Redirect= Сверхмалошумящий ПАВ-генератор СВЧ-диапазона
Крышка мощного термостата

Сверхмалошумящий ПАВ-генератор СВЧ-диапазона на отечественной элементной базе для жестких условий эксплуатации

№ 3’2019
PDF версия
В статье представлены результаты разработки сверхмалошумящего СВЧ ПАВ‑генератора, предназначенного для работы в широком интервале температур (–60…+70 °C) с малым временем выхода на режим в условиях механических воздействий (широкополосных случайных вибраций) и тепловых ударов. В созданном генераторе использована только отечественная комплектация. Генератор относится к новому классу DOSO (Double Oven SAW Oscillator). Такая конструкция позволила значительно ускорить время выхода на режим и повысить устойчивость к температурным воздействиям. Приведены основные конструктивные, схемотехнические и технологические особенности, а также параметры генератора. Рассмотрены направления дальнейшего повышения виброустойчивости.

Хорошо известно, что малошумящие опорные генераторы являются неотъемлемой частью приемо-передающих блоков различных радиотехнических систем. Например, низкий уровень фазовых шумов (ФШ) опорных генераторов важен для систем связи, радиолокации, радионавигации, телеметрии, а также для измерительных и многих других систем. В аналоговых системах связи рост ФШ приводит к ухудшению их чувствительности и избирательности, а в системах связи с цифровой модуляцией — к ухудшению характеристик по модулю вектора ошибки. В радиолокационных системах уровень ФШ также влияет на пространственное разрешение и точность определения скорости объекта. Требования, предъявляемые к уровню ФШ опорных генераторов, во многом зависят от области применения.

Наиболее высокие требования по уров­ню ФШ обычно предъявляются к прецизионным анализаторам фазовых шумов. Так, уровень ФШ внутреннего гетеродина в высокочувствительном анализаторе фазового шума FSWP фирмы Rohde & Schwarz на рабочей частоте 10 ГГц при отстройке от несущей 10 кГц достигает значения –133 дБн/Гц. Используя генератор, разработанный нашим предприятием, можно улучшить ФШ на данной отстройке от несущей частоты минимум на 6 дБ. Низкие уровни ФШ в таких изделиях достигаются за счет как применения уникальных компонентов опорных генераторов, так и модернизации
их схемы [1].

Одним из ключевых направлений развития нашего предприятия на протяжении многих лет является создание малошумящих генераторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ‑генераторов) и улучшение их характеристик (обеспечение работы в широком диапазоне температур окружающей среды, сокращение времени выхода на режим, повышение стойкости к воздействующим вибрациям и акустическим шумам). Полученные результаты сопоставимы с достижениями ведущих мировых лидеров в области разработки и производства ПАВ‑генераторов.

Актуальность разработки ПАВ‑генера­тора с электронной перестройкой частоты и малым временем готовности для работы в жестких условиях эксплуатации на отечественной элементной базе в качестве комплектующего изделия меж­отраслевого применения продиктована, с одной стороны, широким распространением зарубежной элементной базы в модулях высокостабильных опорных генераторов блоков многофункциональных задающих генераторов, разрабатываемых предприятиями-изготовителями, а с другой стороны — отсутствием отечественных аналогов, удовлетворяющих жестким требованиям, предъявляемым к источникам опорных сигналов в авионике и измерительной технике. Интерес к подобной продукции проявляют такие предприятия, как АО «НИИП им. В. В. Тихомирова», принадлежащее к числу ведущих предприятий оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации, так и ФГУП «НПП «Гамма» — один из производителей современного отечественного измерительного оборудования.

За последние несколько лет на нашем предприятии была проведена большая работа по импортозамещению комплектующих зарубежного производства, которая показала принципиальную возможность перехода на отечественную элементную базу (в том числе и с приемкой «5») без ухудшения электрических характеристик проектируемых изделий. В результате этой деятельности создан опорный ПАВ‑генератор, полностью выполненный на отечественной элементной базе, обладающий характеристиками, приведенными в таблице 1, а допустимые величины внешних воздействующих факторов приведены в таблице 2.

Таблица 1. Краткие характеристики разработанного ПАВ-генератора

Наименование параметра, единица измерения

Типовое значение

Центральная частота, МГц

8961 (448×2)

Пределы электронной перестройки частоты в диапазоне управляющих напряжений 0–5 В, отн. ед.

не менее ±2,5•10-5

Выходная мощность на согласованной нагрузке 50 Ом, дБм

18–20

Относительная спектральная плотность мощности фазовых шумов выходного сигнала (дБн/Гц) в диапазоне отстроек от несущей частоты, определенная кривой, проходящей через точки, не хуже: 0,3; 1; 5; 10; 100; 400 кГц

–125; –139; –155;

–160; –166; –172

Токопотребление в момент включения (при –60 °С), А

не более 2,5

Токопотребление в установившемся режиме (при –60 °С), А

не более 1,0

Напряжение питания, В

12

Время выхода на режим при температуре окружающей среды –60 °С с точностью установления центральной частоты ±2,5•10-5, с

не более 180

Примечание. 1 Возможны варианты с любым значением выходной частоты из диапазона 300–1000 МГц с соответствующим уточнением относительной спектральной плотности мощности фазовых шумов выходного сигнала.

