Статьи


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.

/upload/old-site/articles/synth_modul_3-9_ghz/synth_modul_3-9_ghz.pdf class=l>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

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

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

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

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

Рисунок 5


Рисунок

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

Рисунок 7


Рисунок

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

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

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 https://prist.ru/info/articles/frequency_synthesis.htm class=l>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


Автор:  Александр Ченакин (Phase Matrix), Суреш Оджа (Phase Matrix); перевод с англ. Пивак А.В. к.т.н.
Дата публикации:  26.06.2008

Возврат к списку



У нас представлены товары лучших производителей

ПРИСТ предлагает оптимальные решения измерительных задач.

У нас вы можете не только купить осциллограф, источник питания, генератор сигналов, анализатор спектра, калибратор, мультиметр, токовые клещи, но и поверить средство измерения или откалибровать его. Мы имеем прямые контракты с крупнейшими мировыми производителями измерительного оборудования, благодаря этому можем подобрать то оборудование, которое решит Ваши задачи. Имея большой опыт, мы можем рекомендовать продукцию следующих торговых марок:


Внимание! Отсутствие ошибок и опечаток не гарантируется. В технические характеристики средств измерений неутвержденного типа производителем могут быть внесены изменения без предварительного уведомления. Соответствие важных параметров требует уточнения. Нашли ошибку? Выделите мышкой и нажмите Ctrl+Enter.

Войти в личный кабинет

Заказать обратный звонок

Обратите внимание, все поля - обязательны для заполнения.
Обновить

Обратная связь

Обратите внимание, все поля - обязательны для заполнения.
Обновить