CC BY
313
Вестник Воронежского института МВД России №1 / 2015
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
А.В. Леньшин, В.В. Лебедев,
доктор технических наук, ВУНЦ (г. Воронеж) доцент, ВУНЦ (г. Воронеж)
В.Н. Тихомиров,
ОАО «Концерн «Созвездие»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОШУМЯЩЕГО ШИРОКОДИАПАЗОННОГО СИНТЕЗАТОРА ЧАСТОТ
EXPERIMENTAL STUDY LOW-NOISE WIDE-RANGE FREQUENCY SYNTHESIZER
Рассмотрены и экспериментально проверены вопросы улучшения рабочих шумовых характеристик широкодиапазонного однокольцевого синтезатора частот и выполнена разработка импульсной системы фазовой автоподстройки частоты генераторов, управляемых напряжением, на электронной компонентной базе высокой степени интеграции, которая позволила реализовать требуемые параметры.
There are considered and experimentally tested the issues of improving the working noise characteristics of a wide-range frequency synthesizer single ring and made the development of the pulse phase-locked loop voltage controlled oscillator, electronic components based on a high degree of integration, which enabled the realization of the required parameters.
Одной из основных задач при разработке и создании синтезаторов частот (СЧ) является снижение уровня фазовых шумов при сохранении широкого диапазона перестройки рабочих частот [1]. Выбор структуры СЧ определяется необходимой степенью подавления побочных составляющих и фазовых шумов в выходных колебаниях, а также временем перестройки. В настоящее время при проектировании систем синтеза дискретного множества частот предпочтение отдается СЧ на основе систем импульснофазовой автоподстройки частоты ИФАПЧ [2].
105
Радиотехника и связь
Широко известна однокольцевая схема синтезатора частот, включающая опорный генератор (ОГ), делитель частоты с фиксированным коэффициентом деления (ДФКД), управляемый напряжением генератор (ГУН), делитель частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД), частотно-фазовый детектор (ЧФД), схему зарядовой накачки (ЗН), фильтр нижних частот (ФНЧ), образующие кольцо импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) управляемого напряжением генератора (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема однокольцевого СЧ с ИФАПЧ
Работа схемы СЧ-ИФАПЧ основана на сравнении по частоте и фазе сигналов, поступающих на входы ЧФД, и коррекции возникающего рассогласования за счет перестройки частоты ГУН напряжением, вырабатываемым ЧФД с последующей фильтрацией его в ФНЧ. В качестве эталонного сигнала, поступающего на один из входов сравнивающего устройства, используется сигнал высокостабильного кварцевого ОГ, пропущенный через цифровой делитель частоты ДФКД в R раз. На второй вход ЧФД подается сигнал с выхода ГУН через цифровой делитель частоты ДПКД в N раз. Задающей величиной (входным воздействием) в системе ИФАПЧ является частота и фаза выходного импульсного сигнала ДФКД, регулируемой величиной (выходным воздействием) - частота и фаза выходного сигнала ГУН, а контролируемой величиной - частота и фаза выходного импульсного сигнала ДПКД. Следует заметить, что ДПКД представляет в данной схеме элемент главной обратной связи, выполняющий функции масштабирования или преобразования с передаточной функцией 1/N. ЗН совместно с ФНЧ образуют регулятор в системе, в котором реализуется закон регулирования частоты и фазы выходного сигнала ГУН.
Система импульсно-фазовой автоподстройки частоты [1—4], как следует из её названия, является дискретной системой автоматического регулирования (системой стабилизации, так как используется опорный сигнал ОГ с неизменяемыми высокостабильными параметрами), частота настройки которой определяется частотой опорного сигнала, а сигналом рассогласования является разность фаз опорного сигнала и сигнала обратной связи. В связи с тем что настройка осуществляется по разности фаз, система является астатической по отношению к частоте: в установившемся режиме частоты входных сигналов ЧФД равны. После завершения переходных процессов в устойчиво работающей схеме СЧ с ИФАПЧ имеют место соотношения
/ог/R = F = /гун/N = F или /„„ = (/ог/R)N = FrIN.
Схема СЧ, приведенная на рис. 1, характеризуется простотой схемной реализации, но не обеспечивает необходимого уровня фазовых шумов при сохранении широкого диапазона перестройки рабочих частот из-за большой величины крутизны характеристики управления частотой сигнала ГУН. Поэтому основной задачей, на решение
106
Вестник Воронежского института МВД России №1 / 2015
которой направлено предлагаемое схемно-техническое решение, является снижение уровня фазовых шумов при сохранении широкого диапазона перестройки рабочих частот синтезатора.
Технический результат состоит в снижении уровня фазовых шумов синтезатора частот за счет уменьшения крутизны характеристики управления ГУН при сохранении широкого диапазона перестройки выбором коммутируемых конденсаторов с помощью дополнительного канала управления. На рис. 2 представлена структурная схема широкодиапазонного СЧ с пониженным уровнем фазовых шумов, реализующего предложенный способ [5].
