АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ СИНТЕЗАТОР ЧАСТОТЫ ДЛЯ КВАЗИОПТИЧЕСКОГО ЭПР-СПЕКТРОМЕТРА МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

March 1, 2013 by admin Комментировать »

Варавин А. В., Ермак Г. П., Недух С. В., Познахирев П. И., Тарапов С. И., Ходзицкий М. К. Институт радиофизики и электроники Национальной Академии Наук Украины ул. Ак. Проскуры 12, г. Харьков, 61085, Украина e-mail: khodzitsl<iy@ire.kharkov.иа

Аннотация – Приведены результаты разработки синтезатора частоты для ЭПР-спектрометра миллиметрового диапазона. Перестройка частоты выходного сигнала осуществляется опорным цифровым синтезатором, управляемым компьютером или блоком дистанционного управления. Длительная относительная нестабильность генерируемой частоты не хуже 2-10 “ , минимальный шаг перестройки 10Гц. Высокие эксплуатационные параметры устройства проиллюстрированы в ходе регистрации магниторезонансного отклика контрольного образца.

I.                                       Введение

Одним из наиболее информативных методов, активно применяющихся в исследованиях твердого тела, является метод Электронного Парамагнитного Резонанса (ЭПР). Этот метод [1] позволяет весьма точно измерять энергию переходов между спиновыми подуровнями магнетика ΔΕ^, помещенного в постоянное магнитное поле и облученного СВЧ волной. Процесс описывается формулой

)

где – разность энергий двух спиновых подуровней (т) и (п), между которыми происходит ЭПР- переход, – соответствующая резонансная частота СВЧ-волны, – значение статического магнитного

поля при котором наблюдается спиновый магнитный резонанс, g – фактор спектроскопического расщепления, β – магнетон Бора, h – постоянная Планка.

Однако, по мере перехода в высокочастотную часть миллиметрового диапазона, проявляется ряд факторов, ухудшающих разрешающую способность метода. Одним из таких факторов, является нестабильность частоты δω источника СВЧ излучения.

Как видно из (1), нестабильность частоты δω вызывает неоднородное уширение регистрируемой линии ЭПР порядка: 8Н « (///gp)8ro , достигающее заметных величин. Кроме того, при использовании в спектрометре ЭПР высокодобротных (Q« Ю^-Ю"*) квазиоптических резонаторов [2, 3] нестабильность частоты приводит к паразитной амплитудной модуляции информационного сигнала. Поэтому, актуальной является задача создания генератора, обеспечивающего максимально возможные точность установки и долговременную стабильность частоты.

Известно, что наиболее эффективно эта задача может быть решена путем создания источника син- тезаторного типа, частота которого синхронизируется кварцевым стандартом частоты.

II.                               Основная часть

в миллиметровом диапазоне в качестве источников сигналов наиболее широко используются генераторы на диодах Ганна или Лавинно-пролетных диодах (ЛПД), частота которых перестраивается с помощью «ЖИГ» сфер или варакторных диодов. Из-за отсутствия диодов Ганна с необходимыми уровнями мощности на частотах выше 50 ГГц и недостаточно хорошими шумовыми характеристиками ЛПД, в качестве источника сигнала был выбран генератор, построенный на основе активных ЛПД – умножителей высокой кратности. Такие умножители позволяют осуществлять перенос спектров высокостабильных задающих генераторов сантиметрового диапазона в любой участок мм диапазона с выходной мощностью 100^0 мВт в диапазоне 30-140 ГГц. В отличие от пассивных умножителей, например умножителей, выполненных на основе диодов Шоттки, фазовые шумы которых увеличиваются как Л/^, где N номер гармоники умножения, шумы активных ЛПД – умножителей растут медленнее, что позволяет создавать на их основе источники с хорошими спектральными характеристиками [4]. Эти характеристики ЛПД- умножителей стали определяющими при выборе выходного каскада источника ЭПР спектрометра.

Схема синтезатора состоит из двух основных узлов: синтезатора частоты, работающего в диапазоне 7,0-7,3 ГГц и блока умножения частоты, выполненного на основе ЛПД-умножителя, настроенного на 10-ю гармонику сигнала синтезатора. В качестве задающего генератора 7,0-7,ЗГГц использовался высокостабильный электрически перестраиваемый транзисторный генератор, стабилизированный диэлектрическим резонатором.

Частота задающего генератора стабилизируется первой петлей ФАПЧ-1. Опорным и управляющим сигналом для ФАПЧ-1 служит сигнал цифрового синтезатора частоты поступающий на вход системы ФАПЧ-1 через фильтр нижних частот и буферный усилитель. Перестройка частоты на выходе цифрового синтезатора приводит к изменению частоты задающего генератора в полосе 7,0-7,ЗГГц. Управление выходной частотой цифрового синтезатора и режимами работы систем ФАПЧ осуществляет микроконтроллер. В его функции входит также поддержание связи с пультом дистанционного управления и компьютером. Опорным сигналом для системы прямого цифрового синтеза служит тактовый сигнал с частотой 200 МГц, вырабатываемый генератором, стабилизированным системой ФАПЧ-2. Опорным для этой системы стабилизации является сигнал, поступающий от стандарта частоты 5 МГц.

