CC BY
87
УДК 347.471.33.37
ПОСТРОЕНИЕ МАЛОШУМЯЩИХ ИСТОЧНИКОВ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ ПЕТЛИ ИФАПЧ
Г.Н. ПРОХЛАДИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Рубцовым В.Д.
Представлен метод построения малошумящего источника несущей частоты РЛС для целей класса “5Теа1ТЪ”, с использованием петли ИФАПЧ и современной элементной базы.
Ключевые слова: малошумящий источник несущей, петля ИФАПЧ, спектральная характеристика, шумовая модель.
Введение
Считается [1], что перспективными направлениями в области развития радиолокации являются: разработка теории и методов фоновой локации, то есть обнаружение малоразмерных, слабо рассеивающих, подвижных объектов по когерентному излучению окружающего их фона, промо-дулированного движущимся объектом; разработка методов и алгоритмов обнаружения малозаметных целей класса “5Теа1ТЪ”, в том числе на основе эффекта параметрического поглощения энергии электромагнитных волн материалом радиопоглощающих покрытий. Однако, как следует из имеющихся отечественных и зарубежных публикаций, при использовании данных методов предъявляются весьма жесткие требования к источнику несущей частоты информационных сообщений по шумовым составляющим, поскольку считается, что основной вклад в уровень фазовых шумов (ФШ) выходного сигнала СВЧ передатчика дают фазовые флуктуации задающего генератора возбудителя передатчика. Так по имеющимся оценкам граница обнаружения целей класса “5Теа1ТЪ” соответствует норме - 130 дБ/Гц при отстройке от несущей на 103 Гц, а их уверенная индикация возникает при 103 Гц ~ - (135 - 140) дБ/Гц [2]. Для обнаружения и измерения скорости объектов, движущихся со скоростями десятки км/ч, также требуется невысокое значение уровня ФШ передатчика (порядка - (140 - 150) дБ/Гц при той же отстройке [3]). Однако широко применяемые СВЧ возбудители на основе кварцованных усилительно-умножительных звеньев обеспечивают в СВЧ диапазоне уровень флуктуации фазы на частоте анализа 103 Гц всего лишь величину около - 110 дБ/Гц. Поэтому, стремясь повысить спектральную частоту выходных колебаний, как правило, применяется активный метод синтеза частот, использующий петлю фазовой автоподстройки (ФАПЧ), поскольку достоинством петли ФАПЧ является то, что шумы на частотах, близких к несущей, определяются шумами колебания опорной частоты, а вдали от несущей шумы, по существу, определяются шумами генератора, управляемого напряжением (ГУН) [4]. Следует отметить, что использование современных методов обработки радиосигнала, естественно, дает выигрыш в чувствительности, но не отменяет суть проблемы: при улучшении шумовых характеристик передатчика та же РЛС была бы способна обнаруживать более слабые цели. Поэтому актуальным является отыскание методов генерирования перестраиваемых по диапазону СВЧ колебаний с достаточно низким уровнем фазовых шумов выходного сигнала возбудителя передатчика и гетеродина приемника РЛС, с целью обнаружения и измерения координат малозаметных и низкоскоростных объектов.
Шумовая модель петли ИФАПЧ
Расчетная схема петли импульсной ФАПЧ (ИФАПЧ) представлена на рис. 1 [4, 5], где фГОЧ, фВН, фВь/х - соответственно фазовые шумы: генератора опорной частоты (ГОЧ); внешние шумы; выходные шумы петли. В схеме приняты обозначения: ДФКД - делитель с фиксированным коэффициентом деления; ИФД - импульсно-фазовый детектор; ФНЧ - фильтр нижних частот; ГУН - генератор, управляемый напряжением; ДПКД - делитель частоты с переменным коэффициентом деления.
Рис. 1. Схема петли импульсной ФАПЧ (ИФАПЧ)
Согласно [6], если известны спектральные плотности внешних и внутренних шумов фвнут(/ю)^-£внут(ю) и фвн(/ю)^-£вн(ю), то спектральная плотность фвых(/ю) составляет
^вых(ю) = ^вн(ш)[Ж(/ю)^]2 + ^внут(ю)[1- W(/ro)N]2, (1)
где W(ja>) - передаточная функция замкнутого кольца ИФАПЧ, N - коэффициент деления ДПКД. Причем следует отметить, что звенья ДФКД, ИФД и ДПКД реализуются по твердотельной, цифровой, интегральной технологии в одной микросхеме, в которых уровень фазовых шумов не превышает -157,5 дБ/Гц при отстройке 103 Гц [4]. В этом случае, исходя из приведенных требований, шумами данных устройств можно пренебречь. Тогда спектральная плотность фазовых шумов на выходе петли (1) будет определяться шумами Sун и SZ04, а также функцией передачи замкнутой петли и коэффициентом деления ДПКД.
