ОДНОПЕТЛЕВОЙ СВЧ-СИНТЕЗАТОР С-ДИАПАЗОНА С МАЛЫМ ШАГОМ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

April 8, 2012 by admin Комментировать »

Бабковский А. П., Селезнев Н. Е. ФГУП НИИ измерительных систем им. Ю. Е. Седакова ГСП-486, Н. Новгород – 603950, Россия тел.: 8312-666202, доб.295, e-mail: babkovsky@niiis.nnov.ru

Аннотация – Представлены результаты работы по проектированию простого СВЧ-синтезатора на С-диапазона на основе однокристальной микросхемы фазовой автоматической подстройки частоты.

I.  Введение

Повышение рабочих частот до миллиметрового диапазона волн в устройствах ближней радиолокации с доплеровской обработкой отраженных сигналов требует значительного повышения стабильности излучаемых колебаний.

Использование схем обработки сигналов на основе измерения доплеровского смещения на промежуточных частотах в дециметровом диапазоне частот для получения максимальной эффективности работы устройства вынуждает использовать когерентные генераторы в тракте передатчика и приемного устройства.

В настоящий момент наиболее оптимальным способом получения когерентных сигналов для таких систем миллиметрового диапазона является использование синтезаторов частоты сантиметрового диапазона частот и последующего их умножения и усиления.

Как правило, такие синтезаторы строятся по многопетлевым схемам с использованием смесителей, делителей и умножителей частоты.

Однако, в последние годы верхняя рабочая частота однокристальных микросхем синтезаторов с фазовой автоматической подстройкой частоты (phase locked loop – PLL) поднялась до середины С- диапазона.

В настоящее время лидерами в производстве однокристальных микросхем PLL синтезаторов на этот диапазон частот являются компании Skyworks и Analog Devices.

На российском рынке электронных компонентов продукцию фирмы Skyworks Inc. представляет компания: ООО «Радиокомп» г. Москва [1].

С 1993 года после подписания прямого лицензионного соглашения с фирмой Analog Devices ЗАО «Аргуссофт Компани» г.Москва [2] регулярно обновляет и предлагает разработчикам полный спектр компонентов и отладочных устройств.

Компания «МЭЙ Электронные компоненты» г. Москва [3] представляет разработчикам подробные материалы по применению микросхем PLL синтезаторов разных производителей.

Повышение верхней рабочей частоты PLL синтезаторов до частот С-диапазона сделало возможным создавать достаточно простые по структуре однопетлевые синтезаторы.

В ряде случаев такой подход к построению задающего генератора (ЗГ) и гетеродинов является более выгодным с точки зрения технических, массо- габаритных и экономических показателей.

Основные параметры некоторых микросхем PLL синтезаторов, работающих в С-диапазоне, приведены в таблице 1.

Табл. 1. Сравнительные характеристики микросхем PLL синтезаторов.

Table 1. Comparison characteristics of PLL synthesizers’ ICs

Тип

микросхемы

PLL

Максимальная рабочая частота, ГГц

Максимальная частота фазового детектора, МГц

Уровень фазовых шумов, дБ/Гц при отстройке 1 кГц

Максимальная входная частота опорного сигнала, МГц

Skyworks

СХ72302

6,1

25

-80

50

Q)

О

g Devices

ADF4107

7

104

-83

250

II.  Основная часть

Функциональная схема ЗГ и гетеродина такого типа на основе однопетлевого синтезатора частоты представлена на рисунке 1.

Рис.1. Структурная схема синтезатора.

Fig. 1 Synthesizer block diagram

где Ref. Gen. – прецизионный малошумящий опорный кварцевый генератор ГК62-ТС, рС – микроконтроллер, PLL IC – микросхема синтезатора, LPF – фильтр нижних частот, Scaling amplifier – масштабирующий операционный усилитель, Dielectric Resonator VCO – генератор управляемый напряжением (ГУН) на основе диэлектрического резонатора, Isolator – СВЧ-вентиль, Directional Coupler – направленный ответвитель.

Учитывая собственный опыт разработки СВЧ- синтезаторов [4, 5,6] и результаты исследования различных микросхем PLL синтезаторов, для разработки ЗГ и гетеродина выбрана микросхема СХ72302 с дробным переменным коэффициентом деления компании Skyworks Inc. [7].

Основные характеристики микросхемы СХ72302:

■      максимальная выходная частота основного канала – 6,1 ГГц;

■    вспомогательного – 1000 МГц;

■    предельная рабочая ИЧФД – 25 МГц;

■      гарантированное время переключения частоты не более 100 мкс;

■    уровень собственных шумов -128 дБ/Гц;

■    шаг перестройки частоты менее 400 Гц.

