Высокочастотные прецизионные малошумящие кварцевые генератор

А. Добровольский

Высокочастотные прецизионные малошумящие кварцевые генераторы (современные промышленные типы - их построение и основные характеристики)

В развитии современных радиоэлектронных средств четко выражены тенденции освоения вс╦ более высоких частот, уплотнения каналов передачи информации, усложнения методов кодирования и обработки сигналов, противодействия искажению информации естественными и искусственными помехами. Важную роль в этих процессах играет повышение качества генераторов опорных частот, прежде всего - улучшение стабильности частоты и снижение уровня фазовых шумов. Крайне актуальна задача создания высококачественных генераторов на возможно более высокие частоты, так как последующее умножение частоты в системах сопровождается возрастанием фазовых шумов приблизительно на 6 дБ при каждом акте удвоения.

В создании высокочастотных прецизионных кварцевых генераторов ОАО "МОРИОН" движется по нескольким направлениям.

Традиционное направление - разработка малошумящих высокочастотных генераторов на основе кварцевых резонаторов AT- и SC-срезов, возбуждаемых на 3-й и 5-й механических гармониках. У таких генераторов удается получить весьма низкий уровень фазовых шумов при отстройке от несущей свыше 10 кГц: -160...-170 дБ/Гц (рис. 1).

Рисунок 1. Спектральная плотность мощности фазовых шумов в зависимости от отстройки от несущей частоты 100 МГц

Однако, с ростом частоты кварцевого резонатора уменьшается толщина пьезоэлемента, что сопровождается возрастанием долговременной нестабильности частоты. Повышение же номера механической гармоники резонатора с целью повышения долговременной стабильности за счет увеличения толщины пьезоэлемента затрудняет подавление возбуждения (в том числе, параметрического) нежелательных мод и номеров гармоник и их фильтрацию. Кроме того, повышение рабочего номера механической гармоники свыше 7-го (у резонаторов AT-среза) сопровождается снижением добротности; е╦ максимум соответствует обычно 5-му или 7-му номеру гармоники (М.М. Пружанский "Эквивалентные параметры пьезокварцевых пластин, возбуждаемых на гармониках", Радиотехника, 1957, т. 12, ╧ 8). В связи с изложенным, разумная граница повышения частоты генераторов такого типа не намного превышает 100 МГц.

Сочетать достоинства низкого фазового шума в дальней зоне (отстройка от несущей более 10 кГц) с высокой стабильностью частоты в широком диапазоне температур и во времени позволяет совмещение в одном устройстве двух генераторов, частоты которых различаются на порядок и более. Причем высокочастотный генератор является управляемым и постоянно подстраивается под низкочастотный системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) (рис. 2).

Рисунок 2. Температурно-частотная характеристика высокочастотного генератора с ФАПЧ. Частота ВЧ-генератора - 100 МГц, частота опорного - 10 МГц

Исходная "разновидность" этого пути - совокупность из отдельных блоков опорного генератора (ОГ) и генераторного умножителя частоты (ГУЧ). Этот вариант генератора реализован в ГК104, однако его недостаток в том, что высокочастотный генератор не термостатирован. Следующая модель - это моноблочный вариант с термостатированными опорным и высокочастотным генераторами (ГК137-ТС). В кольцо ФАПЧ входит либо делитель частоты высокочастотного генератора, либо умножитель частоты низкочастотного. Шумы в дальней зоне определяются высокочастотным управляемым генератором, а в ближней (отстройка 1┘100 Гц) - низкочастотным, с добавлением вклада системы ФАПЧ (рис. 3).

Рисунок 3. Фазовые шумы кварцевого генератора с ФАПЧ

В настоящее время на основе использования двух кварцевых генераторов, связанных системой ФАПЧ, реализован диапазон частот до 100 МГц. В перспективе на базе резонаторов обратной мезаструктуры диапазон частот таких генераторов будет расширен ориентировочно до 250 МГц.

