Метрологическая служба ПриСТ предлагает:

Москва: +7 495 777-55-91
Санкт-Петербург: +7 812 677-75-08
Екатеринбург: +7 343 317-39-99

ИНФОРМАЦИЯ » Статьи, публикации, обзоры » Малогабаритный модуль синтезатора частоты 3 - 9 ГГц

 
Малогабаритный модуль синтезатора частоты 3 - 9 ГГц

Автор / источник:

Александр Ченакин (Phase Matrix), Суреш Оджа (Phase Matrix); перевод с англ. Пивак А.В. к.т.н.


Издавалась:


Разделы статьи:

Введение
Конструкция синтезатора
Управление модулем
Результаты измерений
Заключение
Список литературы
Об авторах


Малогабаритный модуль синтезатора частоты 3 - 9 ГГц
 

Малогабаритный модуль синтезатора частоты 3 - 9 ГГц

Александр Ченакин (Phase Matrix), Суреш Оджа (Phase Matrix), Microwave Product Digest, Апрель 2008, стр. 58-71, перевод с англ. Пивак А.В. к.т.н.

Оригинал статьи (PDF, eng.).

В статье приведено описание новой разработки - высокоскоростного синтезатора частот диапазона 3-9 ГГц. Синтезатор работает на основе ГУН с многопетлевой ФАПЧ и обеспечивает выходной уровень мощности от +15 до +19 дБмВт в рабочем диапазоне частот. Встроенный генератор прямого цифрового синтеза обеспечивает суб-Герцовое разрешение по частоте и неплохие характеристики по фазовым шумам и негармоническим искажениям. Разработанный синтезатор имеет модульную конструкцию и может быть использован в различных синтетических инструментах и платформах. Ниже приведены конструктивные решения и результаты измерений.

Введение

Синтетические измерительные приборы в настоящее время являются критически важной технологией, предлагающей недорогие модульные решения для построения комплексных измерительных и испытательных систем. Данные инструменты могут заменять традиционные настольные приборы, работающие в составе автоматизированных систем, предлагая гибкие возможности по реконфигурированию системы на основе ключевых компонентов аппаратной и программной частей [1], [2].

Метрологические характеристки синтетических инструментов в основном определяются характеристиками их основных модулей. Общеизвестно, что одним из ключевых компонентов практически любой такой измерительной системы является недорогой прецизионный синтезатор частот [3]-[5]. Промышленность испытывает потребность в синтезаторах, обладающими высокими характеристиками и функциональностью, малыми размерами и потребляемой мощностью, а также низкой стоимостью. При этом одно из ключевых требований рынка – это высокая скорость перестройки частоты, продиктованная постоянно возрастающими скоростями передачи информации в телекоммуникационных СВЧ системах [6]. Отвечая этим требованиям, был разработан новый 3-9 ГГц высокоскоростной синтезатор частот в модульном варианте (размеры 4" x 6" x 1.5"), который может быть использован в различных платформах (VXI, PXI, LXI) синтетических инструментов. Далее приведено описание модуля и результаты измерений для платформы PXI, как наиболее перспекивной технологии.

Конструкция синтезатора

Модуль состоит из двух основных блоков: непосредственно синтезатора СВЧ и блока опорных частот (рисунок 1). Блок опорных частот выполнен на основе 100 МГц высокостабильного термостатированного кварцевого генератора, обеспечивающего малошумящий опорный сигнал для синтезатора СВЧ. Блок опорных частот также включает в себя делитель частоты на 10 для обеспечения опорного сигнала 10 МГц; оба сигнала - 10 и 100 МГц - выведены на переднюю панель прибора. Кварцевый генератор может использоваться автономно или, при необходимости, автоматически синхронизироваться с внешним сигналом частотой 10 МГц. Модуль осуществляет постоянный контроль присутствия и захвата внешнего опорного сигнала.

