Требования к стабильности частоты радиорелейной аппаратуры заданы Международным регламентом радиосвязи. Это объясняется переуплотнением СВЧ диапазона. Кроме того, некоторые диапазоны, выделенные для РРЛ, являются диапазонами совместного использования с другими радиосредствами, в частности с системами спутниковой связи.

В нашей стране нормы на стабильность частоты устанавливаются Государственной комиссией по радиочастотам (ГКРЧ). Максимально допустимое отио-CHTejjbHOe отклонение частоты передатчика от номинального значения не должно превышать 50-10-". Аналогичное требование предъявляется к относитрльному отклонению от номинального значения частоты гетеродина приемника.

Уходы частоты накапливаются от станции к станции вдоль РРЛ. Отклонение промежуточной частоты от номинального значения на выходе приейинка последней станции участка переприема по групповому спектру при независимых гетеродинах приемника и передатчика может быть определено по формуле

Lf=У /„д + 5Д /гтп д -I- 5Д/гтп.

S - число станций на участке переприема.

Высокую стабильность средней частоты модулятора получить довольно трудно. Поэтому, чтобы получить приемлемую величину отклонения промежуточной частоты от номинального значения, приходится предъявлять весьма жесткие требования к стабильности частоты гетеродина приемника и гетеродина передатчика.

Создать гетеродинный тракт с необходимой стабильностью Частоты возможно лишь при кварцевой стабилизации частоты в задающем генераторе.

Шумы. Гетеродинные тракты вносят ощутимый вклад в баланс шумов радиорелейной станции, в основном в аппаратуре большой и средней емкостей, а также рассчитанной на передачу сигналов телевидения.

Шумы гетеродинного тракта, состоящего из задающего генератора, усилителя н цепочки умножителей, определяются, главным образом, отношением сигнала к шуму в начале цепочки и коэффициентом умножения. В задающем генераторе собственные шумы транзистора создают паразитную шумовую девиацию частоты генерируемых колебаний. При умножении шумовая девиация частоты возрастает в т раз, где m - коэффициент умножения. Соответственно уменьшается на 20 Ig т отношение сигнала к шуму на выходе гетеродинного тракта, т. е. по 6 дБ на каждое удвоение частоты.

Таким образом, каждый варакторный или транзисторный умножитель, кроме того, что он вносит собственные шумы, увеличивает шумы, создаваемые предыдущими каскадами.

Отношение сигнала к шуму, создаваемому гетеродинным трактом, в телефонном канале вточке с измерительным уровнем 1 мВт определяется выражением

C/m№] = -bPj.3-Af-f V-JVj,3„. (5.4)

= 141,6дБм;

Здесь Л= 10 TAfK„ fк -ширина полосы телефонного канала, 3,1 кГц; /Сп - псофометрический коэффициент, 0,75; Р-зд - мощность задающего генератора, дБм; Al=201g/»

(m - коэффициент умножения); V=201g (коэффициент улучшения ЧМ, отрицательная величина); Af к - эффективное значение девиации частоты на канал; Fk -средняя частота канала в групповом спектре; Лрзд-коэффициент шума транзистора задающего генератора, .дБ.

По этой формуле можно рассчитать отношение сигнала к шуму, создаваемому любым каскадом усплительно-умножительной цепочки, а не только задающим генератором. Для этого необходимо вместо значений Р. н N. подста-

вить значения входной мощности и коэффициента шума каскада, а также соответствующее значение М.

На рис. 5.36 приведены рассчитанные по вышеприведенной формуле графики распределения шумов в линейном спектре, вносимьвс гетеродинным трактом радиорелейной аппаратуры емкостью 1320 каналов ((А/к = 140 кГц), работающей в диапазоне 4 ГГц.

Рис. 5.36. Распределение шумов в линейном спектре (емкость 1320 ТЧ каналов), создаваемых гетеродинным трактом: / - гетеродинный тракт без фильтра; задающий кварцевый генератор 125 МГц, т-32,

•зд- гад"" ""

2 - то же, с предыскажениями;

3 - гетеродинный тракт с фильтром с полосой пропускания 600 кГц, с предыскажениями;

4 - гетеродинный тракт бет фильтра; задающий генератор С ФАПЧ 250 МГц, т-16,

Р,3д ==0,5 Вт с предыскажениями

% . SO

4 2 1

0.в OS

700 312 son WOO то

50005132кГи.

