Малошумящий СВЧ-синтезатор 100 кГц-12 ГГЦ.

При этом можно пренебречь шумами самого матричного переключателя по сравнению с шумами колебания 33 МГц, которое в процессе синтеза складывается с колебанием частоты 3,0...3,9 МГц.За исключением декады 100 кГц, в которой отсутствует делитель частоты на 10, на каждую декаду поступают три входных колебания: сначала складываются колебания с частотами 4 МГц и 33 МГц, затем сумма складывается с колебаниями частоты 3.0...3,9 МГц и, наконец, частота 40...41 МГц делится на 10. Отметим, что каждый раз, когда колебание частоты 3,0...3,9 МГц проходит через декаду, разряд синтезируемой частоты смещается в соседнее, менее значащее десятичное положение. Так, приращения 100 кГц частоты 3,0...3,9 МГц, вводимые в декаду 0,01 Гц, на выходе декады преобразуются в приращения 10 кГц и, пройдя семь последовательных декад, становятся приращениями 0,01 Гц на выходе блока синтеза ДМВ. Вводимые аналогично в декаду за 100 кГц приращения частоты 100 кГц остаются неизменными и на выходе блока ДМВ, поскольку они через другие декады не проходят.Рисунок 10 – Структурная схема блока синтеза КВ синтезатора типа 645А.Фазовые шумы синтезированного колебания сохраняются на низком уровне благодаря неоднократному использованию делителей частоты на 10. Таким образом на протяжении всего процесса синтеза доминирующими оказываются шумы колебания частоты 33 МГц.Частотный план блока синтеза КВ построен с таким расчетом, чтобы минимизировать число побочных составляющих, попадающих в полосу рабочих частот или находящихся вблизи нее, при максимально высоком их порядке. Побочные составляющие вне полосы рабочих частот подавляются фильтрами (на рис. 10 не показаны) и делителями частоты на 10. Наиболее жесткие требования предъявляются к фильтрам, установленным в декаде приращений на 100 кГц, потому что здесь отсутствует делитель частоты, который мог бы дополнительно очистить спектр выходного колебания. Повсеместно используются балансные смесители.Получение высоких отношений сигнал/шум связано с использованием ВЧ колебаний высоких уровней мощности. С другой стороны, для получения малых уровней комбинационных составляющих на выходе смесителей предпочтительно использовать малыеуровни входных колебаний. Поэтому при выборе уровней колебаний, подаваемых на смесители, необходимо компромиссное решение, при котором одновременно удовлетворялись бы требованиякак по фазовым шумам, так и по комбинационным составляющим.Структурная схема блока синтеза ДМВ представлена на рис.11. Здесь применен описанный в гл. 1 метод тройного преобразования частоты, модифицированный для формирования шага частот 1 и 10 МГц. На входы диодного балансного смесителя подаются два колебания: частоты от 370 до 410 МГц от одного из пяти LC-генераторов и одной из частот 30, 40, 50, 60 или 70 МГц из блока опорных частот.Рисунок 11 – Структурная схема блока синтеза ДМВ синтезатора типа 645А.Разностная частота на выходе смесителя всегда постоянна и равна 340 МГц+Δf, где Δf — ошибка по частоте, обусловленная работой LC-генератора. В двух параметрических смесителях производится сложение частот 340 МГц,40...41 МГц и 30...39 МГц. На выходе правого параметрического смесителя частота колебания составляет 410...420 МГц и изменяется с шагом 0,01 Гц. Выходное колебание синтезатора образуется на выходе малошумящего двойного балансного смесителя, где выделяется разностная частота. На входы этого смесителя поступают колебания частоты 410...420 МГц с выхода параметрического смесителя и 370...410 МГц от одного из LC-генераторов. Такой метод позволяет осуществить синтез путем сложения и вычитания частот так, чтобы уровни попадающих в полосу рабочих частот комбинационных составляющих не превышали —110 дБ относительно уровня полезного колебания. В то же время обеспечивается компенсация фазовых шумов и дрейфа частоты LC-генераторов, используемых в блоке синтеза ДМВ в качестве источников вспомогательного колебания.На выходе диодного балансного смесителя присутствуют AM шумы с уровнем —150 дБ/Гц, связанные с уровнем поступающих на смеситель колебаний и коэффициентом шума смесителя (на вход смесителя поступает колебание, уровень которого достаточно мал, что обеспечивает подавление побочных составляющих на110 дБ относительно полезного колебания). Наряду с этим навыходе смесителя присутствуют и ФМ шумы с уровнем —137 дБ/Гц, обусловленные последовательным накоплением шумов в устройствах синтезатора.