Применение СХ72302 позволяет при достаточно

высокой рабочей частоте импульсного частотнофазового детектора (ИЧФД) F=16,384 МГц получить шаг перестройки частоты 250 Гц за счет высокой степени дробности (262144). Повышение рабочей частоты ИЧФД приводит к снижению коэффициента умножения частоты петлей ФАПЧ и улучшению шумовых параметров сигнала.

Для снижения уровня шумов в выходном сигнале, используется генератор с высокодобротным диэлектрическим резонатором (ДР). Линейная перестройка частоты в таком генераторе осуществляется с помощью варикапа ЗА627А-6 слабо связанного с ДР. Использование транзистора 2Т963А-2 позволяет получить выходную мощность генератора порядка 50 мВт.

СВЧ-сигнал с выхода ГУНа поступает через вентиль и направленный ответвитель на выход синтезатора частоты (выходная мощность составляет + 15дБм – около 30 мВт). Часть мощности с направленного ответвителя (переходное ослабление 25 дБ) ответвляется на вход микросхемы PLL.

Параметры фильтра нижних частот в цепи обратной связи петли ФАПЧ были рассчитаны по методике компании National Semiconductor. В программе Math- CAD2000 была промоделирована работа петли ФАПЧ и проверена ее устойчивость в рабочем диапазоне частот.

При выходных частотах синтезатора в середине С-диапазона коэффициент умножения частоты петлей ФАПЧ достигает 380 (рабочая частота фазового детектора 16 МГц). Спектральная плотность фазовых шумов опорного кварцевого генератора ГК-62ТС-

0   составляет минус (145 – 155) дБ/Гц. Спектральная плотность фазовых шумов микросхемы PLL составляет 128 дБ/Гц. Поэтому, спектральная плотность фазовых шумов формируемого сигнала определяется микросхемой и составляет

Уф = -128+ 20 log 380 = -77 дБ/Гц.

Управление выходной частотой синтезатора осуществляется с помощью микроконтроллера AT90S8515-8PI Atmel [8]. Для ускорения переходного процесса, переключение частот производится при максимальном токе фазового детектора. После захвата заданной частоты, ток фазового детектора снижается до номинального уровня, что приводит к снижению уровня дискретной составляющей с частотой сравнения фазового детектора в спектре выходного сигнала синтезатора. После переключения синтезатора микроконтроллер переходит в «спящий» режим с выключением своего кварцевого генератора для уменьшения шумов от цифровой части схемы.

Конструктивно синтезатор выполнен в виде набора отдельных узлов, соединенных между собой жесткими коаксиальными кабелями. Для микросхемы PLL и сопутствующей обвязки использована печатная плата из стеклотекстолита марки FR-4 толщиной 0,8 мм. Несмотря на сравнительно высокую рабочую частоту использование подложки из недорогого материала вполне оправдано.

III.  Эксперимент

Были проведены экспериментальные исследования шумовых параметров синтезатора частоты с помощью установки для определения спектральной плотности фазовых шумов НР3048А.

Спектральная плотность фазовых шумов рассматриваемого простого однопетлевого синтезатора частоты при больших отстройках от несущей составляет:

10 кГц                   -92 дБ/Гц;

100 кГц                 -117 дБ/Гц.

Из-за слабой связи варикапа с диэлектрическим резонатором удалось получить достаточно неплохие шумовые параметры синтезатора, однако его полоса перестройки не превышает 50 МГц при изменении управляющего напряжения на варикапе от 1 до 25 В.

Для расширения рабочего диапазона частот синтезатора можно применить управляемый генератор на основе ЖИГ. Но при этом потребуется изменить схему управления частотой.

IV.  Заключение

Применение однокристальной микросхемы с дробным коэффициентом деления в цепи обратной связи петли ФАПЧ позволяет конструировать компактные синтезаторы частоты по однопетлевой схеме с выходными частотами вплоть до верхней рабочей частоты микросхемы PLL при шаге перестройки по частоте в такой однопетлевой системе менее 400 Гц и приемлемом уровне спектральной плотности фазовых шумов.

V.  Список литературы

[1 ] ВЧ и СВЧ Радиокомпоненты зарубежных производителей. Прайс-лист. Выпуск 5. М. 2004г.

[2]    www.argussoft.ru

[3]    «МЭЙ Электронные компоненты» Лето’2004.

ВЧ/СВЧ компоненты, электромеханика, силовые приборы. Электронный каталог 2004 г.

[4]    Бабковский А. П. Опыт проектирования PLL синтезаторов на микросхемах фирм QUALCOMM и Mini- Circuits для блока эталонных сигналов уровнемера миллиметрового диапазона. – В кн. «8-я Международная крымская конференция «СВЧ техника и коммуникационные технологии». Материалы конференции» [Севастополь, 14-17 сент. 1998 г.]. Севастополь: Вебер, 1998, т. 2, стр. 667-668.

