Конспект лекций для студентов 4 курса дневного отделения специальности 210401. 65 «Физика и техника оптической связи»

Z1	R1	C1	R1
L1
Z2	C2	R2	L2	R2
Yab	Инд.	Емк.	Емк.	Инд.

Реактивный транзистор подключается параллельно контуру гетеродина полностью или частично в зависимости от требуемого перекрытия по частоте и допустимого шунтирования контура проводимостью реактивного транзистора.

Электромеханические управляющие устройства отличаются значительной инерционностью, но позволяют получить автоподстройку в широком диапазоне частот. В этих системах в качестве исполнительного механизма обычно используется электродвигатель с редуктором, перемещающий ротор переменного конденсатора или вариометра, подстроечный плунжер объемного резонатора.
Электродвигатель является интегрирующим звеном системы АПЧ и в принципе придает ей астатические свойства, т.е. возможность сведения остаточной ошибки регулирования до нуля. Практически этому препятствует неизбежное влияние трения в подшипниках двигателя и редуктора.
Основной областью применения электромеханических управляющих устройств являются широкодиапазонные системы АПЧ малого быстродействия.
В качестве гетеродинов приемных СВЧ-устройств широкое применение находят отражательные клистроны и лампы обратной волны. Эти генераторные приборы не требуют специальных управляющих элементов, т.к. частота генерируемых ими колебаний зависит от напряжения на электродах.
Для отражательных клистронов наиболее удобно изменять регулирующее напряжение на отражателе. Это бестоковый электрод, не потребляющий мощности от источника регулирования U_р и сильно влияющий на частоту генерации.
Диапазоном электронной перестройки для этого случая считается диапазон f_г, в пределах которого мощность гетеродина не менее 0,5Р_max. Эта величина для клистронных гетеродинов составляет

(10.27)

где f_г - центральная частота генерации, Q_н - нагруженная добротность резонатора клистрона.
Крутизна перестроечной характеристики климтрона f(U_обр) составляет доли мегагерц на вольт.
ЛБВ (лампы бегущей волны) - имеют большое перекрытие по частоте при изменении напряжения на замедляющей системе.
Для гетеродинных ЛБВ изменение напряжения от сотен вольт до единиц киловольт вызывает изменение частоты генерации в несколько раз. Подобного перекрытия по частоте не дают другие генераторные приборы. Следует отметить, что при этом частота генерации слабо зависит от характера нагрузки.
Крутизна регулировочной характеристики генераторов на ЛБВ равна доли-единицы МГц на вольт.
Следует отметить, что в последнее время стали широко использоваться гетеродина на лавинно-пролетных диодах, позволяющие осуществлять электронную перестройку частоты.

10.4.4 Регулировочные характеристики

Систему гетеродин-управляющее устройство принято описывать регулировочной характеристикой f_г(U_р), являющейся зависимостью частоты генерируемых колебаний от регулирующего напряжения в статическом режиме.

При анализе процессов в системе АПЧ регулировочную характеристику обычно линеаризуют и характеризуют ее крутизной регулировочной характеристики:

(10.28)

Иногда вместо абсолютного значения частоты берут или , где f_э - эталонное значение частоты.
Любые действия на частоту f_г отличные от воздействия U_р, перемещают регулировочную характеристику вдоль оси частот, вызывая начальную расстройку гетеродина f_г (смещенная регулировочная характеристика показана на рисунке пунктирной линией).
Для нормальной работы системы АПЧ (для уменьшения ошибки настройки) необходимо обеспечить согласование по знаку крутизны частотного детектора S_чд и крутизны регулировочной характеристики. Для систем абсолютной частоты и промежуточной при необходимо, чтобы знаки S_чд и S_г были противоположными, т.е. . Для систем промежуточной частоты при наоборот требуется, чтобы (знаки одинаковы).
Фильтры системы АПЧ в основном аналогичны фильтрам системы АРУ. Чаще всего используются однозвенные RC-фильтры нижних частот.

