Širokopásmový vysokofrekvenční generátor s nastavitelným výstupním výkonem

Rok / Year: 2011

Svazek / Volume: 13

Číslo / Number: 2

Širokopásmový vysokofrekvenční generátor s nastavitelným výstupním výkonem Wideband RF generator with adjustable output power Jiří Frydrych, Tomáš Urbanec [email protected], [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.

Abstrakt: V článku je ukázán návrh, realizace a měření vysokofrekvenčního generátoru v pásme 500 kHz až 4,4 GHz, který je založen na frekvenčních syntezátorech ADF4350. Generátor využívá principu směšování pro kmitočty do 2,2 GHz. Vyšší frekvence jsou získávány přímo z výstupu syntezátoru. Generátor je řízen mikroprocesorem Atmel AVR AT-mega32. Programové vybavení generátoru je napsáno v programu AVR studio v jazyce C. Realizovaný generátor je uložen v nerezové krabičce a je možné jej ovládat pomocí maticové klávesnice nebo PC.

Abstract: The paper shows the design, implementation and measurement of high-frequency generator in the range 500 kHz to 4.4 GHz, which is based on the ADF4350 frequency synthesizers. The generator uses the principle of mixing the frequencies to 2.2 GHz. Higher frequencies are obtained directly from the output of the synthesizer. The generator is driven by the Atmel AVR AT-mega32. Software generator is written in AVR Studio in C. Carried generator is stored in a stainless steel box and can be controlled using the keyboard or the PC matrix.

2011/8 – 8. 3. 2011

VOL.13, NO.2, APRIL 2011

Širokopásmový vysokofrekvenční generátor s nastavitelným výstupním výkonem Jiří Frydrych, Tomáš Urbanec Ústav radioelektroniky, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, VUT v Brně  Purkyňova 118, 612 00 Brno  Email: [email protected], [email protected]

Abstrakt – V článku je ukázán návrh, realizace a měření vysokofrekvenčního generátoru v pásme 500 kHz až 4,4 GHz, který je založen na frekvenčních syntezátorech ADF4350. Generátor využívá principu směšování pro kmitočty do 2,2 GHz. Vyšší frekvence jsou získávány přímo z výstupu syntezátoru. Generátor je řízen mikroprocesorem Atmel AVR AT-mega32. Programové vybavení generátoru je napsáno v programu AVR studio v jazyce C. Realizovaný generátor je uložen v nerezové krabičce a je možné jej ovládat pomocí maticové klávesnice nebo PC.

přímých větví a směšované větve jsou spojeny pomocí elektornických přepínačů. Výstupní úroveň signálu je možno řídit pomocí digitálně ovladatelného útlumového článku. Generátor je řízen pomocí mikroprocesoru AT-mega32.

1 Úvod Velmi často potřebujeme získat signály vyšších frekvencí s požadovanou stabilitou pro potřeby vysílačů, přijímačů bezdrátových sítí WIFI, WIMAX pro systémy mobilních komunikací, systémy s rozprostřeným spektrem nebo širokopásmové zdroje signálu pro laboratorní účely. Tyto zdroje jsou vytvářeny klasickými analogovými oscilátory, nebo moderními metodami, jako jsou přímá číslicová syntéza (DDS) nebo pomocí napětím řízeného oscilátoru s fázovým závěsem. Pro usnadnění konstrukce těchto zdrojů je nyní na trhu velké množství obvodů, které obsahují všechny části na jediném čipu. Obvod stačí doplnit pouze o krystalový oscilátor a o pasivní součástky. Tento článek popisuje návrh generátoru s frekvenčním rozsahem od 500 kHz do 4,4 GHz, který je řízen pomocí mikroprocesoru, jak je uvedeno v [1]. Základním prvkem je obvod ADF 4350 [2], což je syntezátor s integrovaným napětím řízeným oscilátorem (VCO) se smyčkou fázového závěsu (PLL). Je zde popsán detailní návrh vysokofrekvenční, řídící a napájecí části. Jsou ukázány navržené a realizované desky plošných spojů a popis řídícího programu mikroprocesoru a ovládání generátoru z PC.

