СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТ СВЧ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ФАЗОВОГО ШУМА
SYNTHESISER OF UHF FREQUENCIES WITH LOW LEVEL OF PHASE NOISE

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при разработке источников сигнала СВЧ-диапазона (генераторы сигналов, синтезаторы частот, гетеродинные устройства), в том числе в источниках сигнала миллиметрового диапазона длин волн, в которых выходной сигнал формируется умножением частоты источника сигнала СВЧ.
Изобретение может быть использовано в метрологических комплексах в качестве гетеродинного устройства (переносчика частот) при измерении фазовых (частотных) шумов сигналов.
Известно значительное количество устройств, обеспечивающих получение в СВЧ-диапазоне сигнала, частота которого стабилизируется по частоте эталонного кварцевого генератора с помощью нескольких колец фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В качестве примера можно привести устройства [1-7]. Многие из них используются при разработке серийных приборов: НР83731А/32А и НР83731В/32В фирмы Hewlett-Packard [3], A Series Microwave Synthesizer фирмы Gigatronics [4], М63690А Signal Generator фирмы Anritsu [5], 1720В фирмы Systron-Donner [7].
В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения выбран синтезатор частот СВЧ-диапазона, описанный в патенте США 3,895,312 МПК 7 H03B 21/00, 7 H03L 7/00, 7 H03L 7/22 [6]. К недостаткам аналогов и прототипа следует отнести высокий уровень фазового (частотного) шума. Так типовое значение однополосной спектральной плотности фазовых флуктуаций сигнала с частотой 7,5 ГГц при отстройке от несущей в 10 кГц приборов [1-7], находится в пределах от минус 80 до минус 105 дБ/Гц, тогда как, например, приведенная к этой частоте величина шума опорного кварцевого генератора с частотой 100 мГц составит менее минус 120 дБ/Гц.
2
Технической задачей, которую решает предлагаемое устройство, является снижение уровня фазовых (частотных) флуктуаций выходного сигнала синтезатора частот, что позволяет повысить точность частотных и фазовых измерений при использовании источника СВЧ-диапазона в ряде областей радиотехники (радиолокация, радионавигация, научные исследования) и особенно важно при использовании его в качестве задающего при получении сигнала миллиметрового диапазона, когда фазовый (частотный) шум возрастает пропорционально величине N,
где N - коэффициент умножения частоты.
Сущность технического решения заключается в том, что в синтезатор частот СВЧ с низким уровнем фазового шума, содержащий кольцо фазовой автоподстройки частоты 1 (ФАПЧ 1), включающее соединенные последовательно генератор с резонатором на железо-иттриевом гранате 1 (ЖИГ 1), блок развязки 1, смеситель, делитель частоты на 2, частотно-фазовый детектор с переменой знака 1 (ЧФДПЗ 1), усилитель постоянного тока 1 (УПТ 1), синтезатор частот мелкой сетки, причем выход синтезатора частот мелкой сетки подключен к первому входу ЧФДПЗ 1, а сигнал ЖИГ 1 выводится в нагрузку через первый выход первого блока развязки, являющийся выходом прибора, а также кольцо ФАПЧ 2, состоящее из ЖИГ 2, блока развязки 2, стробоскопического преобразователя, УПТ 2, кварцевого генератора 100 МГц дополнительно введены ЧФДПЗ 2 и делитель частоты на 4, причем на вход смесителя подается сигнал с первого выхода блока развязки 2, на вход которого поступает сигнал ЖИГ 2, на первый вход стробоскопического преобразователя подается сигнал со второго выхода блока развязки 2, на второй его вход подается сигнал с первого выхода кварцевого генератора 100 МГц, выход стробоскопического преобразователя подключен к первому входу ЧФДПЗ 2, на второй вход которого подается сигнал с частотой 25 МГц с выхода делителя частоты на 4, вход которого подключен ко второму выходу кварцевого генератора с частотой 100 МГц, выход ЧФДПЗ 2 подключен ко входу УПТ 2, выход которого подключен к входу ЖИГ 2, а третий выход кварцевого генератора 100 МГц подключен к входу синтезатора частот мелкой сетки.
o
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема синтезатора частот СВЧ с низким уровнем фазового шума. На фиг.2 представлена диаграмма формирования сетки частот кольца ФАПЧ 2, где обозначено: m - порядковые номера частот сетки, n - номера гармоник сигнала 100 МГц. На фиг.3 представлена диаграмма формирования сетки частот кольца ФАПЧ 1, где обозначено: f - частота генератора ЖИГ 2.
