Спектроанализатор
SPECTROANALYZER

Изобретение относится к устройствам обработки радиосигналов сверхвысокой частоты (СВЧ) и может использоваться для изучения спектров маломощных сигналов.
Известен многоканальный спектроанализатор шумовых сигналов (патент SU 789879), позволяющий проводить спектральный анализ с помощью параллельных спектроанализаторов, каналы которых содержат полосовой фильтр (ПФ), амплитудный детектор (АД) и фильтр низкой частоты (ФНЧ).
Недостатком этого устройства является низкая чувствительность и необходимость использования большого количества блоков обработки входного сигнала.
Известен магнитный туннельный переход, содержащий поляризующий слой (патент RU 2573756), известен вихревой спиновый диод, а также приемник и детектор на его основе (патент RU 2731531). Здесь описаны структуры на основе магнитного туннельного перехода, состоящие из трех слоев: ферромагнитного слоя с фиксированной намагниченностью, промежуточного диэлектрического слоя и ферромагнитного слоя со свободной намагниченностью. При подаче на данную структуру переменного СВЧ тока, намагниченность свободного слоя начинает прецессировать, вследствие этого изменяется сопротивление структуры. Колебания сопротивления происходят синфазно с колебаниями СВЧ тока, подаваемого на структуру, что ведет к появлению постоянной составляющей напряжения. Амплитуда постоянной составляющей напряжения зависит от частоты СВЧ тока и от частоты ферромагнитного резонанса. Частота ферромагнитного резонанса задается магнитным полем, приложенным к структуре и постоянным током, подаваемым на структуру. При совпадении частоты ферромагнитного резонанса и частоты СВЧ тока, амплитуда постоянной составляющей принимает максимальное значение.
Преимуществом такой структуры является ее высокая чувствительность к маломощным сигналам, быстрая перестройка частоты, возможность работы в качестве АД, ПФ и ФНЧ одновременно.
Недостатком такой структуры является высокая нелинейность и нестабильность фазы генерируемого сигнала, при подаче на нее постоянного тока, значение которого выше порога автогенерации.
Известен спектроанализатор, описанный в статье Steven Louis, Olga Sulymenko, Vasil Tiberkevich, Jia Li, Daniel Aloi, Oleksandr Prokopenko, Ilya Krivorotov, Elena Bankowski, Thomas Meitzler, and Andrei Slavin, «Ultra-fast wide band spectrum analyzer based on a rapidly tuned spin-torque nanooscillator», Appl. Phys. Lett. 113, 112401 (2018). Принцип работы такого спектроанализатора заключается в обработке СВЧ сигналов МТП структурой в режиме генерации, при этом, сканирование по частоте осуществляется пилообразным током.
Недостатком этого устройства является необходимость пропускания высоких значений тока через МТП структуру, что ведет к повышению требований к качеству МТП структуры и к увеличению нелинейных процессов при обработке входного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является спектроанализатор на основе МТП структуры, работающий в режиме генерации, описанный в статье Artem Litvinenko, Vadym Iurchuk, Pankaj Sethi, Steven Louis, Vasyl Tyberkevych, Jia Li, Alex Jenkins, Ricardo Ferreira, Bernard Dieny, Andrei Slavin, and Ursula Ebels, « Ultrafast Sweep-Tuned Spectrum Analyzer with Temporal Resolution Based on a Spin-Torque Nano-Oscillator», Nano Lett. 2020, 20, 6104-6111.
Недостатком наиболее близкого технического решения является необходимость пропускания достаточно больших величин токов через МТП, что накладывает дополнительные технические требования на качество спектроанализатора и уменьшает долговечность его работы до перегорания.
Целью предлагаемого изобретения является реализация спектрального анализа СВЧ сигналов на основе МТП, работающего в режиме пассивного выпрямления или выпрямления с дополнительным током смещения, величина которого меньше порогового значения автогенерации. За счет этого снижаются требования к качеству МТП ввиду отсутствия необходимости пропускания через него высоких значений тока, а также понижается уровень шумов МТП. Подстройка резонансной частоты в данном случае может осуществляться внешним магнитным полем.
