CC BY
45Создание высокостабильных генераторов миллиметрового диапазона длин волн
Антипов В.Б. (antip@elefot.tsu.ru) (1), Перфильев В.И. (2) (1) СФТИ при Томском госуниверситете, (2) ФГУП НИИПП
ВВЕДЕНИЕ
Расширение областей применения техники миллиметрового диапазона, освоение все более высокочастотных диапазонов и повышение требований к характеристикам источников СВЧ колебаний делают актуальной задачу создания генераторов, обладающих высокой стабильностью частоты. Между тем объективно существует отраслевое разделение между производителями генерирующих элементов (узлов) и потребителями, приспосабливающими их для своих нужд собственными средствами. Представляемая работа, объединяющая усилия коллективов разработчиков электронных компонентов и схемо/системотехников, направлена на построение ряда базовых схемных и конструктивных решений, обеспечивающих выполнение требований к источникам СВЧ колебаний миллиметрового диапазона при изготовлении их в едином производственном цикле. Это позволит в значительной мере удовлетворять спрос на диодные СВЧ генераторы, расширить их применение в радиотехнике, метрологии и т. п. Ниже отражены результаты совместных работ СФТИ при ТГУ и ФГУП НИИПП (Томск), проводившихся в 19992000 гг. Полученный опыт привел в выводу о целесообразности долговременного сотрудничества в разработке схемных и конструктивных решений, обеспечивающих изготовление в едином производственном цикле высокостабильных генераторов различного назначения, отвечающих современным требованиям.
Несмотря на конкуренцию со стороны транзисторных устройств, генераторы мм диапазона на диодах Ганна, обладая не меньшим КПД, остаются непревзойденными по чистоте спектра, что обеспечивает потребность в них в обозримом будущем. Окончательная цель исследования - широкое внедрение разработанных схемных решений в тех областях, где требуются высокостабильные генераторы СВЧ диапазона.
В настоящее время в НИИПП освоено изготовление СВЧ узлов, к которым относятся генераторы гармоник, умножители частоты и смесители, выполненные по интегральной технологии с подвешенными планарными схемами, обладающими высокой добротностью. В генераторах в настоящее время используются корпусные диоды. Перспектива перехода к бескорпусным структурам связана с решением проблемы теплоотвода.
Арматура СВЧ узлов изготавливается высококвалифицированным персоналом на опытном производстве НИИПП.
ИСХОДНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ
Получение колебаний со стабильной частотой и чистым спектром так или иначе предполагает частотно-фазовую привязку перестраиваемого генератора к колебаниям опорного генератора на основе высокодобротного резонатора или квантового перехода.
Теория фазовой автоподстройки достаточно полно отражена в зарубежной и отечественной литературе /1,2/, однако, ввиду того, что технические требования к узлам РЭА со временем усложняются, в каждом конкретном случае решение инженерных вопросов создания системы ФАП требует индивидуального подхода.
Главные параметры схемы ФАП определяются крутизной перестройки управляемого генератора, чувствительностью фазового детектора и частотной характеристикой петлевого фильтра. Классическая структура петлевого фильтра содержит пропорционально-интегрирующее звено 1 порядка типа R-RC. Известна также дуальная схема «charge-pump» типа RC-C /3/, удобная тем, что емкость варикапа, управляющего частотой, является элементом цепи и не нарушает ее структуру.
Качество схемы ФАП оценивается по спектру фазовых шумов, измеряемому в децибелах относительно несущей в полосе 1 Гц (дБн/Гц). На характеристиках схемы сказывается соотношение частот опорного и управляемого генератора, уровни шумов в отдельных узлах и в самих генераторах. К характерным чертам схем миллиметрового диапазона (и к ожидаемым трудностям) априорно следует отнести: большую крутизну перестройки, широкий спектр шумов, высокую кратность умножения опорного сигнала.
ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА ИССЛЕДОВАНИЯ
Основные особенности работы схем фазовой привязки миллиметрового диапазона исследованы в ходе разработки, изготовления и исследования характеристик блока СВЧ генераторов, предназначенного для частотно-фазовой привязки лазера на молекулах HCN к колебаниям водородного стандарта частоты. Указанная разработка в 1999 г. финансировалась Институтом метрологии времени и пространства ГП ВНИИФТРИ. В 2000 г. доработка структуры и отдельных узлов блока вместе с дальнейшим исследованием и улучшением характеристик проводились в рамках проекта 15.01.39 МО РФ.
