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Rubidium-Signalgeneratoren setzen neue Marktmaßstäbe für spektrale Reinheit und Stabilität

Signalgeneratoren

Alexander Chenakin, Suresh Ojha und Sadashiv Phadnis, Anritsu

Die neuen Rubidium™-Signalgeneratoren von Anritsu erfüllen die heutige Nachfrage nach Hochleistungs-Mikrowellensignalquellen zwischen 20 und 43,5 GHz.Basierend auf Innovation und Qualität übertreffen Rubidium-Signalgeneratoren die Leistungserwartungen mit einer Frequenzstabilität auf atomarer Ebene und einem sehr sauberen Phasenrauschen von –140 dBc/Hz mit 10 kHz Offset für einen 10 GHz Träger.

Signalgeneratoren sind ein Muss; moderne Technologien könnten ohne sie nicht existieren. [1,2] Um den heutigen Marktanforderungen gerecht zu werden, hat Anritsu die Rubidium-Serie eingeführt, eine neue Generation von Mikrowellen-Signalgeneratoren basierend auf innovativer Technologie [3], die eine breite Frequenzabdeckung, eine hervorragende Auflösung und eine hohe Ausgangsleistung mit einer niedrigen Phase kombiniert Rauschen und Stabilität auf atomarer Ebene. Der Kern des Synthesizers basiert auf einem 2- bis 20-GHz-YIG-Oszillator, der an einer direkt analog extrahierten und verteilten internen Referenz verankert ist, wie in Abbildung 1 gezeigt. Die native Frequenzabdeckung des YIG wird durch einen Frequenzvervielfacher und eine Frequenzweiche (gefolgt von ein Hochleistungsverstärker, Amplitudensteuerung und harmonische Filterung), um eine Abdeckung von 9 kHz bis 20 GHz oder 43,5 GHz zu erreichen. Das YIG-Ausgangssignal wird unter Verwendung eines direkten analogen Wandlers herunterskaliert, der jede Überkreuzung und damit Verschlechterung des Phasenrauschens in der PLL (Phase Verschlussschleife). In die PLL wird ein geschalteter Frequenzvervielfacher eingefügt, der (a) die Anzahl der vom direkten analogen Verteiler erzeugten Frequenzen verringert und (b) PLL-Restrauschen bei niedrigen Frequenzen unterdrückt.

Blockdiagramm
Abb. 1 Vereinfachtes Blockdiagramm des Kerns des Rubidium™-Synthesizers.

Als Ergebnis bietet die vorgestellte Architektur im Grunde einen rauschfreien PLL-Mechanismus, was bedeutet, dass sie das Synthesizer-Referenzrauschen übersetzt, ohne eine Verschlechterung des Phasenrauschens über der Grundwelle von 20 logN hinzuzufügen. Eine Referenz, die drei Quellen kombiniert, wird verwendet, um das geringstmögliche Phasenrauschen für jeden Frequenzversatz bereitzustellen. Darüber hinaus wird diese kombinierte Referenz von einer Rubidium-Atomuhr gesteuert, die im Vergleich zu einer herkömmlichen OCXO-basierten Referenz ein viel höheres Maß an Stabilität bietet. Der Betrieb der Rubidium-Uhr basiert auf fundamentalen Konstanten und nicht auf physikalischen Abmessungen, was sie extrem stabil macht. Für die Zeitmessung des Instruments stehen mehrere Referenzfrequenzen zur Verfügung, darunter ein hochfrequenter 1,6-GHz-Ausgang für maximale Wiedergabetreue.

