Косів А. С., Зотов В. А., Скулачов Д. П.

Інститут Космічних Досліджень Російської Академії Наук (ІКД РАН) Профспілкова вул. д.84/32, Москва – 117997, Росія Тел.: +7 (095) 3332267; e-mail: akosov@ieee.org Вальд-Перлов В. М.

ГУП НПП “Пульсар”, ГСП-5, Москва – 105187, Росія Тел.: (095) 3665677

Анотація – Розглянуто формувач частоти діапазону 36-37 ГГц, що використовує малошумливий керований напругою генератор в діапазоні 12-12,5 ГГц і утроітель частоти на монолітною бескорпусной мікросхемі.

I. Вступ

Для сучасних систем зв’язку необхідні опорні генератори з високою стабільністю частоти, малими фазовими шумами і з можливістю перебудови частоти з заданим кроком в певному діапазоні частот. Створення опорних генераторів з необхідними характеристиками в міліметровому діапазоні довжин хвиль є непростим завданням і потребує застосування останніх досягнень напівпровідникової НВЧ електроніки. Для отримання необхідної стабільності частоти і кроку перебудови було створено задає генератор в діапазоні 12-12,5 ГГц, стабілізованої по частоті схемою ФАПЧ. З метою зменшення фазових шумів задає генератора був використаний діелектричний резонатор і малошумливий транзистор фірми SiGe (LPT30), виконаний за технологією HBT на матеріалі SiGe. Схема ФАПЧ виконувалася на синтезатор ADF4113 і управлялася микроконтроллером AT90S2313. Як утроітеля частоти був застосований підсилювач типу АММС5040, виробництва Agilent, що працює в режимі генерації третя гармоніки. В результаті виконаної роботи був створений опорний генератор в діапазоні 36-37,5 ГГц з кроком перебудови 3,5 МГц і рівнем фазового шуму -105 dBc / Hz @ 100 kHz. У доповіді наводяться схема побудови і результати дослідження опорного генератора для систем зв’язку Ка-діапазону.

II. Основна частина

Блок-схема опорного генератора наведена на Рис.1.

Рис. 1. Блок-схема опорного генератора Fig. 1. Reference generator flow chart

Основою опорного генератора є ГУН, виконаний на SiGe HBT типу LPT16ED, який має малий рівень шумового джерела на малих частотах, що дозволяє отримати малий рівень фазового шуму генератора [1]. Опорний генератор будувався за схемою з паралельної зворотним зв’язком через діелектричний резонатор (ДР) [2]. Власна добротність ДР дорівнює близько 104. Управління частотою генератора здійснювалося варакто-ром, який з зв’язувався з полем ДР відрізком микрополосковой лінії [3]. Буферний каскад на мікросхемі NBB-310 збільшував потужність до рівня близько 20 мВт і розв’язував ГУН від навантаження. Діапазон електронної перебудови генератора становив близько 1%.

Основна частина потужності буферного каскаду поступала на утроітель частоти, виконаний на мікросхемі типу АММС5040, виробництва Agilent. При певній величині зміщення дана мікросхема може ефективно генерувати третю гармоніку вхідного сигналу. Рівень вихідної потужності в діапазоні 36-37,5 ГГц становив близько 20 мВт, діапазон перебудови близько 350 МГц. Для перекриття повного діапазону 26-37,5 ГГц потрібно чотири літери.

Частина вихідної потужності буферного каскаду відокремилась на дільник частоти, в якості якого використовувався дільник на 4 типи НММС3104. Поділена частота в діапазоні 3-3,1 ГГц надходила на мікросхему синтезатора частоти ADF4113. В якості опорного джерела синтезатора застосовувався кварцовий генератор на частоті 7 МГц. Коефіцієнт розподілу кварцового генератора встановлювався рівним 24, що визначало крок перебудови частоти рівним 3,5 МГц на вихідний частоті опорного генератора. Синтезатор управлявся микроконтроллером AT90S2313. У момент включення живлення мікроконтролер вводить необхідні дані в синтезатор, які визначають вихідну частоту опорного генератора.

На Рис. 2. представлена ​​фотографія ГУН, на якій можна також побачити буферний каскад і дільник частоти.

Для режекциі другої гармоніки ГУН, що знаходиться в діапазоні 24-25 ГГц, вихідний хвилевід опорного генератора виконувався перетином 5,2 х 2,6 мм, що є позамежним для частоти другої гармоніки.

Рівень фазового шуму становить -105 dBc / Hz @ 100 kHz та -75 dBc / Hz @ 10 kHz. Інтеграл від фазових шумів дає фазову помилку, викликану шумами опорного генератора. Якщо відняти фазові шуми опорного кварцового генератора, то ця величина становить не більше 6 градусів.

Спектр вихідного сигналу опорного генератора на частоті 36120 МГц представлений на Рис. 3.

III. Висновок

Рис. 2. Фотографія ГУН, буферного каскаду і дільника частоти.

Таким чином, розроблений і досліджений опорний генератор діапазону 36-37,5 ГГц з кроком перебудови частоти 3,5 МГц, призначений для систем зв’язку / Са-діапазону. Генератор побудований за схемою синтезатора частоти, і стабільність частоти визначається кварцовим опорним генератором на частоті 7 МГц. Фазова помилка, обумовлена ​​шумами генератора (інтеграл від спектра фазових шумів) становить близько 6 градусів, що дозволяє використовувати даний генератор в системах з багатопозиційної фазовою модуляцією.