Стабилизированный лазер служит первым звеном (радиомостом) лазерной умножитель-ной цепи, имеющей в конечном счете выход в оптический диапазон /4/. Существовавший ранее
парк клистронных генераторов, обеспечивавших нужные частоты СВЧ диапазона, морально устарел и в настоящее время заменяется полупроводниковыми генераторами.
В разработанном блоке осуществляется ступенчатая частотно-фазовая привязка каскада СВЧ генераторов к колебаниям ИСК-лазера (диапазон 890 ГГц) по стандартной схеме частото-образования. Блок содержит перестраиваемые по частоте генераторы диапазонов 74 ГГц и 8,2 ГГц снабженные выделителями сигналов биений, генератор опорных частот 250 МГц, 30 МГц, 5 МГц и 2,5 МГц, привязанный к эталонному сигналу квантового стандарта 5 МГц, и три схемы частотно-фазовой автоподстройки.
Источниками СВЧ колебаний явялются диодные генераторы. Частота 74,2 ГГц получается удвоением частоты генератора диапазона 37,1 Ггц. Это решение обосновано тем, что для применяемых арсенид-галлиевых диодов получение частот выше 50 ГГц так или иначе связано с умножением, то есть генерацией гармоник. Энергетически же выгоднее умножать частоту не на самой нелинейной проводимости генерирующего диода, а на отдельном варикапе. Стремление добиться наибольшей мощности в диапазоне 74 ГГц обусловлено необходимостью получения достаточного превышения над шумами сигнала биений 1 2-й гармоники с колебаниями лазера. Мощность СВЧ генераторов распределяется в три канала: контроля, смешения с гармоникой более низкочастотного сигнала и гармонического смешения с более высокочастотным сигналом.
Схема частотообразования выглядит следующим образом. Сигнал биений излучения лазера на частоте 890760 МГц с 12-й гармоникой генератора 74232,5 МГц, выделяемый на полупроводниковом детекторе, поступает на вход первой схемы частотно-фазовой автоподстройки ФАП-1, где сравнивается с опорным сигналом 30 МГц. Сигнал частотно-фазовой расстройки с выхода ФАП-1 управляет частотой генератора 74232,5 МГц, синхронизуя его с ИСК-лазером.
Ответвленный сигнал частоты 74232,5 МГц смешивается с 9-й гармоникой генератора 8247,5 МГц и порождает сигнал биений с номинальной частотой 5 МГц, поступающий на вход схемы ФАП-2, где сравнивается опорным сигналом. Сигнал частотно-фазовой расстройки с выхода ФАП-2 управляет частотой генератора 8247,5 МГц, синхронизуя его с генератором 74232,5 МГц.
Ответвленный сигнал частоты 8247,5 ГГц смешивается с 33-й гармоникой опорной частоты 250 МГц и порождает сигнал биений с номинальной частотой 2,5 МГц, поступающий на вход схемы ФАП-3. Сигнал с выхода этой схемы используется для управления частотой ИСК-лазера, синхронизуя его с колебаниями эталонного генератора.
ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ОСНОВНЫХ УЗЛОВ БЛОКА
Конструктивно прибор состоит из базового блока и выносного СВЧ блока. Базовый блок в стандартном корпусе "Надел" содержит источник питания, синтезатор опорных частот, генератор 8,2 ГГц с гармоническим смесителем и три узла ФАП. Выносной СВЧ блок содержит генератор 74,2 ГГц и гармонический смеситель.
Блок питания содержит источники стабилизированных напряжений плюс 1 5 В, плюс 9 В и минус 15 В. Отдельные узлы прибора снабжены вторичными линейными стабилизаторами.
