Generátory vysokofrekvenčních analogových signálů AnaPico APLC: Jak vyřešit kompromis mezi nízkým fázovým šumem, vysokou rychlostí spínání a vysokou čistotou signálu?

Na obrázku 1 je zjednodušené blokové schéma zařízení. Pro splnění náročných specifikací na rychlost přepínání frekvencí při zachování nízkého fázového šumu byl jako základ pro frekvenční syntézu zvolen napětím řízený oscilátor (VCO) a přímá digitální syntéza (DDS). Primárním referenčním signálem pro celý systém jsou vysokofrekvenční hodiny přímo odvozené z interního nízkošumového 100 MHz krystalového oscilátoru s teplotní stabilizací (OXCO).

K účinnému potlačení rušivých harmonických složek jsme použili techniku zvanou syntéza s proměnnou referencí. Systém s fázovým závěsem (PLL) APLC nabízí dva stupně volnosti, které umožňují v malých krocích upravovat buď frekvenci syntezátoru DDS, nebo referenční frekvenci REF1. Použitím obou metod spolu s dobře navrženým frekvenčním plánem můžeme minimalizovat nežádoucí složky.

Blok "DDS Upconversion Expansion" se skládá z různých násobičů a děličů, které podle potřeby upravují frekvence REF1 a REF2. Výstupní bloky, které se skládají z násobičů, dílčích děličů, zesilovacích stupňů a laditelného filtru velmi nízkých frekvencí (VLF), představují klasický přístup k udržení nízkých úrovní harmonických v širokém frekvenčním rozsahu při zachování vysokého výkonu signálu.

Fázový šum jako kritický parametr často určuje, jak dobře generátor signálu vyhovuje pro danou aplikaci. Zajištění dobrého fázového šumu na  všech rozsazích frekvencí při  zachování rychlosti přepínání bylo hlavním cílem naší řady APLC.
 
Kromě standardní reference 100 MHz může mít APLC volitelně stabilnější reference s nízkým driftem na bázi OCXO 10 MHz (volby LN a LN+). Navázání oscilátoru 100 MHz výrazně snižuje úroveň fázového šumu (0 až 100 Hz). Roční míra stárnutí se zlepšuje na úroveň 20 ppb.
 
Vynikající vlastnosti fázového šumu reference 100 MHz ve spojení s inovativními obvody frekvenční syntézy zajišťují pozoruhodně nízkou úroveň fázového šumu v oblasti středního offsetu.
 
V rozsahu vysokého offsetu nebyl záměrně použit žádný filtrační mechanismus podobný YIG, jako je tomu u jiných zdrojů signálu AnaPico, což umožňuje rychlé přepínání zdroje signálu.
 
Obrázek 2 znázorňuje výkon fázového šumu generátorů signálu APLC vybavených volitelným modulem LN v jednom postranním pásmu (SSB). Vynikajícího fázového šumu je dosaženo v celém rozsahu offsetu a v rozsahu signálových frekvencí až do 54 GHz. Jak je patrné z naměřených výsledků, při nosné frekvenci 10 GHz dosáhl APLC při offsetových frekvencích 10 Hz a 20 kHz hodnot -90 a -130 dBc/Hz.

Dalším zásadním aspektem souvisejícím s kvalitou signálu je čistota signálu charakterizovaná harmonickými, subharmonickými a úrovněmi rušivého signálu. Nízké úrovně všech typů nežádoucích signálů jsou nezbytné pro minimalizaci zkreslení signálu, pro vznik menšího množství rušivých signálů s nižší úrovní, a tím i pro zlepšení přesnosti a citlivosti celého systému.
 
Díky kombinaci přístupu k návrhu obvodů, filtraci a optimalizaci frekvenčního plánu se zdroje signálu APLC vyznačují špičkovými parametry pro všechny úrovně harmonických a neharmonických signálů. Například při frekvenci 10 GHz dosahuje potlačení harmonických a neharmonických signálů hodnot -50 a -85 dBc.

V mikrovlnném frekvenčním pásmu je dosažení vysokého výstupního výkonu klíčové. Abychom vyřešili ztráty vznikající při vyšších frekvencích, rozhodli jsme se instalovat více výstupních zesilovačů, které pokrývají celý frekvenční rozsah od kHz do 54 GHz. Díky této architektuře dosahuje výstupní výkon v kmitočtovém rozsahu 30 až 40 GHz přibližně 22 dBm, a v rozsahu 40 až 54 GHz stále přesahuje 15 dBm. Toto vylepšení zajišťuje dostatečné úrovně výkonu v širokém spektru frekvencí s dobrým potlačením harmonických, což splňuje náročné požadavky mikrovlnných aplikací.

V aplikacích, jako je testování radarů, je kvalita pulzních signálů se spojitými vlnami (CW) pro ověření výkonu nejdůležitější. Generátor signálu musí být schopen generovat impulsy s úzkou šířkou a rychlými dobami náběhu a poklesu při vysoké opakovací frekvenci.
 
Pro pulzní modulaci se běžně používají atenuátory a přepínače, aby se dosáhlo rychlých přechodových časů. Pro dosažení vysokého poměru ON/OFF při zachování rychlého přepínání mezi stavy se v řadě APLC používají vícestupňové spínače. Dosáhli jsme poměru zapnutí/vypnutí 100 dB a šířky pulzu 10 ns, přičemž typická doba náběhu/spádu je přibližně 2 až 3 ns. Obrázek 4 ukazuje dva takové impulsy o šířce 30 ns a při frekvenci 10, resp. 50 GHz.

