Vysokofrekvenčné analógové generátory signálov AnaPico APLC: ako vyriešiť kompromis medzi nízkym fázovým šumom, vysokou rýchlosťou spínania a vysokou čistotou signálu?

Na obrázku 1 je znázornená zjednodušená bloková schéma zariadenia. Aby bolo možné splniť náročné požiadavky na rýchlosť prepínania frekvencie pri zachovaní nízkeho fázového šumu, ako základ pre syntézu frekvencie bol zvolený napäťovo riadený oscilátor (VCO) a priama digitálna syntéza (DDS). Primárnym referenčným signálom pre celý systém sú vysokofrekvenčné hodiny priamo odvodené od vnútorného nízkošumového 100 MHz teplotne stabilizovaného kryštálového oscilátora (OXCO).

Pre účinné potlačenie rušivých harmonických zložiek sme použili techniku nazývanú variabilná referenčná syntéza. Systém APLC s fázovým závesom (PLL) ponúka dva stupne voľnosti na nastavenie buď frekvencie syntetizátora DDS alebo referenčnej frekvencie REF1 v malých krokoch. Použitím oboch metód so súčasne dobre navrhnutým frekvenčným plánom môžeme minimalizovať nežiaduce zložky.

Blok "DDS Upconversion Expansion" pozostáva z rôznych násobičiek a deličiek, ktoré podľa potreby upravujú frekvencie REF1 a REF2. Výstupné bloky, ktoré sa skladajú z násobičiek, preddeličiek, stupňov zosilnenia a laditeľného filtra veľmi nízkych frekvencií (VLF), predstavujú klasický prístup k udržaniu nízkych harmonických v širokom frekvenčnom rozsahu pri zachovaní vysokého výkonu signálu.

Fázový šum ako kritický parameter často určuje, ako dobre je generátor signálu vhodný pre danú aplikáciu. Zabezpečenie dobrého fázového šumu vo všetkých frekvenčných rozsahoch pri zachovaní rýchlosti spínania bolo hlavným cieľom našej série APLC.

Okrem štandardnej 100 MHz referencie môže mať APLC voliteľne stabilnejšiu 10 MHz referenciu na báze OCXO s nízkym driftom (možnosti LN a LN+). Referenčný oscilátor s frekvenciou 100 MHz výrazne znižuje úroveň fázového šumu (0 až 100 Hz). Ročná miera starnutia sa zlepšuje na úroveň 20 ppb.

Vynikajúca charakteristika fázového šumu 100 MHz referencie v kombinácii s inovatívnym obvodom frekvenčnej syntézy poskytuje pozoruhodne nízke úrovne fázového šumu v oblasti stredného offsetu.

V oblasti vysokého offsetu nebol zámerne použitý žiadny filtračný mechanizmus podobný YIG, ako je to v prípade iných zdrojov signálu AnaPico, čo umožňuje rýchle prepínanie zdrojov signálu.

Na obrázku 2 je znázornený výkon fázového šumu generátorov signálu APLC vybavených voliteľným modulom LN v jednom bočnom pásme (SSB). Vynikajúci výkon fázového šumu sa dosahuje v celom rozsahu posunu a v rozsahu frekvencií signálu až do 54 GHz. Ako vidieť z nameraných výsledkov, pri nosnej frekvencii 10 GHz ponúka generátor APLC hodnoty -90 a -130 dBc/Hz pri offsetových frekvenciách 10 Hz a 20 kHz.

Ďalším základným aspektom súvisiacim s kvalitou signálu je čistota signálu charakterizovaná harmonickými, subharmonickými a úrovňami rušenia. Nízke úrovne všetkých typov nežiaducich signálov sú potrebné pre minimalizáciu skreslenia signálu, na vytvorenie menšieho počtu rušivých signálov s nižšou úrovňou, a tým pre zlepšenie presnosti a citlivosti celého systému.

Vďaka kombinácii prístupu k návrhu obvodov, filtrovaniu a optimalizácii frekvenčného plánu sa zdroje signálu APLC vyznačujú vynikajúcim výkonom pre všetky úrovne harmonických a neharmonických signálov. Napríklad pri frekvencii 10 GHz dosahuje potlačenie harmonických a neharmonických signálov hodnotu -50 a -85 dBc.