Синтезатор опорных частот содержит кварцованный генератор частоты 5 Мгц, обеспечивающий автономную работу блока. При разрыве обратной связи генератор играет роль усилителя-ограничителя внешнего эталонного сигнала. Колебания частоты 5 МГц поступают на делитель частоты на 2; полученные колебания частоты 2,5 МГц используются как опорные для схемы ФАП-3. Колебания частоты 5 МГц с развязанных выходов используются как опорные для схемы частотно-фазовой автоподстройки ФАП-2 и для формирователя частоты 30 МГц. Генератор 250 МГц смонтирован в экранированном корпусе. Он содержит задающий перестраиваемый генератор и усилитель мощности. Основная мощность сигнала поступает на гармонический смеситель, а ответвленный сигнал поступает на плату синтезатора, где делится по частоте на 100 и сравнивается по частоте и фазе с опорным сигналом 2,5 МГц. Сигнал сравнения подается на управляющий вход задающего генератора 250 МГц. Генератор частоты 30 МГц смонтирован в одном корпусе с цепями фазовой привязки к частоте 5 МГц, выполненными на основе схемы выборки и хранения с усилителем на полевом транзисторе..
Схема ФАП-1 выполнена на основе векторного фазового детектора с квадратурным каналом для идентификации верхней или нижней частоты захвата. Канал фазовой привязки ФАП-1 снабжен предусилителем с регулировкой коэффициента передачи от 10 до 60 дБ. Схемы частотно-фазовой автоподстройки ФАП-2,3 имеют приблизительно одинаковую структуру. Каждая из них содержит следующие цепи: усилитель опорного сигнала, входной усилитель сигнала биений, компаратор, обостритель фронта, импульсный частотно-фазовый детектор (ЧФД) с активным фильтром на основе операционного усилителя (ОУ), схема поиска, схема блокирования при больших расстройках. Амплитуда сигнала биений должна быть не менее 15 мВ. Каждая схема имеет регулировки коэффициента передачи ФД и коэффициента демпфирования.
Поскольку СВЧ генераторы перестраиваются в относительно широком диапазоне, имеющем порядок сотен МГц (меньший диапазон перестройки создает проблемы с температурной нестабильностью), схемы ЧФД дополняются схемой поиска на основе триггера /5/. При большой величине сигнала ошибки на выходе фильтра триггер переключается, и ко входу ОУ прикладывается напряжение, противоположное по знаку входному сигналу ЧФД. В результате формируется линейно меняющееся напряжение, обеспечивающее попадание в область захвата петли ФАП. Если захвата не происходит, поиск повторяется циклически.
Пределом диапазона частот биений, в котором возможен поиск, является максимальная частота срабатывания ИМС. При достижении предела возможен ложный захват. Для дальней-
шего расширения указанного диапазона применена схема блокирования входа ОУ при больших расстройках. Она содержит фильтр нижних частот, детектор и триггер Шмитта. Пока частота биений укладывается в полосу пропускания ФНЧ и на выходе детектора имеется напряжение, достаточное для удержания триггера в состоянии "нуля", схема не влияет на работу петли ФАП. При частоте биений, превышающей частоту среза ФНЧ, напряжение на выходе детектора пропадает, триггер переходит в состояние "единицы" и искусственно удерживает ОУ фильтра в состоянии, исключающем ложный захват.
Выходное напряжение схемы ФАП может быть инвертировано в зависимости от полярности включения варикапа и от того, как соотносятся номинальная частота перестраиваемого генератора и гармоника частоты привязки.
Для обеспечения возможности ручной настройки и поиска зоны привязки выходное напряжение схемы суммируется с постоянным напряжением, поступающим со среднего вывода регулирующего потенциометра.
Контроль захвата производится при помощи светодиодных индикаторов. В схеме ФАП-1 индикатором правильного захвата служит наличие напряжения определенного знака на выходе квадратурного канала. В схеме ФАП-2 усиленные биения частоты 5 МГц выделяются колебательным контуром и детектируются непосредственно на светодиоде. В схеме ФАП-3 контролируется близость к нулю разности напряжений на входах операционного усилителя активного фильтра.
Регулировки напряжений ФАП-1 и ФАП-2 вынесены на лицевую панель блока.
Сетевой источник питания выполнен по типовой схеме трансформаторного выпрямителя с линейными стабилизаторами +15, +9 и -15 В.
