мин + ΔК'ПФ) и определяется коэффициент усиления УПЧ КУПЧ макс.

Коэффициент регулирования ручной регулировки усиления находим как


где ΔК'УПЧ - "статическая" нестабильность коэффициента усиления УПЧ.

Для определения коэффициента регулирования АРУ поступает следующим образом. Задаемся допустимым значением увеличения крутизны ФД и определяем, таким образом, допустимую нестабильность выходного напряжения второго УПЧ ΔUпр2 (напомним, что изменение Uпр2 влечет за собой такое же изменение крутизны ФД). Затем подставляем в числитель (7.28) значение Uпр2 + ΔUпр2, а в знаменатель - максимально возможные при эксплуатации значения входящих величин; находим КУПЧ мин.

Определяем коэффициент регулирования АРУ


где ΔК"УПЧ - "динамическая" нестабильность коэффициента усиления УПЧ.

Заметим, что в указанных целях применять в УПЧ ограничитель или использовать эффект насыщения транзистора недопустимо, так как при этом уменьшается коэффициент гармоничности напряжения.

Естественно, что при проектировании самого УПЧ необходимо ориентироваться на значение КУПЧ макс макс и учитывать запасы на нестабильности этого коэффициента ΔК'УПЧ и ΔК"УПЧ.

Для дальнейших расчетов потребуется задаться полосами удержания ΔFуд и захвата ΔFз кольца ФАПЧ.

Полоса удержания ФАПЧ должна быть не меньше арифметической суммы неточности установки частоты ГУН Δfуст нестабильности его частоты под действием всех дестабилизирующих факторов ΔfГУН и нестабильности его частоты за счет нестабильного воздействия на ГУН цепи управления (нарушение симметрии ФД, уход нуля УПТ) - ΔfУПР. Кроме того, задавшись допустимым подчеркиванием низкочастотных помех системой ФАПЧ, из графика рис. 5.5 определяем необходимое расширение полосы удержания (при подчеркивании, равном 3÷4 дБ, полосу удержания необходимо расширить на 30÷40%):


Полоса захвата ФАПЧ определяется из (5.34) и при υ ≈ 100 практически получается на порядок уже полосы удержания. Это значение уточняется после расчета кольца ФАПЧ.

Полоса пропускания УПЧ2 известна из (4.31), а полоса пропускания УПЧ1 должна быть не меньше шага дискретности опорных частот, поступающих на данную декаду:


Коэффициент усиления УПТ определяется, исходя из следующего условия. Если краю полосы удержания соответствует выходное напряжение фазового дискриминатора Еуд, то


Полоса пропускания УПТ определяется при расчете кольца ФАПЧ.

Так как рассчитывается система ЧФАПЧ, то статизм ЧАП должен быть меньше полосы захвата ФАПЧ. Он равен


где Ксч - коэффициент стабилизации системы ЧАП; SЧД - крутизна характеристики частотного дискриминатора.

Если задаться ΔFст ≈ 0,25 ΔFз и учесть (5.34), то из (7.35) можно получить


(уточняется после расчета кольца ФАПЧ).

При расчете частотного дискриминатора кроме SЧД необходимо учесть, что частота настройки должна быть равна fq пр2, погрешность этой частоты не должна превышать 2ΔFст ≈ 0,5 ΔFз и полоса захвата ЧАП должна быть


Полоса пропускания ФНЧ в кольце ЧАП (постоянная времени ФНЧ) должна быть рассчитана так, чтобы суммарное время окончания переходных процессов в кольцах ЧАП и ФАПЧ было бы значительно меньше заданного времени перехода на резерв Тр.

7. Расчет параметров колец ФАПЧ

Вначале наметим порядок расчета кольца ФАПЧ старшей (выходной) декады синтезатора.

а. Для проведения расчета проектировщик должен располагать экспериментально снятой кривой частотного распределения энергетического спектра частотных шумов ГУН ΥГУНf = F(FM) (рис. 7.3).

