При конструировании аппаратуры на СВЧ возникает вопрос о малошумящих генераторах в данной статье Джон Стефенсен (KD6OZH) отмечает, что в 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 МГц до 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 ррm 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 ррm (3 x 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 ррm и позволили автору добиться долговременной нестабильности ±250 Гц после умножения на любительском диапазоне 241...250 ГГц. В России подобные модули генераторов выпускает ОАО “Морион” (г. С - Петербург), например, у ГК62-ТС температурная нестабильность частоты в интервале-10...+60*С не хуже ±109, и размеры 51,3x41,3x25 мм без выводов.

Рис.1.

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.

Для схемы на (рис.1) 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.

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 Со = 30 пФ, Rо < 60 Ом.

Контур L1C1C2 выделяет необходимую гармонику. R14 шунтирует его для улучшения линейности и устанавливает необходимый коэффициент передачи цепи ПОС генератора.

 

Рис.2.

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.

Рис.3.

Система ФАПЧ для LNPLXO (рис.3) выполнена по стандартной схеме.

Ее основа U1 (МС145158), включающая делитель частоты R сигнала высокостабильного рубидиевого опорного генератора (вход 1/U1; ДКПД 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.2).

Работой системы ФАПЧ управляет микроконтроллер PIC16F83 (U4, рис.3), управляющую программу для которого (файл STEP1199.ZIP) можно взять на http:// www.arrl.org/ftles/qex/.

Для трансвертера на 24,192 ГГц автор использует смеситель на встречно-параллельных диодах, при этом гетеродин должен работать на вдвое меньшей частоте, равной 11,448 ГГц при ПЧ 1296 МГц.

Чтобы из сигнала LNPLXO (рис.2 и рис.3) частотой 95,4 МГц получить 11.448 ГГц, необходим умножитель на 120. Это решено последовательным умножением на 2,3,4и 5.

Джон Стефенсен (KD6OZH)

 Литература:

QЕХ, № 11 /12 - 2000, с. 11 - 17

материал подготовил А. Манойленко (UN9LK)