5.4.1. Технические параметры
Рассматриваем гетеродинные тракты как передающих, так и приемных устройств. Гетеродинный тракт должен создавать СВЧ колебания в заданном диапазоне частот с заданной мощностью. Он определяет такие параметры радиопередатчика, как рабочая частота, относительная нестабильность частоты и выходная мощность (при отсутствии УМ). Мощность, подаваемая от гетеродинного тракта к смесителю, может составлять несколько ватт в передатчиках без УМ, сотни милливатт в передатчиках с УМ и несколько милливатт в приемниках. К стабильности частоты ГТ предъявляют жесткие требования. Поскольку допустимое значение относительной нестабильности частоты передатчика ограничено и вклад ЧМД в эту нестабильность достаточно велик, то вклад ГТ должен быть, по крайней мере, на порядок меньше, чем вклад ЧМД. Автогенератор гетеродинного тракта, используемый для формирования рабочей частоты ГТ и определяющий стабильность его выходного сигнала, называют опорным АГ.
Тепловые шумы гетеродинного тракта являются одним из источников теплового шума в ТФ каналах РРЛ.
5.4.2. Способы стабилизации частоты опорных АГ
Известно три способа стабилизации частоты автогенераторов: параметрическая стабилизация, кварцевая и автоматическая подстройка частоты (АПЧ). Параметрическая стабилизация сводится к тому, что параметры, вызывающие отклонения частоты автогенератора (температура, питающие напряжения и др.), поддерживают постоянными. Обеспечивает относительную нестабильность частоты АГ 10-3…10-4. Как самостоятельный способ применяется в ЦРРС для стабилизации автогенераторов, выполненных на диодах Ганна и лавинопролетных диодах, и в АРРС для стабилизации центральной частоты частотных модуляторов. Например, ЧМГ помещают в термостат, для них применяют высокостабилизированные источники питания. В гетеродинных трактах АРРС параметрическую стабилизацию используют как дополнительный способ совместно с кварцевой или АПЧ.
Кварцевую стабилизацию широко применяют в гетеродинных трактах АРРС. Заключается она в том, что используют автогенератор с кварцевыми резонаторами (пластинами). Кварцевая пластина обладает пьезоэлектрическим эффектом, т.е. под воздействием переменного электрического напряжения совершает механические колебания (обратный пьезоэффект) и создает одновременно переменное электрическое напряжение (прямой пьезоэффект). Кварцевый резонатор имеет две резонансные частоты: последовательного резонанса w р1 и параллельного резонанса w р2, причем они очень близки. Частотный диапазон (w р1- w р2) порядка 5× 10-3 w р1. Кварцевый резонатор обладает очень высокой добротностью и большим постоянством резонансной частоты, которая мало изменяется под влиянием внешних условий. Значение резонансной частоты (или соответствующей ей длины волны l р) зависит от размеров пластины и способов ее включения. При включении по толщине получают в метрах l р=106d, где d – толщина пластины в миллиметрах. Из-за трудностей получения очень тонких пластин собственная частота колебаний кварцевого резонатора не превышает нескольких десятков мегагерц. Автогенератор, стабилизированный кварцевым резонатором (АГК), обычно работает на гармониках механических колебаний пластины (третьей, пятой), так что его частота составляет 100…150МГц. Использование более высоких механических гармоник не практикуется, так как с ростом номера гармоники падает стабильность частоты. Относительная нестабильность частоты АГ с кварцевой стабилизацией – 50× 10-6, а совместно с параметрической стабилизацией – 2× 10-6.
Автоматическую подстройку частоты реализуют в ГТ в виде схемы опорного АГ с фазовой АПЧ (ФАП), в которой эталонный сигнал получают от АГК. Относительная нестабильность частоты такая же как у АГК.
Автогенераторы с ФАП. Колебания с частотой f1 поступают (рисунок 5.11) от стабилизируемого транзисторного автогенератора G1, контур которого выполнен в виде высокодобротного резонатора. К резонатору подключен варактор, с помощью которого управляют частотой. Частота f1 автоматически поддерживается равной частоте f2 колебаний генератора эталонного сигнала G2. Фаза j 1 колебаний G1 сравнивается с фазой j 2 эталонного сигнала на фазовом детекторе (ФД) UB. На выходе ФД выделяется напряжение ошибки uош=kдcos(j 2-j 1), где kд – крутизна передаточной характеристики ФД.