Рис. 7.3. К расчету необходимой полосы пропускания кольца ФАПЧ
Рис. 7.3. К расчету необходимой полосы пропускания кольца ФАПЧ

Так как заданной является величина σ0f в полосе частот с максимальной частотой FМ макс, то соответствующий этой девиации энергетический спектр частотного шума при равномерном распределении


Если провести прямую, параллельную оси абсцисс с ординатой Υ'ГУНf, то получившийся прямоугольник O abc, ограниченный абсциссой FM макс, будет иметь площадь, соответствующую заданной дисперсии частотных шумов σ20f. Обозначим абсциссу точки пересечения d через F'M.

Если ограничить полосу пропускания кольца ФАПЧ частотой F'M и обеспечить, чтобы в этой полосе сумма мощностей компенсированного шума ГУН и шума колебаний опорных частот отображалась прямоугольником О ade, а в полосе FM макс-E'M шум ГУН не компенсировался, но и шум колебаний опорных частот через кольцо ФАПЧ не проходил, то заданная шумовая характеристика будет обеспечена даже с некоторым запасом.

Так как в полосе пропускания ФАПЧ дисперсия шума не должна превосходить величины Υ'ГУНfF'M = σ20f(F'M/FM макс), то соответствующая ей шумовая девиация частоты


Для того чтобы составляющей собственных шумов в полосе пропускания ФАПЧ можно было пренебречь, зададимся величиной компенсированной шумовой девиации ГУН, не превышающей 0,01 от величины шумовой девиации σ'0f.

Если измерить энергетический спектр шума ГУН Υ"ГУНf на частоте F"M = 1/2π (т. е. при Ω"M = 1) и посчитать, что некомпенсированная мощность собственных шумов ГУН в полосе пропускания ФАПЧ равна Υ"ГУНfF'М, то можно определить коэффициент передачи замкнутого кольца ФАПЧ по ошибке Vθ(ω), необходимый для компенсации шумов ГУН:


Откуда


Сравнив значения ΔFуд и ΔFудш соответственно полученные из (7.32) и (7.40), выбираем большее и используем его в дальнейших расчетах.

Заметим, что значение усиления в кольце ФАПЧ, соответствующее величине полосы удержания, полученной из (7.40) для частоты F"М, оказывается достаточным и во всей полосе пропускания ФАПЧ, так как, хотя с ростом частоты FM коэффициент усиления уменьшается, но и интенсивность частотных шумов ГУН также падает примерно по тому же закону.

б. Задаемся полосой пропускания ФАПЧ


и из (5.11) определяем максимальное значение отношения постоянных времени пропорционально-интегрирующего ФНЧ:


в. Задавшись коэффициентом затухания кольца ζ = 1, по графику рис. 5.3 определяем величину [ωp(t)]. Из выражения (5.32) находим


Сравниваем величины Ф, полученные из (7.42) и (7.43). Если υ' > υмакс, то увеличиваем затухание ζ и, следовательно, [ωpt] до тех пор, пока не наступит равенство υ' = υмакс. Так как при этом остается то ни полоса удержания кольца, ни время установления синхронизма не изменятся. Однако обычно к этому приему прибегать не приходится хотя бы потому, что τуст всегда можно выбрать меньше заданного. Поэтому считаем, что всегда υ' < υмакс.

Из (5.29) определяем меньшую постоянную времени ФНЧ


и из (5.17) - соответствующую ей круговую частоту Ω2.

Находим по (5.30) резонансную частоту кольца ωр, а по (5.31) и рис. 5.2 - время установления синхронизма


г. Из (5.26) определяем большую постоянную времени ФНЧ


и из (5.17) - соответствующую ей круговую частоту Ω1.

д. Из (5.34) определяем полосу захвата ΔFз.

