Annons

Revolutionerande oscillatorteknik ersätter YIG

Phase Matrix köptes under våren av National Instruments. Därmed fick de tillgång till den avancerade oscillatortekniken QuickSyn, som kombinerar fördelarna av lågt fasbrus från en YIG-oscillator med snabba frekvensbyten i en (bredbandig) fastlåst slinga PLL. Den här visade syntesoscillatorn kan utföra snabba frekvenshopp inom 0,1 till 20 GHz, samtidigt som fasbruset ligger är mycket lågt.

Den gängse metoden att åstadkomma resonanskretsar med högt Q-värde är att använda YIG, en resonanskrets som består av ett klot av en enda syntetisk kristall av syntetisk granat av yttrium–indium (Yttrium, Iron, Garnet = YIG, med kemiska formeln Y3Fe5O12) vars resonansfrekvens avstäms magnetiskt, i princip med hjälp av två korslagda ledningar.
Även utvecklingen har gått mot mindre lösningar är YIG-resonatorn fortfarande en skrymmande komponent som man länge velat ersätta med något annat. En YIG-resonator kan linjärt stämmas av över ett mycket stort frekvensområde, exempelvis 3 – 50 GHz, men framför allt används YIG-resonatorer på grund av sitt höga Q-värde.
Ett högt Q-värde är en av förutsättningarna för att nå lågt sidbandsbrus (fasbrus) i oscillatorer, därför har YIG-oscillatorer varit ett självklart val i exempelvis spektrumoscillatorer och generatorer för mikrovågsområdet.

YIG kontra VCO
National Instruments köpte nyligen företaget Phase Matrix efter att under några år ha samarbetat med företaget och köpt systemkomponenter för mikrovåg från dem.
Phase Matrix har tagit fram syntesoscillatorer som är avstämbara från relativt låga frekvenser upp till för mikrovåg. Dessa är till skillnad från YIG-oscillatorer snabbt omställbara men de har lika lågt, eller lägre sidbandsbrus, än en YIG-oscillator! Phase Matrix kallar tekniken QuickSyn.
Omställningstiden för en YIG-oscillator rör sig om flera tiotals millisekunder. QuickSyn-tekniken, däremot, medger omställning från en frekvens till valfri frekvens inom avstämningsområdet på bara 100 µs. En annan fördel, jämfört med YIG, är att effektförbrukningen är låg.

Möte med uppfinnaren
På NiWeek i Austin träffade undertecknad upphovsmannen till QuickSyn, dr Alexander Chenakin, och bad honom att förklara hur detta är möjligt att kunna kombinera snabb omställningstid och lågt fasbrus. Han leder gruppen för frekvenssyntes inom Phase matrix.
– Vi använder en kombination av tre tekniker: analog direktsyntes, digital direktsyntes och indirekt syntes.
* Analog direktsyntes bygger på att fasta signaler (ofta med kristallreferens) blandas för att få den önskade frekvensen. Omkopplingstiden är mycket snabb. Nackdelarna är att metoden skapar falska blandningsfrekvenser (spurioser) som måste dämpas med filter, att det krävs många olika frekvenser, och att det blir dyrt och komplicerat.
* Digital direktsyntes, DDS, medger snabb omställning av frekvenser, men de ger spurioser (falska frekvenser) och har ett begränsat avstämningsområde. Därför begränsas användningen av DDS till finavstämning.
* Indirekt syntes innebär faslåst slinga (PLL, phase looked loop). Med en VCO (spänningsstyrd oscillator) i stället för YIG-oscillator blir det möjligt att snabbt ställa om frekvensen om slingans bandbredd är hög. Men sidbandsbruset blir betydligt högre än med YIG.
En av orsakerna till det är att frekvensdelaren i den faslåsta slingan höjer bruset med 20log n, där n står för delningstalet. Om delningstalet är 10 000 gånger ökar sidbandsbruset sålunda med 80 dB! Dessutom bidrar varje komponent i slingan med brus, dvs från såväl VCO och fasdetektor som från frekvensdelaren.
Ofta låter man flera faslåsta slingor i en frekvenssyntetisator för att undvika höga delningstal.

ny metod
Alexander Chenakins metod innebär att man ersätter frekvensdelaren i en PLL med ett antal blandare i en konstellation liknande den för analog direktsyntes. Då kan man inte bara få ett brus som ligger i nivå med referensoscillatorns, utan till och med lägre:

– Genom att tillämpa frekvensdubbling i återkopplingskedjan av blandare kan man minska sidbandsbruset och i en ytterlighet till och med sänka det under den nivå som själva VCOn ger, berättar Chenakin!
Det är mycket viktigt att referensfrekvensens brus är lågt. I många fall kan man använda en kommersiell 100 MHz OCXO med exempelvis -163 dBc sidbansbrus vid 10 kHz från centerfrekvensen. En sådan kan styra en oscillator med coaxialresonator (CRO) eller oscillator med dielektrisk resonator (DRO) i syfte att sänka sidbandsbruset på längre avstånd från centerfrekvensen, säg 1 MHz.
En typisk kombination med en OCXO (-163 dBc) och CRO eller DRO kan resultera i en brusnivå, 10 kHz avstånd från centerfrekvensen, på -123 dBc vid 10 GHz eller -137 dBc vid 2 GHz.
QuickSyn har idag två syntesoscillatorer på marknaden: FSW-0010, för 0,1 till 20 GHz, och FSW-0020, för 0,2 till 20 GHz. Med tillhörande programvara fungerar de som fristående signalgeneratorer med amplitud och frekvensmodulering. Fasbruset anges till -138 dBc/Hz på 10 kHz avstånd från bärvågen vid 1 GHz och -148 dBc/Hz vid 0,1 GHz. Vid 20 GHz är siffran -116 dB.
Med QuickSyn-tekniken undviker man ytterligare nackdelar hos YIG, som känsligheten mot mikrofoni och hög effektförbrukning.

 

Comments are closed.