10.4.5 Переходные процессы в системах АПЧ

и стационарный режим

Так же как и системе АРУ время установления _У определяется следующим образом:

(10.29)

где - постоянная времени системы АПЧ, K_апч = S_чд S_г - коэффициент обратной связи.
Как видно из приведенных формул, здесь также как и для системы АРУ эквивалентная постоянная времени системы в (1+K_апч) раз меньше постоянной времени RC-фильтра.
Остановимся на графическом анализе систем АПЧ при больших расстройках по частоте. Для этого объединим в одной системе координат f, U_чд детекторную характеристику частотного детектора и регулировочную характеристику гетеродина.
При этом учтем, что в стационарном режиме (dU_p/dt =0) U_р=U_чд.
Предположим, что в начальный момент времени имелась начальная расстройка f_нач между частотой гетеродина и f_{г ном}. При этом эта начальная расстройка сохранялась бы, если система АПЧ была отключена (U_p=0).
При включении системы АПЧ при данной расстройке напряжение на выходе частотного детектора не равно нулю, что приведет к изменению частоты гетеродина под действием управляющего сигнала, связанного с появлением напряжения на выходе частотного детектора.
В результате этого система перейдет в установившийся режим, соответствующий точке а на графике, т.к. только в этой точке напряжение на выходе частотного детектора равно напряжению регулирования. Из рисунка видно, что под действием системы АПЧ расстройка гетеродина относительно номинального значения этой частоты уменьшилась до величины f_апч. Оценим, во сколько раз произошло уменьшение начальной расстройки f_нач под действием системы АПЧ.
Для этого рассмотрим треугольники оас и асв. Из этих треугольников следует, что:

(10.30)

Учитывая, что ос=f_апч, св=f_нач - f_апч, из последней системы уравнений получим:

(10.31)

Таким образом, система АПЧ уменьшает начальную расстройку по частоте к (1+К_апч) раз.
Построим регулировочную характеристику системы АПЧ, под которой понимается зависимость расстройки по частоте при включенной системе АПЧ к начальной расстройке при отключенной системе АПЧ, т.е. зависимость вида .
Для этого проведем ряд регулировочных характеристик при различных начальных расстройках. Для каждой из кривых найдем равновесную точку а, как точку пересечения кривых частотного детектора и регулировочной характеристики. Затем определяем значения и и переносим их в другую систему координат. На участке характеристики ЧД 01 каждому значению начальной настройки соответствует одно значение . На участке 1-2 каждому значению начальной расстройки гетеродина соответствует три точки пересечения с частотной характеристикой ЧД.
На этом участке регулировочной характеристики наблюдается неустойчивый режим, так как возможны два устойчивых значения f_апч. Если изменять частоту расстройки от нулевого значения в сторону увеличения то уменьшение расстройки по частоте будет наблюдаться до точки 2. И при превышении частоты расстройки за точку 2 произойдет скачкообразное изменение частоты расстройки при включенной системе АПЧ. Для точки 2' справедливо, что .
Поэтому точка 2 характеризует нам область удержания системы АПЧ.
В том случае, если частота настройки гетеродина изменялась от больших значений расстройки, то до точки 1' система АПЧ не уменьшает начальной расстройки по частоте. В точке 1' происходит скачкообразное уменьшение расстройки f_апч, т.е. происходит как бы включение системы АПЧ. Поэтому граница в точке 1 характеризует нам область втягивания.
Различие областей втягивания и удержания обусловлено специфической формой скатов детекторной характеристики. Чем выше линейность скатов этой характеристики, тем меньше отличие областей втягивания и удержания.
Надежность работы системы АПЧ обеспечивается только в пределах области втягивания. При выходе начальной расстройки за ее пределы в большинстве случаев требуется вмешательство оператора (ручная подстройка гетеродина в пределах области втягивания) или переход системы АПЧ в режим автоматического поиска по частоте.