Нестабильность частоты
Общероссийские нормы жестко регламентируют допустимую нестабильность частоты РПУ (см. табл.).
Нестабильность частоты характеризуют ее относительным изменением f/f0, где f – абсолютная нестабильность (отклонение частоты от номинальной f0).
Различают кратковременную и долговременную нестабильность частоты.
Под долговременной нестабильностью понимают нестабильность частоты, связанную с медленными изменениями частоты АГ из-за изменения температуры, давления, влажности, напряжения источников питания, старения элементов и т.д.
Кратковременная нестабильность определяется быстрыми флуктуациями частоты автогенератора, вызываемыми в основном тепловыми и дробовыми шумами, а также механическими воздействиями - ударами и вибрацией .
В разных системах радиосвязи могут предъявляться различные требования к долговременной и кратковременной нестабильности частоты (и/или фазы).
2
Например, в системах радиосвязи с AM абсолютная долговременная нестабильность частоты должна быть значительно меньше ширины спектра сигнала. Кратковременная же нестабильность частоты для этих систем малозначима из-за инерционных свойств узкополосных фильтров приемника.
В системах связи с широкополосной частотной модуляцией (ЧМ) долговременная нестабильность частоты может быть больше, чем при AM, так как ширина спектра ЧМ-сигнала существенно больше. Но кратковременная нестабильность частоты при ЧМ должна быть меньше, чем при AM.
Системы связи с однополосной модуляцией (ОБП) должны обеспечивать малые и долговременную, и кратковременную нестабильности частоты.
В РЛС, работающих на эффекте Доплера (в которых определяется сдвиг по частоте отраженного радиосигнала) нестабильность частоты ограничивает чувствительность и разрешение по дальности – предъявляются также высокие требования по кратковременной нестабильности.
3
Долговременную нестабильность частоты определяют как разность усредненных на интервале времени значений частоты в начале и конце интервала наблюдения Т, ( << Т).
Абсолютную кратковременную нестабильность частоты (быстрые флюктуации частоты) определяют как среднеквадратическое отклонение мгновенной частоты относительно среднего значения.
Значения нестабильностей зависят от выбора интервала усреднения и
интервала наблюдения Т.
Для устранения неоднозначности при определении долговременной нестабильности величину Т выбирают фиксированной в интервале от одного месяца до одного года, а - равной одним суткам.
При определении кратковременной нестабильности Т выбирают равным 1сек., а - в зависимости от вида модуляции и назначения системы 0,001 с; 0,01 с или 0,1 с.
4
Относительные долговременная и кратковременная нестабильности частоты РПУ обычно лежат в интервале 10-4-10-9. Для интервала нестабильности 10-4-10-9 в качестве опорных (эталонных) генераторов используют КАГ. Для получения более стабильных частот применяют квантовые стандарты частоты (КСЧ).
В некоторых случаях решающую роль в определении свойств радиосистемы играет связанная с кратковременной нестабильностью частоты чистота спектра излучаемого сигнала.
5
Дестабилизирующие факторы, влияющие на частоту АГ
Их делят на внутренние и внешние. Внутренние определяются самим АГ, АЭ и его радиокомпонентами; внешние - окружающей АГ средой.
Некоторые дестабилизирующие факторы, такие как изменение питающих напряжений или величины нагрузки, в зависимости от места установки и условий эксплуатации АГ, относят к внешним или внутренним.
Квнутренним дестабилизирующим факторам относят:
•выбег частоты (изменение частоты после включения из-за разогрева АГ в течение от минут до часов (обычно в сторону понижения f ));
•шумы АЭ (макс. вклад) и пассивных радиоэлементов – резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности;
•старение радиоэлементов;
•неточность установки частоты;
•замена АЭ или пассивных радиоэлементов.
Квнешним дестабилизирующим факторам относят:
•изменение параметров окружающей среды – температуры (наибольший вклад), атмосферного давления и влажности, воздействие радиации и др. излучений;
•механические воздействия - удары (упругие и неупругие) и вибрации;
• изменение питающих напряжений Uпит и величины нагрузки. |
6 |
|
Влияние элементов схемы АГ на стабильность частоты
Долговременная нестабильность связана с воздействием на параметры АГ медленных дестабилизирующих факторов и по сути определяет устойчивость частоты автоколебаний.