Синтезатор частот СВЧ с низким уровнем фазового шума содержит кольцо ФАПЧ 1, включающее соединенные последовательно ЖИГ 1 1, блок развязки 1 2, смеситель 3, делитель частоты на 2 4, ЧФДПЗ 1 5, УПТ 1 6, синтезатор частот мелкой сетки 7, выход которого подключен к первому входу ЧФДПЗ 1 5, а сигнал ЖИГ 1 1 выводится в нагрузку через первый выход блока развязки 1 2, являющийся выходом прибора, а также кольцо ФАПЧ 2, состоящее из ЖИГ 2 8, блока развязки 2 9, стробоскопического преобразователя 10, УПТ 2 11, кварцевого генератора 100 МГц 12, ЧФДПЗ 2 13 и делителя частоты на 4 14, причем на вход смесителя 3 подается сигнал с первого выхода блока развязки 2 9, на вход которого поступает сигнал ЖИГ 2 8, на первый вход стробоскопического преобразователя 10 подается сигнал со второго выхода блока развязки 2 9, на второй его вход подается сигнал с первого выхода кварцевого генератора 100 МГц 12, выход стробоскопического преобразователя 10 подключен к первому входу ЧФДПЗ 2 13, на второй вход которого подается сигнал с частотой 25 МГц с выхода делителя частоты на 4 14, вход которого подключен ко второму выходу кварцевого генератора с частотой 100 МГц 12, выход ЧФДПЗ 2 13 подключен ко входу УПТ 2 11, выход которого подключен к входу ЖИГ 2 8, а третий выход кварцевого генератора 100 МГц 12 подключен к входу синтезатора частот мелкой сетки 7.
Работа синтезатора частот с низким уровнем фазового шума происходит следующим образом.
Кольцо ФАПЧ 2 синхронизирует ЖИГ 2 8 по гармонике сигнала кварцевого генератора 100 МГц 12, но в отличие от прототипа сравнение фаз происходит не на нулевой, а на промежуточной частоте 25 МГц, что исключает влияние амплитудных флуктуаций стробоскопического преобразователя на фазовый шум кольца ФАПЧ и приводит к его снижению.
Если частота сигнала ЖИГ 2 8 должна быть больше величины n·100 МГц, знак наклона характеристики ЧФДПЗ 2 13 устанавливается «плюс» (условно), если частота сигнала ЖИГ 2 8 должна быть меньше величины n·100 МГц, то устанавливается знак «минус» (условно). Таким образом формируется сетка частот с шагом 50 МГц (фиг.2), а выходной сигнал ЖИГ 2 8 является опорным для кольца ФАПЧ 1.
