Oscillatore a cristallo stabile a basso rumore per microonde e transverter. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Nodi di apparecchiature radioamatoriali. Generatori, eterodine

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In connessione con l'uso da parte di radioamatori di tipi di modulazione a banda stretta CW, SSB, NBFM fino a 411 GHz, è particolarmente importante garantire un'elevata stabilità della frequenza dell'oscillatore locale nei transverter a microonde. Un problema meno noto è il rumore di fase e la maggior parte dei modelli di oscillatori per radioamatori hanno livelli di rumore eccessivi che riducono la gamma dinamica dei transverter. Questi problemi vengono descritti e i modi per risolverli sono proposti in 5 sezioni principali dell'articolo. Nella sezione che spiega il problema del rumore di fase, si nota che gli oscillatori transverter ad onda millimetrica funzionano tipicamente a frequenze intorno a 100 MHz e il loro livello di rumore di fase è un parametro molto critico, poiché. un ulteriore raddoppio aumenta il livello di rumore nel segnale di 6 dB. Quindi, ad esempio, il raddoppio successivo di una frequenza al quarzo da 100 MHz a 10 GHz aumenterà il rumore di uscita di quasi 40 dB e fino a 250 GHz - di 68 dB o più.

I circuiti comuni degli oscillatori a cristallo forniscono un livello di rumore di fase di -155 dB / Hz rispetto al livello della portante (in termini di potenza). La moltiplicazione a 245 GHz degraderà questo parametro nel segnale di uscita a -87 dB/Hz. Quando si utilizza NBFM, ad esempio, il livello di rumore nella banda dei 16 kHz sarà (-87 + 42) dB, ovvero solo 45 dB sotto la portante. In questo caso, la gamma dinamica del ricevitore sarà di soli 45 dB e, nella modalità di trasmissione, il rumore a banda larga irradiato sarà di 45 dB inferiore al livello del segnale principale.

Nella sezione "Miglioramento della stabilità", viene mostrato che gli oscillatori al quarzo hanno un'instabilità di temperatura di ±10 ppm (10^-5) da 0°С a +70°С. Ciò corrisponde a ±100 kHz a 10 GHz, quando si moltiplica un segnale a 100 MHz. La compensazione della temperatura può raggiungere un'instabilità non peggiore di 0,3 ppm (3 * 10^-7) o ±3 kHz a 10 GHz o ±7 kHz a 24 GHz o ±75 kHz a 250 GHz. Un sistema PLL con un oscillatore di riferimento corrispondente allo standard di frequenza del rubidio contribuirà a fornire l'instabilità "pietra" dell'oscillatore locale.

Tali generatori sono stati utilizzati in strumenti di navigazione radio obsoleti e possono essere trovati nei negozi illiquidi americani. Hanno un'instabilità di temperatura di ±10-9 o 0,001 ppm e hanno permesso all'autore di ottenere un'instabilità a lungo termine di ±250 Hz dopo la moltiplicazione sulla banda amatoriale 241...250 GHz. Nella sezione "Riduzione del rumore di fase", utilizzando l'esempio di un tradizionale circuito oscillatore al quarzo Butler su un transistor bipolare, viene mostrato (Fig. 1) che il livello di rumore nel segnale di uscita determina principalmente il rumore dell'ingresso del transistor , a cui viene applicato il segnale dal risonatore al quarzo e diminuisce notevolmente dopo aver aumentato la resistenza di questo ingresso.

Ris.1

Per il circuito in Fig. 45, il livello di rumore è di -155 dB / Hz e, dopo aver sostituito il bipolare 2N5179 con un transistor a effetto di campo a gate comune J310, l'autore ha ricevuto un livello di rumore di fase di -172 dB / Hz. La sezione "Circuito VCO" presenta un circuito di un oscillatore controllato in tensione (Fig. 2) - il nodo principale di un oscillatore a cristallo PLL (low-noise phase-locked crystal oscillator - LNPLXO) a basso rumore sviluppato dall'autore.

Ris.2

Lo stadio di amplificazione della porta comune su Q1 fornisce un'elevata impedenza di ingresso al segnale dal risonatore al quarzo Y1, e l'inseguitore di emettitore Q2 fornisce una bassa impedenza di uscita del VCO e, di conseguenza, una bassa resistenza del circuito di eccitazione del risonatore. Y1 è eccitato alla quinta armonica della risonanza in serie, ha taglio AT e C0=30 pF, R0<60 Ohm. Il circuito L1C1C2 seleziona l'armonica necessaria. R14 lo devia per migliorare la linearità e imposta il guadagno richiesto del circuito del generatore POS. Il circuito D2C9R2R3 limita l'ampiezza del segnale di uscita non distorto. Il punto di connessione R2R3 è impostato su 1,6 V. Quando il segnale RF di picco al drain di Q1 raggiunge -2 V, D2 si aprirà e limiterà l'ulteriore aumento dell'ampiezza del segnale di uscita senza modificare il punto operativo di Q1, che ha un effetto positivo sulla linearità e sulle caratteristiche di rumorosità del generatore. Utilizzando R2, è possibile scegliere il livello del segnale di uscita in modo che non venga dissipato più di 1 mW su Y1. Per garantire che l'effetto del carico sul VCO sia minimo, il segnale di uscita viene prelevato dal collettore Q2 utilizzando un trasformatore T1 9:1. Il sistema PLL per LNPLXO (Fig. 3) è realizzato secondo lo schema standard.

Ris.3

La sua base è U1 (MC145158), comprendente un divisore di frequenza R di un segnale di un oscillatore di riferimento al rubidio altamente stabile (ingresso 1/U1); DPKD per frequenza VCO pre-divisa dal chip U2 in 20/21 (MS12019) o 32/33 (MS12015) (ingresso 8/U1); rivelatore di fase - uscita 5/U1. Il segnale dal rilevatore di fase viene inviato all'LPF R19C13, i cui parametri non corrispondono esattamente alle raccomandazioni di Motorola e sono stati selezionati sperimentalmente tenendo conto dell'elevata qualità del quarzo nel VCO (Fig. 46). Il sistema PLL è controllato dal microcontrollore PIC16F83 (U4), il cui programma di controllo (file STEP1199.ZIP) può essere trovato su arrl.org/files/qex/. Per il transverter a 24,192 GHz, l'autore utilizza un mixer a diodi antiparallelo, mentre l'eterodina dovrebbe operare a metà della frequenza, pari a 11,448 GHz con una IF di 1296 MHz. Per ottenere 46 GHz dal segnale LNPLXO (Fig. 47, 95,4) con una frequenza di 11,448 MHz, è necessario un moltiplicatore per 120. Ciò viene risolto mediante successive moltiplicazioni per 2, 3,4 e 5.

Autore: John Stephensen (KD6OZH); Pubblicazione: N. Bolshakov, rf.atnn.ru

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