е. Строим ЛАЧХ разомкнутого кольца (рис. 7.4), для чего:

Рис. 7.4. Вид ЛАЧХ разомкнутого кольца ФАПЧ при учете изменения коэффициента усиления
Рис. 7.4. Вид ЛАЧХ разомкнутого кольца ФАПЧ при учете изменения коэффициента усиления

- наносим на ось абсцисс с делениями в логарифмическом масштабе частоты ω = Ω1, ω = Ω2 и ω = 1;

- из точки (1; 0) восстанавливаем перпендикуляр 20 lgΔΩуд = 20 lg (2πΔFуд), и через точку а на участке ω ≈ 0÷ω = Ω1 проводим прямую с наклоном - 20 дБ/дек;

- на участке ω = Ω1÷ω = Ω2 из точки b проводим прямую bс с наклоном - 40 дБ/дек;

- из точки с проводим прямую cd с наклоном - 20 дБ/дек до пересечения с осью абсцисс; находим значение частоты среза системы Ωср;

- проверяем, чтобы


- выбираем частоту ΩУПТ ≥ 4Ωср, обозначим ее на графике и продолжаем прямую cd до точки е с абсциссой ΩУПТ;

- находим постоянную времени УПТ, определяющую его полосу пропускания:


- выбираем частоту ΩФД ≈ (50÷100)ΩУПТ, наносим ее на график и проводим прямую eg с наклоном - 40 дБ/дек;

- определяем постоянную времени нагрузки ФД


- проводим из точки g в сторону увеличения частоты прямую с наклоном - 60 дБ/дек.

ж. Учитываем возможные изменения параметров выходного напряжения ФД (Еуд + ΔЕуд), крутизны ГУН (SГУН + ΔSГУН) и коэффициента усиления УПТ (КУПТ + ΔКУПТ) и из (7.34) определяем максимально возможную во время эксплуатации полосу удержания ФАПЧ


По правилам, изложенным в предыдущем пункте, строим вторую ЛАЧХ системы. Она пойдет выше первой и параллельно ей, так как нестабильностями собственных частот звеньев пренебрегаем (они косвенно учитываются запасами по фазе и усилению).

Находим Ω'ср и проверяем Ω'ср < ΩУПТ.

з. Учитывая, что при ω > Ωср W01(ω) ≈ W(ω), определяем степень подавления побочных составляющих кольцом ФАПЧ, для чего:

- проводим прямую (-γ0, дБ) до значений ω, соответствующих частотам помех Ωп1, Ωп2, ... (точки х, у, ...);

- продолжаем прямую c'd' (наклон - 20 дБ/дек) до точек x', y', ...;

- так как ординаты точек x', y', ... учитывают степень подавления побочных составляющих кольцом ФАПЧ без действия УПТ (только интегратором кольца и пропорционально-интегрирующим фильтром), а ординаты точек х", у", ... - также и УПТ, то, пренебрегая влиянием на фильтрацию нагрузки ФД (оно может служить определенным запасом расчета), определяем вклад УПТ в подавление побочных составляющих в виде добавок Δγ01, Δγ02,... в дБ.

Заметим, что подавление побочных составляющих, равное разности ординат (х-х"), (у-у"), ..., должно обеспечиваться в цепях формирования колебаний опорных частот кольца ФАПЧ. Поэтому обычно корректирующих звеньев можно в кольцо ФАПЧ не включать.

и. Определяем устойчивость системы по фазе. Для этого нужно построить ЛФЧХ по выражению (5.37), задаться запасом по фазе θЗ ≈ 30÷45°, затем найти фазовый сдвиг, вносимый трактом усиления промежуточной частоты ΔθПЧ, а по нему из (5.12) определить крутизну SθПЧ. Однако этот расчет слишком громоздок и не оправдывает получаемую с его помощью точность.

Имея в виду минимально-фазовый характер примененных в кольце ФАПЧ звеньев, воспользуемся приближенной ф-лой (5.46) и определим по ней необходимую крутизну фазовой характеристики тракта промежуточных частот, выбрав θз = 0,5÷0,8:


Расчет проводим для двух значений частоты среза: Ωср и Ω'ср и из двух значений SθПЧ выбираем меньшее.