Возможны два режима работы: автоподстройка и автопоиск. В режиме автоподстройки f1» f2. Если фазы сравниваемых колебаний отличаются на величину D j , то на выходе ФД появляется постоянное напряжение ошибки (рисунок 5.11б). Оно проходит через усилитель А1 и через ФНЧ Z1 поступает на варактор. Напряжение ошибки изменяет емкость варактора, а следовательно, и частоту колебаний G1 таким образом, что | Dj | уменьшается, и до тех пор, пока не станет Dj » 0. Максимальная разница частот | f2-f1| в момент включения, при которой еще работает автоподстройка, определяется полосой ФНЧ. Этот ФНЧ предназначен для уменьшения влияния шума генератора G2. Тепловой шум G2 вызывает паразитную ФМ колебаний G1. Это в свою очередь приводит к появлению ТШ в каналах РРЛ. Мощность теплового шума, поступающего от G2, пропорциональна полосе ФНЧ Пф. Поэтому полосу стремятся выбрать как можно меньше.
Рисунок 5.11. К пояснению работы АГ с ФАП:
а – структурная схема; б – передаточная характеристика ФД
Реальная расстройка частот генератора G1 и G2 в момент включения может значительно превысить Пф. В этом случае схема автоматически переходит в режим автопоиска. На входе ФД возникает напряжение биений
uб=kдcos(j 2-j 1)= kдcos2p (f2-f1)t
c частотой биений Fб=f2-f1.
Усилитель А2 усиливает напряжение биений, используемое для запуска генератора автопоиска G3. Последний начинает вырабатывать пилообразное напряжение Uп, которое, попадая на варактор, изменяет его емкость, а следовательно, и частоту генератора G1 в широких пределах. Теперь в таких же пределах будет меняться и частота биений. В момент, когда Fб<Пф, схема автоматически переходит в режим автоподстройки, биения на выходе ФД исчезают и G3 выключается. Устройство выключения и автоматической регултровки мощности АРМ запирает выходной буферный усилитель А3 при появлении сигнала на выходе А2 (режим автопоиска), а также при пропадании колебаний на выходе G2.
Эталонный сигнал в G2 получают умножением частоты колебаний АГК. Транзисторные автогенераторы работают на одной из частот диапазона 200…400 МГц при выходных мощностях 0,5…1Вт. Собственный уход частоты не превышает ± 200кГц. Выбирают ФНЧ с Пф=20кГц. Относительная нестабильность частоты для автогенератора с ФАП такая же, как у генератора эталонного сигнала.
5.4.3. Умножители частоты
Они повышают частоту колебаний в целое число раз n, называемое коэффициентом умножения. Для повышения частоты fр АГК до выходной частоты ГГ f02, нужен умножитель частоты с большим значением n. Например, при fр=125кГц и f02=4МГц, n=32. Такой умножитель нельзя сделать однокаскадным, а только в виде цепочки нескольких каскадов.
Существуют транзисторные умножители частоты и умножители на нелинейных пассивных элементах (полупроводниковых диодах, варакторах и др.). В транзисторных умножителях частоты имеет место усиление сигнала, что является основным достоинством таких схем. Однако частотные свойства транзисторов не позволяют получать от них выходные колебания на частотах выше 1 ГГц. Поэтому в гетеродинных трактах транзисторные умножители применяются только в первых каскадах умножительной цепочки. В отечественных АРРС чаще всего используют транзисторные удвоители частоты.
Умножители частоты на нелинейных элементах вносят потери. Один из основных параметров таких умножителей – его КПД, равный отношению выходной мощности колебаний частоты nf к мощности входного сигнала частотой f. Использование варакторов в качестве пассивных нелинейных элементов позволяет реализовать умножительные каскады с высоким КПД.
Схемы умножителей на варакторах. Варактор VD (рисунок 5.12) является элементом связи между входным L1C1 и выходным L2C2 резонансными контурами, настроенными соответственно на частоту входного сигнала fвх и ее гармонику n1fвх. Напряжение автоматического смещения на VD поступает с резистора R. Под действием гармонического входного напряжения емкость варактора меняется нелинейно. Следовательно, через VD протекает нелинейный ток. Этот ток протекает через оба резонансных контура, создавая на выходном контуре напряжение гармонических колебаний uвых с частотой n1fвх.
Полоса пропускания варакторного умножителя составляет всего несколько процентов от рабочей полосы из-за использования контуров с высокой добротностью. Поэтому умножитель очень чувствителен к настройке и к температурному режиму, т. е. неустойчив к работе. Чтобы несколько расширить полосу пропускания, в реальных схемах вместо одиночных контуров L1C1 и L2C2 устанавливают полосовые фильтры. Конструктивное выполнение фильтров зависит от их рабочих частот. Фильтр выполняют на сосредоточенных элементах, если его резонансная частота не превышает 1 ГГц. В диапазоне 1…3 ГГц применяют коаксиальные линии, а на более высоких частотах – объемные резонаторы.
В схемах умножителей частоты используют варакторы с такими же параметрами, что и в схемах смесителей.
Коэффициент полезного действия варакторного умножителя резко падает с повышением номера гармоники выходной частоты. Кроме того, КПД зависит от добротности варактора и амплитуды входного сигнала. Чем больше эти величины, тем выше КПД. При высоких добротностях максимальная амплитуда входного сигнала на диоде определяется не мощностью рассеяния, а пробивным напряжением Uп:
Для того чтобы получить высокий КПД, нужно обеспечивать высокую добротность варактора. Частота входного сигнала должна быть в десятки раз ниже предельной частоты варактора. При максимальной амплитуде входного сигнала и Q=100, что соответствует fвх = 150…500 МГц, для варактров средней мощности получают КПД 85…90 % при n1=2 и КПД 50 % при n1=3.
Выходная мощность умножителя частоты является очень важным параметром, так как она определяет выходную мощность ГТ. Принимая во внимание, что умножитель частоты многокаскадный, а КПД каскада меньше единицы, отметим, что каскады умножителя частоты передатчика должны работать при достаточно высоких входных мощностях, а варакторы должны выдерживать эти мощности.
5.4.4. Структурные схемы гетеродинных трактов
В передающих устройствах колебания в ГТ (рисунок 5.13) создает опорный автогенератор G, стабилизированный кварцевым резонатором. Через фазовый модулятор UB он подключен к умножительно-усилительной цепочке, состоящей из транзисторных умножителей с буферными усилителями U1, узкополосного фильтра усилителя мощности (ФУМ) Z1, мощного усилителя A1, цепочки умножителей частоты на варакторах U2 и ФУП Z2. На рисунке 5.13 указаны значения потерь а для некоторых каскадов схемы, а также частоты f и мощности Р на выходе каскадов. Фазовый модулятор предназначен для подачи сигналов служебной связи.
Рисунок 5.13. Структурные схемы гетеродинных трактов передатчиков без УМ (а) и с УМ (б)
В транзисторном передатчике высокая выходная мощность гетеродинного тракта (рисунок 5.13,а) получена за счет усилителя А1 с выходной мощностью 25 Вт на частоте 250 МГц и применения в U2 удвоителей частоты. Для снижения тепловых шумов, вносимых гетеродинным трактом в ТФ канал, предназначен ФУМ. Снижение полосы гетеродинного тракта ослабляет вносимые им шумы. Реализовать такой фильтр, который можно было бы поставить на выходе гетеродинного тракта для эффективного подавления шумов, не удается, так как для этого необходим СВЧ фильтр с очень узкой полосой и очень малыми потерями. Поэтому используют узкополосные ФУМ в диапазоне 200…700 МГц с полосой частот 0,5 МГц, которые выполняют на волноводных резонаторах с применением термостабильных материалов. Вносимое таким фильтром затухание компенсируют последующие усилительные каскады тракта. Выходной ФУП имеет полосу частот 8…10 МГц и предназначен для подавления нежелательных составляющих спектра, возникающих при умножении частоты.
Для передатчика с УМ нужна значительно меньшая выходная мощность ГТ, поэтому требования к УМ и КПД каскадов облегчены, что позволяет применить варакторные утроители частоты в U2 (рисунок 5.13,б). Для развязки между каскадами установлены ФЦ.
В ГТ приемника (рисунок 5.14,а) в отличие от ГТ передатчика нет ФМ, но предусмотрен переменный волноводный аттенюатор WU для регулировки выходной мощности. От ГТ колебания поступают на смеситель приемника, работающий при малых уровнях сигналов. Следовательно, выходная мощность ГТ приемника еще ниже, чем у ГТ передатчика с УМ, и значения КПД каскадов могут быть меньше. Поэтому U2 состоит из учитверителей частоты, усилитель А1 – маломощный.
Рисунок 5.14. Структурные схемы гетеродинных трактов приемников: с АГ, стабилизированным кварцевым резонатором (а); с транзисторным автогенератором с ФАП (б)