[5]    Бабковский А. П., Селезнев Н. Е. Гибридные PLL/DDS синтезаторы частоты. – В кн. «11-я Международная крымская конференция «СВЧ техника и коммуникационные технологии». Материалы конференции» [Севастополь, 10-14 сент. 2001 г.]. Севастополь: Вебер, 2001, стр. 112-114.

[6]    Бабковский А. П., Селезнев Н. Е. Быстродействующий октавный синтезатор СВЧ- диапазона с малым шагом перестройки частоты. – В кн. «13-я Международная крымская конференция «СВЧ техника и коммуникационные технологии». Материалы конференции» [Севастополь, 8-12 сент. 2003 г.]. Севастополь: Вебер, 2003, стр. 136-138.

[7]    www.skyworksinc.com

[8]    www.atmel.com

SINGLE-LOOP SYNTHESIZER FOR C-BAND WITH ULTRA FINE FREQUENCY STEP

Babkovsky A., Seleznev N.

Federal State Owned Unitary Enterprise Measuring Systems Research Institute names after Yu. Ye. Sedakov GSP-486, Nizhny Novgorod – 603950, Russia e-mail: babkovsky@niiis.nnov.ru

Abstract – Considered in this paper are results of C-band simple frequency synthesizer design on the basis of single loop PLL.

I.  Introduction

Rising of operating frequencies of a short range Doppler radar up to MM-band demands a great improvement of transmitted signal stability.

The principle of signal processing is based on the reflected signals Doppler frequency measurement at the intermediate frequency (in UHF range). Thus the transmitter chain exciter and the receiver local oscillator (LO) must be coherent.

At present the most preferred approach in coherent signals generation is the use the C-band frequency synthesizers along with multipliers and amplifiers.

Frequently those synthesizers are designed using multiloop schematic in conjunction with frequency mixers, dividers and multipliers.

During the last years the PLL IC’s upper operating frequency was increased up to C-band. Now the leader manufacturers of the PLL IC’s for this frequency band are Skyworks and Analog Devices. Increase of IC operating frequency allows to design simple C-band single-loop frequency synthesizers.

In some cases this approach may is more preferable.

II.  Main part

The block diagram of the transmitter exciter on the basis of single-loop PLL is shown in Fig.1. Taking into account our skills in synthesizer design, Skyworks CX72302 Fractional-N PLL IC was chosen for the exciter and LO design. For more details visit www.skyworksinc.com website.

Using CX72302 we can get 250Hz frequency step only with phase detector comparison frequency value 16.384MHz due to the high grade fractionality, 218. High phase detector frequency leads to decrease of the main divider value N and noise parameters improvement.

High-Q dielectric resonator oscillator (DRO) is used for obtaining better noise performance out of PLL passband. Linear frequency sweep is carried out using a varicap having weak coupling with DR. The output power of DRO generator is 50 mW.

The signal passes through the isolator and directional coupler to the synthesizer output (output power is +15dBm – approx. 30 mW). A part of the power from the coupled port of the directional coupler is directed to the PLL IC input.

The loop filter components were calculated by the methods proposed by National Semiconductor. Loop stability analysis was evaluated in MathCAD 2000.

The main loop division ratio is increased up to 380 (phase detector frequency 16 MHz) at the frequencies about 6GHz. Phase noise spectral density of the PLL IC is -128 dB/Hz. Thus the phase noise spectral density in the PLL passband is determined by PLL IC noise, although the phase noise of the reference generator is (-145…-155 dB/Hz) and equal to -77dB/Hz.

Control of the synthesizer output frequency is carried out by Atmel AT90S8515-8PI microcontroller. In order to minimize the frequency switching time, the charge pump current is increased to its maximum value. After locking the charge pump current is switched to the nominal value and microcontroller is switched over to the sleep mode along with clock generator turning off. This allows to suppress noise in the output spectrum of the digital circuitry.

III.  Experiment

Noise parameters of the synthesizer output signal were measured by HP3048A test set.

Phase noise floor of the tested single-loop PLL synthesizer within offsets from the carrier is:

Frequency offset            Phase noise floor

10 kHz                             -92 dB/Hz

100 kHz                           -117 dB/Hz

The weak coupling between the varicap and dielectric resonator in the tuned generator provides noise parameters rather good but the synthesized frequency band is too narrow (approximately 50 MHz within varicap tuning range from 1 to 25 volts).

It is possible to use YIG tuned oscillator to extend the synthesized frequency band. But in this case the frequency tuning circuitry must be changed.

IV.  Conclusion

Single chip Fractional-N PLL allows to construct small size single-loop frequency synthesizers for the frequencies up to the maximum operating PLL IC frequency with the frequency step less than 400 Hz and acceptable phase noise level.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты