10.4 Автоматическая подстройка частоты (апч)

10.4.1 Принципы апч. Разновидности системы апч

Частоты колебаний, генерируемые задающим генератором передатчика и гетеродином приемника подвержены влиянию ряда дестабилизирующих факторов (изменение температуры, влажности, давления, питающего напряжения и т.д.).

В однокаскадных передатчиках, когда генератор непосредственно связан с антенной, сильное влияние оказывают условия согласования передатчика и антенно-фидерного тракта. При вращении антенны изменяется коэффициент стоячей волны (КСВ) тракта, а, следовательно, и реактивная нагрузка на генератор, и как следствие, изменяется частота генерируемых колебаний.

Существенное влияние оказывает обтекатель антенны, от которого отражается часть энергии, причем влияние обтекателя проявляется по разному при различных положениях антенны.

Нестабильности частоты передатчика и гетеродина заставляют расширять полосу пропускания приемника для обеспечения устойчивого приема. Расширение полосы пропускания приемника приводит к снижению помехозащищенности приемного устройства и снижает его чувствительность.

В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн при использовании магнетронных и клистронных генераторов нормальная работа радиолинии оказывается невозможной, т.к. общие уходы частоты передатчика и гетеродина во много раз превосходят полосу пропускания, согласованную с шириной спектра сигнала. Приведем некоторые оценки. На частоте 10 ГГц температурный коэффициент частоты клистрона и магнетрона имеет значение 0,1 - 0,2 МГц/град. Изменение напряжения на резонаторе отражательного клистрона на 1% вызывает отклонение генерируемой частоты на 1,2-2 МГц, изменение напряжения на отражателе на 1% приводит к изменению частоты на 2,5-3 МГц.

При сканировании антенны РЛС магнетронный передатчик изменяет частоту на +(15 - 20) МГц, причем скорость изменения частоты в режиме сопровождения доходит до 1000 МГц/с (при большой частоте сканирования). Ясно, что в этих условиях приемник практически расстроен настолько, что прием сигналов оказывается практически невозможным. На рисунке 10.20 представлено соотношение требуемой полосы пропускания, определенной с учетом нестабильностей частоты передатчика и приемника, и полосы пропускания приемника определенной исходя из спектра передаваемого сигнала.

требуемая полоса пропускания

мгновенный спектр сигнала

уходы частоты, связанные с нестабильностью частот

гетеродина и передатчика

Рис. 10.20 Соотношение требуемой полосы пропускания, определенной с учетом нестабильностей частоты передатчика и приемника, и полосы пропускания приемника определенной исходя из спектра передаваемого сигнала.

Таким образом, нестабильности частоты передатчика и гетеродина приводят к необходимости расширения полосы пропускания приемника, чтобы обеспечить уверенный прием сигналов.

С целью уменьшения требуемой полосы пропускания используются следующие методы:

– применение стабилизации частоты передатчика и гетеродина, за счет использования высокостабильных кварцевых автогенераторов;

– использование автоматической подстройки частоты гетеродина.

Системы АПЧ можно разбить на 2 класса в зависимости от признака , на основании которого вырабатывается сигнал ошибки:

– частотная система АПЧ (ЧАПЧ), в этой системе указанным выше признаком является отклонение частоты сигнала от переходной частоты частотного детектора;

– фазовая система АПЧ, этим признаком является - отличие фазы колебаний сигнала от фазы опорного колебания.

Особенностью системы ЧАПЧ является наличие статической ошибки регулирования по частоте, т.е. отличие частоты, генерируемой подстраиваемым генератором от частоты, которая точно соответствует эталонному значению. Система ЧАПЧ имеет широкий диапазон начальных расстроек, в котором она способна резко снижать расстройку генератора относительно эталонной частоты или частоты передатчика. Говорят, что ЧАПЧ имеет широкую область втягивания.

Особенностью системы ФАПЧ является нулевая статическая ошибка регулирования по частоте, т.е. равенство частот опорного генератора и сигнала или подстраиваемого генератора и эталонного генератора. Вместе с тем существует статическая ошибка регулирования по фазе. Системы обычно имеют узкий диапазон начальных расстроек, в котором они осуществляют подстраивающее действие.

Для устранения этого недостатка такие системы обычно используются совместно с ЧАПЧ, причем система ФАПЧ вступает в работу тогда, когда система ЧАПЧ введет частоту в область втягивания системы ФАПЧ.

Системы АПЧ подразделяются на:

– системы абсолютной частоты;

– системы промежуточной частоты.

Системы абсолютной частоты поддерживают частоту колебаний гетеродина на заданной эталонной частоте. Функциональная схема такой системы АПЧ приведена на рисунке 10.21.