Техническим результатом является увеличение чувствительности спектроанализатора, уменьшение нелинейных искажений при обработке СВЧ сигналов.
Технический результат достигается тем, что на магнитный туннельный переход не подается ток смещения или значение тока ниже значения, приводящего к автогенерации, а частота ферромагнитного резонанса магнитного туннельного перехода перестраивается магнитным полем, создаваемым источником магнитного поля, при этом в качестве амплитудного детектора, полосового фильтра и фильтра низкой частоты может использоваться магнитный туннельный переход, кроме того, выполняется перестройка частоты ферромагнитного резонанса магнитного туннельного перехода магнитным полем и осуществляется работа в режимах выпрямления без автогенерации, причем отсутствует необходимость пропускания через магнитный туннельный переход высоких значений тока.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
на фиг. 1 - структурная схема спектроанализатора, основанного на МТП структуре, перестраиваемой магнитным полем;
на фиг. 2 - схема МТП структуры;
на фиг. 3 - поле-частотная характеристика;
на фиг. 4 - напряжение, выпрямленное МТП структурой;
на фиг. 5 - дифференцирование выпрямленного напряжения по полю.
Схема спектроанализатора со структурой на основе магнитного туннельного перехода (МТП) 1 содержит источник магнитного поля (ИМП) 2 (см. фиг. 1).
МТП состоит из последовательно закрепленных друг на друге трех основных слоев: первого ферромагнитного слоя 21, диэлектрика 20 и второго ферромагнитного слоя 19 (см. фиг. 2). МТП 1 выполняет роль АД, ПФ и ФНЧ, резонансная частота которых перестраивается магнитным полем согласно поле-частотной характеристике (см. фиг. 3).
На МТП 1 через цепь смещения 3 поступает анализируемый СВЧ сигнал от источника 4 и ток смещения от источника тока, управляемого напряжением (ИТУН) 5, который управляется сигналом с цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 6, встроенного в микроконтроллер 18. На ИМП 2, который расположен около МТП 1, подается управляющий ток от ИТУН 7, который управляется пилообразным сигналом, формируемым встроенным в микроконтроллер 18 ЦАП 8. На инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 9 поступает напряжение со встроенного в микроконтроллер 18 ЦАП 10, эквивалентное напряжению, образующемуся на выходе ИТУН 5 при отсутствующем сигнале на выходе источника 4 и задающееся блоком калибровки 11, встроенным в микроконтроллер 18. Постоянная составляющая сигнала, образующаяся на МТП 1, через цепь смещения 3 поступает на неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 9. Сигнал с дифференциального операционного усилителя 9 поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 12, встроенный в микроконтроллер 18. Сигнал с выхода АЦП 12 подвергается цифровой обработке, проходя через блоки дифференцирования 13 и нормировки амплитуды 14. После цифровой обработки сигнал подается на блок вывода спектра 15. Питание устройства осуществляется за счет блока питания 16. Устройство может управляться через блок управления 17 (см. фиг. 1).
Блок питания 16 используется для питания всего устройства. На выходе блока питания формируются уровни постоянного напряжения и постоянного тока, необходимые для работы микроконтроллера 18, а также, при необходимости, для работы ИТУН 7, ИТУН 5 и дифференциального операционного усилителя 9 (см. фиг. 1).
Блок питания 16 может быть интегрирован в персональный компьютер, и питание устройства будет осуществляться через шину питания интерфейса обмена данными, например USB-интерфейс.
Блок управления 17 представляет собой устройство, передающее команды микроконтроллеру 18 (см. фиг. 1).
Блоком управления может являться персональный компьютер, подключенный к микроконтроллеру 18 по таким интерфейсам, как USB, RS232, RS422, RS485, I2C, UART, SPI, Ethernet и Thunderbolt.
Микроконтроллер 18 должен включать в себя не менее одного АЦП, трех ЦАП. Программная часть микроконтроллера 18 состоит из блоков калибровки 11, дифференцирования 13 и нормировки амплитуды 14 (см. фиг. 1).
