Стабильный малошумящий кварцевый генератор для СВЧ и трансвертеров

Стабильный малошумящий кварцевый генератор для СВЧ и трансвертеров
Джон Стефенсен (KD6OZH)

D связи с использованием радиолюбителями узкополосных видов модуляции CW, SSB, NBFM вплоть до 411 ГГц, особо актуально обеспечение высокой стабильности частоты гетеродинов в СВЧ трансвертерах. Менее известной проблемой является фазовый шум, и большинство радиолюбительских конструкций гетеродинов обладают чрезмерным уровнем шума, что снижает динамический диапазон трансвертеров. Эти проблемы раскрыты, а способы их решения предложены в 5 основных разделах статьи. В разделе, объясняющем проблему фазового шума, отмечается, что задающие генераторы трансвертерных гетеродинов миллиметровых волн обычно работают на частотах около 100 МГц и уровень их фазового шума весьма критичный параметр, т.к. ступень дальнейшего удвоения увеличивает уровень шума в сигнале на 6 дБ. Так, например, последовательное удвоение кварцованной частоты 100 МГцдо 10 ГГц увеличит шум на выходе почти на 40 дБ, а до 250 ГГц - на 68 дБ и более. Распространенные схемы кварцевых генераторов обеспечивают уровень фазовых шумов не хуже -155 дБ/Гц относительно уровня несущей (по мощности). Умножение до 245 ГГц ухудшит этот параметр в выходном сигнале до -87 дБ/Гц. При использовании NBFM, например, уровень шума в полосе 16 кГц будет составлять (-87+42) дБ, т.е. только на 45 дБ ниже несущей. При этом динамический диапазон приемника составит всего 45 дБ, а в режиме передачи излучаемый широкополосный шум будет на 45 дБ меньше уровня основного сигнала. В разделе «Улучшение стабильности» показано, что кварцевые резонаторы имеют температурную нестабильность ±10 ppm (10^-5) от 0°С до +70°С. Это соответствует ±100 кГц на 10 ГГц, при умножении 100-мегагерцового сигнала. Температурной компенсацией можно добиться нестабильности не хуже 0,3 ppm (3*10^-7) или ±3 кГц на 10 ГГц, или ±7 кГц на 24 ГГц, или ±75 кГц на 250 ГГц. Обеспечить «каменную» нестабильность гетеродина поможет система ФАПЧ с опорным генератором, соответствующим рубидиевому частотному стандарту. Такие генераторы применялись в устаревших радионавигационных приборах и их можно найти в американских магазинах неликвидов. Они имеют температурную нестабильность ±10-9 или 0,001 ppm и позволили автору добиться долговременной нестабильности ±250 Гц после умножения на любительском диапазоне 241...250 ГГц. В разделе «Уменьшение фазового шума» на примере схемы традиционного кварцевого генератора Батлера на биполярном транзисторе показано (рис.1), что уровень шума в выходном сигнале определяет в основном шум входа транзистора, к которому подводится сигнал с кварцевого резонатора и заметно снижается после увеличения сопротивления этого входа.

Puc.1
Для схемы на рис.45 уровень шума -155 дБ/Гц, а после замены биполярного 2N5179 на полевой транзистор J310 с общим затвором, автор получил уровень фазового шума -172 дБ/ Гц. В разделе «Схема ГУН» представлена схема генератора управляемого напряжением (рис.2) - основного узла малошумящего кварцевого генератора с ФАПЧ (low-noise phase-locked crystal oscillator - LNPLXO) разработанного автором.

Puc.2 Усилительный каскад с общим затвором на Q1 обеспечивает высокий импеданс входа для сигнала с кварцевого резонатора Y1, а эмиттерный повторитель Q2 - низкое выходное сопротивление ГУН и, соответственно, малое сопротивление цепи возбуждения резонатора. Y1 возбуждается на пятой гармонике последовательного резонанса, имеет АТ-срез и С0=30 пф, R0<60 Ом. Контур L1C1C2 выделяет необходимую гармонику. R14 шунтирует его для улучшения линейности и устанавливает необходимый коэффициент передачи цепи ПОС генератора. Цепь D2C9R2R3 ограничивает амплитуду неискаженного выходного сигнала. В точке соединения R2R3 установлено 1,6 В. Когда пиковое значение ВЧ сигнала на стоке Q1 достигнет -2 В, D2 откроется и ограничит дальнейший рост амплитуды выходного сигнала без изменения рабочей точки Q1, что положительно сказывается на линейности и шумовых характеристиках генератора. С помощью R2 можно подобрать уровень выходного сигнала так, чтобы на Y1 рассеивалось не более 1 мВт. Для обеспечения минимального влияния нагрузки на ГУН, выходной сигнал снимается с коллектора Q2 с помощью трансформатора Т1 9:1. Система ФАПЧ для LNPLXO (рис.3) выполнена по стандартной схеме.
Puc.3
Ее основа U1 (МС145158), включающая делитель частоты R сигнала высокостабильного рубидиевого опорного генератора(вход 1/U1); ДПКД для, предварительно поделенной микросхемой U2 на 20/21 (МС12019) или 32/33 (МС12015), частоты ГУН (вход 8/U1); фазовый детектор - выход 5/U1. Сигнал с фазового детектора подается на ФНЧ R19C13, параметры которого не совсем соответствуют рекомендациям фирмы Motorola и были подобраны экспериментально с учетом высокой добротности кварца в ГУН (рис.46). Работой системы ФАПЧ управляет микроконтроллер PIC16F83 (U4), управляющую программу для которого (файл STEP1199.ZIP) можно взять на http:// www.arrl.org/files/qex/. Для трансвертера на 24,192 ГГц автор использует смеситель на встречно-параллельных диодах, при этом гетродин должен работать на вдвое меньшей частоте, равной 11,448 ГГц при ПЧ 1296 МГц. Чтобы из сигнала LNPLXO (рис.46, 47) частотой 95,4 МГц получить 11,448 ГГц, необходим умножитель на 120. Это решено последовательным умножением на 2, 3,4 и 5.

"QEX", 11-12/2000, c.11-17.