Рисунок 1

Рисунок 1

СВЧ блок основан на твердотельном 5-10 ГГц ГУН, выход которго разделён на два диапазона (рисунок 2). Верхний диапазон использует лишь часть доступной полосы частот (5 - 9 ГГц), что позволяет использовать ФВЧ 9 ГГц для подавления гармоник ГУН на частотах от 10 ГГц и выше. Нижняя ветвь включает делитель на 2, обеспечивающий расширение нижней рабочей частоты до 3 ГГц. Аналогично, нижний диапазон использует часть полосы (3-5 ГГц) для достижения адекватного подавления гармоник свыше 6 ГГц. Это решение обеспечивает общее перекрытее частот в диапазоне 3-9 ГГц с уменьшенным уровнем гармоник.

Рисунок 2

Рисунок 2

ГУН управляется встроенным генератором прямого цифрового синтеза, который обеспечивает суб-Герцовую перестройку частоты без обычно присущим схемам ФАПЧ минусов в виде низкой скорости перестройки и увеличения фазовых шумов. Поскольку использование генератора прямого цифрового синтеза, обычно, сопряжено с увеличением негармонических искажений, был использован ряд аппаратных и программных решений для подавления этих искажений до пренебрежимо малого уровня (в сравнении с вкладом, вносимым самой ФАПЧ), как подробно описывается в [6]. Негармонические искажения, вносимые системой ФАПЧ, являются доминирующими и легко подавляются путём оптимизации фильтра ФАПЧ. Фазовые шумы ГУН эффективно подавляются при использовании относительно широкополосного (несколько сотен килогерц) фильтра в петле ФАПЧ, что также описано в [6]. Таким образом, фазовые шумы синтезатора в полосе пропускания ФАПЧ в основном опеделяются шумами источника опорной частоты и элементов системы ФАПЧ. Для достижения приемлемого уровня фазовых шумов в качестве опорного генератора применён высокочастотный малошумящий термостатированный кварцевый генератор в совокупности с оптимизированной структурой многопетлевой ФАПЧ.

Блок СВЧ и опорных частот помещены в металлический корпус (рисунок 3) для предотвращения внешних наводок. Интрефейсная плата PXI размещается сверху корпуса и обеспечивает подводку всех питающих напряжений и контролирующих сигналов от PXI шасси.

Рисунок 3

Рисунок 3

Управление модулем

Модуль контролируется через стандартную PXI шину с внешнего компьютера с помощью программы, написанной на LabView. Программа позволяет пользователю устанавливать требуемую выходную частоту, определять наличие захвата частоты, а также отключать выходной сигнал (рисунок 4). Также пользователь может независмо включать выходы опорной частоты 10 или 100 МГц, контролировать наличие и захват внешней опорной частоты 10 МГц. Программа также позволяет реализовать режим качания частоты синтезатора с програмируемыми частотным шагом и временем задержки.

Рисунок 4

Рисунок 4

Результаты измерений

Разработанная аппаратная часть перекрывает диапазон  частот 3 - 9 ГГц с разрешением 0.1 Гц и временем перестройки менее 300 мкс. Максимальная выходная мощность без АРУ находится в пределах +15 …+19 дБмВт (рисунок 5). Колебания в уровне выходной мощности в основном вызваны использованием ФВЧ и будут устранены в следующем варианте синтезатора. При выключенном выходе сигнал подавляется до уровня  -75 дБмВт (как минимум) без отключения ГУН (рисунок 6). Поскольку ГУН остаётся в режиме захвата частоты, выключение выхода происходит сравнительно быстро, что может быть потенциально использовано для получения ИМ с микросекундной длительностью импульсов и подавлением в паузе более 80 дБ.

Рисунок 5

Рисунок 5


Рисунок 6

Рисунок 6

Спектральные характеристки выходного сигнала синтезатора приведены на следующих графиках. Гармоники не превышают уровень -25 дБн во всём диапазоне частот, наихудший случай на частоте 3 ГГц показан на рисунке 7. Типичная картина негармонических искажений приведена на рисунке 8, спектр выглядит чистым и свободным от искажений в диапазоне -80 дБн. Это демонстрирует эффективность работы механизма подавления искажений ЦПС и конструкции фильтра ФАПЧ.