Построение малошумящих источников несущей частоты для целей класса «Stealth»
Исходя из структуры петли (рис. 1) и соотношения (1), спектральная плотность шумов на выходе петли будет тем меньше, чем меньше коэффициент N и спектральная плотность шумов £гун и £гоч при требуемом отклонении от несущей. Вследствие этого, для получения более высокой частоты на выходе петли, потребуется значение частоты ГОЧ как можно выше. Однако из имеющихся источников наиболее подходящим возбудителем в качестве ГОЧ является генератор типа Пион Омского НИИ приборостроения. По имеющимся сведениям генератор имеет следующие показатели уровня шума: 60 дБ при отстройке на 1 Гц; 95 дБ ^ 10 Гц; 120 дБ ^ 100 Гц; 150 дБ ^ 1000 Гц; 155 дБ ^ 10000 Гц; несущая частота (50 - 110) МГц. Учитывая, что предельная частота ИФД петли автоподстройки не превышает 50 МГц, используем ГОЧ с такой же частотой. Тогда, используя методику представления спектральной плотности фазовых шумов в виде функциональной зависимости [5], получим соотношение
Sm (v )=10-6 Г м. Г +10-70 Г 2£± J'! +10-6 0 Г 2^° + Ю-.» Г м Г + ю-», (2)
где Т0 - период частоты сравнения; v = юТ0 - нормированная относительно периода частоты сравнения круговая частота.
При выборе ГУН остановимся на генераторе HF37J-11 фирмы MagNum [7], который работает в диапазоне выходных частот (200...400) МГц, поскольку умножение частоты ГОЧ на N > (4 — 8) приведет к подъему ее шумовой, спектральной характеристики на выходе более чем на (12.18) дБ. Тогда, учитывая, что фазовые шумы данного генератора на частоте отстройки 50 кГц составляют -123 дБ/Гц, и используя шаблоны для обобщенных характеристик ГУН [4], получим соотношение распределения фазовых шумов данного генератора
Sn„ (v) = 101-8Г+10-3-2 Г+10-1|-° 2рТ0 +10-15,0 . (3)
v
v
v
На современном этапе петля фазовой автоподстройки реализуется как система автоматического регулирования с астатизмом второго порядка, в которой в качестве ИФД используется широтно-импульсный частотно-фазовый детектор. Это позволяет избавиться от устройства предварительной установки частоты в полосу захвата петли, поскольку в таких системах полоса захвата приравнивается полосе удержания. Вследствие этого устраняется дополнительный источник шумов. В [8] представлен синтез параметров данной системы по таким показателям, как равномерность ее частотной характеристики (не более 3 дБ) и устойчивости, причем с запасом устойчивости по амплитуде (не менее 10 дБ) и фазе (не менее 30°). Такие показатели являются вполне допустимыми для большинства систем ФАПЧ в условиях дальнейшей эксплуатации [9]. Тогда функция передачи замкнутой системы будет равна
ж (-А0 = / ’ (4) 1+у (лО
где У(/V) = К0-Г+ Л'Т |'(—, К0=К-Т02, Г1=Г1/Г0, Г2=Т2/Т0; К-коэффициент усиления разомкну-
СДО (1 + ДТ2^0
той петли; Т1 и Т2 - постоянные интегрирования ФНЧ. Причем для приведенных показателей нормированные параметры будут иметь следующие значения: К0=0,29; 7Т=3,44; Г2=0,59.
На рис. 2 представлен результат моделирования при условии, когда частота ГОЧ умножается на 4. На рис. 2 изображены: 1 - спектральное распределение шумов ГОЧ; 2 - подавленное в полосе пропускания спектральное распределение шумов ГУН; 3 - умноженное в N=4 спектральное распределение шумов ГОЧ; 4 - результирующее спектральное распределение шумов на выходе петли. Принимая условие, что на частоте 103 Гц уровень шумов ГОЧ составляет 150 дБ/Гц, получаем уровень шумов на выходе петли при отстройке на 1кГц порядка 138 дБ/Гц.
Рис. 2. Результат моделирования при условии, когда частота ГОЧ умножается на 4
При умножении частоты ГОЧ в 8 раз (выходная частота 400 МГ ц) результирующие шумы на выходе возбудителя поднимутся на 18 дБ и будут составлять 132 дБ/Гц. Такие показатели можно считать приемлемыми для целей класса “Stealth”, однако для малоразмерных целей их уровень слишком высок.