Учитывая, что полоса пропускания тракта ППЧ = П'ПЧ/n, а также малость ΔθПЧ, из (5.12) и (5.13) получаем полосу пропускания тракта промежуточных частот


к. Для определения запаса по усилению нужно найти частоту Ωπ, на которой фазовая характеристика разомкнутого кольца достигает значения -π. Так как мы условились не строить ЛФЧХ, то определим аналитически, предположив, что, как правило, и в этих пределах ЛФЧХ достаточно линейна.

Учитывая, что , найдем значения фазовой характеристики на частотах ΩУПТ и ΩФД:



Из подобия треугольников (рис. 7.5) можно записать


откуда после несложных преобразований получим


Определив из (7.55) значение Ωπ и отложив его на ЛАЧХ, определим запас по усилению (по амплитуде) Wз ≥ 10 дБ.

Рис. 7.5. К расчету частоты Qп
Рис. 7.5. К расчету частоты Ωπ

л. Определяем максимальную скорость поиска (при поиске ЧАП выключена, чтобы не расходовать полосу удержания ФАПЧ). Для этого из рис. 5.4 по известному ζ определяем значение относительного выброса фазы υ. Затем находим среднеквадратичное значение фазовых флуктуаций. По аналогии с (6.13) можно записать σ =2πσ0fс и τс = 1/2 ПФАПЧ, т. е.


Подставляя (7.56) в (5.35), получим (в Гц/с)


Расчет второго кольца ФАПЧ синтезатора производится по той же методике, что и кольца выходной декады.

8. Расчет обеспечения коэффициентов гармоничности.

Как отмечалось в гл. 4, для предотвращения "зеркальной настройки" на соседнюю опорную частоту ПФ всех декад, в которых применена ФАПЧ, должна подавлять колебания гармоник, соседних с фильтруемой, на


Находим коэффициенты гармоничности выходных колебаний всех декад, кроме выходной.

Для декады десятков, содержащей кольца ФАПЧ, из (4.69) с учетом фильтрующего действия УПТ


Если смесители линейные и безынерционные, то для декады единиц, в которой используется пассивная фильтрация, из (4.62)


В последнем случае, если линейность или безынерционность смесителей нельзя получить или хотя бы гарантировать,


В выражения (7.59)-(7.61), а также в (7.62) и (7.63) следует подставлять все значения Fп, которые встречаются в данной и предыдущей декадах.

Используя выражения (4.73) и (4.75) с учетом (4.63). определяем коэффициенты гармоничности выходных колебаний декад по "полосным" побочным составляющим.

Определяем необходимые коэффициенты гармоничности напряжений опорных частот декад по входам фазовых дискриминаторов. Так как на балансный фазовый дискриминатор подаются оба напряжения равных амплитуд и, принимая коэффициент передачи дискриминатора равным единице, из (4.40) и (4.45) получим


Находим необходимые значения коэффициентов гармоничности колебаний опорных частот, поступающих с МОЧ, в предположении, что входным фильтром декады подавляются только составляющие основной сетки частот


Если из последнего выражения γвх(k) получается более 300, то проверка по (4.72) не имеет смысла.

9. Расчет шумовых характеристик.

Выше (см. § 7.1) указывалось, что шумовая характеристика на выходе системы обычно задается в виде одного из трех параметров: σ0f, σ или δσ0f. Для удобства пользования при расчете выведенными выше выражениями приведем эти параметры к одному среднеквадратичному значению шумовой девиации частоты σ0f (или к дисперсии частотных шумов σ20f).

Если задана σ, то по аналогии с (6.13) будем иметь


в полосе пропускания


если задана δσ0f, то


Так как полоса пропускания кольца ФАПЧ обычно выбирается не меньше полосы частот, в которой задается шумовая характеристика системы, то должно быть выполнено неравенство (4.119).

Из (4.103) находим коэффициент шума линейной части устройства для разомкнутого кольца ФАПЧ:


где


Найдем значения параметров, входящих в выражение. (4.116).

Шумовой параметр смесительного диода ШД находим из рис. 4.8, задавшись параметрами диода а ≈ (15÷25) 1/В, ρд ≈ 5⋅10-7÷5⋅10-3 (меньшие значения имеют кремниевые, а большие - германиевые диоды) и определив амплитуду напряжения


Параметр χ для первого смесителя находим как отношение


Задавшись N'ш См1 ≈ 8÷10, из выражения (4.116) находим коэффициент Λ.