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Перестройка генератора ЖИГ 1 1 осуществляется следующим образом. При заданном значении частоты f генератора ЖИГ 2 8 частота сигнала генератора ЖИГ 1 1 может быть установлена выше или ниже этой частоты (фиг.3), в отличие от прототипа, использующего только один знак частотной отстройки. Значение отстройки по частоте должно быть в пределах 50-75 МГц, это соответствует удвоенному диапазону синтезатора частот мелкой сетки 7, что и обеспечивает непрерывное перекрытие всего диапазона перестройки ЖИГ 1 1. Использование как положительных, так и отрицательных значений частотной отстройки позволяет реализовать по сравнению с прототипом вдвое меньшее перекрытие по частоте синтезатора частот мелкой сетки 7. Для перестройки частоты сигнала генератора ЖИГ 1 1 в диапазоне частот от (f+25) до (f+50) МГц в качестве опорной частоты сигнала генератора ЖИГ 2 8 выбирается значение частоты m+2, равное (f+100) МГц. При этом, поскольку значение частоты генератора ЖИГ 1 1 ниже значения частоты сигнала генератора ЖИГ 2 8, на ЧФДПЗ 1 5 должен быть подан сигнал «минус». Для перекрытия диапазона частот от частоты (f+50) до (f+75) МГц в качестве опорной частоты генератора ЖИГ 2 8 выбирается частота с номером m, значение которой равное f (в мегагерцах). При этом, поскольку значение частоты генератора ЖИГ 1 1 выше значения частоты сигнала генератора ЖИГ 2 8, на ЧФДПЗ 1 5 должен быть подан сигнал «плюс». Аналогично при перекрытии диапазона от частоты (f+75) до (f+100) МГц в качестве опорной выбирается частота генератора ЖИГ 2 8 с номером m+3, значение которой равно (f+150) МГц, а на ЧФДПЗ 1 5 должен быть подан сигнал «минус» и т.д.
Промышленное использование предлагаемого синтезатора частот планируется в составе измерительного источника сигнала миллиметрового диапазона длин волн, построенного по схеме умножения частоты синтезатора СВЧ, где используются стандартные прямоугольные волноводы с разбивкой от 78,33 до 118,1 ГГц и от 118,1 до 178,4 ГГц. Приведенный на фиг.1 диапазон частот генератора ЖИГ 1 1 определен из условия перекрытия этих волноводных поддиапазонов с коэффициентами умножения 16 и 24 соответственно.
Синтезатор частот с низким уровнем фазового шума может быть реализован и в более широком диапазоне частот, например, от 2,0 до 8,15 ГГц (стандартная разбивка на поддиапазоны частот в СВЧ-диапазоне).
Практическая реализация блоков предлагаемого синтезатора частот СВЧ с низким уровнем фазового шума возможна на базе серийно выпускаемых электронных компонентов.
Блоки 1-4, 6, 8-12 могут быть выполнены аналогично прототипу.
Блоки 5, 13 могут быть выполнены путем подключения к выходу стандартного ЧФД цифрового инвертора с логическим управлением, обеспечивающего перемену знака наклона его характеристики.
Блок 7 может быть выполнен с использованием стандартных микросхем ФАПЧ и цифровых синтезаторов, например AD4360-8 и AD9956 ф. Analog Devices.
Рассмотрим значение уровня фазового шума в предлагаемом синтезаторе частот. В качестве характеристики примем величину спектральной плотности однополосного фазового шума при отстройке от несущей, равной 10 кГц, на несущей частоте 7,5 ГГц. Основной вклад в этот шум вносят блоки кварцевого генератора 100 МГц 11 и стробоскопического преобразователя 9. Уровень фазового шума кварцевого генератора, например, типа ГК 148-ТС-100,0 МГц [8], находится на уровне минус 160 дБ/Гц, что на частоте 7,5 ГГц после умножения в 75 раз составит минус 122,5 дБ. В работе [9] проведены измерения фазового шума стробоскопического преобразователя СВЧ-диапазона, позволяющего выделить промежуточную частоту в рассматриваемом диапазоне частот, его величина составляет минус 118 120 дБ/Гц.
Суммарный вклад остальных блоков схемы фиг.1 не превышает 3 дБ. Проведенная оценка позволяет считать, что фазовый шум выходного сигнала предлагаемого синтезатора частот может быть обеспечен на уровне минус (115 118) дБ/Гц, что на 10-13 дБ ниже, чем у прототипа. Улучшение достигается путем переноса цепи сравнения фаз с нулевой на промежуточную частоту с помощью введения блоков 13, 14 и исключения тем самым влияния амплитудных флуктуаций стробоскопического преобразователя на фазовый шум кольца ФАПЧ.
Источники информации