Рис. 2. Синтезатор частот с дополнительным каналом управления
Для построения дополнительного канала управления введены: ЧФД-Д — дополнительный частотно-фазовый детектор; ЗН-Д — дополнительная схема зарядовой накачки; ФНЧ-Д — дополнительный фильтр нижних частот; Кл — ключи коммутации контурных конденсаторов; БКК — банк контурных конденсаторов С1, С2, ..., Сп; К1 — первый компаратор; К2 — второй компаратор; СУ — схема управления (коммутации) ключами [5].
Назначение элементов структурной схемы малошумящего широкодиапазонного синтезатора частот и схемы управления ключами ясны из их названия. БКК может быть отдельным блоком или входить в состав схемы ГУН. В процессе старения элементов схемы ГУН (конденсаторов, индуктивностей, резисторов, варикапов, транзисторов), температурных и других дестабилизирующих факторов происходит изменение частоты выходного сигнала ГУН.
Для того чтобы при малой крутизне характеристики управления ГУН и фиксированном диапазоне управляющего напряжения обеспечить его работу в широком диапазоне частот, требуется изменение величины емкостей контурных конденсаторов ГУН. Для этого осуществляется коммутация (подключение или отключение) контурных конденсаторов по мере достижения соответствующих границ электронной перестройки частоты сигнала ГУН. Величины емкостей конденсаторов выбираются исходя из возможного ухода частоты сигнала ГУН за требуемое время работы и обеспечения необходимого коэффициента обратной связи генераторной схемы ГУН.
Остановимся на описании требуемых технических характеристик СЧ:
- рабочий диапазон частот от 960 до 1215 МГц;
107
Радиотехника и связь
- шаг перестройки частоты 1 МГц;
- стабильность (макс.) частоты 10-7;
- уход (макс.) частоты 10-7/год (относительно установленной частоты через 30
дней);
- уровень относительной спектральной плотности мощности фазовых шумов (дБн/Гц), при отстройке от несущей: 10 кГц не хуже минус 115, 100 кГц не хуже минус 120, 1000 кГц не хуже минус 140;
- выходная мощность (на нагрузке 50 Ом) 3 дБм ± 1 дБм.
Представляет практический интерес экспериментально исследовать уровни побочных спектральных составляющих СЧ без дополнительного канала управления (конструктивный макет СЧ1 по схеме на рис. 1) и с дополнительным каналом управления (конструктивный макет СЧ2 по схеме на рис. 2) для выяснения вопроса о применимости заявленного схемно-технического решение и оценке снижения уровня фазовых шумов.
Оба конструктивных макета СЧ1 и СЧ2 выполнены на базе двух отладочных плат для отечественной микросхемы 1508ПЛ9Т. Типовые характеристики микросхемы 1508ПЛ9Т: максимальная рабочая частота 4,3 ГГц; нормированный уровень собственных шумов минус 230 дБн/Гц; нормированный уровень фликкер-шумов минус 122 дБн/Гц; напряжение питания 1,8/3,3 В; ток потребления 77 мА.
В качестве ГУН в макете СЧ1 применен CVCO55BE-0800-1600 фирмы Crystek Microwave со средним значением крутизны характеристики управления около 60 МГц/В. Дополнительный канал управления в макете СЧ2 выполнен на дискретных элементах с разбиением рабочего диапазона на 16 поддиапазонов, что позволило снизить крутизну характеристики управления ГУН по основному каналу до 10 МГц/В. Расчет параметров элементов ФНЧ цепи управления рассчитывался для одинакового значения частоты среза системы ИФАПЧ порядка 80 кГц.
Измерение спектральной плотности мощности фазового шума и длительности переходных процессов СЧ1 и СЧ2 проводилось на анализаторе источников сигналов E5052B компании Agilent Technologies. В табл. 1, 2 приведены результаты экспериментального исследования конструктивных макетов традиционного СЧ1 и малошумящего СЧ2, выполненного в соответствии с [5].
Таблица 1
Результаты измерений уровня шумов на выходе СЧ1и СЧ2
Уровень шумов относительно уровня сигнала несущей, дБн/Гц Частоты отстройки от синтезируемой частоты f
f = 1030 МГц f = 1090 МГц
10 кГц 100 кГц 1000 кГц 10 кГц 100 кГц 1000 кГц
СЧ1 без дополнительного канала управления - 92 - 112 - 140 - 92 - 111 - 140
СЧ2 с дополнительным каналом управления - 117 - 123 - 142 - 116 - 122 - 141
Значение фазового шума -117 дБн/Гц при отстройке 10 кГц на частоте 1030 МГц является достаточно хорошим показателем для синтезаторов частот, однако оно может быть существенно улучшено за счет применения в макете термостатированного кварцевого генератора. В этом случае значение фазового шума на частоте 1030 МГц при отстройке 10 кГц составляет -125 дБн/Гц. Кроме того, применение такого ОГ позволяет
108
Вестник Воронежского института МВД России №1 / 2015
улучшить точность установки частоты, а также долговременную и кратковременную нестабильность частоты.