Die Architektur der Rubidium-Signalgeneratoren bietet eine hohe Leistung in Bezug auf spektrale Reinheit und Stabilität. Phasenrauschen ist immer eine Schlüsselspezifikation für Signalgeneratoren. Rubidium-Signalgeneratoren bieten vier außergewöhnliche Rauschpegel von -140 dBc/Hz bei 10 GHz und 10 kHz Offset mit erweiterter Rauschoption, wie in Abbildung 2 gezeigt. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Frequenzstabilität. Herkömmliche Signalgeneratoren enthalten typischerweise 10-MHz-OCXO-Oszillatoren, deren Leistung relativ stabil ist. Die Schwingungsfrequenz eines OCXO-Oszillators hängt jedoch von der mechanischen Resonanz des Kristalls oder mit anderen Worten von den Abmessungen des Kristalls ab. Es ist ersichtlich, dass sich vor einer Temperaturänderung auch die Abmessungen des Kristalls ändern und dies zu kleinen Frequenzänderungen führt. Außerdem verdunstet das Kristallmaterial selbst mit der Zeit und dies beeinflusst die Frequenz. Daher verbessert die Einführung eines atomaren Standards die Stabilität der internen Zeitbasis erheblich, nicht um mehrere Vielfache, sondern um mehrere Größenordnungen.

Phasenrauschen
Abb. 2 Rubidium-Phasenrauschen bei 10 GHz.

Feldkalibrierung

Genauigkeit und Stabilität von Frequenz und Ausgangspegeln sind in einem Mikrowellensignalgenerator wesentlich. Herkömmliche Signalgeneratoren erfordern daher eine periodische Kalibrierung, die jedoch einen gewissen Aufwand darstellt. Unabhängig davon, ob sich das Kalibrierlabor in der Nähe oder im ganzen Land befindet, ist der Versand eines Instruments zur Kalibrierung zu einem kritischen Zeitpunkt eine teure und zeitaufwändige Option.

Um die Gesamtbetriebskosten zu senken, enthalten Rubidium-Signalgeneratoren eine Kalibrierungsfunktion, die ihre interne Zeitbasis und Ausgangsleistung vor Ort anpasst. Eine der Hauptaufgaben beim Kalibrieren einer Signalquelle ist das Einstellen der Zeitbasis, die letztendlich die Frequenzgenauigkeit des Instruments definiert. Glücklicherweise werden Rubidium-Signalgeneratoren mit einer Rubidium-Zeitbasis geliefert, die als eigenständiger Frequenzstandard gilt. Dadurch ist es in der Praxis in den meisten Fällen nicht notwendig, die Frequenz zu kalibrieren, was bei sensiblen Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt und Verteidigung sehr wichtig ist.

Rubidium-Signalgeneratoren enthalten einen globalen Navigationssystemempfänger, der ein Signal empfängt, das von einer hochpräzisen Atomquelle extrahiert wird, die an Bord eines die Erde umkreisenden Satelliten installiert ist. Der Ausgang des Empfängers ist ein Strom von 1-pps-Impulsen, der verwendet werden kann, um die interne Zeitbasis des Instruments anzupassen, um sie mit jedem Frequenzstandard zu synchronisieren, der von globalen Navigationssystemen angeboten wird. Dieser Abgleich erfolgt einfach per Mausklick, sodass der Signalgenerator nicht zur Werkskalibrierung eingeschickt werden muss. Ein weiteres wertvolles Merkmal dieses Signalgenerators ist, dass Sie einen USB-Leistungssensor anschließen können (siehe Abbildung 3). Der Leistungssensor ermöglicht die Leistungsmessung direkt in der Ebene des Prüflings und berücksichtigt so zusätzliche Verluste durch externe Kabel oder andere Geräte. Der Präzisions-Leistungssensor kalibriert auch die Ausgangsleistung des Instruments innerhalb bestimmter Grenzen je nach Bedarf und ohne Einsendung ins Werk.

Kurz gesagt, die neue Rubidium-Technologie bietet im Vergleich zu herkömmlichen Instrumenten eine überlegene Leistung. Mit ihrer hervorragenden spektralen Reinheit und Signalstabilität ist die Rubidium-Serie eine ideale Signalquelle für Design- und Fertigungstests von Komponenten und Systemen in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich drahtloser Kommunikation, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Unterhaltungselektronik.