V mikrovlnnom frekvenčnom pásme je rozhodujúce dosiahnuť vysoký výstupný výkon. Aby sme vyriešili straty vznikajúce pri vyšších frekvenciách, rozhodli sme sa nainštalovať viacero výstupných zosilňovačov pokrývajúcich celý frekvenčný rozsah od kHz do 54 GHz. Vďaka tejto architektúre dosahuje výstupný výkon vo frekvenčnom rozsahu 30 až 40 GHz približne 22 dBm a v rozsahu 40 až 54 GHz stále presahuje 15 dBm. Toto vylepšenie poskytuje dostatočnú úroveň výkonu v širokom rozsahu frekvencií s dobrým potlačením harmonických, aby sa splnili náročné požiadavky mikrovlnných aplikácií.

V aplikáciách, ako je napríklad testovanie radarov, je kvalita impulzných signálov s nepretržitou vlnou (CW) najdôležitejšia na overenie výkonu. Generátor signálu musí byť schopný generovať impulzy s malou šírkou a rýchlym časom nábehu a poklesu pri vysokej opakovacej frekvencii.

Na impulznú moduláciu sa bežne používajú atenuátory a prepínače, aby sa dosiahli rýchle časy prechodu. Na dosiahnutie vysokého pomeru ON/OFF pri zachovaní rýchleho prepínania medzi stavmi sa v sérii APLC používajú viacstupňové spínače. Dosiahli sme pomer ON/OFF 100 dB a šírku impulzu 10 ns, pričom typický čas nábehu/dobehu je približne 2 až 3 ns. Na obrázku 4 sú znázornené dva takéto impulzy so šírkou 30 ns a pri frekvenciách 10 a 50 GHz.

Vďaka prepracovanej konštrukcii, optimalizovanej aj na zmeny frekvencie, dosahuje APLC najlepšie rýchlosti prepínania vo svojej triede (generátory analógových signálov), ktoré sú typicky 15 μs. Táto rýchlosť je obzvlášť dôležitá v systémoch automatizovaných testovacích zariadení (ATE), kde môže výrazne urýchliť proces overovania. Séria APLC prichádza ako prvá s modelom, ktorý prekonáva kompromis medzi úrovňou fázového šumu či rušením a rýchlosťou spínania a ponúka bezkonkurenčný výkon v oboch aspektoch súčasne.

Ďalšou dôležitou aplikáciou pre generátory rýchleho prepínania frekvencií je generovanie rýchlo sa meniacich radarových impulzov alebo rýchlych frekvenčných skokov. Okrem toho možno generátory viackanálových signálov APLC s vlastnou fázovou koherenciou a voliteľnými funkciami fázovej pamäte cenovo výhodne použiť na generovanie viackanálových signálov pre anténne polia používané na testovanie radarov a formovanie lúča.

Viackanálové generátory signálu APLC-X sa vyznačujú pevnou fázovou koherenciou a jedinečným fázovo koherentným prepínaním. Hoci základom fázovej koherencie je použitie spoločnej stabilnej a presnej referenčnej frekvencie na syntézu digitálneho signálu vo všetkých kanáloch, starostlivá tepelno-mechanická konštrukcia zabezpečuje veľmi podobné podmienky pre všetky kanály a vedie k podobnému správaniu sa kanálov pri drifte, čo ďalej zvyšuje úroveň fázovej koherencie. Okrem toho vďaka vlastnému vysokofrekvenčnému mechanizmu synchronizácie medzi viacerými zariadeniami AnaPico rozširuje vlastnosti fázovej koherencie na viackanálové systémy.

Na obrázku 5 je znázornená nameraná fázová koherencia APLC-X. Pri dvoch kanáloch APLC-X nastavených na rovnakú frekvenciu 38 GHz možno relatívnu efektívnu odchýlku fázového rozdielu merať počas 10 hodín. Pri meraní toho istého na dvoch kanáloch z dvoch rôznych a synchronizovaných zariadení APLC-X možno pozorovať veľmi podobné správanie fázovej koherencie.


