Принципы стабилизации частоты. Управление колебаниями передающего устройства. Дестабилизирующие факторы, влияющие на работу передатчиков

Под стабильностью частоты понимается степень ее постоянства, неизменности с течением времени. В ходе работы любого передатчика несущая частота радиосигнала отклоняется, уходит от установленного значения f. Величина ухода называется нестабильностью, именно она является мерой стабильности частоты. Установлены понятия «абсолютная нестабильность» и «относительная нестабильность».

Абсолютной нестабильностью частоты ∆f называется отклонение частоты колебаний за определенный промежуток времени относительно установленной, а относительной — отношение абсолютной нестабильности к установленной частоте (∆f/f).

Нестабильность является важнейшей характеристикой передатчика. В зависимости от его назначения требования к относительной нестабильности частоты авиационных передатчиков колеблются в пределах от ±1*10^-4 до ±1*10^-10 и менее. Вызвано это тем, что от стабильности частоты зависят важнейшие тактико-технические показатели радиоэлектронных средств (РЭС) самолета. Так, увеличение |∆f/f|, например, ведет к ухудшению точности определения РТС координат летательного аппарата (ЛА), уменьшению дальности обнаружения цели радиолокационными станциями (РЛС), ухудшению разборчивости речи в каналах радиосвязи, снижению помехоустойчивости и пр. Нестабильности несущих частот радиосигналов определяются в основном ОГ передатчиков, следовательно, к ним должны быть переадресованы требования по стабильности частоты. Важным для ее оценки является интервал времени, в течение которого определяется нестабильность, и характер вызывающих ее причин. Различают кратковременную и долговременную нестабильность.

Кратковременной называется случайное изменение частоты относительно установленной за заданный интервал времени, долговременной — изменение частоты за заданный интервал времени, вызванное необратимыми изменениями, происшедшими в элементах АГ и его режиме.

Причинами нестабильности частоты являются дестабилизирующие факторы, действующие на АГ. Их можно представить четырьмя группами;

климатические — изменения температуры, давления, влажности;

электрические — изменения напряжений источников электропитания, непостоянство нагрузки, флуктуации внешних электромагнитных полей;

механические — вибрации, ускорения, изгибы;

временные факторы, главные из которых — старение и износ.

Под влиянием каждого из перечисленных факторов изменяются параметры колебательного контура или электрический режим АЭ, в результате генерируемая частота уходит от номинала. Следовательно, для того чтобы стабилизировать частоту генерации, необходимо стабилизировать определяющие ее параметры. Меры стабилизации частоты, поэтому и называются параметрическими. Цели параметрической стабилизации состоят в том, чтобы уменьшить диапазон изменения частотозадающих параметров АГ и тем самым обеспечить нестабильность частоты не более заданной.

Основные принципы стабилизации частоты. Параметрическая и кварцевая стабилизация

Основные меры параметрической стабилизации:

1. Термостатирование. Элементы колебательного контура или целиком всю конструкцию автогенератора помещают в термостат, где автоматически поддерживается температура с точностью до - 0,1°С.

2. Термокомпенсация. Обеспечивается применением термокомпенсирующих деталей, например тикондовых конденсаторов, емкость которых уменьшается с повышением температуры, в то время как у воздушных возрастает. Их параллельное включение может обеспечить лучшее постоянство суммарной емкости колебательного контура.

3. Герметизация блока автогенератора. Исключается влияние изменения давления и влажности. Необходимые давление и влажность в блоке могут поддерживаться бортовым кондиционером или от воздушной системы ЛА.

4. Стабилизация напряжения источников электропитания.

5. Экранирование и применение электрических фильтров для защиты от внешних электромагнитных полей.

6. Применение буферного усилителя (эмиттерного повторителя) для уменьшения влияния: последующих каскадов.

7. Амортизация блока АГ или всего передатчика.

8. Жесткий монтаж схемы, применение печатных плат.

9. Использование высокоэталонных деталей, таких, параметры, которых слабо зависят от дестабилизирующих факторов.

10. Применение высокодобротных элементов колебательного контура (катушек индуктивности и конденсаторов), а также материала для изоляторов контура.

11. Выбор наиболее стабильной схемы АГ. Более предпочтительна схема с емкостной обратной связью (емкостная трехточка).

12. Генерируемая мощность должна быть минимальной, порядка десятка милливатт.

13.Своевременный ремонт,

14.Выдержка времени прогрева после включения.

15.Применение высокодобротного эталонного стабилизирующего резонатора с сосредоточенными или распределенными параметрами, электрически слабо связанного с колебательной системой АГ. Он резонирует на своей собственной частоте f₀ и навязывает ее АГ при условии, что f≈f₀. Наиболее часто эта мера применяется для стабилизации частоты АГ СВЧ (рис. 8.35). Недостаток такой меры состоит в необходимости перестройки резонатора при смене частоты АГ и срывах стабилизации.

Однако даже применение всех перечисленных мер одновременно обеспечивает долговременную относительную нестабильность частоты АГ не менее 1*10^-4. Для большинства современных РЭС ЛА такая стабильность неприемлема, недостаточна. Значительно меньшую нестабильность

(1*10^-5—1*10^-10) имеют автогенераторы с кварцевой стабилизацией совместно с вышеперечисленными мерами параметрической стабилизации.

Сущность кварцевой стабилизации частоты состоит в том, что в схему АГ определенным образом включают кварцевый резонатор, имеющий гораздо большие добротность (Q = 1*10⁴ — 1*10⁶) и эталонность, чем и обеспечивается лучшая стабильность частоты АГ.

Физические свойства кварца

Кварц является двуокисью кремния, минералом, относящимся к диэлектрикам, широко представленным в земной коре. Из четырех его разновидностей для изготовления резонаторов используется одна — β-кварц. Он в отличие от остальных трех разновидностей обладает пьезоэлектрическими свойствами.

Пьезоэлектричество открыто французскими физиками — братьями Ж. и П. Кюри в 1881 г. при опытах именно с β-кварцем. Они обнаружили появление на гранях кристалла электрических зарядов при действии механических напряжений (прямой пьезоэффект) и возникновение механических деформаций под действием электрического поля (обратный пьезоэффект). Основы теории кристаллов кварца и его применения разрабатывались в СССР А. В. Шубниковым.

Кварц (здесь и далее будет пониматься β-кварц) встречается в природе и выращивается искусственно в форме кристаллов. Идеализированной формой кристалла является шестигранная призма, оканчивающаяся с торцов шестигранными пирамидами (рис. 1. а). У кристалла кварца различают семь кристаллографических осей (рис. 1. б): три электрические (X — X), проходящие через ребра, три механические (У—У), перпендикулярные граням, одну оптическую (Z — Z), проходящую через вершины пирамид.

Кристаллографические оси указывают на анизотропность физических свойств кварца, т. е. некоторые из них зависят от направления наблюдения или измерения. Так, например, пьезоэлектрические свойства проявляются только в направлениях осей X и Y. Физические свойства кварца очень слабо зависят от внешних условий. Наиболее существенно они зависят от температуры: изменяется диэлектрическая проницаемость и удельное сопротивление. При температуре более 573°С кварц теряет пьезоэлектрические свойства и переходит в другую разновидность.

По твердости он незначительно уступает алмазу. Кристаллы или прозрачны, или имеют цвет, определяемый примесями. Искусственные кристаллы обладают несколько худшими параметрами.

В заключение краткого рассмотрения физических свойств кварца укажем на причины, из-за которых именно он широко используется для изготовления кварцевых резонаторов, несмотря на то что более 1500 веществ обладают пьезоэффектом: прямой и опрятным пьезоэффект, высокая эталонность параметров, большая добротность, химическая стойкость, прочность, широкая распространенность в природе, что определяет сравнительно низкую его стоимость.

Кварцевые резонаторы

К варцевый резонатор является высокодобротной электромеханической системой. Он состоит из кристаллического элемента 1 (рис 2. а) и кварцедержателя 2, который посредством выводов 3 подключается к схеме АГ. Кристаллический элемент (КЭ) в кварцедержателе может помещаться в

Рис. 1. Кристалл β-кварца: а – идеализированная форма кварца; б – ориентация кристаллографических осей.

вакуумном баллоне 4 или герметизированном кожухе для исключения влияния атмосферы КЭ вырезается из кристалла кварца в форме прямоугольной пластинки, бруска, диска или линзы Электромеханические свойства КЭ зависят как от его размеров и формы, так и от среза — ориентации относительно осей кристалла. Различают простые и косые срезы. У простых

срезов плоскость среза перпендикулярна или оси X (это Х-срез), или оси Y (это Y-cрез) КЭ, соответствующие X и Y- срезам, имеют большие температурные коэффициенты частоты (ТКЧ).

Рис. 2. Кварцевый резонатор:

а – вариант конструкции (1 – кристаллический элемент; 2 – кварцедержатель; 3 – выводы; 4 – баллон; 5 - электроды); б – кристаллический элемент с электродами.

ТКЧ — это относительная нестабильность при изменении температуры на один градус Цельсия, причем ТКЧ Х-среза отрицательный (до — 3*10^-5), a ТКЧ Y-среза -положительный (до 18*10^-5). Закономерен был поиск косых срезов, при которых пъезоэлементы ориентированы иначе, чем X и Y-срезы, относительно кристаллографических осей.

И были найдены срезы, для которых ТКЧ в некотором интервале температур близок к нулю.

КЭ, помещенный между двумя электродами, образует пьезоэлемент (рис. 2.б). Электроды закрепляются определенным образом в узлах механических колебаний пьезоэлемента, чтобы не увеличивать его затухания.

Габариты пьезоэлемента уменьшаются с ростом номинальной частоты, на которую рассчитывается резонатор, поскольку они определяют собственные резонансные частоты. Это условие обязательно для расстояния между гранями КЭ, с которыми контактируют электроды. Изготовление КЭ тоньше 0,1 мм затруднено из-за хрупкости кварца. Следовательно, ограничивается сверху предел стабилизируемых частот. Практически он не превышает 150 МГц. Трудно также изготовить резонатор точно на заданную частоту стабилизации. Это зачастую приводит к необходимости устанав­ливать добавочные реактивные элементы подстройки. Они же необходимы, чтобы устранить уход частоты при старении пьезоэлемента.

Полное условное обозначение РК в технической документации состоит из девяти элементов. На баллоне или кожухе указывается только номинальная частота (рис. 2.в). Например, в обозначении РК 1 КБ-12Г Б-6ДМ-В-В цифры 6,1 в сочетании с буквой М указывают частоту в мегагерцах, буква М означает также, что РК работает на высшей гармонике (n > 1). Если РК работает на основной (первой) гармонике (n= 1), частота обозначается в килогерцах, например, было бы 6100K.