Рисунок 7

Рисунок 7


Рисунок 8

Рисунок 8

График фазовых шумов синтезатора на частоте 3 ГГц приведён на рисунке 9. Шум на низких отстройках частоты зависит от умноженного шума опорного источника. Шум при отстройках от 10 до 100 кГц в основном определяется системой ФАПЧ; свыше 1 МГц доминирующим является собственный шум ГУН. На частое 3 ГГц модуль обеспечивает фазовый шум приблизительно -100 дБн/Гц при отстройках 10 и 100 кГц. Фазовый шум на несущих свыше 3 ГГц  прпорционально увеличивается. График фазовых шумов также показывает частоту среза фильтра ФАПЧ в несколько сотен килогерц, результатом чего является указанная выше высокая скорость перестройки.

Рисунок 9

Рисунок 9

Модуль обеспечивает сигналы опорной частоты 10 и 100 МГц с уровнем 0 дБмВт, которые при необходимости могут независимо отключаться. Прибор также позволяет синхронизировать внутренний кварцевый генератор от внешней опоры 10 МГц с уровнем -15… +15 дБмВт, как показано на рисунке 10. Потребление мощности модулем не превышает 15 Вт.

Рисунок 10

Рисунок 10

Заключение

В результате работы был спроектирован  высокоскоростной модуль синтезатора частоты с малыми размерами и высокой степенью интеграции. Синтезатор, построеннй на схеме многопетлевой ФАПЧ, обеспечивает диапазон частот 3…9 ГГц и выходной уровень +15 … +19 дБмВт. Встроенный ЦПС совместно с системой подавления негармонических искажений предлагает разрешение по частоте 0,1 Гц с низким уровнем фазовых шумов. Модуль также генерирует опорные частоты 10 и 100 МГц, и при необходимости, может быть синхронизирован с внешним сигналом частотой 10 МГц. Модуль отличается малым уровенем потребляемой мощности и может быть использован в различных синтетических инструментах и платформах, включая PXI, VXI и LXI.

Список литературы

  1. M. Granieri, “Synthetic Instrumentation: An Emerging Technology,” RF Design, February 2004, pp. 16-25.
  2. D. Menzer, “Synthetic Instruments: A New Horizon,” Microwave Journal, March 2006, pp. 22-36.
  3. J. Browne, “Frequency Synthesizers Tune Communications Systems,” Microwaves & RF, March 2006.
  4. V. Kroupa, “Frequency Synthesis Theory, Design and Applications,” New York: Willey, 1973.
  5. V. Manassewitsch, “Frequency Synthesizers Theory and Design,” Third Edition, New York: John Wiley & Sons, 1987.
  6. A. Chenakin, “Frequency Synthesis: Current Solutions and New Trends,” Microwave Journal, May 2007, pp. 256-266.
    (перевод этой статьи на русский язык представлен на сайте www.prist.ru).

Об авторах

Александр Ченакин является директором отдела частотного синтеза компании Phase Matrix, где руководит разработкой новых поколений частотных синтезаторов для различных измерительных приборов и систем. Контактная информация: 408-954-6409, achenakin@phasematrix.com

Суреш Оджа участвовал в разработке усилителей и частотных синтезаторов в компаниях Agilent и Gigatronics, в настоящее время работает инженером отдела частотного синтеза компании Phase Matrix. Контактная информация: 408-954-6433, sojha@phasematrix.com

Отсутствие ошибок и опечаток не гарантируется. Технические характеристики средств измерений неутвержденного типа могут быть изменены без предупреждения.
На нашем сайте работает система коррекции ошибок Orphus. Обнаружив неточность в тексте, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter. Сообщение об ошибке будет получено администратором сайта. Спасибо за помощь!