Значительные усилия были затрачены на создание конструкции синтезатора, совместимой с жесткими требованиями к побочным составляющим. Удачная конструкция сыграла немалую роль в обеспечении превосходных рабочих характеристик синтезатора типа 645А. Модульная конструкция позволила разместить чувствительные к наводкам цепи вдали от источников паразитного излучения; все вводы и выводы ВЧ колебаний осуществлены с помощью радиочастотных соединителей во избежание паразитных излучений. Для исключения прохождения ВЧ колебаний по цепям питания все соединения по постоянному току модулей как с источниками питания, так и между собой производятся с помощью проходных конденсаторов. Вид синтезатора типа 645А сверху, снизу, спереди и сзади показан на рис. 12.Синтезатор предназначен для использования в качестве источника стабильных и спектрально-чистых колебаний общего применения. Он может применяться в самых различных областях — для автоматизации испытаний кварцевых фильтров и частотных дискриминаторов, в качестве гетеродина для приемников и анализаторов спектра. Пример использования синтезатора типа 645А в синтезаторе СВЧ приводится ниже.Рисунок 12 – Синтезатор типа 645А.Синтезатор ДМВ—СМВ серии 1600 (фирма «Systron-Donner»).Система СВЧ состоит из возбудителя синтезатора типа 1600 и набора ДМВ—СМВ модулей типа 1600-5—1617. Возбудитель вырабатывает постоянное напряжение программируемой величины, спектрально-чистое колебание частоты 100 МГц и колебание частоты 10...20 МГц, изменяемой с шагом 0,1 Гц. Модули ДМВ—СМВ производят, синтез частот от 0,5 до 18 ГГц с шагом частоты 1 Гц.Основные рабочие характеристики синтезатора приведены на рисунке 13. Особый интерес представляют полоса выходных частот шириной в октаву, шаг сетки частот 1 Гц и уровень фазовых шумов, практически не зависящий от значения выходной частоты. Эти параметры и послужат предметом дальнейшего обсуждения при описании системы.Режим работы определяется положением переключателя синхронизации, размещенного на задней панели. Независимо от положения этого переключателя для синтеза частот используется опорное колебание частоты 1 МГц. Благодаря узкополосности петли ФАПЧ 10 МГц спектр фазовых шумов синтезированного колебания всегда почти идентичен пересчитанному спектру колебания КГУН, что следует отнести к существенным преимуществам синтезатора.Рисунок 13 - Основные технические характеристики синтезатора СВЧ типа 1600.Тот же метод использован для формирования колебания частоты 100 МГц. Ширина полосы пропускания петли ФАПЧ 100 МГц составляет приблизительно 100 Гц, и поэтому выходное колебание петли обладает таким же спектром фазовых шумов на частотах, отстоящих от несущей более чем на 100 Гц, как КГУН 100 МГц. Здесь также используется КГУН, вырабатывающий спектрально-чистые колебания.Колебание частоты 100 МГц поступает для дальнейшей обработки в блок синтеза ДМВ—СМВ. Колебания с частотой 100 кГц и 1 МГц используются в блоке синтеза КВ для формирования частоты, изменяющейся в пределах от 10 до 20 МГц с шагом 0,1 Гц.Блок синтеза КВ состоит из комбинации петель цифровой и аналоговой ФАПЧ, соединенных, как показано на рис. 14. Полная декада приращения частоты состоит из петли цифровой ФАПЧ, работающей на частотах от 9 до 18 МГц с шагом 1 МГц, делителя частоты на 10, делящего синтезированную в предыдущих декадах частоту КВ колебания, и петли аналоговой ФАПЧ, производящей сложение частот этих двух колебаний. Две полные декады на 1 кГц и 1 МГц показаны на рис. 14. Декады, формирующие колебание с шагом частот 10 кГц и 100 кГц, не приведены, поскольку они ничего нового к описанию процесса синтеза не добавляют. Рисунок 14 – Структурная схема блока синтеза КВ синтезатора типа 1600.Для снижения стоимости и упрощения структурной схемы блока синтеза КВ приращения частот 0,1...100 Гц формируются одной петлей аналоговой и двумя петлями цифровой ФАПЧ, которые по существу не отличаются от остальных петель ФАПЧ блока синтеза КВ.Полоса пропускания петель ФАПЧ блока синтеза КВ меняется в пределах от 3 до 5 кГц. Внутри этой полосы фазовые шумы синтезированного колебания представляют собой шумы КГУН 10 МГц с учетом умножения этой частоты, которое приводит к увеличению шумов на 6 дБ на частоте 20 МГц. На частотах анализа выше 5 кГц преобладают шумы выходного ГУН. При построении блока синтеза КВ повсеместно использованы малошумящие устройства.В блоке синтеза ДМВ—СМВ частота синтезированного колебания умножается на десять, так же, как и величина шага частот. Способ умножения показан на рис. 15. Рисунок 15 – Структурная схема блока синтеза ДМВ-СМВ синтезатора типа 1600.Блок синтеза ДМВ—СМВ состоит из двух петель ФАПЧ. На выходную петлю ФАПЧ поступают два колебания: одно частоты от 10 до 20 МГц, второе — частоты, кратной 100 МГц. Выбор нужной гармоники частоты 100 МГц, подавление всех остальных гармоник этого колебания и транспонирование частоты выходного ГУН, перестраиваемого с помощью ЖИГ, в область 100...200 МГц осуществляются вспомогательной петлей ФАПЧ. Частота колебаний 100...200 МГц делится на 10 и сравнивается с опорной частотой 10...20 МГц, поступающей из блока синтеза КВ.