Блок калибровки 11 реализуется программно в микроконтроллере 18 и выполняет функцию управления ЦАП 10. Блок дифференцирования 13 реализуется программно в микроконтроллере 18 и отвечает за преобразование сигнала с выхода АЦП 12 в спектр входного сигнала, не нормированный по амплитуде. Блок нормировки амплитуды 14 реализуется программно в микроконтроллере 18 и выполняет функцию формирования конечного спектра входного сигнала. ИТУН 7, 5 представляют собой операционные усилители, входная функция которых - напряжение, а выходная функция - ток. ИМП 2 служит для установки магнитного поля вокруг МТП структуры в диапазоне полей поле-частотной характеристики (см. фиг. 3) и может представлять собой катушку индуктивности, электромагнит или постоянный магнит, расположенный на автоматизированной подвижной платформе, которые управляются током от ИТУН 7 (см. фиг. 1).
Цепь смещения 3 выполняет функцию разделения постоянного и переменного сигналов. Цепь смещения 3 может быть выполнена в микрополосковом виде или на компонентах поверхностного монтажа.
Дифференциальный операционный усилитель 9 выполняет функции согласования уровней сигналов и вычитания постоянной составляющей напряжения, выставленного на выходе ЦАП 10 (см. фиг. 1).
Блок вывода спектра 15 может представлять собой шину данных передаваемых по таким интерфейсам, как USB, RS232, RS422, RS485, I2C, UART, SPI, Ethernet и Thunderbolt. Также блок вывода спектра 15 может представлять собой прибор с экраном, отображающий данные, поступающие от микроконтроллера.
Модификацией такого прибора может быть устройство, в котором блок питания 16, блок управления 17 и блок вывода спектра 15 объединены и представляют собой персональный компьютер.
Принцип работы спектроанализатора состоит в следующем. С блока питания 16 подается постоянный ток на микроконтроллер 18. С блока управления 17 на микроконтроллер 18 подается сигнал, задающий величину тока подкачки на выходе ИТУН 5 и сигнал, запускающий калибровку. Калибровка заключается в следующем. Микроконтроллер 18 выставляет на выходе ЦАП 6 уровень напряжения, соответствующий току подкачки на выходе ИТУН 5. На выходе МТП 1 образуется постоянная составляющая напряжения, которая усиливается дифференциальным операционным усилителем 9, а затем оцифровывается АЦП 12 микроконтроллера 18. Далее оцифрованный сигнал поступает на блок калибровки 11, в котором производится операция деления на коэффициент усиления дифференциального операционного усилителя 9. Уровень напряжения, полученный в блоке калибровки, задается на выходе ЦАП 10, встроенного в микроконтроллер 18. С выхода ЦАП 10 сигнал подается на инвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 9. После процедуры калибровки устройство переключается в рабочий режим. Анализируемый сигнал поступает с источника 4 на цепь смещения 3, которая пропускает этот сигнал на МТП 1. На МТП 1 образуется дополнительная постоянная составляющая напряжения, уровень которой зависит от частоты ферромагнитного резонанса МТП 1. Частота ферромагнитного резонанса перестраивается магнитным полем, которое образуется в результате подачи на ИМП 2 пилообразного тока с выхода ИТУН 7, управляемого напряжением с выхода ЦАП 8 микроконтроллера 18. Полученная постоянная составляющая напряжения на выходе МТП 1 подается на цепь смещения 3, которая пропускает ее на неинвертирующий вход дифференциального операционного усилителя 9. В дифференциальном операционном усилителе 9 сигнал усиливается, и из него вычитается постоянная составляющая, заданная в процессе калибровки. Полученный сигнал (см. фиг. 4) оцифровывается АЦП 12 микроконтроллера 18 и подвергается цифровой обработке, заключающейся в дифференцировании полученного сигнала (см. фиг. 5) в блоке дифференцирования 13 и нормировки его по амплитуде в блоке нормировки амплитуды 14. Далее сигнал поступает на блок вывода спектра 15.
Таким образом достигается заявляемый технический результат, а именно, спектроанализатор имеет малые нелинейные искажения и высокую чувствительность.
Такое техническое решение обеспечивает реализацию спектрального анализа СВЧ сигналов на основе МТП, работающего в режиме пассивного выпрямления или выпрямления с дополнительным током смещения, величина которого меньше порогового значения автогенерации, это приводит к снижению требований к качеству МТП.