Графики 1 к 2 соответствуют цепочке умножителей, с т-Ъ2. Задающий генератор с кварцевой стабилизацией частоты работает на частоте 125 МГц. Для предотвращения интенсивного старения кварцевого резонатора, работающего на механических гармониках, мощность колебаний, проходящая через него, не должна превышать 1 мВт. Коэффициент шума транзистора, применяемого в задающем генераторе, - 10 дБ. Мощность шума в верхнем телефонном канале Рш получается равной 350 пВт. Введение предыскажений помогает уменьшить их до 100 пВт (график 2).

Таким образом, в гетеродинном тракте с большим коэффициентом умножения, необходимым для получения колебаний в днапазоие СВЧ, незначительные сами по себе собственные шумы задающего генератора приводят к недопустимо большим шумам в телефонных каналах.

В радиорелейной аппаратуре применяется три способа радикального снижения шумов гетеродинных трактов. Первый способ состоит в улучшении фильтрации шумов в тракте путем включения узкополосного фильтра. Второй способ заключается в снижении коэффициента умножения цепочки и повышении частоты и мощности задающего генератора. Третий способ - использование в качестве гетеродина автогенератора СВЧ, стабилизированного высокодобротным резонатором. В соответствии с этим встречаются три типа схем построения гетеродинных трактов.

Структурные схемы гетеродинных трактов с узкополосным фильтром умножителя (ФУм) представлены на рис. 5.37. На схемах указаны величины мощности в различных точках тракта.

Гетеродинный тракт приемника диапазона 4 ГГц (рис. 5.37а). Задающий кварцевый генератор (ГКв) используется одинаковый как для приемника, так Я для передатчика. Высокая стабильность частоты (2-10-) достигнута применением термостатировайия кварцевого резонатора. Удвоитель частоты

125/250 МГц выполнен на транзисторе. Далее следует маломощный развязывающий усилитель, узкополосный фильтр н еще один развязывающий усилитель, компенсирующий потерн в фильтре.

В гетеродине приемника умножитель частоты (т=16) двухкаскадный, состоящий из двух учетверителей в одном блоке. Часто используются однокаскад-ные умножители частоты с большим коэффициентом умножения. Необходимая мощность гетеродина приемника не превышает 10 мВт, поэтому достаточно при-

-ГКд

гзомгц

0,SBm

-ids

ЮмВт

-6 дБ

*гОдБ УМш,

z2iS

-г дБ .УмЧ

2SBm

-гвБ

-ЗдВ. УдН

4ГГи.г

и; МГц

ГКв I !7mV, тмги <РУм

УМщ УЧг "s fM.

т \ Т 250Ы,

Рис. 5.37. Структурные схемы гетеродинных трактов с задающим кварцевым генератором и узкополосным фильтром:

о -прие.мника 4 ГГа; о - пол\-проЕодникового передатчика 4 ГГц; 8 - передатчика с ЛБВ 6 ГГц

менить .маломощный усилитель. Режи.м работы варакторов получается облегченным. На выходе тракта включен волноводный полосовой фильтр, подавляющий нежелательные составляющие спектра, возникающие при умножении частоты. Полоса пропускания фильтра около 8-10 МГц. Мощность гетеродина регулируется переменным вслноводным аттенюатором.

В гетеродинном тракте (рис. 5.376) полностью полупроводникового передатчика для получения требуемой мощности гетеродина около 3 Вт в диапазоне 4 ГГц иеобходи.м мощный усилитель с выходной мощностью 25 Вт иа частоте 250 МГц. Для облегчения режима работы варактора и соблюдения требований по мощности рассеивания умножитель частоты (т=16) содержит четыре каскада удвоения. Такой гетеродин потребляет от источника питания около 100 Вт, а КПД по постоянному току составляет всего 3%. Поэтому тепловой режим блока получается весьма напряженным, i особенности при существующей тенденции уменьшения габаритных размеров радиорелейной аппаратуры.

Для эффективного подавления шумов задающего генератора узкополосиый фильтр ФУм должен иметь полосу пропускания не более 500 кГц. Идеальным решением проблемы шумов гетеродина было бы включение узкополосного фильтра на выходе тракта. В этом случае он отфильтровал бы шумы и паразитные автоколебания, которые могут возникнуть в любом каскаде усилительно-умно-жительной цепочки. Однако для получения необходимой полосы пропускания потребовался бы фильтр с «агруженной добротностью около 10 000. Создать такой фильтр на СВЧ, имеюил,ий малые потери (доли децибела) и обладающий необходимой термостабильиостью, технически очень трудно.

