Нестабильность частоты Общероссийские нормы жестко регламентируют допустимую нестабильность частоты РПУ (см. табл. ). 1
Нестабильность частоты характеризуют ее относительным изменением f/f 0, где f – абсолютная нестабильность (отклонение частоты от номинальной f 0). 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 1 сек. , 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. К внутренним 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. К внешним 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; 6 • изменение питающих напряжений Uпит и величины нагрузки.
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= (w, a )=0 (1) где (w, a ) - 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 a 0 АГ изменился на малую величину Da, то, чтобы баланс фаз сохранился, частота w 0 АГ должна также измениться на малую величину Dw. В итоге уравнение (1) можно переписать в виде: (w 0+Dw, a 0+Da )= 2 p n , n=0, 1, 2… (2) Разлагая (2) в ряд по степеням Dw и Da получим: 7
В развернутом виде w и a связаны откуда Из выражения видно, что изменение частоты прямо пропорционально и чем меньше величина d числителя Величина d характеризует, насколько стабильны фазы средней крутизны S, эквивалентного сопротивления нагрузки ЭКВ и коэффициента обратной связи b 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 (w 0 , a 0 )= 2 p n и малость Dw, Da , можно записать Откуда Изменение суммарного набега фазы D от изменения параметра a на Da равно (3) (4) Подставив (4) в (3) получим выражение для относительного изменения частоты w 0 АГ: (w 0 - частота АГ) (5) Из соотношения (5) следует, что стабильность частоты АГ при заданном значении D тем выше, чем резче суммарный фазовый сдвиг зависит от частоты генерируемых колебаний. На практике обычно фаза средней крутизны s и фаза коэффициента обратной связи b слабо зависят от частоты. Поэтому (6) 9
Учитывая, что эквивалентное сопротивление параллельного контура ZЭKB на частоте w для небольших расстроек определяется соотношением где Rэкв= Qr - эквивалентное сопротивление контура на резонансной частоте w. К , d=(w-w. К )/w. К - относительная расстройка, то tg экв=-2 d Q=-2 Q(w-w. К )/w. К (7) Из выражения (6) с учетом (7) получаем (8) Из соотношения (8) следует, что чем ближе частота w 0 АГ к резонансной частоте контура w. К, тем выше значение экв/ w и, следовательно, в соответствии с (5) выше стабильность его частоты. Поэтому на практике стремятся обеспечить S+ 0, поскольку при этом экв 0 и колебания возникают на частоте, близкой к резонансной частоте w. К контура. Для уменьшения фазового сдвига S в АГ нужно использовать транзисторы с высокой частотой w. Эффективной мерой повышения стабильности частоты АГ является также компенсация фазового сдвига S+ за счет включения в трехточечную схему добавочного реактивного сопротивления Z 4. 10
Полагая w 0 w. K, из (8) получаем (9) Подставляя (9) в (5) получим выражение для относительной нестабильности частоты (10) экв +900 Q 2 > Q 1 +Δ экв Δω1 ωК Δω2 -900 ω Физически это объясняется тем, что при большой добротности контура крутизна его фазочастотной характеристики оказывается высокой и при изменении углов S и нужно очень малое компенсирующее изменение частоты АГ (и экв). 11
Другая группа дестабилизирующих факторов (температура, влажность и т. д. ) действует непосредственно на резонансную частоту контура wк, не изменяя S и ( S+ =0). Если частота контура wк изменилась на малую величину wк, то при wк w 0 из (7) и (11) имеем = экв= wк 2 Q/w 0 (12) Подставляя (12) в (10) получим (13) Из (13) следует, что независимо от добротности изменение резонансной частоты контура на wк вызывает такое же изменение частоты АГ. Изменение резонансной частоты контура wк может происходить за счет изменения температуры окружающей среды, давления, влажности и т. д. Если под действием этих факторов параметры контура LК и СК получают малые приращения LК и СК, то резонансная частота контура изменяется на относительную величину (14) Из (14) следует, что для создания высокостабильных АГ нужно использовать емкости и индуктивности с малыми относительными изменениями их параметров. 12
Для работы в широком температурном диапазоне нужно применять индуктивности и емкости с малыми температурными коэффициентами: индуктивности ТКИ= L/L t и емкости ТКЕ= C/C t , где t - изменение температуры среды. Выражение (14) с учетом соотношений для ТКИ и ТКЕ можно представить в виде (15) температурного коэффициента контура АГ. Повышение стабильности АГ достигается применением термокомпенсации и термостатирования. Значение ТКИ в основном определяется температурными коэффициентами линейного расширения материалов провода и каркаса катушки и всегда положительное (+10 -3…+5 10 -5). Наилучшими материалами для изготовления каркасов катушек индуктивности признаны радиофарфор, плавленый кварц, стеатит, пирофиллит. При этом катушку индуктивности изготовляют методом вжигания серебряной спирали в каркас. Экранирование катушки увеличивает её ТКИ. Нежелательно также использование каких-либо ферро и немагнитных сердечников. 13
Использование в АГ конденсаторов с твёрдым диэлектриком нежелательно, поскольку последний обладает относительно большим температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости ТКε (слюда, керамика и т. п. ). Лучшими для использования в АГ следует считать конденсаторы с воздушным диэлектриком, ТКЕ которых приблизительно равен +5·10 -6, что в десять раз меньше ТКЕ керамических конденсаторов и значений ТКИ лучших катушек. ТКЕ конденсаторов в основном зависит от температурных свойств диэлектрика и м. б. положительным или отрицательным (для диэлектрика из тиконда). Конденсаторы производятся с рядом нормированных значений ТКЕ, например, М 75 (ТКЕ= -75 10 -6), МП 0 (ТКЕ=0) П 33 (ТКЕ= +33 10 -6) и др. . Полная компенсация ТКИ и ТКЕ контура АГ возможна только при определенной температуре t и на одной частоте. Оптимальным является подбор ТКИ и ТКЕ, при котором значения ТКЧ на краях рабочего диапазона частот АГ равны по величине, но противоположны по знаку. 14
Конденсаторы с линейной зависимостью от температуры Обозначение ГОСТ Междунар. обозначение ТКЕ (ppm/°С)* Буквенный код Цвет** П 100 P 100 +100 A красный (+фиолетовый) +33 N серый П 33 МП 0 NP 0 0(+30…-75) C черный М 33 N 030 -33 (+30…-80) H коричневый М 47 N 050 -47 (+30…-80) M желтый М 75 N 080 -75 (+30…-80) L красный М 150 N 150 -150 (+30…-105) P оранжевый М 220 N 220 -220 (+30…-120) R желтый М 330 N 330 -330 (+60…-180) S зеленый М 470 N 470 -470 (+60…-210) T голубой M 750 N 750 -750 (+120…-330) U фиолетовый M 1500 N 1500 -1500(-1300) V оранжевый (+оранжевый) M 2200 N 2200 -2200 K желтый (+оранжевый) * В скобках приведен реальный разброс для импортных конденсаторов в диапазоне температур -55…+85°С, ppm=10 -6 15 ** Современная цветовая кодировка. Цветные полоски или точки. Второй цвет корпуса.
Например, включив в контур два параллельно соединенных конденсатора (см. рис. ), получим: (16) где ТКЕ 1, ТКЕ 2 - температурные коэффициенты соответственно конденсаторов С 1 и С 2. Выбрав конденсаторы с разными знаками их ТКЕ и установив определенное соотношение между С 1 и С 2, можно на порядок понизить ТКЧ. Для работы в широком интервале изменения внешней температуры (например, от – 60 до +600 С) элементы АГ помещают в камеру термостата, в которой поддерживается практически постоянная температура с точностью до ±(0, 5 – 1)0 С. Тепловой режим АГ определяется также и тепловыми процессами, протекающими непосредственно в транзисторе. Для облегчения теплового режима транзистора и улучшения стабильности частоты нужно снижать снимаемую с него мощность. Снижение ТКЧ параллельным включением конденсаторов с разными знаками ТКЕ 16
Для ослабления влияния нагрузки последующего каскада на частоту АГ применяют слабую связь нагрузки с контуром АГ или применяют буферный каскад с большим входным сопротивлением. Защита от воздействия излучения мощных каскадов РПУ обеспечивается электромагнитной экранировкой АГ, установкой фильтров по цепям его питания, разносом частот АГ и мощных каскадов. На стабильность частоты АГ влияет изменение параметров транзистора. Например, при изменении напряжений источников питания EК, EСМ за счет изменения барьерных емкостей и постоянных времени коллекторного и эмиттерного переходов транзистора изменяются его реактивные параметры b 11, b 22, b 12. Изменение реактивных составляющих b 11, b 22, b 12 транзистора приводит к изменению частоты автоколебаний аналогично механизму влияния собственной емкости и индуктивности колебательного контура. Для уменьшения изменения реактивных проводимостей транзистора, вызванного изменением питающих напряжений, питающие напряжения стабилизируют. Можно также увеличить рабочие токи и напряжения на переходах транзистора. Однако при этом возрастает мощность, рассеиваемая транзистором и изменяется его температурный режим, а следовательно, ухудшается стабильность частоты. Поэтому для каждого типа транзисторов существуют оптимальные напряжение Ек и ток Iко, при которых стабильность частоты будет наибольшей. 17
Изменение давления и влажности окружающей среды изменяет условия охлаждения элементов контура АГ, изменяет диэлектрические постоянные воздуха и сопротивления изоляции деталей. Действенным средством уменьшения влияния этих дестабилизирующих факторов является герметизация контура или всего АГ. Механические воздействия (удары и вибрации) прямо влияют на кратковременную нестабильность частоты АГ. Вибрация меняет емкости между деталями и проводами, что вызывает изменение частоты АГ. Уменьшение влияния механических воздействий на частоту АГ достигается применением жесткого крепления деталей, прочных корпусов, печатной технологии монтажа, использованием интегральной технологии. Возможны кратковременные изменения фазы, обусловленные эффектом дрожания (jitter). Этот эффект может быть вызван пульсациями питающего напряжения, внешними акустическими воздействиями (микрофонный эффект) или фликкерэффектами в элементах генератора. Дрожание оценивают по значению СКО моментов перехода фазы через нуль и измеряют в пикосекундах. Дестабилизирующие факторы могут раздельно или одновременно влиять на частоту АГ. Используют разные методы определения общей (суммарной) нестабильности частоты fобщ. 18
Один из них заключается в определении fобщ как среднестатистической величины. Другой состоит в определении влияния каждого из дестабилизирующих факторов на частоту АГ. Затем вычисляют отдельно суммы всех положительных и отрицательных уходов частоты. Большая из сумм с учетом коэффициента одновременности воздействия разных факторов (КОДН=0, 8… 1) определит общую абсолютную нестабильность частоты. 19
Скачать презентацию Нестабильность частоты Общероссийские нормы жестко регламентируют допустимую нестабильность
6_Нестабильность частоты.ppt