Вторичные стабилизаторы обеспечивают минимизацию пульсаций питающих напряжений и взаимного влияния узлов друг на друга. Каждый узел прибора снабжен вторичными стабилизаторами. Положительные напряжения +5 и +12 В стабилизируются микросхемами К142ЕН5А и К142ЕН8Б соответственно. Отрицательные напряжения, несмотря на наличие в ассортименте ИМС стабилизаторов отрицательного напряжения, формируются с помощью схем на дискретных элементах, т.к. практика показала наличие у ИМС недопустимых собственных шумов. Особенно критичен по шумам источник питания минус 12 вольт, обеспечивающий регулируемые опорные напряжения, подводимые к варикапам. Величина шумов этого источника, измеренная милливольтметром В3-38, составила не более 50 мкВ.
Соединение блоков прибора производится кабелями по следующим цепям: сигнал 8,2 ГГц, ПЧ 5 МГц, управление частотой 74,2 ГГц, питание генератора 74,2 ГГц. Базовый блок имеет также разъемы с адресацией: вход ПЧ 30 МГц на лицевой панели, вход опорного сигнала частоты 5 МГц и выход сигнала ошибки для управления ОКГ - на задней панели. На базовом блоке имеется волноводный выход для контроля сигнала частоты 8,2 ГГц. На выносном блоке имеется волноводный выход для контроля сигнала частоты 37,1 ГГц и основной выход с мощностью порядка 35 мвт на частоте 74,2 ГГц.
Основание выносного блока снабжено резьбовыми отверстиями под опорную стойку для установки блока на оптической системе в двух перпендикулярных положениях с возможностью поворота на оптимальный угол по отношению к смесителю субмиллиметровых волн. Для фокусировки излучения частоты 74,2 ГГц имеется волноводный рупор с диэлектрической линзой; формируемая каустика имеет минимальное сечение на расстоянии 25-30 мм от раскрыва рупора. В сравнении с применявшимся ранее волноводом, оканчивающимся открытым концом, это повышает удобство подведения СВЧ энергии к детектору одновременно с фокусировкой на него излучения лазера.
При работе с прибором приведение частот генерации в область захвата и контроль захвата производятся регулировкой управляющих напряжений с наблюдением спектральных линий на анализаторе спектра. Одновременно, используя тройниковые ответвления, можно наблюдать динамику управляющих напряжений на соответствующих выходах прибора и картину биений ПЧ на входных разъемах. Наличие захвата определяется по стабилизации спектральных линий, управляющих напряжений и картины ПЧ биений. При отсутствии захвата схема ФАП производит линейное качание частоты. После того, как оператор освоит процедуры настройки, наблюдение захвата становится достаточным по светодиодным индикаторам.
Отдельные схемы базового блока соединяются по сигнальным цепям легкосъемными кабельными перемычками. Это позволяет реализовывать различные конфигурации частотно-фазовой привязки как по направлению, так и по количеству охватываемых генераторов с тем, чтобы всесторонне контролировать качество функционирования схем блока. Прибор рассчитан на длительную постоянную работу при условии размещения в естественно вентилируемом пространстве. В настоящее время проводятся работы по включению прибора в замкнутую цепь стабилизации частоты НСК-лазера.
ЭКСПЕРИМЕНАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
При отладке схем прибора достигнуты величины полосы захвата ФАП порядка нескольких единиц МГц без поиска и нескольких десятков МГц с поиском.
Уровень фазовых шумов, наблюдаемый в цепях ПЧ, составляет порядка -80 дБн/Гц. Из линеаризованной теории ФАП следует, что наблюдаемые шумы обусловлены внутренними шумами элементов и узлов схемы, а огибающая их спектра соответствует форме частотной характеристики замкнутой петли. Полоса петли варьировалась от 50 до 600 КГц, при этом наблюдалось монотонное снижение уровня шумового пьедестала. Дальнейшее расширение полосы ограничивали два фактора: инерционность цепей смещения варикапа и инерционность операционного усилителя, использованного в активном фильтре. Пассивный фильтр был испытан, но
не использовался главным образом из-за того, что он не устраняет статическую фазовую ошибку, влияющую на качество стандарта частоты.