Эффективным путем дальнейшего повышения частоты малошумящих кварцевых генераторов продолжает оставаться прямое умножение частоты в составе единого законченного устройства. Хотя в этом варианте нет принципиальных преимуществ по сравнению с последующим умножением выходной частоты кварцевого генератора в каналах радиосистем, фактически преимущества имеют место за счет того, что проектирование генератора и умножителя частоты оказывается в руках одного разработчика, и создаются условия для наилучшего выбора технических решений при отработке того и другого и их взаимного согласования с целью оптимизации выходных параметров. Типичное распределение плотности мощности фазовых шумов для генератора с умножителем и выходной частотой 500 МГц представлена на рис. 4.

Рисунок 4. Спектральная плотность мощности фазовых шумов в зависимости от отстройки от несущей частоты 500 МГц

Ниже приводится краткий обзор выпускаемых ОАО "МОРИОН" высокочастотных термостатированных генераторов.

На рис. 5 представлен серийно выпускаемый генератор ГК87-ТС (на частоты 50√120 МГц) в общепромышленном исполнении. В н╦м используется кварцевый резонатор SC-среза, работающий на 5-й механической гармонике. Габаритные размеры генератора 51x51x12,7 мм.

Рисунок 5. Генератор ГК87-ТС

Генератор ГК136-ТС разработан на основе ГК87-ТС и отличается от него существенно меньшими габаритными размерами, повышенной стойкостью к механическим воздействиям и расширенным интервалом рабочих температур (-55┘+70)ºC. Он имеет такой же низкий, как и ГК87-ТС, уровень фазовых шумов. Габаритные размеры генератора - 27x36x16 мм.

Генератор ГК87У-ТС, сочетающий в едином корпусе с габаритными размерами 51x51x12,7 мм генератор, идентичный ГК87-ТС, и умножитель частоты в 2┘7 раз. Частота выходного сигнала - до 700 МГц, уровень гармоник и субгармоник подавлен более чем на 50 дБ, типичное подавление - 60√65 дБ.

Генератор ГК137-ТС, сочетающий в себе прецизионный опорный генератор, высокочастотный малошумящий (управляемый) генератор и цепь ФАПЧ. Серийное производство его запланировано с IV квартала 2003 г. Габаритные размеры генератора - 51x51x25 мм, проработан вариант с высотой корпуса 16 мм, в развитии вариант 51x51x12,7 мм.

Серийно выпускаемый генератор ГК104 состоит из двух блоков:

опорного генератора, габаритные размеры 51x51x25,4 мм; высокочастотного генератора с цепями ФАПЧ, габаритные размеры 51,3x41,3x25 мм.

Основные параметры освоенных в производстве и перспективных моделей высокочастотных термостатированных генераторов приведены в таблице.

Таблица. Основные параметры освоенных в производстве и перспективных моделей высокочастотных термостатированных генераторов

Параметры Типы генераторов ГК87-ТС ГК87У-ТС ГК136-ТС ГК137-ТС ГК104 Диапазон частот, МГц 50┘120 100┘700 50┘120 100 90┘110 Стандартные частоты, МГц 56; 61,44; 80; 100 500 56; 100 100 100 Габаритные размеры корпуса, мм 51x51x12,7 51x5x1x12,7 36x27x16 51x51x25(16) Блок ОГ (51x51x25,4)
Блок ГУЧ (51,3x41,3x25) Температурная нестабильность частоты в интервалах: -10┘+60ºC ╠5x10-8 ╠5x10-8 ╠5x10-8 ╠2x10-9 - -40┘+70ºC ╠2x10-7 ╠2x10-7 ╠2x10-7 ╠3x10-9 - -55┘+70ºC - - ╠3x10-7 - ╠5x10-8
(-50┘70ºС) Долговременная нестабильность частоты: за год, x10-7 ╠(3┘5) ╠(3┘5) ╠(3┘5) ╠0,5 ╠1 за 10 лет, x10-7 ╠20 ╠20 ╠20 ±3 ╠3 Фазовый шум, дБ/Гц (для 100 МГц), при отстройке от несущей: 100 Гц -125 - -125 -120 -100 10000 Гц -165 -145
(500 МГц) -165 -165 -145 Потребляемый ток (напряжение питания 12 В ╠ 10%), мА: в установившемся режиме 120 150 120 300 120 пиковый (при разогреве) 400 430 400 600 430 Время установления частоты с точностью ╠1x10-7, мин 5 5 5 10 (с точностью ╠1x10-8) 5 (с точностью ╠1x10-8)






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2019 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.