APLC se svou propracovanou konstrukcí, optimalizovanou také pro frekvenční změny, dosahuje nejlepší rychlosti přepínání ve své třídě (generátory analogových signálů), která je typicky 15 μs. Tato rychlost přepínání má význam zejména v systémech automatizovaných testovacích zařízení (ATE), kde rychlejší přepínání může výrazně urychlit proces ověřování. Řada APLC přichází jako první model, který překonává kompromis mezi úrovní fázového šumu, rušením a rychlostí přepínání a nabízí bezkonkurenční výkon v obou aspektech současně.
 
Další důležitou aplikací pro generátory s rychlým přepáním frekvencí je generování rychle se měnících radarových pulzů nebo rychlých frekvenčních skoků. Vícekanálové generátory signálů APLC s vlastní fázovou koherencí a volitelnými funkcemi fázové paměti lze navíc cenově výhodně použít ke generování vícekanálových signálů pro anténní pole, které se používají pro testování radarů a formování svazku.

Vícekanálové generátory signálů APLC-X se vyznačují silnou fázovou koherencí a jedinečným fázově koherentním přepínáním. Zatímco základem fázové koherence je použití společné stabilní a přesné frekvenční reference pro digitální syntézu signálu ve všech kanálech, pečlivá tepelně-mechanická konstrukce zajišťuje velmi podobné podmínky pro všechny kanály a vede k podobnému chování kanálů při driftu a tím dále zvyšuje úroveň fázové koherence. Navíc díky vlastnímu mechanismu vysokofrekvenční synchronizace mezi více zařízeními AnaPico rozšiřuje vlastnosti fázové koherence na mnohokanálové systémy.

Obrázek 5 znázorňuje naměřenou fázovou koherenci APLC-X. Při nastavení dvou kanálů APLC-X na stejnou frekvenci 38 GHz lze po dobu 10 hodin měřit relativní RMS odchylku fázového rozdílu. Při měření téhož na dvou kanálech ze dvou různých a synchronizovaných zařízení APLC-X lze pozorovat velmi podobné chování fázové koherence.


Kromě funkce fázové koherence zabudované v základních zařízeních APLC-X implementovala společnost AnaPico na platformě APLC-X také jedinečnou funkci fázově koherentního přepínání. Díky této volitelné funkci (volitelná funkce PHS) si APLC-X dokáže zapamatovat relativní fázové konstelace mezi více kanály v závislosti na frekvencích signálu. Paměťová funkce je stále účinná, i když jsou signálové kanály vypnuty a znovu zapnuty. Na obrázku 6 je vidět, že relativní fázová konstelace mezi kanály při určité frekvenci je stále stejná, a to i po změně frekvence kanálů. Jinými slovy, fázově koherentní přepínání neboli fázová paměť zajišťuje deterministické a reprodukovatelné fázové vztahy mezi více kanály.

Fázová koherence a fázově koherentní přepínání jsou vlastnosti umožňující použití v mnoha aplikacích. V radarových systémech založených na anténních soustavách a testovacích systémech inteligentního formování paprsku umožňuje systémům zapamatovat si důležité úhlové informace. V přístrojových systémech kvantové výpočetní techniky jsou tyto vlastnosti nezbytné pro vytváření konzistentních stavů qubitů, generování fázově sladěných manipulačních signálů qubitů a také pro snížení požadavků na kalibraci systému, čímž se zkracuje latence systému.

Ve srovnání s jinými komerčně dostupnými analogovými generátory signálu na trhu jsou popsané výkonnostní parametry řady APLC, jako je fázový šum, spektrální čistota, poměr zapnutí a vypnutí pulzu, rychlost přepínání atd., charakteristikami přístrojů vyšší cenové kategorie. Vývoj a dodávání vysoce výkonných a přitom cenově výhodných T&M přístrojů bylo vždy posláním společnosti AnaPico. S ohledem na to se často vyhýbáme používání drahých a komponent typu novinka a raději používáme sofistikovaný návrh obvodů, udržujeme modulární architekturu výrobků a dodáváme přístroje vysoce efektivní.

Díky výše popsaným vlastnostem a celkovému výkonu lze řadu APLC použít v mnoha aplikacích:

• testování VF a mikrovlnných součástek
• náhrada LO (local oscillator)
• testování přijímačů
• charakterizace ADC
• kalibrace přístrojů a systémů

Vícekanálové fázově koherentní generátory signálu APLC jsou vhodné zejména pro:

• testování vícekanálového a/nebo MIMO přijímače
• vysoce citlivé intermodulační testování
• generování signálů pro manipulaci s qubity v kvantové výpočetní technice
• automatizované testování s vysokou propustností
• testování inteligentních antén a formování paprsku
• testování radarů a EW

Generátory analogových signálů řady APLC společnosti AnaPico představují první zdroje signálů na trhu s pozoruhodnou kombinací vlastností: velmi nízký fázový šum, rychlé přepínání frekvence a amplitudy, velmi nízký obsah rušivých složek, čistá pulzní modulace, kompaktní konstrukce, nízká spotřeba energie, a přesto za přijatelnou cenu. Díky inovativní konstrukci lze zařízení provozovat buď z hlavního napájení, nebo v terénu z externí napájecí banky. Společnost AnaPico je prvním výrobcem, který zpřístupnil tuto úroveň schopností generátoru pro použití mimo laboratoř.
 
Řada APLC-X nabízí kompaktní a vysoce výkonné řešení pro generování vícekanálových fázově koherentních signálů. Díky synchronizaci více generátorů APLC-X prostřednictvím vlastního vysokofrekvenčního hodinového mechanismu AnaPico mohou uživatelé přizpůsobit svá nastavení specifickým potřebám, pokud jde o počet kanálů či RF a mikrovlnná frekvenční pásma, a přitom zachovat silnou fázovou koherenci a jedinečnou fázovou paměť.