При сравнении характеристик, получаемых при использовании цифровых и аналоговых фазовых детекторов, активных и пассивных фильтров петли, в пределах чувствительности применяемой радиоизмерительной аппаратуры не выявлено явных преимуществ той или иной схемы по ключевому параметру - чистоте спектра. Обращено внимание на относительно широкий спектр фазовых флуктуаций ГДГ, требующий, соответственно, более широкополосного фильтра. Если в системах дециметрового диапазона достаточной является ширина полосы петли ФАП порядка 100 КГц, то в системах мм диапазона при ее расширении до 0,5-1,0 МГц прослеживается монотонное уменьшение уровня шумового пьедестала. При этом необходимо следить, чтобы схема подачи смещения на варикап не ограничивала полосу петли. В противном случае эквивалентная схема петлевого фильтра вырождается в интегрирующее звено, и кольцо ФАП теряет устойчивость. В связи с этим отмечена необходимость доработки традиционно установившихся конструкций и параметров цепей подачи управляющего напряжения на варикап в диодных автогенераторах. Как правило, в них варикап защищен от накопления статического заряда и от прямых токов RC-цепями. Доработка включает не только устранение этих цепей, но и принятие альтернативных мер по защите варикапа от пробоя и выгорания.
Чтобы оценить полученные результаты, проведем сравнение измеренных фазовых шумов, в первую очередь по флуктуационным характеристикам, с характеристиками СВЧ генераторов, рекламируемых в Microwave Journal (1997-2000 гг). Для генератора диапазона 15 ГГц уровень фазовых шумов в плоской части огибающей спектра составляет около -105 дБн/Гц, а для рубидиевого стандарта частоты 10 МГц - -150 дБн/Гц. Экстраполяция этих данных в область 70-100 ГГц дает оценку фазовых шумов от -70 до -90 дБн/Гц. Таким образом, полученные предварительные результаты (-80 дБн/Гц) соответствуют среднемировому уровню.
Из вышеприведенных примеров видно, насколько высокая кратность гармоник опорного генератора обостряет проблему умножения шумов задающих и вторичных опорных генераторов. Это обстоятельство вынуждает вместо прямого синтеза применять сложные каскадные схемы.
В настоящее время одним из приемов получения спектрально чистых колебаний в см диапазоне является привязка автогенератора, затянутого высокодобротным резонатором, к гармонике опорного высокостабильного колебания посредством медленно действующей цепи ФАП /6/. Генератор см диапазона, в свою очередь, может служить опорным для привязки генератора мм диапазона, обеспечивая последнему необходимую степень спектральной чистоты. Эксперименты в этом направлении проведены с использованием гибридно-интегрального
транзисторного генератора с резонатором из термостабильной керамики ТБНС. Установлено, что спектр колебаний мм генератора «очищается» от ширины линии порядка 50 КГц до ширины менее 5 КГц по уровню 10 дБ. Для получения более достоверной информации планируется организация измерений с помощью виртуального анализатора на базе персонального компьютера.
Располагая высокостабильным генератором фиксированной частоты мм диапазона, можно далее осуществлять синтез заданных частот путем дальнейшей частотно-фазовой привязки или же посредством смешивания полученных колебаний с сигналом более низкочастотного синтезатора. В настоящее время имеются предпосылки для построения такой системы, причем в ней потери смесителя компенсируются диодным регенеративным усилителем, для которого получена предварительная оценка коэффициента шума порядка нескольких единиц.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Результатом исследований по созданию высокостабильных диодных генераторов мм диапазона стала выработка схемных и конструктивных принципов их построения. Сделаны оценки достижимых параметров, которые находятся на уровне мировых аналогов.
ЛИТЕРАТУРА
1. F.M.Gardner, Phaselock Techniques, Second Edition, John Wiley and Sons, New York, 1966.
2. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. М.: «Связь», 1 972.
3. F..M. Gardner, «Charge-pump, Phase-lock Loops», IEEE transactions on Communication, Vol. COM-28, November 1980, pp. 1849-1858.
4. Ю.С. Домнин, А.Н. Малимон, В.М. Татаренков, П.С. Шумяцкий. «Радиооптический частотный мост единого эталона времени, частоты и длины», Измерительная техника, № 6, 1986.
5. Avi Brilliant, Основные вопросы проектирования генераторов на ДР с фазовой автоподстройкой частоты. Microwave Journal, Vol. 42, NO 9, September, 1999.
6. В.Т. Комаров. Проектирование формирователей частоты Ku-диапазона спутниковой системы связи. Третья МНТК «Электроника и информатика - XXI век»: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2000, с. 408.