2 Návrh generátoru Hlavní myšlenkou návrhu, jak je vidět na obr. 2.1, je využití dvou syntezátorů. Výstupy těchto dvou obvodů jsou směšovány dolů a tím je možné vytvořit teoreticky frekvence od 0 Hz. Výstup směšovače je zesílen a vyfiltrován kaskádou filtrů a zesilovačů. Signál je přiveden na vstup útlumového článku. Tímto způsobem budou generovány kmitočty od 100 kHz do 2,2 GHz. Vyšší frekvence od 2,2 GHz do 4,4 GHz jsou filtrovány dolní propustí a zesíleny pro sjednocení výkonových úrovní před útlumovým článkem. Signálové cesty

Obr. 2.1 Blokové schéma generátoru. 2.1 Vysokofrekvenční část Širokopásmový generátor využívá pro první část frekvenčního rozsahu směšování. Obvod ADF4350 č. 1, je rozlaďován od 3,3 GHz do 4,4 GHz. Tento výstup je filtrován dolní propustí (DP) o mezním kmitočtu 4,4 GHz. Jsou použity dva filtry typu dolní propust. Jelikož je nutné vstup LO směšovače budit vyšším výkonem, než poskytne ADF 4350, musí být do této větve zařazen zesilovač. Obvod ADF4350 č. 2, je rozlaďován od 2,2 GHz do 3,3 GHz. Výstup tohoto obvodu je také filtrován DP o mezním kmitočtu 3,3 GHz. Opět bylo použito kaskádní řazení dvou DP. Tento signál vstupuje do vstupu RF směšovače. Podle frekvenčních rozsahů jednotlivých vstupů byl vybrán směšovač SIM–83LH+ [3]. Tento obvod je dvojitě vyvážený diodový směšovač s rozsahem výstupních frekvencí IF od 0 do 3 GHz. Vstupy LO i RF mají rozsah vstupních frekvencí od 1,7 GHz do 8 GHz. Výkonová ztráta při směšování je typicky 6 dB. Na vstupní bránu LO musí být přiveden signál s úrovní od 7 dBm do 13 dBm, vhodná úroveň je 10 dBm. Pro dosažení této úrovně jsme zvolili zesilovač GALI-21+ [4]. Frekvenční rozsah zesilovače je od 0 Hz do 8 GHz a zisk zesilovače je obvykle 12 dB. Tento zesilovač je použit v celém generátoru několikrát. Druhý vstup směšovače (RF) nemá omezen minimálním vstupním výkonem, proto jsou použity dvě DP v kaskádě. Výstupní úroveň směšovače závisí na vstupu RF. Pro výkonovou bilanci je zvolena ztráta při směšování 8 dB. Výstupní úroveň po směšování je v rozsahu -16 dBm až -7 dBm. Pro vyrovnání výkonových úrovní před útlumovým článkem je potřeba výstup směšovače dostatečně zesílit a vyfiltrovat. Použití dvou zesilovačů v kaskádě odpovídá požadovanému zesílení. Výstupní

8–1

2011/8 – 8. 3. 2011

VOL.13, NO.2, APRIL 2011

úroveň před útlumovým článkem je 4 dBm až 13 dBm. Druhá část generovaných kmitočtů je vytvořena z komplementárního výstupu RFoutA a výstupu FRoutB, jak je vidět na obr. 2.2. Kmitočtový rozsah od 2,2 GHz do 4,4 GHz je rozdělen na dvě větve, tak aby filtrováním byla potlačena druhá harmonická nižších kmitočtů VCO. Výstupní úroveň před atenuátorem je od 6 dBm do 15 dBm. Blokové schéma VF části s rozborem výkonových úrovní je zobrazeno na obr. 2.2.

Obr. 2.3 Zapojení jednotlivých větví.

Obr. 2.2 Blokové schéma VF časti. Spojení signálových větví může být provedeno několika způsoby. Nejlepším způsobem je použití vysokofrekvenčního spínacího prvku. Pro spojení větví jsme zvolili spínací prvek, vyráběný firmou Hittite, HMC270MS8G [5], maximální vstupní výkon spínače je 24 dBm. Tento spínač pracuje od 0 Hz do 8 GHz. Izolace spínaných kanálů je od 40 do 50 dB. Izolace mezi kanály je frekvenčně závislá. Ztráta při průchodu spínačem je obvykle 1 dB. Posledním blokem je útlumový článek HMC540lp3 [6] od firmy HITTITE. Tímto obvodem je možné snížit výstupní úroveň od 0 dB až o 15 dB. Výstupní úroveň generátoru je tedy nastavitelná od -12 dBm do 12 dBm. Pro generátor jsou vybrány filtry od společnosti MINICIRCUITS. V tomto generátoru byly použity tři mezní frekvence filtrů. První mezní frekvencí je 4,4 GHz, druhá 3,3 GHz, třetí 2,2 GHz. Jsou zvoleny filtry LFCN-3800+ [7] s mezní frekvencí 4,85 GHz, filtr LFCN-2850+ [7] s mezní frekvencí 3,32 GHz, filtr LFCN-2000 [7] s mezní frekvenci 2,275 GHz. Pouzdro těchto filtrů je FV1206. Je to typické pouzdro 1206, které má ve středu vyvedeny zemnící kontakty. Zapojení jednotlivých větví je zobrazeno na obr.2.3.

Střídavá analýza jednotlivých větví se vstupním výkonem 0 dBm je zobrazena na obr.2.4. Simulace byla provedena pomocí programu ANSOFT designer. Hodnoty S parametrů filtrů a zesilovače byly získány z [3] a [8] ve formátu S2P. Modrou barvou je znázorněna větev od výstupu RFoutB+ (obvod č. 1.) do vstupu LO směšovače. Zesílení této větve je od 12 dB do 10 dB. Během návrhu byl umístěn do této větve π-článek, který umožňuje provést korekci výkonové úrovně, aby bylo možno docílit vhodné úrovně na vstupu LO směšovače. Zelenou barvou je znázorněna větev od výstupu RFoutA+ (obvod č. 2.) do vstupu RF směšovače, která tlumí na kmitočtu 3 GHz 2 dB. Výstupní větev od vstupu IF směšovače je znázorněn červenou barvou. Na mezní frekvenci filtru 2,2 GHz, je zisk 17 dB. Hnědou a černou jsou zobrazeny výstupy bez směšování. Hnědou barvou je znázorněna větev, která je složena ze zesilovače a filtru s mezním kmitočtem 4,85 GHz. Potlačení tohoto filtru s rejekcí je menší než 30 dB. Černou barvou je znázorněna druhá přímá větev, která má stejné složení jen mezní frekvence filtru je 3,3GHz.Potlačení je menší jak 30 dB.

Obr. 2.4 Frekvenční charakteristiky jednotlivých větví. Pro řízení tohoto generátoru je potřeba mikroprocesor, který obsahuje sériové komunikační rozhraní (SPI) pro řízení obvodů ADF 4350. Další komunikační rozhraní, jak je vidět na obr. 2.1, je UART pro komunikaci s PC. Mikroprocesor by měl obsahovat dostatečný paměťový prostor. Byl vybrán mikroprocesor AT-mega32 [9] s pamětí 32 kB. Pro nedostatečný počet portů mikroprocesoru je použit obvod 74HC139, který byl připojen ke klávesnici a byl použit pro spínání napájení zesilovačů GAL-21+. Generátor ještě obsahuje DPS s klávesnici a displej. 8–2

2011/8 – 8. 3. 2011

VOL.13, NO.2, APRIL 2011

3 Realizace 3.1 Software Na obr.3.1 je vývojový diagram programu. Prvním blokem je inicializace periferií. Inicializace je nastavení daných portů, typů komunikací a nastavení registrů, které není nutno měnit v běhu programu. Patří sem hlavně inicializace displeje, SPI komunikace, UART komunikace, řízení atenuátoru. Další částí je řízení ruční nebo pomocí PC a poslední výkonná část je společná. Tato část je rozdělena na čtyři podčásti. První je režim generovaní nastaveného kmitočtu a výkonu. Druhý je manuální krokovací režim. Zde stačí nastavit počáteční frekvenci, konečnou frekvenci a krok. Po stisku tlačítka se generátor přeladí automaticky o krok. Třetí režim je režim rozmítaní frekvence s nastaveným zpožděním mezi přeladěním. Parametry jsou stejné jako u předcházejícího režimu, doplněny o interval. Poslední režim je krokování výkonu s krokem 1 dB. V tomto režimu je nutno nastavit frekvenci, počáteční a konečný výkon.

časový interval. Musí být nastaveny všechny parametry, jinak nezačne generování. To je provedeno pomocí řetězců c, d, e (jednotky jsou stejné jako u *FREK). Řetězec f nastavuje časový interval mezi kmitočty. Nejnižší možné nastavené zpoždění je 100 ms a nejvyšší je 4 s. Generátor obsahuje ještě funkci pro změnu výkonu s krokem 1 dB na zadané frekvenci. Kmitočet je nastaven pomocí řetězce c, výkon je nastaven pomocí řetězců g a h. Tento generátor je možno například ovládat pomocí programu MATLAB. Na následujícím obr.3.2 je uveden příklad přepnutí na ovládání pomocí PC, nastavení frekvence 3 GHz a výstupní výkon 2 dBm.

a b c d e f g h

Příklad řetězce *FREK 300000 kHz *POUT 1 dBm *FSTA 300000 kHz *FSTO 200000 kHz *FKRO 200 kHz *INTE 2000 ms *PSTA -10 dBm *PSTO 0 dBm

MIN 100k -12 100 100 100 100 -12 1

MAX 4,4G 12 4400 4400 4400 4000 12

Jednotky kHz,MHz,GHz dBm kHz,MHz,GHz kHz,MHz,GHz kHz,MHz,GHz ms dBm dBm

Tabulka 3.1. Tabulka řízení pomocí PC. Close all; Clear all; s=serial('COM5','Baudrate',9600,'Parity', 'none','DataBits',8,'StopBits',1, 'Terminator',''); PC='*RST'; F='*FREK 3 GHz'; P='*POUT 2 dBm'; fopen(s); fwrite(s,PC); fclose(s); fopen(s); fwrite(s,F); fclose(s); fopen(s); fwrite(s,P); fclose(s); Obr. 3.2 Příklad programu v programu MATLAB. 3.2 Konstrukce Obr. 3.1 Vývojový diagram generátoru. Jak je vidět z vývojového diagramu, je generátor řízen manuálně anebo pomocí sériové linky. Po zapnutí přístroje a vypsání, „STISKEM D VSTUP DO MENU“, je možno generátor ovládat pomocí PC. Přepnutí ovládání na PC je provedeno pouze řetězcem „*RST“ a opětovné přepnutí ovládaní na klávesnici řetězcem „*OVLAD“. Ovládaní z PC má dva režimy, normální a krokovací. Parametry jsou krokovány s nastaveným intervalem. V normálním režimu, jak je vidět v tabulce 3.1, je nastavení generované frekvence provedeno pomocí řetězce a. Program rozlišuje jednotky kHz, MHz, GHz (stejná hodnota 3000 MHz, nebo 3 GHz). Hodnota musí být celočíselná. Důležité je v řetězci dodržet mezery. Řetězcem b je nastaven výstupní výkon generátoru. Pro režim krokování je potřeba nastavit počáteční a konečnou frekvenci krokování, frekvenční krok a

Jako substrát pro vysokofrekvenční desku plošného spoje byl zvolen ARLON 350. Tento materiál má velmi dobré vlastnosti. Jeho relativní permitivita εr = 3,5, která je teplotně stálá. Tloušťka tohoto materiálu je h = 0,8 mm a ztrátový činitel je velmi nízký tgδ = 0,0026. Pro tento materiál je podle [9] vypočtena šířka 50 ohmového vedení 1,78 mm podle [8]. Desky plošných spojů byly vyrobeny fotocestou v dílně na UREL FEKT VUT v Brně. Na vysokofrekvenční desce jsou vzdálenosti mezi spoji 0,26 mm a na řídicí desce 0,25 mm, a proto byly předlohy vytisknuty na folii. Všechny podklady pro výrobu jsou uloženy v [1]. Na obr. 3.3 je vidět kompletně osazená a zapájená vysokofrekvenční deska. Deska má rozměry 100 x 80 mm.

8–3

2011/8 – 8. 3. 2011

VOL.13, NO.2, APRIL 2011

4.2 Výstupní výkon Frekvenční závislost výstupního výkonu pro nastavené hodnoty -12, -5, 0, 3, 5 a 12 dBm je zobrazena na obr.4.1. Nastavené výstupní úrovně jsou pro směšovaný kmitočet konstantní do frekvence 100 MHz. Pro vyšší frekvence lineárně klesají. Nastavené hodnoty teoretického výkonu odpovídají výkonům na frekvenci 3000 MHz. Pro nejnižší frekvenci syntezátoru 2200 MHz jsou úrovně výkonů od -7,5 dBm do 8 dBm. Minimální výkon pro frekvenci 4400 MHz je -20 dBm a maximální hodnota je 1 dBm. P [ dBm ]

12 10 8 6 4 2 0

Obr. 3.3. Osazená VF deska. Řídící deska obr. 3.4 byla vyleptána pouze z horní strany. Spodní strana je celistvá zemnící plocha. Rozměry této desky jsou 70 x 63 mm.

-2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -16 -18 -20 100

1000

10000

-12 dBm

- 5 dBm

100000

0 dBm

3 dBm

5 dBm

1000000

10000000

F [ kHz ]

12 dBm

Obr. 4.1 Frekvenční závislost výstupního výkonu.

Obr. 3.4 Osazená řídící deska.

Na obr. 4.1 je znázorněno měření pro několik nastavených výkonů. Body jsou naměřené hodnoty a čáry jsou trendy proloženy lineárně naměřenými hodnotami. Tato frekvenční výkonová nelinearita je způsobena budícími syntezátory. Tuto nepřejemnou situaci je možno odstranit zavedením frekvenční závislosti výstupního výkonu. Tato funkce nebyla implementována, jelikož se jedná o prototyp. Tento generátor by se dal použít po odstranění chyb pro jednoduchá kontrolní měření a také jako servisní přístroj, jelikož je možné jej napájet 12V baterií.

4 Měření prototypu

4.3 Spektrální čistota

Generátor byl proměřen pomocí spektrálního analyzátoru firmy AGILENT E4440A s mezní frekvencí 26,5 GHz. Změřili jsme výkonové charakteristiky pro celé pásmo přeladění a pro různé výstupní výkony. Také jsme změřili odstup signálu od druhé harmonické frekvence.

Spektrální čistota je rozdíl první a nevyšší další harmonické. V přímých větvích je větší než u směšovaných kmitočtů. Druhá harmonická byla potlačena použitými filtry na úroveň šumu.

4.1 Frekvenční rozsah

SP [ dB ]

46 44 42 40 38 36

Frekvenční rozsah generátoru je od 500 kHz do 4400 MHz. Dolní kmitočet byl při návrhu stanoven na 100 kHz. Tento kmitočet je možno získat, ale výstupní úroveň první a druhé harmonické se liší méně než 10 dB. Minimální krok přeladění je nastaven na 100 kHz. Principiálně je možný i menší krok. Minimální krok je dán minimálním krokem ve zlomkovém tvaru v syntezátoru ADF4350. Tento krok byl nastaven na 3,3 kHz. Tento krok je variabilní a je možno jej nastavit podle potřeby. Jeho velikost je dána vstupní referenční frekvencí oscilátoru. Doporučení je nastavit vnitřní krok nejméně třikrát menší než je krok výstupního signálu. 8–4

34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 100

1000

10000 - 12 dBm

100000 3 dBm

5 dBm

1000000 12 dBm

Obr. 4.2 Frekvenční závislost spektrální čistoty.

10000000

F [ kHz ]

2011/8 – 8. 3. 2011

VOL.13, NO.2, APRIL 2011

Pouze pro výkony nad 3 dBm se vyskytují poloviční frekvence, které jsou potlačeny více než o 20 dB.Na obr.4.2 je kmitočtová závislost spektrální čistoty. Zelenou barvou je znázorněn výkon 12 dBm. Na tomto průběhu je vidět přebuzení směšovače. Optimální výstupní výkon generátoru pro směšované kmitočty je 3 dBm. Strmý pokles spektrální čistoty na kmitočtu 2000 MHz je způsoben průnikem frekvence z RF, jelikož je mezní frekvence DP 2275MHz, není frekvence dostatečně potlačena. Na obr. 4.3 je spektrum nastaveného kmitočtu 4,4 GHz. Obr. 4.4 je spektrum směšovaného signálu 269 MHz. Na tomto obrázku jsou vidět všechny harmonické složky.

výstupního výkonu. Zařazením zesilovače s nastavitelným ziskem a útlumového článku. Pokles spektrální čistoty v okolí kmitočtu se odstraní změnou ADF 4350 č. 1 za jiný syntezátor nebo použitím děličky a vhodnou filtrací. Pro jednoduchá orientační měření je generátor použitelný od frekvence 2,2 GHz do 4,4 GHz, kde je spektrální čistota větší jak 30 dB. Pro nižší kmitočty může být generátor požit jako servisní. Po provedení uprav (viz. výše), bude možno použít generátor v celém pásmu pro měření.

Poděkovaní Vznik tohoto článek byl podpořen projekty Grantové agentury České republiky č. 102/09/P297, výzkumným projektem Ministerstva školství, č. MSM 0021630513 a interním grantem Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického, evidenční č. FEKT-S-10-16.

Literatura [1] FRYDRYCH, Jiří, VF generátor do 4.4 GHz s obvodem ADF 4350, Brno, Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně, 2010. Diplomová práce. [2] Analog Devices: ADF4350 Wideband Synthesizer with Integrated VCO [online]. Analog Devices, 2008, URL: < http://www.analog.com>. Obr. 4.3 Spektrum pro nastavenou frekvenci 4400 MHz.

[3] Mini-Circuits: SIM–83+ Wideband frequency mixer , DC to 20 GHz [online]. Mini - Circuits, 2007, URL: < http://www.minicircuits.com>. [4] Mini-Circuits: GALI–21+ Broadband Monolithic Amplifiers, DC to 8 GHz [online]. Mini-Circuits, 2009, URL: < http://www.minicircuits.com>. [5] Hittite: HMC270MS8G - SPDT Non-Reflective Switch SMT, DC to 8 GHz [online]. Hittite, 2008, URL: < http://www.hittite.com>. [6] Hittite: HMC540LP3 - 1dB LSB 4-Bit Digital Attenuator SMT, DC to 5.5 GHz [online]. Hittite, 2008, URL: < http://www.hittite.com>.

Obr. 4.4 Spektrum pro nastavenou frekvenci 269 MHz.

5 Závěr

[7] Mini-Circuits: LFCN-3800+, LFCN-2800+, LFCN-2000 LP filtr [online]. Mini - Circuits, 2007, URL: < http://www.minicircuits.com>. [8] HANUS, Stanislav, SVAČINA, Jiři: Vysokofrekvenční a mikrovlnná technika [online]. Brno, Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně, 2002. Elektronicka skripta, URL: <www.feec.vutbr.cz >.

V této práci je popsán návrh, konstrukce a měření širokopásmového generátoru, který je založen na obvodu ADF 4350 od firmy Analog Devices. Je zde představeno ovládaní a [9] Atmel: 8-bit AVR Microcontroller with 32K Infunkce syntezátoru. V dalších částech je vysvětlen postup [online]. návrhu generátoru. Návrh je rozdělen na obecnou a detailní System Programmable Flash, ATmega32 Atmel, 2003, URL: < http://www.atmel.com>. část. Detailní návrh je složen z vysokofrekvenční části a části pro ovládání. Bylo vytvořeno také programové vybavení generátoru. Je zde uvedena kapitola pojednávající o realizaci a měření na vyrobeném prototypu. Výhodou tohoto generátoru je široké kmitočtové pásmo, nastavitelný výstupní výkon, krokování hlavních parametrů (f, P) a jeho ovládání pomocí počítače. Nevýhodou je pokles výkonu s rostoucí frekvencí, tento jev se dá odstranit zařazením frekvenční závislostí 8–5