Задавшись Nш УПЧ ≈ 3÷10, из (4.115) определим коэффициент шума на выходе генератора гармоник старшей декады N'''шq при разомкнутом кольце ФАПЧ в случае одного УПЧ2 в декаде, а в случае двух УПЧ в декаде


Далее по изложенному выше плану можно было бы рассчитать шумовые характеристики декад десятков и единиц, а также оставшихся ГОЧ и генераторов гармоник. Однако этого делать нет никакой необходимости, исходя из следующих соображений. Требования к декаде десятков значительно менее жесткие, чем к выходной декаде, что видно из сравнения (4.110) и (4.111). В связи с идентичностью построения схем декад сотен и десятков, требования к декаде единиц оказываются еще менее жесткими, чем к декаде десятков. Кроме того, так как в МОЧ имеется один общий ЭЧ, то коэффициент умножения частоты в той части МОЧ, которая работает на выходную декаду, оказывается наибольшим и, следовательно, ее шумовые характеристики - наихудшими. Поэтому, если удастся так выполнить наиболее высокочастотную (выходную) декаду, чтобы ее шумовые характеристики удовлетворяли заданным, то шумовые характеристики остальной части схемы обязательно окажутся достаточно хорошими.

Пользуясь выражением (4.122), определим шумовую девиацию частоты колебаний на выходе генератора гармоник выходной декады при замкнутом кольце ФАПЧ:


10. Расчет системы генераторов гармоник производится на основании требований, сформулированных в процессе расчета синтезатора: количество генераторов гармоник; диапазон частот; число Опорных частот α; шаг дискретности опорных частот β; выходная мощность Pq; неравномерность выходной мощности ΔPq; коэффициенты гармоничности выходных колебаний γgm; шумовая девиация частоты σqf.

Количество генераторов гармоник в системе, очевидно, должно соответствовать числу декад устройства k.

Частотные диапазоны генераторов гармоник, число опорных частот и шаг дискретности опорных частот определяются вычисленными значениями по выражениям (7.5)-(7.8).

В соответствии с п. 6 расчета минимальные выходные мощности генераторов гармоник, как правило, принимаются Pq ≈ 10-6 Вт. Неравномерность выходной мощности (при большем перекрытии диапазона частот) обычно берется порядка +10 дБ.

Из выражения (7.63) для всех Fп, действующих в системе (кроме Fп = fГГ вх), известны коэффициенты гармоничности колебаний опорных частот.

Наконец, из (7.72) известна шумовая девиация частоты на выходе генератора гармоник старшей декады.

Выходные параметры генераторов гармоник дают возможность определить входные параметры последних, т. е. выходные параметры тех ГОЧ, которые включены на входах генераторов гармоник. На основании изложенного в гл. 4 и 6 можно принять следующие положения при определении входных параметров генераторов гармоник: достигнутый к настоящему времени коэффициент передачи генераторов гармоник, генерирующих гармоники при m = 40÷60, определяется выражением (6.19); коэффициент гармоничности колебаний на выходе генератора гармоник уменьшается по сравнению со значением этого коэффициента на входе генератора гармоник пропорционально номеру гармоники; шумовая девиация частоты на выходе генератора гармоник увеличивается по сравнению с входной пропорционально номеру гармоники.

Таким образом, расчетные формулы для определения входных параметров генератора гармоник могут быть записаны следующим образом.

Входная мощность при учете выражения (6.19)


При этом амплитуда входного высокочастотного напряжения и напряжение смещения определяются примененным в генераторе гармоник диодом.

Коэффициенты гармоничности входных колебаний


Шумовая девиация частоты на входе генератора гармоник


11. Расчет системы генераторов опорных частот производится на основании требований, сформулированных при расчете синтезатора и системы генераторов гармоник.