Таблица 2
Результаты измерений длительности переходных процессов СЧ1 и СЧ2
Переключение синтезируемых частот, МГц 1030 ^ 1090 1090 ^ 1030
СЧ1 без дополнительного кольца ИФАПЧ, мс 3,2 3,3
СЧ2 с дополнительным кольцом ИФАПЧ, мс 3,4 3,5
Из табл. 2 видно, что длительность переходных процессов у обоих конструктивных макетов СЧ1 и СЧ2 практически совпадает. Это объясняется тем, что частоты среза колец ИФАПЧ сравниваемых синтезаторов одинаковы.
Выводы. В работе показано, что в предлагаемой схеме синтезатора частот за счет введения дополнительного канала управления в кольце ИФАПЧ можно добиться существенного снижения уровня фазовых шумов за счет уменьшения крутизны характеристики управления управляемого напряжением генератора при сохранении широкого диапазона перестройки с выбором коммутируемых конденсаторов посредством схемы управления.
ЛИТЕРАТУРА
1. Романов С.К., Тихомиров Н.М., Леньшин А.В. Системы импульсно-фазовой автоподстройки в устройствах синтеза и стабилизации частот: монография. — М.: Радио и связь, 2010. — 328 с.
2. Тихомиров Н.М., Романов С.К., Леньшин А.В. Формирование ЧМ сигналов в синтезаторах с автоподстройкой. — М.: Радио и связь, 2004. — 210 с.
3. Тихомиров М.Н., Лебедев В.В., Тихомиров В.Н. Параметрический синтез системы фазовой автоподстройки синтезаторов частот // Вестник Воронежского института МВД России. — 2013. — № 3. — С. 26—36.
4. Рыжков А.В. Синтезаторы частот в технике радиосвязи / А.В. Рыжков,
В.Н. Попов. — М.: Радио и связь, 1991. — 264 с.
5. Леньшин А.В., Лебедев В.В., Тихомиров В.Н. Малошумящий широкодиапазонный синтезатор частот / заявка на изобретение № 2014138711 от 24.09.2014 г.
REFERENCES
1. Romanov S.K., Tihomirov N.M., Lenshin A.V. Sistemyi impulsno-fazovoy avto-podstroyki v ustroystvah sinteza i stabilizatsii chastot: monografiya. — M.: Radio i svyaz, 2010. — 328 s.
2. Tihomirov N.M., Romanov S.K., Lenshin A.V. Formirovanie ChM signalov v sin-tezatorah s avtopodstroykoy. — M.: Radio i svyaz, 2004. — 210 s.
3. Tihomirov M.N., Lebedev V.V., Tihomirov V.N. Parametricheskiy sintez sistemyi fazovoy avtopodstroyki sintezatorov chastot // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2013. — # 3. — S. 26—36.
4. Ryizhkov A.V. Sintezatoryi chastot v tehnike radiosvyazi / A.V. Ryizhkov, V.N. Popov. — M.: Radio i svyaz, 1991. — 264 s.
109
Радиотехника и связь
5. Lenshin A.V., Lebedev V.V., Tihomirov V.N. Maloshumyaschiy shiroko-diapazonnyiy sintezator chastot / zayavka na izobretenie # 2014138711 ot 24.09.2014 g.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Леньшин Андрей Валентинович. Профессор кафедры. Доктор технических наук, доцент. Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж).
E-mail: [email protected]
Россия, 394052, г. Воронеж, ул. Краснознаменная, 153. Тел. (473)2-44-95-90.
Лебедев Виктор Владимирович. Адъюнкт.
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж).
E-mail: [email protected]
Россия, 394052, г. Воронеж, ул. Краснознаменная, 153. Тел. 920-459-6181.
Тихомиров Владимир Николаевич. Конструктор, аспирант.
ОАО «Концерн «Созвездие».
E-mail: [email protected]
Россия, 394018, г. Воронеж, ул. Плехановская, 14.
Lenshin Andrey Valentinovich. Professor of chair. Doctor of technical sciences, assistant professor. Military Educational Scientific Center of the Air Force «The Air Force Academy named after Prof. N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» (Voronezh).
E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394052, Voronezh, Krasnoznamennaya str., 153. Tel. (473)244-95-90, 920-229-0995. Lebedev Victor Vladimirovich. Post-graduate cadet.
Military Educational Scientific Center of the Air Force «The Air Force Academy named after Prof. N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» (Voronezh).
E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394052, Voronezh, Krasnoznamennaya str., 153. Tel. 920-459-6181.
Tikhomirov Vladimir Nikolaevich. Designer. Post-graduate student.
JSC «Concern «Sozvezdie».
E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 394018, Voronezh, Plekhanovskaya str., 14.
Ключевые слова: синтезатор частот; экспериментальное исследование; широкодиапазонный; малошумящий.
Key words: frequency synthesizer; experimental study; wide-range; low-noise.
УДК 621.396
110