Вихідна потужність генератора близько 20 мВт, діапазон 36-37,5 ГГц перекривається чотирма літерами.

IV. Список літератури

[1]  Bart Van Haaren, Myrianne Regis, Olivier Llopis, Laurent Escotte, Andreas Gruhle, Claus Mahner, Robert Plana, and Jacques Graffeuil, “Low-Frequency Noise Properties of SiGe HBT’s and Application to Ultra-Low Phase-Noise Oscillators”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 46,

pp. 647-652, May 1998.

[2]  M. Regis, O. Llopis, and J. Graffeuil, “Nonlinear Modeling and Design of Bipolar Transistors Ultra-Low Phase-Noise Dielectric-Resonator Oscillators”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 46, pp. 1589-1593, Oct 1998.

[3]  Kenneth V. Buer and E1-Badawy El-Sharawy, “A Novel Technique for Tuning Dielectric Resonators”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 43, pp. 36-40, Jan 1995.

MASTER OSCILLATOR FOR KA-BAND COMMUNICATION SYSTEMS

KosovA. S., Zotov V. A., Skulachev D. P.

Fig. 2. VCO, buffer stage and scaler

Space Research Institute Russian Academy of Sciences, IKI, 84/32, Profsouznaya і I., Moscow-117997, Russia phone: (095) 3332267, e-mail: akosov@ieee.org Vald-Perlov V. M.

Рис. 3. Спектр сигналу опорного генератора на частоті 36120 МГц.

Fig. 3. Spectrum of reference generator signal at 36120 MHz

Science & Production Enterprise “Pulsar”

GSP-5, Moscow-105187, Russia, Phone: (095) 3665677

Abstract – Ka-band PLL master oscillator for communication systems was considered. It consists of 12-12.5 GHz frequency synthesizer and multiplier, based on monolithic IC AMMC5040.

I.  Introduction

The modern mm wave length communication systems need high performance, low phase noise master oscillators.

The PLL DR low noise oscillator was developed at frequency band 12-12.5 GHz. High quality (Q~104) DR and SiGe HBT (LPT30) were used to lower the phase noise of the VCO. The PLL circuit was based on ADF4113 synthesizer and AT90S2313 microcontroller. In order to multiply the VCO frequency at 3 IC, AMMC5040 was used. As the result the master oscillator at 36-

37.5   GHz frequency band was developed. The frequency step was 3.5 MHz, the phase noise was -105 dBc/Hz @ 100 kHz.

The report contains the detail information about the master oscillator circuit and performance.

II.  Main part

The basic part of the oscillator is SiGe HBT DR VCO, developed on LPT16ED HBT and high quality (Q~104) DR, allowing to obtain low phase noise oscillator [1]. The parallel feedback and special microstrip for DR tuning by varactor [2-3] were used to design the VCO. The amplifier on NBB-310 IC was used to isolate the VCO and to increase the output power up to about 20 mW. The VCO frequency tuning range was about 1%.

The main part of the output power was used for frequency tripler, based on AMMC5040 monolithic IC. Special basing of the IC was used to optimize third harmonic contains in the output signal of the IC. The output [power at frequency band 36-

37.5   GHz was about 20 mW, the tuning range was about 350 MHz with step 3.5 MHz. So, it needs four options of the oscillator to cover the whole frequency band 36-37.5 GHz.

Part of the VCO output power was used for PLL circuit, based on ADF4113 synthesizer. As reference low noise 7 MHz quartz oscillator was used. For synthesizer control the AT90S2313 microcontroller was used.

III.  Conclusion

The low noise Ka-band master oscillator for communication systems was developed. Four options of the oscillator covered 36-37.5 GHz frequency band with 3.5 MHz step. The phase noises were -105 dBc/Hz @ 100 kHz and -75 dBc/Hz @ 10 kHz. The total phase error, excluding phase error from the reference oscillator at 7 MHz, was no more than 6 degrees, which is compatible with complex phase modulation systems requirements.

Анотація – Представлені дослідження надвисокочастотного автогенератора на основі транзисторних структур типу НЕМТ, які показали можливість як оптичної, так і електричного регулювання частоти генерації.

I. Вступ

Розробка і промислове освоєння технології одержання багатошарових транзисторних гетероструктур дозволило значно збільшити потужність вихідного сигналу і просунутися в область надвисоких частот [1]. Використання динамічного негативного опору і реактивних властивостей транзисторних гетероструктур типу НЕМТ дозволяє значно спростити схеми автогенераторів і поліпшити перебудову частоти генерації. В роботі представлені дослідження залежності частоти генерації від оптичного управління автогенератора на основі НЕМТ-транзисторів.

II. Математична модель

На рис.1 представлена ​​схема автогенератора. Коливальний контур утворений ємнісної складової повного опору на електродах стік транзистора VT1 і витік транзистора VT2 і індуктивності L1. Ланцюжок R2C1 створює додаткову позитивний зворотний зв’язок, що збільшує динамічний негативний опір. Вплив оптичного випромінювання на pin фотодіод VD1 призводить до зміни ємнісної складової повного опору на електродах стік-витік транзисторів VT1 і VT2, що забезпечує зміну частоти генерації. Опору R1, R3 і R4 і джерело постійної напруги U1 забезпечують вибір робочої точки на спадающем ділянці вольтамперной характеристики пристрою.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»