Способ получения ширины полосы в две октавы иллюстрируется структурной схемой рис. 15. В то время как выходной ГУНперестраивается с помощьюЖИГ в пределах от 1 до 2 ГГц, генератор вспомогательной петли ФАПЧ перестраивается от 0,9 до 1,9 ГГц с шагом 100 МГц. Аналогично, когда выходной ГУН перестраивается от 2 до 4 ГГц, генератор вспомогательной петли перестраивается от 1,9 до 3,9 ГГц. Напряжение перестройки для этих генераторов вырабатывается возбудителем синтезатора типа 1600. При таком способе синтеза частот любые приращения частоты образуются одинаково легко как на частоте 18 ГГц, так и на частоте 0,5 ГГц. Для примера, синтезатор, схемы блоков которого приведены на рис. 14-15, формирует колебания с шагом сетки частот 1 Гц, что предусматривается изготовителем синтезаторов по отдельному соглашению. Стандартная аппаратура работает с шагом сетки частот 1 кГц, что соответствует удалению из схемы рис. 14 трех полных декад.Такой способ синтеза имеет и множество других преимуществ. Во-первых, генератор, перестраиваемый по частоте с помощью ЖИГ, является устройством с высокой добротностью (на ДМВ и СМВ возможно реализовать генераторы с добротностью в 2000...4000). Высокая добротность генератора позволяет получить практически постоянный уровень фазовых шумов генератора на частотах до 18 ГГц и даже выше, несмотря на перестройку генератора по частоте в пределах октавы. Это означает, что на частотах анализа, превышающих полосу пропускания выходной петли ФАПЧ (которая равна 100 кГц), фазовые шумы синтезатора не зависят от коэффициента умножения опорной частоты 10 МГц.На частотах анализа от 100 Гц до 100 кГц преобладают шумы КГУН 100 МГц, усиленные в результате умножения до значения выходной частоты, а на частотах анализа до 100 Гц доминируют фазовые шумы колебания опорной частоты 10 МГц. Выбор различных полос пропускания петель ФАПЧ в этой системе продиктован требованием получения оптимальных шумовых характеристик.Во-вторых, при перестройке частоты генератора с помощью ЖИГ можно получить чрезвычайно высокую линейность (порядка ±0,2%), несмотря на двукратное изменение выходной частоты.Это позволяет упростить схемы настройки генератора. Постоянство уровня фазовых шумов при перестройке генератора объясняется именно высокой линейностью перестройки, которая недостижима при электронной настройке генератора с помощью варикапа или варактора.Кроме того, имеющиеся в настоящее время генераторы способны перекрыть диапазон частот вплоть до 26 ГГц, что позволяет расширить диапазон выходных частот синтезатора до этого значения.Наконец, генераторы с перестройкой частоты с помощью ЖИГ способны генерировать колебания с относительно высоким уровнем выходной мощности (+7 дБм на частоте 18 ГГц) при сравнительно небольших изменениях мощности при перестройке генератора в пределах октавы. Этим обеспечивается не только постоянство выходной мощности синтезатора, но и постоянство мощности на входе смесителя и независимость режима его работы от изменений уровня гармоник колебания, частоты 100 МГц.Внешний вид возбудителя синтезатора и одного СВЧ блока показан на рис. 16. Система может управляться дистанционно. Это — синтезаторы общего применения, которые используются в таких областях, как СВЧ связь, спектроскопия, настройка и калибровка СВЧ аппаратуры, измерения группового времени запаздывания и доплеровского сдвига фазы, равно как и во многих других областях, где необходим источник стабильного и спектрально-чистого колебания точно известной частоты.Рисунок 16 – Вид спереди синтезатора типа 1600.Фирмы – конкуренты, разрабатывающие аналогичную продукцию.Выпуском синтезаторов рассматриваемого диапазона занимаются следующие фирмы: Микран ,Адвантех, Hittle ,NationalInstruments, Mini-Curcuits, HolzworthInstrumentation, KeysightTechnologies, Rode & Schwarz.Рисунок 17 – Уровни фазовых шумов синтезаторов вышеупомянутых фирм.Список использованной литературыП. Бобкович ,А. Кузьменков Отечественный синтезатор частот с высоким быстродействием и низким уровнем шумов //современная электроника. – 2015. – Т. 13, - №2. – С. 32–36.Манассевич В. Синтезаторы частот (Теория и проектирование): Пер. с англ./Под ред. А. С. Галина. М.: Связь, 1979. – 384 с.Рыжков А., Попов В. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. - М.: Радио и связь, 1991. – 264 с.Белов Л. А. Современные синтезаторы стабильных частот и сигналов / Л. А. Белов // Радиотехника. – 2007. – № 3. – С. 21-25Белов Л. А. Синтезаторы частот и сигналов: Учебное пособие / Л. А. Белов. – М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. – 80 с.