Система ГОЧ должна обеспечить подачу на входы генераторов гармоник и на фазовые дискриминаторы колебаний, характеризующихся следующими параметрами: частота, мощность и напряжение на генераторе гармоник или напряжение на входе фазового дискриминатора; коэффициенты гармоничности выходных колебаний; шумовая девиация частоты.

Значения всех этих параметров нами уже определены выше. Действительно, выходные частоты ГОЧ определены из выражений: (7.3)÷(7.9). Следовательно, число ГОЧ определяется суммой числа генераторов гармоник и фазовых дискриминаторов.

Мощности и напряжения, подаваемые на генераторы гармоник, определяются выражением (7.73) и типами примененных диодов. Напряжения, подаваемые на фазовые дискриминаторы, для большинства типов ФД определяются величиной порядка 1 В. Учитывая, что ГОЧ могут соединяться с нагрузками непосредственно или коаксиальными кабелями, а генераторы гармоник - либо волноводами, либо коаксиальными кабелями, необходимо перед расчетом системы ГОЧ решить вопрос о наиболее конструктивных и энергетически выгодных видах соединений. В некоторых случаях оказывается целесообразным расчленить ГОЧ так, что его выходной каскад располагается непосредственно у нагрузки и соединяется с остальным ГОЧ кабелем.

Коэффициенты гармоничности выходных колебаний ГОЧ определены выше выражениями (7.62), (7.63) и (7.74).

Возможности достижения необходимой степени гармоничности выходных колебаний ГОЧ существенным образом влияют на выбор структурной схемы системы ГОЧ, а также на выбор номинального значения частоты эталона частоты fq0. Такой пример было рассмотрен в гл. 6. По соображениям, изложенным в гл. 6, целесообразно стремиться к выбору fq0 = β2 и к такому построению системы ГОЧ, при котором колебания каждой опорной частоты генерировались бы отдельным ГОЧ (последнее создает удобства при изготовлении и эксплуатации аппаратуры).

Шумовые характеристики всей системы ГОЧ определены выше выражением (7.75) для выходной декады.

12. Расчет эталона частоты (ЭЧ) производится на основании принципов, изложенных в гл. 6. Это наиболее ответственный элемент в составе всей системы ДКСЧ СВЧ диапазона, так как основные выходные параметры системы; погрешность частоты и ее кратковременная нестабильность (шумовые характеристики) полностью определяются ЭЧ.

Эталон частоты состоит из опорного кварцевого или квантового генератора, системы термостатирования, системы терморегулирования, системы контроля температуры и усилителя колебаний частоты fq0. Для ограничения спектра шумов между кварцевым генератором и усилителем обычно включается узкополосный фильтр (УПФ). В отдельных случаях, котла частота кварцевого генератора и выходная частота ЭЧ находятся в кратном отношении, в состав ЭЧ входит умножитель или делитель частоты.

Кварцевый генератор должен быть рассчитан на генерирование колебаний частоты fq0 с заданной погрешностью δfq0. В составе ГКО должен быть буферный усилитель. Для достижения высокой стабильности частоты при изменении внешней температуры кварцевый резонатор, генератор и буферный усилитель следует термостатировать. Точность поддержания температуры в термостате рассчитывается по измеренному ТКЧ генератора. Как было показано в гл. 6, на температурную нестабильность целесообразно отводить не более 20% погрешности частоты.

Система терморегулирования СТР рассчитывается, исходя из необходимой точности поддержания температуры в термостате. Кроме того, ее мощность должна быть такой, чтобы номинальный температурный режим обеспечивался за время, отведенное для полной готовности аппаратуры к работе. Для этого, как правило, СТР включает в себя устройство форсированного прогрева.

Система контроля температуры предназначена для выполнения двух функций; для сигнализации и выключения подогрева термостата при аварийных отклонениях температуры от номинальной и для установки номинального значения температуры в условиях эксплуатации.

Дисперсия частотных шумов ЭЧ рассчитывается, исходя из требований к шумовым характеристикам колебаний опорных частот. Обычно наиболее критичным является требование к дисперсии шумов опорных частот на выходе генератора гармоник старшей декады (σ'''qf)2. Поэтому дисперсия частотных шумов эталона частоты


где m - максимальный коэффициент умножения генератора гармоник выходной декады; n - коэффициент умножения ГОЧ, включенного между ЭЧ и этим генератором гармоник.