Рассмотрим вариант, когда рабочая частота ШИЧФД составит 100 МГц. В этом случае умножение на одном краю диапазона составит две единицы, а на другом - четыре. Расчеты для первого случая приведены на рис. 3 и шумы составляют 144 дБ/Гц на частоте 1кГц. На другом краю диапазона шумы поднимутся дополнительно на 6 дБ и составят 138 дБ/Гц.
-но —112 -114 -116 -ИЗ -120 -122 -124 -126 -123 -130
Э(У) -134 -136 -138 -140 -142 -144 -146 -143 -150 -152 -154 -156 -153
'1й0 _ _ _
1 10 5 1-Ю4 МО3 0.01 0.1 1
V
Рис. 3. Результат моделирования при условии, когда частота ГОЧ умножается на 8
-110 -112 -114 -Ий -113 -120 -122 -124 -126 -128
-134 -136 -138 -140 -142 -144 -146 -148 -150 -152 -154 -156 -158
-1.60 _ _ _
1 10 1 10 + 1 10 3 0.01 0.1 1 10
V
Рис. 4. Результаты моделирования
Увеличим запас устойчивости по амплитуде до 40 дБ, при этом сохраним неравномерность частотной характеристики петли ИФАПЧ порядка 3 дБ. Результаты моделирования, представленные на рис. 4, показывают, что вследствие падения коэффициента усиления петли шумы
\
\
\
\ V
\
,
N N
\ \
\
__
— V-
\
'■ 4-
- - . — -■
■
ГУН подавляются недостаточно (кривая 2), и как результат имеет место недопустимый подъем шумов в спектральной характеристике на выходе петли (кривая 4). Вследствие этого не следует без особой причины снижать полосу пропускания, от которой к тому же снижается быстродействие петли и готовность устройства к работе.
Заключение
Результаты синтеза малошумящих возбудителей показывают, что для дальнейшего повышения его качественных показателей следует: снижать величины спектрального распределения шумов вблизи несущей ГОЧ и ГУН; повышать рабочую частоту частотно-фазового дискриминатора, входящего в состав цифровой части микросхем при построении возбудителя, а также рабочую частоту ГОЧ. Снижение полосы пропускания, хотя и повышает устойчивость, однако при этом снижает быстродействие и, как следствие, готовность устройства к работе. Кроме того, при не обоснованном выборе полосы пропускания возможен недопустимый подъем в выходной спектральной характеристике петли. При рассмотрении вопросов быстродействия и связи шумовых характеристик с процессом установления следует обратить внимание на работы [10, 11].
ЛИТЕРАТУРА
1. Вопросы перспективной радиолокации. Коллективная монография / под ред. А.В. Соколова. - М.: Радиотехника, 2003.
2. Caldwell S.P. Frequency control devices applicable tu radar systems. - in Proc. 1994 Int IEEE Freq. Cont. Symp. 1-2 June 1994, Boston USA - p 641-646.
3. Ри Бак Сон Т еоретические основы создания судовых, малошумящих, когерентных, радиоэлектронных систем обеспечения безопасности плавания в современных условиях судоходства: дис. ... д-ра техн. наук. - Владивосток, 2006.
4. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. - М.: Радио и связь, 1991.
5. Шахтарин Б.И., Прохладин Г.Н., Иванов А.А., Быков А.А., Чечулина А. А., Гречищев Д.Ю. Синтезаторы частот: учеб. пособие. - М: Горячая линия. - Телеком, 2007.
6. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования. - М.: Наука, 1970.
7. «Magnum Microwave RF and Microwave Components Catalog» фирмы Magnum. 1998. http://www. magnum-microwave.com.
8. Прохладин Г.Н. Многокритериальный частотный синтез цифровых синтезаторов на основе систем ИФАПЧ // Радиотехника. - 2002. - № 7. - С. 61.
9. Manassewisch V. Frequency synthesizers. Theory and design, 3ed, New-York Wiley, 1987, 608 pp.
10. Прохладин Г.Н. Оценка времени процесса установления системы ИФАПЧ по спектральным характеристикам // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2007. - № 6.
11. Прохладин Г.Н. Моделирование устойчивых систем импульсно-фазовой автоподстройки частоты // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2009. - № 4.
CONSTRUCTION OF LOW-NOISE SOURCES OF CARRIER FREQUENCY ON THE BASIS PPLL
Prokhladin G.N.
The construction method of low-noise source of carrier frequency of Radar station for a class “Stealth”, with use of PPLL and modern element base is presented.
Key words: weakly noise source, spectral feature, noise model.
Сведения об авторе
Прохладин Геннадий Николаевич, 1945 г.р., окончил МИРЭА (1972), доцент кафедры радиотехнических устройств МГТУ ГА, автор 45 научных работ, область научных интересов - анализ и синтез систем цифровой обработки сигналов, фазовые системы синхронизации, синтезаторы частот.