Предпочтение отдается фильтра.м в диапазоне частот 200-700 МГц. Включение фильтра между промежуточными каскадами цепочки до мощного усилите-

ЛЯ позволяет не предъявлять к нему чрезмерных требований в отношении вносимых потерь. Затухание фильтра компенсируется маломощн(лм усилителем или повышением коэффициента усиления мощного усилителя и практически не снижает КПД гетеродина по постоянному току. Эффективность фильтра по подавлению шумов задающего генератора остается достаточно высокой и в этой точке усилительно-умиожительной цепочки. Кривая 3 на рис. 5.36 отражает распределение шумов в линейном спектре, вносимых гетеродинным трактом с узко-полосиым фильтром иа частоте 250 МГц. Фильтр снижает мощность шума в верхнем телефонном канале до 10 пВт. Такая величина гетеродинного шума все еще велика для магистральной аппаратуры, поскольку сравнима с собственным шумом приемника при нормальном сигнале на его входе. Кроме того, с увеличением числа каналов гетеродинный шум в верхних каналах возрастает.

Гетеродинный тракт с узкополосиый фильтром применяется в радиорелейной аппаратуре с емкостью, как правило, до 1000 каналов, максимум до 1320 каналов. Примером может служить магистральная аппаратура КУРС-4. Аналогичный по схеме тракт, отличающийся от выше приведенного только числом каскадов в выходном умножителе частоты, используется в аппаратуре КУРС-6. ФУм работает на частоте 670 МГц.

Снизить величину шума, обусловленного гетеродином, в аппаратуре емкостью до 2000 каналов и выше удается повышением частоты и мощности задающего генератора по сравнению с теми значениями, которые можно достичь в кварцевом генераторе. На рис. 5.36 кривая 4 представляет распределение, шума в линейном спектре, когда в гетеродинном тракте используется задающий генератор мощностью 0,5 Вт на частоте 250 МГц. Мощность шума в верхнем телефонном канале при емкости, 1320 каналов снижается до 3 пВт без применения узкополосного фильтра.

Структурная схема гетеродинного тракта с задающи.м генератором 250 МГц с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) приведена на рис. 5.38i,

т=1Б )ГГл

711=21, 6 ГГи.

37 8 ГГи зыхао

Рис. 5.38. Структурная схема гетеродинного тракта с задающим генератором 250 МГц и ФАПЧ

Тракт включает задающий генератор, опорный кварцевый генератор и усили-тельно-умножительную цепочку, схема которой зависит от выходной мощности гетеродина и диапазона частот. В частности, может быть использована любая из усилительно-умножительиых цепочек гетеродинных трактов, показанных на рис. 5.37. При этом в гетеродине приемника нля передатчика с .ЛБВ необходимость в дополнительном усилителе мощности отсутствует.

Задающим генератором служит транзисторный автогенератор ГЗд. Колебания автогенератора усиливаются буферным усилителем мощности до 2 Вт.

Для обеспечения заданной стабильности частоты производится автоматическая подстройка фазы колебаний автогенератора по опорному кварцевому генератору. Сравнение фазы колебаний ГКв и ГЗд производится в фазовом дискриминаторе (ФД). Результирующий сигнал усиливается регулирующим усилителем (РУ) и через фильтр низких частот (ФНЧ) управляет частотой ГЗд, поддерживая постоянной разность фаз колебаний автогенератора и опорного кварцевого генератора. Фильтр с частотой среза около 20 кГц обеспечивает необходимую устойчивость системы авторегулирования и, кроме того, ослабляет высокочастотные составляющие щума опорного кварцевого генератора, модулирующие синхронизируемый автогенератор. Прн наличии ФНЧ собственный щум ГКв не проявляется в телефонных каналах.

Полоса схватывания системы фазовой автоподстройки из-за наличия в схеме ФНЧ будет составлять около 20 кГц, поэтому для обеспечения синхронизации прн значительных первоначальных расстройках стабилизируемого и опорного генераторов служит устройство автопоиска (АП). Управление устройством автопоиска осуществляется усиленным и выпрямленным напряжением биений с выхода фазового дискриминатора. Прн наличии этого напряжения, которое поступает через усилитель биений разностной частоты (УБРЧ), устройство автопоиска вырабатывает пилообразное напряжение и перестраивает частоту ГЗд в широких пределах. В момент прохождения через область захватывания наступает синхронизм, биения на выходе фазового дискриминатора прекращаются и устройство автопоиска выключается.

Во время поиска колебания автогенератора ие поступают в усилительно-ум-ножительную цепочку. Для этой цели служит устройство выключения и автоматической регулировки мощности (АРМ). Оно запирает буферный усилитель всякий раз, когда появляется сигнал иа выходе УБРЧ, т. е. при автопонске, а также, когда пропадают колебания на выходе опорного кварцевого генератора н, следовательно, когда частота автогенератора не стабилизирована. При нормальной работе, когда колебания опорной частоты имеются и осуществляется синхронизация автогенератора (биений нет), буферный усилитель отперт и устройство АРМ поддерживает выходную мощность на определенном заданном

Опорный генератор содержит генератор 125 МГц с кварцевой стабилизацией частоты, причем кварцевый резонатор термостатирован, и каскады усиления и удвоения частоты, обеспечивающие необходимый уровень и частоту опорного сигнала 250 МГц. Относитель-

ная нестабильность частоты задающего генератора с ФАПЧ равна нестабильности частоты опорного кварцевого генератора и составляет 2-10~*.

Генераторы с кварцевой стабилизацией частоты. В гетеродинных трактах радиорелейной аппаратуры для стабилизации частоты задающих генераторов, а также генераторов опорной частоты для АПЧ применяются кварцевые резонато- ры, работающие на гармониках" механических колебаний пластин до частот порядка 150 МГц. С повыщением номера гармоники BoapactaeT щун-тирующее действие емкости кварцедержателя и ун.еличивается эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора при последовательном резонансе, что снижает стабильность частоты. Поэтому используются третья или пятая, ие выше, механические гармоники.

Рис. 5.39. Схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты

ч И

Кварцевый генератор, как правило, имеет схему, в которой кварц работает на частоте последовательного резонанса. Достоинством такой схемы является высокая стабильность частоты. Объясняется это слабой связью кварца с транзистором, что уменьшает действующее на нем напряжение. Удается реализовать в схеме следующие величины относительной нестабильности частоты- без термостатировайия 50-10-, с термостатированнем 2-10-*.

На рнс. 5.39 приведена схема кварцевого генератора. Автогенератор выполнен по схеме с общей базой на транзисторе Т. Кварцевый резонатор включен в цепь положительной обратной связи на эмиттер, поэтому обратная связь будет только на частоте последовательного резонанса кварца. Для других частот сопротивление кварца резко возрастает и генерация не возникает. Возможная паразитная генерация на частотах вблизи основного колебания кварцевого ре+ зонатора из-за связи через емкость кварцедержателя устраняется иейтрализа цией этой емкости. Для этого служит параллельная индуктивность L1, которая настраивается в резонанс с емкостью кварцедержателя. Трансформатор Тр1 в цепи обратной связи - согласующий.

Кварцевый резонатор помещен в термостат. Температура в термостате поддерживается равной -Ь55 ±1,5° С с помощью терморегулятора. Нагревателем является резистор R7. Датчиком терморегулятора является терморезистор R6 Мощность подогрева изменяется в пределах 3,5-0,5 Вт в днапазоие изменений температуры окружающего воздуха от -f5 до -t-45°C.

Умножители частоты на варакторах. В усилительно-умножнтельной цепочке гетеродинного тракта современной радиорелейной аппаратуры применяются н основном варакторные умножители частоты.

Параметры варакторов, применяемых в отечественной радиорелейной аппаратуре, приведены в табл. 5.4.

ТАБЛИЦА 5.4

Параметры варакторов, применяемых в аппаратуре РРЛ

Параметр

Тип и группа

Мощный варактор

Варактор средней нощвости

Возможность умножения частоты на варакторе обусловлена нелинейной зависимостью емкости варактора С от напряжения на нем и малыми высокочастотными потерями варактора в области обратной проводимости. Эквивалентная схема варактора содержит последовательное соединение емкости С и сопротивления потерь R,. Качество варактора характеризуется отношением реактивного сопротивления его емкости к активному сопротивлению потерь - добротностью Ял

2 л /вх CR,

>нх

(5.5)