А.Добровольский

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

В развитиии современных радиоэлектронных средств четко выражены тенденции освоения все более высоких частот, уплотнения каналов передачи информации, усложнения методов кодировани я и обработки сигналов, противодействие искажению информации естественными иискусственными 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 акту удвоения.

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

1. 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 АТ-среза) сопровождается снижением добротности; её 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.

2. 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 термостатиро-ван. 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.

3. 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 нём 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)°С. 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 51 х51 х 12,7 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 варианте 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