Таблица 2. Характеристики внешних воздействующих факторов

Воздействующий фактор и его характеристики

Величина воздействующего фактора

Среднеквадратичное значение ускорения при воздействии широкополосной случайной вибрации в диапазоне частот 10–2000 Гц, g

3,3

Механический удар многократного действия:

пиковое ударное ускорение,
м•с-2(g); длительность действия ударного ускорения, мс

98(10); 7–10

Механический удар одиночного действия для узлов крепления (по каждой оси ±X, ±Y, ±Z):

пиковое ударное ускорение, м•с-2(g);
длительность действия ударного ускорения, мс

735 (75); 1–5

Акустический шум: диапазон частот, Гц;

уровень звукового давления
(относительно значения 2•10-5 Па), дБ

20–10000; 120

Минимальная рабочая температура окружающей среды, °С

–60

Максимальная рабочая температура окружающей среды, °С

+70

Следует отметить, что заявленные характеристики разработанного генератора не уступают лучшим мировым аналогам, выпускаемым такими фирмами, как Rakon (Франция [2]) и Pascall Electronics (Англия), производящая кварцевые генераторы частотой 100 МГц [3] со встроенным умножением частоты. В таблице 3 и на рис. 1 приведены сравнительные данные некоторых параметров и фазовых шумов генераторов.

Сравнение ФШ различных малошумящих генераторов

Рис. 1. Сравнение ФШ различных малошумящих генераторов

Таблица 3. Сравнение с ближайшими аналогами

Наименование параметра, единица измерения

АО «НПЦ «Алмаз-Фазотрон»
(448 МГц ×2)

Rakon (500 МГц ×2)

Pascall Electronics (100 МГц ×10)

Центральная частота, МГц

896

1000

1000

Пределы электронной перестройки частоты в диапазоне управляющих напряжений 0–5 В, ppm

не менее ±25

±3

±6

Выходная мощность на согласованной нагрузке 50 Ом, дБм

18–20

9–11

11–15

Нестабильность частоты в диапазоне рабочих температур, ppm

±1

±1

±0,5

Диапазон рабочих температур окружающей среды, °С

–60…+70

–40…+70

–20…+70

Время выхода на режим, с

не более 180 (–60 °С)

не более 300 (–40 °С)

не более 300 (–20 °С)

Габаритные размеры, мм

Ø142×57

95×76×24

101×57×20

Генератор, представленный на рис. 2, состоит из корпуса, располагаемого на виброизоляторах, обеспечивающих защиту изделия от воздействия внешних вибраций и образующих тепловую развязку в аппаратуре потребителя [4]. Внутри корпуса находится узел формирования сверхмалошумящего СВЧ-сигнала с двойным термостатом и вспомогательная плата, содержащая умножитель частоты (при необходимости), буферный усилитель, схемы управления термостатами и малошумящий прецизионный стабилизатор напряжения [5]. Генератор полностью герметизируется крышкой с уплотнителем из силиконовой резины.

Внешний вид ПАВ-генератора (верхняя крышка не показана)

Рис. 2. Внешний вид ПАВ-генератора (верхняя крышка не показана)

Двухвходовой ПАВ‑резонатор выполнен на пьезокварцевой пластине АТ-среза и герметизирован крышкой из такой же пластины с одновременным вакуумированием по технологии AQP (all quartz package). Особенность данного генератора состоит в том, что ПАВ‑резонатор смонтирован способом upside down [6], то есть приклеен на основание не пластиной, а крышкой. При определенном соотношении размеров пластины и крышки это позволило снизить G‑чувствительность ПАВ‑резонатора.

На рис. 3 показана центральная часть генератора с резонатором и микронагревателем (термостат первой ступени), представляющим собой два титановых резистора, напыленных на обратную поверхность пластины резонатора. Контроль температуры микронагревателя проводится непосредственно на его поверхности с помощью терморезистора. Надо отметить, что при относительно высоких температурах окружающей среды вследствие деформации резонатора в начальной стадии разогрева наблюдается «выбег» частоты генератора значительно выше рабочей частоты (пределов перестройки). Для исключения этого эффекта впервые применен динамический разогрев резонатора в зависимости от температуры окружающей среды, что также позволяет сократить время выхода на режим на 30% и снизить общее токопотребление. Упоминаний об использовании такого способа управления термостатом не удалось найти ни в зарубежных, ни в отечественных информационных источниках [7].