Обычно получить нужную величину σq0f от ГКО не удается. Поэтому колебания ГКО фильтруются узкополосным фильтром УПФ, одним из способов, указанных в гл. 6.

Расчету должно предшествовать экспериментальное снятие частотного распределения энергетического спектра частотного шума в полосе, ограниченной частотой F'M. Распределение в общем случае имеет довольно нерегулярный вид и зависит от большого числа различных факторов. Поэтому предъявление требований к УПФ является сложной и неоднозначной задачей. Однако попробуем хотя бы грубо представить себе порядок величин параметров УПФ. Для этого обратимся к рис. 7.6, на котором изображена характерная зависимость Υq0f(FM). Аппроксимируем указанную кривую ломаной abc так, чтобы площади под кривой и под ломаной возможно больше совпадали. При этом найдем граничную частоту FMгр. Так как FMгр весьма мала, то подавить фильтром составляющие спектра в полосе частот ниже FMгр, как правило, не удается. Поэтому допустим, чтобы эти составляющие существовали на выходе ЭЧ.

Рис. 7.6. К расчету УПФ эталона частоты
Рис. 7.6. К расчету УПФ эталона частоты

Из рис. 7.6 следует, что


где σ20ab и σ2bcd - дисперсии частотных шумов при принятой аппроксимации в полосах частот 0÷FMгр и FMгр÷F'M соответственно.

Из построения следует, что


и


Если условиться, что


где


то, разделив (7.79) и (7.81), определим необходимую степень подавления фильтром шумов ГКО:


где из (7.78), (7.80) и (7.81)


Таким образом, УПФ, включенный после ГКО, должен вносить затухание γУПФ, определяемое (7.82) на частоте, примерно равной


(учитывая монотонность характеристики затухания УПФ).

Полоса пропускания УПФ (по уровню -3 дБ), очевидно, должна быть не уже 2 fq0δfq0 плюс абсолютная погрешность настройки самого УПФ на частоту fq0.

В некоторых случаях при малых фликкер-шумах ГКО и недостаточной разрешающей способности измерительной аппаратуры, снять левую восходящую ветвь кривой Υq0f(FM) не удается, вследствие чего граничную частоту FM гр определить оказывается довольно затруднительно. Выйти из создавшегося положения можно, воспользовавшись рекомендациями [176], где указывается, что при τс > 0,1 с основной вклад дают технические шумы ГКО, а при τс < 0,1 с - дробовые шумы. Так как τс = 0,1 с соответствует FM = 5 Гц, то в ф-лы (7.83) и (7.84) для рассматриваемого случая можно подставить FM гр = 5 Гц. При этом, как правило, расчет дает запас.

13. Заданная степень надежности достигается обычными мерами обеспечения надежности радиоустройств (максимальным применением полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, исключением механических и электромеханических систем перестройки и коммутации, облегчением электрических и тепловых режимов элементов, соблюдением технологии изготовления и т. д.) и резервированием блоков с автоматическим выключением отказавшего и включением резервного при наличии сигнализации об этом.

Приведем расчетные выражения, характеризующие надежность системы из двух блоков: основного и резервного, находящегося в состоянии теплого резерва.

Так как после расчета принципиальной схемы блока оказывается известной его суммарная лямда-характеристика λΣ, то, как известно, среднее время наработки блока на один отказ


Среднее время наработки на отказ системы из двух одинаковых блоков


Вероятность безотказной работы системы из двух одинаковых блоков в течение заданного времени t может быть приблизительно определена


где время t обычно считают временем необслуживаемой работы станции.

предыдущая главасодержаниеследующая глава








© Сенченко Антонина Николаевна, Злыгостев Алексей Сергеевич, 2010-2018
При копировании обязательна установка активной ссылки:
http://rateli.ru/ 'rateli.ru: Радиотехника'