Варавін А В, Єрмак Г П, Недух С В, Познахірев П І, Тарапов С І, Ходзицький М К Інститут радіофізики та електроніки Національної Академії Наук України вул Ак Проскури 12, м Харків, 61085, Україна e-mail: khodzitsl

Анотація – Наведено результати розробки синтезатора частоти для ЕПР-спектрометра міліметрового діапазону Перебудова частоти вихідного сигналу здійснюється опорним цифровим синтезатором, керованим компютером або блоком дистанційного керування Тривала відносна нестабільність генерується частоти не гірше 2-10 , мінімальний крок перебудови 10Гц Високі експлуатаційні параметри пристрою проілюстровані у ході реєстрації магниторезонансного відгуку контрольного зразка

I                                       Введення

Одним з найбільш інформативних методів, активно застосовуються в дослідженнях твердого тіла, є метод електронного парамагнітного резонансу (ЕПР) Цей метод [1] дозволяє досить точно вимірювати енергію переходів між спіновими подуровнями магнетика ΔΕ ^, поміщеного в постійне магнітне поле і опроміненого СВЧ хвилею Процес описується формулою

)

де – різниця енергій двох спінових підрівнів (т) і (п), між якими відбувається ЕПР-перехід, – відповідна резонансна частота СВЧ-хвилі, – значення статичного магнітного

поля при якому спостерігається спіновий магнітний резонанс, g – фактор спектроскопічного розщеплення, β – магнетон Бора, h – постійна Планка

Однак, у міру переходу в високочастотну частину міліметрового діапазону, проявляється ряд факторів, що погіршують роздільну здатність методу Одним з таких факторів, є нестабільність частоти δω джерела НВЧ випромінювання

Як видно з (1), нестабільність частоти δω викликає неоднорідне уширення реєстрованої лінії ЕПР порядку: 8Н «(/ / / gp) 8ro, що досягає помітних величин Крім того, при використанні в спектрометрі ЕПР високодобротних (Q «Ю ^-Ю *) квазіоптичних резонаторів [2, 3] нестабільність частоти призводить до паразитної амплітудної модуляції інформаційного сигналу Тому, актуальним є завдання створення генератора, що забезпечує максимально можливі точність установки і довготривалу стабільність частоти

Відомо, що найбільш ефективно ця задача може бути вирішена шляхом створення джерела син-тезаторного типу, частота якого синхронізується кварцовим стандартом частоти

II                               Основна частина

в міліметровому діапазоні в якості джерел сигналів найбільш широко використовуються генератори на діодах Ганна або Лавинно-пролітних діодах (ЛПД), частота яких перебудовується за допомогою «ЖИГ» сфер або варакторних діодів Через відсутність діодів Ганна з необхідними рівнями потужності на частотах вище 50 ГГц і недостатньо хорошими шумовими характеристиками ЛПД, як джерело сигналу був обраний генератор, побудований на основі активних ЛПД – умножителей високої кратності Такі умножители дозволяють здійснювати перенесення спектрів високостабільних задаючих генераторів сантиметрового діапазону в будь-яка ділянка мм діапазону з вихідною потужністю 100 ^ 0 мВт в діапазоні 30-140 ГГц На відміну від пасивних умножителей, наприклад умножителей, виконаних на основі діодів Шоттки, фазові шуми яких збільшуються як Л / ^, де N номер гармоніки множення, шуми активних ЛПД – умножителей ростуть повільніше, що дозволяє створювати на їх основі джерела з хорошими спектральними характеристиками [4] Ці характеристики ЛПД-умножителей стали визначальними при виборі вихідного каскаду джерела ЕПР спектрометра

Схема синтезатора складається з двох основних вузлів: синтезатора частоти, що працює в діапазоні 7,0-7,3 ГГц і блоку множення частоти, виконаного на основі ЛПД-помножувача, налаштованого на 10-у гармоніку сигналу синтезатора Як задає генератора 7,0-7, ЗГГц використовувався високостабільний електрично перебудовується транзисторний генератор, стабілізований діелектричним резонатором

Частота задає генератора стабілізується першою петлею ФАПЧ-1 Опорним і керуючим сигналом для ФАПЧ-1 служить сигнал цифрового синтезатора частоти надходить на вхід системи ФАПЧ-1 через фільтр нижніх частот і буферний підсилювач Перебудова частоти на виході цифрового синтезатора призводить до зміни частоти задає генератора в смузі 7,0-7, ЗГГц Управління вихідний частотою цифрового синтезатора і режимами роботи систем ФАПЧ здійснює мікроконтролер У його функції входить також підтримання звязку з пультом дистанційного керування і компютером Опорним сигналом для системи прямого цифрового синтезу служить тактовий сигнал з частотою 200 МГц, що виробляється генератором, стабілізованою системою ФАПЧ-2 Опорним для цієї системи стабілізації є сигнал, що надходить від стандарту частоти 5 МГц

Команда на установку частоти надходить від компютера або з пульта дистанційного керування через інфрачервоний канал звязку на ІЧ – приймач, а потім на мікроконтролер, де декодується Вихідний сигнал задає генератора посилюється і надходить на ЛПД – помножувач, де відбувається його множення на 10 У результаті на виході системи синтезу частоти виходить сигнал, перестроюваний в смузі частот 70-73 ГГц Тривала відносна нестабільність частоти складає 2-10 ^ °, мінімальний крок перебудови 10 Гц, вихідна потужність 30 мВт

Для дистанційного керування частотою синтезатора розроблений пульт управління Він містить кпавіатуру управління, РК індикатор встановлюваної частоти, ІК порт звязку з мікроконтролером синтезатора і «СОМ» порт звязку з компютером

Рис 1 ЕПР-відгук від зразка Fe + на центральній частоті 70 ГГц при різних величинах відбудови частоти (δω) генератора від частоти 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 (&quotδω from resonator frequency

III                                   Висновок

Тестові випробування синтезатора проведені у складі ЕПР спектрометра «КВАРК» [3] Спектри магниторезонансного переходу в контрольному зразку Ре ® · вміщеному в високодобротних квазіоптичний резонатор (Експериментальну осередок) наведені на Рис1 Лінії ЕПР записані за допомогою спеціального програмно-апаратного комплексу [5] для різних значень відбудови частоти генератора від частоти резонатора

Як видно з малюнка, величина відношення сигнал / шум у зареєстрованих ЕПР – откпіках не змінюється в міру відбудови від центральної частоти ОР Це є прямим експериментальним підтвердженням високої амплітудної і частотної стабільності розробленого генератора

IV                            Список літератури

[1] с Kittel, Introduction to Solid State Physics, Wiley & Sons, NY, 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, v7, N1, p115-118

[4] Єрмак Γ П, Алексєєв Ε А, Варавін А В, Фазова синхронізація джерел 2-х мм діапазону, виконаних на основі ЛПД-умножителей високої кратності / / В1снік ХНУ 1м В Н Караз1на, № 570-Рад1оф1зіка та електрон1-ка-Харк1в, вип 2, 2002, С163-166

[5] Ходзицький М К, Гирич А А Програмно-апаратний комплекс для ЕПР-вимірів, Матеріали 10-го молодіжного форуму «Радіоелектроніка і молодь в XXI столітті», 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@irekharkov 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 Fig1 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р