Команда на установку частоты поступает от компьютера или с пульта дистанционного управления через инфракрасный канал связи на ИК – приемник, а затем на микроконтроллер, где декодируется. Выходной сигнал задающего генератора усиливается и поступает на ЛПД – умножитель, где происходит его умножение на 10. В результате на выходе системы синтеза частоты получается сигнал, перестраиваемый в полосе частот 70-73 ГГц. Длительная относительная нестабильность частоты составляет 2-10“^°, минимальный шаг перестройки 10 Гц, выходная мощность 30 мВт.

Для дистанционного управления частотой синтезатора разработан пульт управления. Он содержит кпавиатуру управления, ЖК индикатор устанавливаемой частоты, ИК порт связи с микроконтроллером синтезатора и «СОМ» порт связи с компьютером.

Рис. 1. ЭПР-отклик от образца Fe + на центральной частоте 70 ГГц при различных величинах отстройки частоты (δω) генератора от частоты резонатора.

Fig. 1. ESR-response from the sample Fe^* at the central frequency 70 GHz for various values of frequency tune-out of the generator ("δω; from resonator frequency

III.                                   Заключение

Тестовые испытания синтезатора проведены в составе ЭПР спектрометра «КВАРК» [3]. Спектры магниторезонансного перехода в контрольном образце Ре®·" помещенном в высокодобротный квазиоптический резонатор (экспериментальную ячейку) приведены на Рис.1. Линии ЭПР записаны с помощью специального программно-аппаратного комплекса [5] для различных значений отстройки частоты генератора от частоты резонатора.

Как видно из рисунка, величина отношения сигнал/шум в зарегистрированных ЭПР – откпиках не изменяется по мере отстройки от центральной частоты ОР. Это является прямым экспериментальным подтверждением высокой амплитудной и частотной стабильности разработанного генератора.

IV.                            Список литературы

[1]  с. Kittel, Introduction to Solid State Physics, Wiley & Sons, N.Y, 1994, 646 p.

[2]  S. Tarapov, Basic of High-Frequency Electron Spin Resonance Experiment at Very Low Temperatures, Publ. Center of GIT, ISBN 975-8316-07-9, Gebze, Turkey, 2000, 93p..

[3]  ν’. N. Derkach, S. V. Nedukh, A. G. Ravlik, I. G. Shipkova,

S. T. Roschenko, S. I. Tarapov, High Frequency Properties of Co/Cu Multilayer Structures In Millimeter Wavelengths Band., Radlophyslcs and Electronics, 2002, v.7, N1, p.115-118.

[4]  Ермак Γ. П., Алексеев Ε. А., Варавин А. В., Фазовая синхронизация источников 2-х мм диапазона, выполненных на основе ЛПД-умножителей высокой кратности // В1сник ХНУ 1м. В. Н. Караз1на, № 570.-Рад1оф1зика та електрон1- ка.-Харк1в., вип. 2, 2002, С.163-166.

[5] ХодзицкиО М. К., Гирич А. А. Программно-аппаратный комплекс для ЭПР-измерений, Материалы 10-го молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке», 2006.

COMPUTER-AIDED FREQUENCY SYNTHESIZER FOR MILLIMETER BAND QUASI-OPTICAL ESR-SPECTROMETER

A. V. Varavin, G. P. Ermak^, S. V. Nedukh,

P. I. Poznahirev, S. I. Tarapov, M. K. Khodzitskiy Usikov Institute of Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine 12 Ac. Proskura St., Kharkov, 61085, Ukraine e-maii: khodzitskiy@ire.kharkov. ua

Abstract – Described in this paper are the results of design of computer-aided frequency synthesizer for millimeter band quasi-optical ESR spectrometer. Adjusting of the output signal frequency is realized using reference digital synthesizer, which is controlled by computer or remote-control unit. The long-time frequency instability is not worse than 2*10’^°; the minimal frequency step is 10 Hz. The operating characteristics of the synthesizer are demonstrated at the ESR-spectroscopic test measurements.

I.                                         Introduction

Method of Electron Spin Resonance (ESR) is one of the most informative methods for study of the solid state. However, the frequency instability of the generator manifests as the negative effect in extra-high-frequency range. The frequency instability causes non-uniform broadening of the registered ESR-line. This results in the parasitic amplitude modulation of the information signal. Therefore, the problem of design of generator, providing very high accuracy and long-term stability of frequency control is actual. This task can be solved by design of synthesizer-type source whose frequency is synchronized by quartz frequency standard.

II.                                        Main Part

The 70-73 GHz frequency synthesizer consists of two main parts: 7,0-7,3 GHz frequency synthesizer and multiplier unit. The first one is based on IMPATT-diode, which is tuned on the 10-th harmonic of input signal. The reference 7,0-7,3 GHz transistor voltage controlled oscillator (VCO) is stabilized by dielectric resonator. Frequency of the reference VCO is locked by the first phase lock loop (PLL) system. The signal from direct digital synthesizer (DDS) is used as a reference one for the first PLL. The frequency of the DDS and PLL systems are controlled by microcontroller.

The output signal of VCO is amplified and multiplied 10 times by IMPATT-diode multiplier. As a result the output frequency is tuned in the 70-73 GHz band.

III.                                       Conclusion

Test measurements of the synthesizer have been carried out in ESR-spectrometer «QUARK». Spectra of the magnetore- sonance transition in the reference sample Fe^* placed in high- Q quasioptical resonator are presented in Fig.1. ESR-lines have been registered by hardware-software complex for various values of generator frequency tune-out from resonator frequency. Noise-to-signal ratio in the registered ESR-responses didn’t change significantly as the frequency has been tuned out from the central resonator frequency.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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