Рис. 10.21 Функциональная схема системы абсолютной частоты

В состав системы входят подстраиваемый генератор с управляемым элементом и цепи регулирования, включающая в себя частотный детектор, усилитель постоянного тока и фильтр нижних частот. В этом случае частота генератора стремиться к переходной частоте частотного детектора и не зависит от частоты передатчика.

Системы АПЧ промежуточной частоты поддерживают постоянство промежуточной частоты ( ) при уходе, как частоты передатчика, так и частоты гетеродина приемника.

Различают две разновидности систем АПЧ промежуточной частоты:

– одноканальная АПЧ;

– двухканальная АПЧ.

Наиболее часто используется одноканальная АПЧ промежуточной частоты. Структурная схема одноканальной АПЧ представлена на рисунке 10.22.

Рис. 10.22 Структурная схема одноканальной АПЧ

В петлю обратной связи входят смеситель, УПЧ, частотный детектор, фильтр нижних частот и генератор с управляющим элементом. Система АПЧ поддерживает постоянной разностную частоту между частотой входного сигнала и гетеродина, равной переходной частоте частотного детектора. В данном случае переходная частота равна номинальному значению промежуточной частоты.

Поскольку промежуточная частота ( ) зависит от частоты сигнала и гетеродина, то система АПЧ устраняет нестабильности обеих частот, поддерживая значение промежуточной частоты.

В тех случаях, когда передатчик расположен близко от приемника, применяются двухканальные системы АПЧ. В этом случае подстройку гетеродина производят под частоту излучаемого сигнала (например, в РЛС). При этом систему АПЧ строят так, чтобы канал АПЧ оказывался полностью автономным, не связанным с трактом прохождения сигнала в приемнике. Это повышает помехоустойчивость системы АПЧ за счет исключения возможности "увода" частоты гетеродинных колебаний мощным сигналом с плавно-изменяющейся частотой (что может иметь место при применении одноканальной АПЧ).

Структурная схема двухканальной АПЧ представлена на рисунке 10.23.

Рис. 10.23 Структурная схема двухканальной АПЧ. Принятые обозначения на рисунке : АП - антенный переключатель, УВЧ - усилитель высокой частоты, См - смеситель, УПЧ - усилитель промежуточной частоты, Дет - амплитудный детектор, Упр.э. - управляющий элемент, ФНЧ – фильтр нижних частот, ПРД - пердатчик, УПТ - усилитель постоянного тока, Ат - входной аттенюатор системы АПЧ, См.АПЧ и УПЧ_АПЧ - смеситель и усилитель промежуточной частоты системы АПЧ, ЧД частотный детектор.

Колебания сигнала с передатчика подаются на смеситель АПЧ через аттенюатор АТ. Далее следует кольцо автоподстройки, изменяющая частоту гетеродина. Гетеродин применяется как для основного канала, так и для канала АПЧ. Полоса пропускания УПЧ системы АПЧ должна быть достаточной для пропускания большей части спектра импульсного сигнала без существенных искажений. Обычно ее выбирают из условия . Смеситель АПЧ должен работать в режиме обеспечения слабого содержания гармоник промежуточной частоты в спектре выходного сигнала. Это необходимо для того, чтобы система АПЧ не оказалась вовлеченной в слежение за частотой гетеродина по одной из высших гармоник промежуточной частоты.

Поскольку мощность передатчика велика, то на смеситель АПЧ просачивается значительная мощность зондирующего сигнала (0,1-0,2 мВт). Управляемая мощность сигнала должна быть значительно больше этих значений. Обычно берут мощность на входе смесителя АПЧ равной (1 - 2) мВт и исходя из этого рассчитывается затухание аттенюатора Ат.

Для снижения содержания гармоник в спектре выходного колебания смесителя одно из образующих колебаний должно быть много слабее другого. В данном случае слабым является колебание гетеродина (Р_г = 0,4 - 0,5 мВт). При этом уровень второй гармоники составляет примерно -20 дБ по сравнению с уровнем первой гармоники и возможность неправильной работы системы АПЧ оказывается маловероятной. Кроме того, желательно применение балансных смесителей в каналах АПЧ, т.к. в них осуществляется сильное подавление четных гармоник выходного колебания.

Т.к. величина сигнала при указанных мощностях сигнала и гетеродина в системе АПЧ составляет обычно (0,2-0,4) вольта, то для получения требуемого сигнала на выходе ЧД на уровне (1-2) вольт требуемое число каскадов УПЧ системы АПЧ составляет 1-3.