Okrem funkcie fázovej koherencie zabudovanej do základných zariadení APLC-X spoločnosť AnaPico implementovala na platforme APLC-X aj jedinečnú funkciu prepínania fázovej koherencie. Vďaka tejto voliteľnej funkcii (voliteľná funkcia PHS) si zariadenie APLC-X dokáže zapamätať relatívne fázové konštelácie medzi viacerými kanálmi v závislosti od frekvencie signálu. Pamäťová funkcia je stále účinná, aj keď sa signálové kanály vypnú a znova zapnú. Na obrázku 6 je vidieť, že relatívna fázová konštelácia medzi kanálmi pri určitej frekvencii je stále rovnaká, a to aj po zmene frekvencie kanálov. Inými slovami, fázovo koherentné prepínanie alebo fázová pamäť zabezpečuje deterministické a reprodukovateľné fázové vzťahy medzi viacerými kanálmi.

Fázová koherencia a fázovo koherentné prepínanie sú vlastnosti, ktoré naćhadzajú využitie v mnohých aplikáciách. V radarových anténnych sústavách a testovacích systémoch inteligentné formovanie zväzku umožňuje systémom zapamätať si dôležité uhlové informácie. V prístrojových kvantových počítačových systémoch sú tieto vlastnosti nevyhnutné na generovanie konzistentných stavov qubitov, generovanie fázovo zhodných manipulačných signálov qubitov a tiež na zníženie požiadaviek na kalibráciu systému, čím sa znižuje oneskorenie systému.

V porovnaní s inými na trhu komerčne dostupnými generátormi analógových signálov sú dosahované úrovne parametre opisujúcich výkonnosť série APLC, ako napríklad fázový šum, spektrálna čistota, pomer ON/OFF, rýchlosť spínania atď., charakteristické skôr pre zariadenia vyššej cenovej kategórie. Vývoj a dodávanie vysoko výkonných a zároveň cenovo dostupných T&M prístrojov bolo vždy poslaním spoločnosti AnaPico. S týmto zámerom sa často vyhýbame používaniu drahých a nových komponentov, namiesto toho radšej využívame sofistikovaný návrh obvodov, zachovávame modulárnu architektúru výrobkov a dodávame vysoko účinné prístroje.

Vďaka vyššie opísaným vlastnostiam a celkovému výkonu možno sériu APLC použiť v mnohých aplikáciách:

• testovanie RF a mikrovlnných komponentov
• substiúcia LO (lokálneho oscilátora)
• testovanie prijímačov
• charakterizácia AČP
• kalibrácia prístrojov a systémov

Viackanálové generátory fázovo koherentných signálov APLC sú vhodné najmä na:

• testovanie viackanálových a/alebo MIMO prijímačov
• vysoko citlivé intermodulačné testovanie
• generovanie signálu pre manipuláciu s qubitmi v kvantovej informatike
• automatizované testovanie s vysokou priepustnosťou
• testovanie inteligentných antén a formovania lúča
• testovanie radarov a EW (elektronická vojna)

Analógové generátory signálu série APLC spoločnosti AnaPico sú prvými zdrojmi signálu na trhu s pozoruhodnou kombináciou vlastností: veľmi malý fázový šum, rýchle prepínanie frekvencie a amplitúdy, veľmi nízke harmonické a rušivé zložky, čistá impulzná modulácia, kompaktný dizajn, nízka spotreba energie, a to všetko za prijateľnú cenu. Vďaka inovatívnej konštrukcii možno zariadenie prevádzkovať buď z hlavného zdroja napájania, alebo v teréne z externej napájacej banky. AnaPico je prvým výrobcom, ktorý sprístupnil túto úroveň schopností generátora na použitie mimo laboratória.

Séria APLC-X ponúka kompaktné a vysoko výkonné riešenie na generovanie viackanálových fázovo koherentných signálov. Synchronizáciou viacerých generátorov APLC-X prostredníctvom vlastného vysokofrekvenčného mechanizmu hodín spoločnosti AnaPico môžu používatelia prispôsobiť svoje nastavenie špecifickým potrebám z hľadiska počtu kanálov alebo frekvenčných pásiem RF a mikrovlnnej energie pri zachovaní silnej fázovej koherencie a jedinečnej fázovej pamäte.