Поэтому для нахождения уходов частоты автогенератора можно использовать уравнение баланса фаз (при допущении, что изменение амплитуды слабо влияет на сдвиг фаз) :
S+ + экв= ( , )=0 |
(1) |
где ( , ) - суммарный набег фазы от крутизны, цепи ОС, нестабильности параметров контура;
S - набег фазы от крутизны;- набег фазы цепи ОС;
экв - набег фазы от нестабильности параметров контура; Если под действием дестабилизирующих факторов какой-либо параметр 0 АГ
изменился на малую величину , то, чтобы баланс фаз сохранился, частота АГ
должна также измениться на малую величину . В итоге уравнение (1) можно переписать в виде:
|
( |
, )= 2 n , |
n=0,1,2… |
(2) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Разлагая (2) в ряд по степеням и получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||||
0 , 0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
В развернутом виде и связаны |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
S |
|
β |
|
|
ЭКВ |
|
|
|
S |
|
β |
|
|
ЭКВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
S |
β |
|
|
ЭКВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
β |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
S |
|
ЭКВ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Из выражения видно, что изменение |
|
частоты |
прямо пропорционально |
|||||||||||||||||||||
изменению дестабилизирующего фактора |
и это изменение тем меньше, чем |
||||||||||||||||||||||||
больше величина знаменателя с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
β |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
c |
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
ЭКВ |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
и чем меньше величина d числителя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
d |
|
|
S |
|
β |
|
|
|
ЭКВ |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Величина d характеризует, насколько стабильны фазы средней крутизны S, |
|||||||||||||||||||||||||
эквивалентного сопротивления нагрузки ЭКВ и коэффициента обратной связи под
воздействием дестабилизирующего фактора.
Величина с называется фиксирующей способностью АГ. Фиксирующая способность АГ определяется суммой фиксирующих способностей: АЭ (через среднюю крутизну выходного тока), контура (электрической цепи между выходными
электродами АЭ), цепи обратной связи. |
8 |
Учитывая, что для режима без возмущений ( , )= 2 n и малость ,
, можно записать |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||||
Откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
(3) |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||
Изменение суммарного набега фазы от изменения параметра на равно |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
(4) |
||
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Подставив (4) в (3) получим выражение для относительного изменения частоты 0 |
|||||||||
АГ: |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 - частота АГ) |
|
|
|
|
0 |
|
||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
(5) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Из соотношения (5) следует, что стабильность частоты АГ при заданном значениитем выше, чем резче суммарный фазовый сдвиг зависит от частоты генерируемых колебаний.
На практике обычно фаза средней крутизны s и фаза коэффициента обратной
связи |
|
слабо зависят от частоты. Поэтому |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Sэкв |
|
экв |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
(6) |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Учитывая, что эквивалентное сопротивление параллельного контура ZЭKB на
частоте для небольших расстроек определяется соотношением
Zэкв Rэкв 
1 j2 Q
где Rэкв= Q - эквивалентное сопротивление контура на резонансной частотеК )/ К - относительная расстройка, то
tg экв=-2 Q=-2Q К )/ К
Из выражения (6) с учетом |
(7) получаем |
2Q К |
|
|
|||||||
экв |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
ω ω0 |
|
|
|
0 |
|
|
Q2 |
|
||
|
|
|
|||||||||
|
1 |
4 |
|
|
|
К |
|
|
|||
|
|
|
|
2 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К |
|
|
К ,
(7)
(8)
Из соотношения (8) следует, что чем ближе частота 0 АГ к резонансной частоте контура К, тем выше значение экв и, следовательно, в соответствии с (5) выше стабильность его частоты.
Поэтому на практике стремятся обеспечить , поскольку при этом |
||||||
|
|
S |
|
|
|
|
экв и колебания возникают на частоте, близкой к |
резонансной частоте К |
|||||
контура. |
фазового сдвига S в |
|
|
|
|
|
Для уменьшения |
АГ нужно |
использовать |
транзисторы |
с |
||
|
|
|
|
|
10 |
|
высокой частотой . Эффективной мерой повышения стабильности частоты АГ |
||||||
является также |
компенсация фазового |
сдвига |
за счет |
включения |
в |
|