Внешний вид узла внутреннего термостата

Рис. 3. Внешний вид узла внутреннего термостата

Центральная часть генератора закрывается крышкой (рис. 4), служащей нагревателем мощного термостата (термостат второй ступени) и образующей совместно с основанием, на котором закреплен резонатор, единое целое таким образом, что ПАВ‑резонатор оказывается в замкнутом термостатированном объеме. Нагрев крышки осуществляется четырьмя мощными полевыми транзисторами, на одном из которых расположен датчик температуры. Такая конструкция термостата позволяет ПАВ‑резонатору легко переносить термоудары (резкие изменения температуры окружающей среды) и заметно снижает температурную зависимость частоты [8].

Крышка мощного термостата

Рис. 4. Крышка мощного термостата

На рис. 5 представлена экспериментальная кривая выхода на режим при температуре окружающего воздуха –60 °C. Пунктирными линиями показаны пределы электронной перестройки частоты F генератора. Видно, что время выхода на режим значительно меньше 180 с, что при необходимости позволяет либо снизить стартовое токопотребление на 25–30%, либо сократить время гарантированного выхода на режим.

График выхода на режим с температуры –60 °С

Рис. 5. График выхода на режим с температуры –60 °С

Плата формирования малошумящего СВЧ-сигнала также расположена на термостатированном основании, с противоположной стороны от резонатора. Благодаря такому техническому решению удается добиться высокой температурной стабильности формируемого сигнала, поскольку все элементы электрической цепи, влияющие на частоту формируемого сигнала (цепи электронной перестройки частоты, транзистор генератора), также становятся термостатированными. На этой же плате установлен электронный фильтр подавления низкочастотных шумов и помех по питанию, улучшающий спектральную плотность мощности фазовых шумов.

Схемы умножителя частоты, буферного усилителя и малошумящего стабилизатора напряжения в процессе создания были тщательно отработаны и оптимизированы для получения наиболее низкого уровня ФШ. Благодаря применению особых схемотехнических решений и разработанному ПАВ‑резонатору с новой топологией удалось добиться рекордно низкого уровня ФШ формируемого сигнала (рис. 6).

Достигнутые значения ФШ

Рис. 6. Достигнутые значения ФШ

Последние несколько лет на нашем предприятии проводился поиск эффективных путей повышения виброустойчивости ПАВ‑генераторов. Отработана конструкция подвески, позволяющая совместно с применением технологии upside down существенно снизить чувствительность ПАВ‑резонатора к воздействующим вибрациям. Результаты функционирования системы виброзащиты приведены на рис. 7. Из рисунка видно, что в интересуемом диапазоне отстроек от несущей частоты 300 Гц — 2 кГц (требования в котором, как правило, предъявляются в авиационной технике) наблюдается незначительное ухудшение ФШ, величина которого не превышает 5 дБ, что является достаточно хорошим результатом, в то время как подробной информации о виброустойчивости  генераторов, выпускаемых  конкурентами, нет.

ФШ при воздействии широкополосной случайной вибрации различного уровня

Рис. 7. ФШ при воздействии широкополосной случайной вибрации различного уровня

Полученные результаты показывают, что разработанный генератор не уступает, а по некоторым параметрам и превосходит аналоги, созданные признанными мировыми лидерами в данной отрасли приборостроения. Учитывая также, что разработанный генератор полностью состоит из материалов и комплектующих отечественных производителей, можно с уверенностью сказать, что серийный выпуск образцов данных устройств не будет зависеть от поставок зарубежных комплектующих, перебои с которыми могут возникнуть в связи с политической обстановкой в мире.

В настоящее время в рамках дальнейшего совершенствования параметров ведутся работы по улучшению виброустойчивости (особенно в ближней зоне до 300 Гц) с использованием системы электронной компенсации деградации фазовых шумов. 

Литература
  1. Егоров Е. В., Малышев В. М. Экранированная колебательная система опорного СВЧ-генератора с торцевым возбуждением дискового диэлектрического резонатора//Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2017. Т. 10. № 2.
  2. Datasheet for ultra-low phase noise Oscillator LNO1000B2. 
  3. Datasheet for ultra-low noise VHF OCXO 100 MHz. pascall.co.uk/content/S635144040796327285/pascall%20OCXOoct11.pdf /ссылка устарела/
  4. Добровольский А. А., Бахтеев Х. Р., Бекеров Д. Э., Лойко В. А., Сысоев Н. Ю. Генератор. Заявка на патент РФ на промышленный образец № 2019502940. 2019 г.
  5. Добровольский А. А., Бекеров Д. Э., Лойко В. А. Генератор. Заявка на патент РФ на полезную модель № 2019124699. 2019 г.
  6. Parker T. E., Greer J. A., Montress G. K. SAW oscillators with low vibration sensitivity. Proceedings of the 45th Annual Symposium on Frequency Control, May 1991.
  7. Лойко В. А., Добровольский А. А., Бекеров Д. Э. Генератор с динамическим разогревом термостата ПАВ‑резонатора. Заявка на патент РФ на изобретение № 2019124698. 2019 г.
  8. Добровольский А. А., Лойко В. А., Бекеров Д. Э. ПАВ‑генератор с двойным термостатом. Заявка на патент РФ на изобретение № 2019124696. 2019 г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *