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DESARROLLO DE OSCILADORES DE ZAFIRODESARROLLO DE OSCILADORES DE ZAFIRO DE BANDA C DE ULTRA BAJO RUIDO DE FASE

Nicolás A. Shtin, José Mauricio López RomeroDivisión de Tiempo y Frecuencia, CENAM, Queretaro, Qro. 76246, México

NOTAS QUE DEBEN AGREGARSE A LAS PRESENTACIONES DEL PERSONAL DEL CENAM

NOTA 1 Este trabajo ha sido desarrollado con recursos del gobierno federal de México Sólo se permite su reproducción sin fines

p y , , Q , Q ,

NOTA 1. Este trabajo ha sido desarrollado con recursos del gobierno federal de México. Sólo se permite su reproducción sin finesde lucro y haciendo referencia a la fuente.

NOTA 2. En este documento pueden aparecer marcas comerciales únicamente con fines didácticos y a fin de lograr unentendimiento claro de las técnicas y procesos descritos. En ningún caso esta identificación implica recomendación o aval delCENAM o de alguna otra institución del gobierno federal de México, ni tampoco implica que los equipos o materiales identificadosCENAM o de alguna otra institución del gobierno federal de México, ni tampoco implica que los equipos o materiales identificadossean necesariamente los mejores para el propósito para el que son usados. El CENAM y las demás instituciones no tienencompromisos con ninguna marca comercial en particular.

CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM, DERECHOS RESERVADOS 2009

Contenido

1. Resumen

2. Antecedentes

3. Resonadores de Zafiro de onda viajera

4. Osciladores de Zafiro con estabilización combinadade frecuenciade frecuencia

5. Trabajo para el futuro5. Trabajo para el futuro


Resumen

En el presente trabajo se reporta el diseño, caracterización y análisis delruido de osciladores de microondas de muy bajo ruido de fase basados enresonadores de cristal de zafiro. El desarrollo de dichos osciladores esresonadores de cristal de zafiro. El desarrollo de dichos osciladores esrealizado en el CENAM con el objetivo de contar con generadores demicroondas de muy alta estabilidad de frecuencia a corto plazo para serutilizados como osciladores locales en patrones primarios de frecuencia yp p yen algunos otros proyectos como el patrón de tensión eléctrica basado en elefecto de Josephson, en el patrón de frecuencia de banda óptica (peine defrecuencias) y para la realización de mediciones del “jitter” en los sistemasde telecomunicaciones. Para lograr este objetivo se han diseñado,construido y caracterizado osciladores de zafiro para la frecuencia de 4.6GHz basados en la técnica de estabilización combinada de frecuencia.


Antecedentes

El ruido de fase de la señal en la salida de un oscilador se representa como laEl ruido de fase de la señal en la salida de un oscilador se representa como lasuperposición del ruido de fase de amplificador y del ruido de frecuencia. Elruido total esta dado por la ecuación de Leeson:

( ) ( )2

1osc amp resfS f S fφ

⎛ ⎞⎛ ⎞⎜ ⎟= + ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟

( ) ( ) 12m m

eff m

S f S fQ fϕ φ

⎜ ⎟+ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠

En esta ecuación los ruidos se definen en el dominio de frecuencia y serepresentan con sus densidades espectrales Sϕ

amp(fm) and Sϕosc(fm), donde fm es

la frecuencia de Fourier, la cual se define como el corrimiento de frecuencia al,respecto a la frecuencia fundamental de oscilación.


Antecedentes

Z2

Z1

RL

TL2

TL3N. A. Shtin, J. M. Lopez Romero and E.

Q=250,000

Z3

WGR

SiGe HBTβ TL1

TL3 Prokhorov, “Design and Performance of UltraLow Phase Noise Reflection WhisperingGallery Resonator Oscillator,“ Microwaveand Optical Technology Letters, Vol. 49, No 8,pp. 2026-2030, 2007.TL4 TL5TL6pp. 2026 2030, 2007.

4

5

0.5

1

1.5

l)

WGH7,1

,1

Mag

nitu

de

100

200

WGH8,1,1

deg

2

34.977 4.979 4.98 4.981 4.9830

1

0

1

2

Mag

(Gop

l

WGH8 1 1

WGH7,1,1

Phas

e 0

WGH

WGH7,1,1

arg(

Gop

l), d

2 4 6 8 100

14.977 4.979 4.98 4.981 4.9832WGH8,1,1

WGH9,1,1

2 4 6 8 10200

100WGH9,1,1


Frecuencia, GHz Frecuencia, GHz

Antecedentes

WGRO 1

4 9 9 GH

SR780

4.979 GHz

Fref

0.955...1.025 MHz

PLL PeregrinePE3236

FVCOWGRO 2

760...800 MHz

VCO

∆F = 10 Hz

4.980 GHz

90

110

100

90

3

z

120

110

130

120

133−

(Fm),

dBc/

Hz

140

130

(Fm

), d

Bc/

Hz

PLL with sinewave signal

PLL with sinewave to

2 2.5 3 3.5150

140L(

3 3.5 4 4.5160

150

L PLL with sinewave to squarewave converter

PLL with squarewave signal


.log(Fm)log(Fm)

Antecedentes

Configuraciones de osciladores con estabilización combinada de frecuencia (Ivanov et al UWA)frecuencia (Ivanov et. al. UWA)

MWAmp

Salida

φ

p

β1β2

Salida

φ

MWAmp

Resonador

φ

α

φrefResonador

β1β2

D t t R l d

Circulador

PD

LNADiscriminador de frecuenciaPD

Detectorde fase

φ

Filtro de bucle Reguladorde fase

L(1kHz) = -124 dBc/Hz, banda X L(1kHz) = -150…160 dBc/Hz, banda X


Resonador de Zafiro de Onda Viajera

20

10

0

S31

nitu

d, d

BWGR

10 5 0 5 1040

30

.

.

S21

3

Mag

n

WGRSalidaβ1β2

Entrada P1

S i

Salida P3

1

2

φ31

φ21

Fase

, rad

WGRβ2β1

DW DW

Entrada P1

Salida P3

Salida de onda reflejada P2

∆F10 5 0 5 100

.

φ31

D. P. Tsarapkin, N. A. Shtin, “Whispering gallery traveling wave interferometer for low phase noise applications ” Proc 2004 IEEE IFCS pp 762-765

Salida de onda reflejada P2


for low phase noise applications, Proc. 2004 IEEE IFCS pp. 762-765.


Excitadores ortogonales

je2P4S21ortogonales

+

21

tran

smis

ión,

dB

e10º0º

0º

Φ1+ Φ2

+

Φ2- P1

P2

S31

SCoe

ficie

nte

de t

Excitadores ortogonales

0

-180º Φ1-

TW

Frecuencia, Hz

S41

gP3

( )( )( )( )

( / 2 )( )01 02

( / 2 )( )01 02

( , ) Re

Re

j tj t

j tj t

t e j e

e j e

ν ϕ π ωνϕ ω

ν ϕ π ωνϕ ω

ϕ − −+ − +

− − −− − − −

Φ = Φ + Φ

+ Φ + Φ( )01 02Re e j e+ Φ + Φ

( )( )0( , ) Re 2 j tt e νϕ ωϕ + −Φ = Φ

01 02 0Φ =Φ = Φ

N. Shtin, J. M. Lopez Romero and E. Prokhorov, “Novel Sapphire Directional Filters for


Application to Ultra Low Phase Noise Oscillators,“ in proc. ICEEE-CIE 2006, pp. 403-407.


Filtro direccional de 4 puertasFiltro direccional de 2 puertas

P1

β1

Entrada P1 P3

β1 β2

Entrada TransmisiónP1

P2

WGR

AcopladorS lid d

P2

3

P4

WGR

D l dSalida de

β2

AcopladorSalida de onda reflejada β1 β2

Desacopladoonda reflejada

/211DF jS e πδ=

S21

S31

dB/2

21 11DF WGR jS S e π=

S11

S41S i

j d


∆F

Resonador de Zafiro de Onda Viajera10

10WGH7,1,1

B B

30

20 S21

10

0 WGH6,1,1 WGH8,1,1

rans

mis

ión,

dB

rans

mis

ión,

dB

40S41

20

efic

ient

e de

tr

efic

ient

e de

tr

9 9 9 9 9 9

60

50

S31

4000 4250 4500 4750 500040

30Coe

Coe

4.5695.109 4.5696.109 4.5697.109 4.5698.109 4.5699.109 4.57 .109

.Frecuencia, HzFrecuencia, Hz

WGH7 1 1 F = 4.5697 GHzP1 P3β

.

WGH7,1,1 Fres 4.5697 GHz

Q0 = 350,000

β

βWGR

β


βP4 P2


0 0

S S

20

10

20

10

S21 S21

S31ffic

ient

, dB

ficie

nt, d

B

30 30

S11

S41

Tran

smis

sion

coe

f

rans

mis

sion

coe

ff

1 .105 5 .104 0 5 .104 1 .10550

40

2.5 .105 1.25 .105 0 1.25 .105 2.5 .10550

40

T Tr

Frequency, Hz Frequency, Hz


Oscilador de Zafiro de Onda Viajera

Realización experimental del oscilador de zafiro de 100 mW

f = 4,5712 GHz Q0 = 220,000 Pres= 100 mW


Oscilador de Zafiro de Onda ViajeraRealización experimental del oscilador de zafiro

mejorado de 300 mW

f = 4,5721 GHz Q0 = 350,000 Pres= 300 mW



Lazo principal del oscilador



N. A. Shtin, and J. M. Lopez Romero, “Medium Power C-Band Array Amplifier Featured Ultra Low Residual Phase


N S , J p , C y p UNoise“ Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 52, No 2, 2010. (to be published)


Sistema de supresión de ruido

140

150

140

Hz

HBT NESG2021

P t 0 dB

170

160

S(F m

), dB

c/H

Pout = +10 dBm

Pout = +6 dBm

Pout = 0 dBm

180

S Pout = +10 dBm

2 2.5 3 3.5 4 4.5190

.log(Fm)

( )1 180 /S kH dB H( )1 162 /ampS kH dB H ( )1 180 /systemS kHz dBc Hz∝ −( )1 162 /ampS kHz dBc Hzϕ ∝ −

N. A. Shtin, J. M. Lopez Romero and E. Prokhorov, “Design and Characterization of Low Phase Noise C-band SiGe HBT Amplifier “ in proc ICEEE-CIE 2007 pp 217-220


SiGe HBT Amplifier, in proc. ICEEE CIE 2007, pp. 217 220.


11540S

/Hz 125

120

20

30

S21

L(f m

), dB

c/

135

130 b

0

10

S11

dB

3 4 5145

140a

4000 4500 5000 550020

10

S11

fm, Hz10 100 1 .103 1 .104 1 .105

Espectro del ruido de fase del detector de fase para GLNA = 32 dB (curva a) y para GLNA = 42 dB (curva b )

Respuestas en frecuencia del amplificador de bajo ruido

Frecuencia, MHz

4000 4500 5000 5500

LNA ( ) y p LNA ( )j

Es de notar que el nivel del ruido 1/f es independiente de la potencia de la señal de entrada. Ladensidad del dicho ruido puede ser aproximada como a-1/fm, donde a-1 = 1.5×10-12 (rad2/Hz).


p p 1 fm 1 ( )


Ruido de fase del lazo principal de oscilador

60

140

100

f m),

dBc/

Hz

3 4 5180

140

L(f

Arreglo experimental para la medición del

10 100 1 .103 1 .104 1 .105

.

Para la frecuencia de Furrier de 1 kHz el

fm, Hz

gruido de fase de oscilador libre ruido de fase de los osciladores libres

resulto ser: OSC#1 -128 dBc/Hz,

OSC#2 -133 dBc/Hz



Estimación del ruido de fase−

⎛ ⎞2 2

0osc loop pdffq B(f )= f fϕ ϕ ϕβ β

⎛ ⎞+⎜ ⎟+ +⎝ ⎠

02 2

1 2

( ) ( )1

osc loop pdeffm m br pd la vps m

br eff

q BK K K K

K qL L +L (1)

donde B0 = f0/2Q0; β1 y β2 son los coeficientes de acoplamiento del resonador; Kpd, Klfa, Kbr y Kvps sonrespectivamente los coeficientes de transmisión del detector de fase, del amplificador del bajafrecuencia, del puente de cancelación de la portadora y del regulador de fase controlado por voltaje; elparámetro q ff caracteriza el cociente de la conversión FM-PM del resonador y se define como:

−1 1

1 1effq = ϕ−+ 1( )pd k

mkT NF af

P L fL =

parámetro qeff caracteriza el cociente de la conversión FM PM del resonador y se define como:

(2) (3)β β β β− + + +1 2 1 21 1effq ϕ Γ0

( )minc br mP L f

donde k es la constante de Boltzmann; TK es temperatura en Kelvins; Pinc es la potencia en la entrada

(2) (3)

del FD; NF es la figura de ruido del amplificador de bajo ruido incorporado en el DF; Lbr es el cociente de supresión de portadora del puente; Γ0 es un parámetro que describe las perdidas de reflección, el cual viene dado por:

( ) ( )β β β βΓ − + + +0 1 2 1 21 / 1= (4)


( ) ( )β β β βΓ + + +0 1 2 1 21 / 1 (4)


Estimación del ruido de fase

Para la estimación del ruido de fase del oscilador de 100 mW podemosasumir los siguientes parámetros: Pinc = 100 mW, f 0= 4.57 GHz, Q0 =asumir los siguientes parámetros: Pinc 100 mW, f 0 4.57 GHz, Q0220,000, β1 = 1.09, β2 = 0.15, NF = 1 dB, Lbr = 30 dB, GLNA = 32 dB,substituyéndolos en las ecuaciones (1-4) se obtiene la siguienteestimación: L OSC1(1 kHz) = -165 dBc/Hzestimación: L φ (1 kHz) = -165 dBc/Hz.

P l il d j d i d P 300 W f 4 57 GH QPara el oscilador mejorado asumiendo Pinc = 300 mW, f0 = 4.57 GHz, Q0 =350,000, β1 = 1.09, β2 = 0.15, NF = 1 dB, Lbr = 30 dB, GLNA = 32 dB seobtiene: L φ

OSC2(1 kHz) = -174 dBc/Hz.


Trabajo para el futuro

Medición de ruido de fase

F

SR780

FFref PLL PeregrinePE3236

FVCO

∆F = 10 Hz

FrefPLL PeregrinePE3236

FVCO

∆F = 10 Hz

740...750 MHz

CRO740...750 MHz

CRO

Oscilador

( ) ( ) ( )1 2system m system mcrossc m

S f S fS f

N+

= ( )1 175 /∝−systemS kHz dBc Hz10000awgN =


awgN

Trabajo para el futuro

Entrada DDS

MH

z10

Entrada WGROSalida

( )1 150 /∝−oscL kHz dBc Hz


References

[1] E. N. Ivanov, M. E. Tobar and R. A. Woode, "Advanced Phase NoiseS i h i f G i f l i iSuppression Technique for Next Generation of Ultra Low-Noise MicrowaveOscillators", in Proc. 1995 IEEE Int. Freq. Contr. Symp., pp. 314-320.[2] E. N. Ivanov, and M. Tobar, Low Phase-Noise Microwave Oscillators withI t f t i Si l P i T Mi Th d T h l 54Interferometric Signal Processing, Trans. Microwave Theory and Tech., vol. 54,No. 8, pp. 3284-3294, 2006.[3] N. Shtin, J. M. Lopez Romero and E. Prokhorov, Development of ultra lowphase noise oscillators at CENAM in Proc of the 22nd European Frequencyphase noise oscillators at CENAM, in Proc. of the 22nd European Frequencyand Time Forum (EFTF 2008), Toulouse, France, April 23-25, 2008.[4] N. Shtin, J. M. Lopez Romero and E. Prokhorov, Design and Performance ofUltra Low Phase Noise Reflection Whispering Gallery Resonator OscillatorUltra Low Phase Noise Reflection Whispering Gallery Resonator Oscillator,Microwave and Opt. Technol. Lett., Vol. 49, No 8, pp. 2026-2030, 2007.[5] N. Shtin, and J. M. Lopez Romero, Medium Power C-Band Array AmplifierFeatured Ultra Low Residual Phase Noise, Microwave and Opt. Technol. Lett.,Featured Ultra Low Residual Phase Noise, Microwave and Opt. Technol. Lett.,to be published.


pre t2-mie-6 [modo de compatibilidad] · para la frecuencia de furrier de 1 khz el fm, hz ruido de...

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