Основные параметры синтезаторов частоты

Чаще всего синтезаторы частоты представляют собой устройства, генерирующие колебания дискретной шкалы частот, синтезируемые из колебаний лишь нескольких или даже одного эталонного генератора с прецизионной стабильностью эталонной частоты .

Если частотный интервал дискретного множества частот (шаг дискретной сетки частот) между соседними частотами достаточно мал, то различие между непрерывной и дискретной перестройкой рабочей частоты становится несущественным. При высокой точности и стабильности настройки быстрый переход с одной рабочей частоты синтезатора частоты на другую осуществляется переключением наборного устройства или с помощью команд телеуправления. Добавляя к синтезатору частоты интерполяционный генератор, можно осуществлять плавную перестройку внутри частотного интервала без заметной потери стабильности при условии ,

где - частота интерполяционного генератора.

К основным параметрам синтезаторов частоты относятся следующие:

1. диапазон рабочих частот для узкодиапазонных синтезаторов частоты характерен малый коэффициент перекрытия по частоте , для широкодиапазонных - ;

2. шаг дискретной сетки частот (от долей герца до десятков килогерц) или объем рабочих частот синтезатора (от 10 до 10⁴ ... 10⁵);

3. относительная нестабильность рабочей частоты (в простейших синтезаторах частоты с недорогими кварцевыми резонаторами 10^-4 ...10^-5, в наиболее совершенных и сложных синтезаторах, работающих в совокупности с квантовыми эталонами частоты 10^-10 ...10^-12)

4. коэффициент подавления паразитных колебаний , характеризующий отношение мощности (напряжения) рабочего колебания к мощности (напряжению) паразитного колебания на выходе синтезатора частоты;

Паразитные колебания могут иметь сплошной спектр (например, тепловой шум автогенератора) или дискретный (за счет фона сетевого напряжения, эффектов импульсного квантования в цифровых устройствах синтезатора частоты). По действующим нормам обычно , а в особых случаях . Оче­видно, при малом шаге сетки столь высокие требования к фильтрации особенно трудно выполнить для частот, соседних с рабочей.

5. время перестройки или время перехода с одной рабочей частоты на другую (этот параметр важен для быстродействующих устройств с дискретным множеством частот, в которых используют весь объем рабочих частот (или его часть) для формирования широкополосного частотно модулированного сигнала);

6. уровень мощности колебаний рабочей частоты на выходе синтезатора частоты (обычно , поскольку удовлетворить перечисленным требованиям гораздо легче на низком уровне мощности)

Если требуется осуществлять модуляцию, то следует задать дополнительно условия на тип и параметры модуляции в синтезаторе частоты. Кроме того, могут быть заданы эксплуатационные, технологические и экономические требования. Перейдем к рассмотрению каждой группы систем синтезаторов отдельно.

Системы прямого аналогового синтеза (Direct Analog Synthesis, das).

Структурная схема прямого аналогового синтезатора показана на рисунке 1. Этот метод называют прямым по той причине, что отсутствует процесс коррекции ошибки, следовательно, качество выходного сигнала напрямую связано с качеством опорного сигнала. Фазовый шум этого синтезатора достаточно низкий вследствие прямого синтеза. Достоинством систем прямого синтеза частот является их высокое быстродействие. В аналоговых системах быстродействие ограничивается инерционностью применяемых узлов. Одной из важных особенностей такого синтезатора на основе смесителя/фильтра является возможность вернуться на любую частоту и продолжать работать в той фазе, как и в том случае, если бы перехода вообще не было. Этот эффект называют «фазовой памятью». Для перестройки по частоте используется переключаемый банк опорных генераторов. Это подходит, например, для радиостанций с небольшим количеством каналов. Но для обеспечения широких возможностей по перестройке частоты требуется много опорных генераторов, что является весьма дорогостоящим решением. Используя делители частоты (структура смеситель/фильтр/делитель) можно уменьшить количество необходимых опорных генераторов, хотя и в этом случае возможности по перестройке останутся более чем скромными. Наиболее существенным недостатком рассматриваемых синтезаторов является наличие в выходном сигнале побочных составляющих. В таких системах они возникают при выполнении всех операций преобразования частот.

рис. 1

Одним из важных отличительных признаков современной радиолокационной системы (РЛС) является ее когерентность, поскольку на настоящем этапе развития радиолокационной техники именно когерентная обработка принятых сигналов позволяет достигать необходимых характеристик обнаружения. Ключевым звеном современной РЛС является многофункциональный синтезатор частот (СЧ), формирующий следующую номенклатуру взаимокогерентных сигналов:

• синхронно переключаемые сетки частот первого гетеродина и зондирующего сигнала (при этом сетка частот первого гетеродина смещена относительно сетки частот зондирующего сигнала на величину первой промежуточной частоты : );

• частоту второго гетеродина ;

• вторую промежуточною частоту ;

• первую промежуточною частоту (используется для формирования );

• опорную и тактовую частоты и .

Введение различного рода модуляций сформированных сигналов, как правило, осуществляется по первой промежуточной частоте (амплитудная и фазокодовая манипуляции) и по второму (или первому) гетеродину (частотные «окраски»). Основными параметрами синтезатора, в решающей степени определяющими характеристики обнаружения РЛС и ее помехозащищенность, являются:

• уровень фазовых и амплитудных шумов синтезированных сигналов ( );

• возможность быстрого (в идеале - в пределах зондирующего импульса) переключения произвольных комбинаций рабочих частот, желательно без потери их начальных фаз (требуемое время переключения — );

• ширина полосы рабочих частот ( );

• относительная нестабильность формируемых частот ( );

• чистота спектров формируемых сигналов — относительный уровень побочных колебаний .

Учитывая тенденцию к опережающему развитию бортовых РЛС, не менее важны эксплуатационные характеристики синтезатора:

• устойчивость к воздействию внешних факторов (вибрация, удары, акустический шум, температура, влажность и т. д.);

• надежность функционирования в течение срока службы;

• габариты, масса и энергопотребление.

С позиций сегодняшнего дня, очевидно, что реализация обозначенной выше совокупности требуемых предельных характеристик СЧ возможна средствами прямого аналогового синтеза непосредственно в диапазоне СВЧ с использованием современной элементной базы (высокодобротных диэлектрических резонаторов, мощных малошумящих биполярных СВЧ - транзисторов, малошумящих СВЧ - прескалеров и т. д.). При этом достигаются следующие важные преимущества:

1. появляется возможность изменения направления преобразования частоты задающего генератора, т. е. вместо умножения частоты используется операция ее деления для получения всей номенклатуры служебных и выходных частот метрового и дециметрового диапазонов. Это обеспечивает наивысшую спектральную чистоту синтезированных сигналов, включая шумы.

2. использование компактных конструкций на принципиально вибро - акустоустойчивых керамических компонентах, работающих к тому же непосредственно в диапазоне СВЧ, позволяет, с одной стороны, резко снизить их восприимчивость к условиям окружающей среды, а с другой стороны, сравнительно просто осуществить защиту задающий генератор от вибрации и акустического шума, тем самым обеспечить виброустойчивость синтезатора в целом.

3. архитектура таких СЧ позволяет использовать в качестве задающего генератора еще более совершенные генераторы с лейкосапфировыми резонаторами с добротностью при комнатной температуре [4]. Это позволит снизить шумы СЧ до требуемых значений .

4. обеспечивается наивысшая скорость переключения рабочих частот, которая определяется главным образом быстродействием многоканальных переключателей, а время переключения (без потери фаз колебаний) может составлять несколько десятков наносекунд.

Структурная схема такого СЧ представлена на рис. 2.

рис. 2

Учитывая сложность и ответственность СЧ для современной РЛС, первоочередное значение имеет обеспечение его высокой эксплуатационной надежности, которая достигается главным образом выбором элементной базы, соответствующих материалов и технологий. Выбор элементной базы производится по критерию эффективности и надежности. При этом предпочтение отдается биполярным и полевым транзисторам с возможно большим усилением, низким уровнем шумов и повышенной надежностью. В качестве материала для СВЧ - плат целесообразно применять гибкие фольгированные органические диэлектрики (дюроиды). Их применение значительно упрощает и удешевляет технологию изготовления СВЧ - плат, обеспечивая в то же время их высокое качество и надежность. Использование корпусированных активных элементов вплоть до частот , защищенных чип - резисторов и золоченых СВЧ печатных плат обеспечивает высокую эксплуатационную надежность узлов и блоков. Пример СЧ приведен на рисунке 3.

рис. 3