Les générateurs de signaux au rubidium établissent de nouvelles références sur le marché en matière de pureté et de stabilité spectrales

Alexander Chenakin, Suresh Ojha et Sadashiv Phadnis, Anritsu

Les nouveaux générateurs de signaux Rubidium ™ d'Anritsu répondent à la demande actuelle de sources de signaux micro-ondes hautes performances entre 20 et 43,5 GHz. Basés sur l'innovation et la qualité, les générateurs de signaux Rubidium dépassent les attentes en matière de performances avec une stabilité de fréquence au niveau atomique et un bruit de phase très propre de -140 dBc / Hz avec un décalage de 10 kHz pour une porteuse de 10 GHz.

Les générateurs de signaux sont indispensables ; les technologies modernes ne pourraient pas exister sans eux. [1,2] Afin de répondre aux exigences actuelles du marché, Anritsu a introduit la série Rubidium, une nouvelle génération de générateurs de signaux micro-ondes basés sur une technologie innovante [3] qui combine une large couverture de fréquence, une excellente résolution et une puissance de sortie élevée avec une faible phase bruit et stabilité au niveau atomique. Le cœur du synthétiseur est basé sur un oscillateur YIG de 2 à 20 GHz ancré à une référence interne extraite et distribuée analogique directe, comme illustré à la figure 1. La couverture de fréquence native du YIG est étendue au moyen d'un multiplicateur de fréquence et d'un croisement (suivi par un amplificateur haute puissance, un contrôle d'amplitude et un filtrage des harmoniques) pour atteindre une couverture de 9 kHz à 20 GHz ou 43,5 GHz. Le signal de sortie YIG est réduit à l'aide d'un convertisseur analogique direct qui supprime tout croisement et donc la dégradation du bruit de phase dans la PLL (phase boucle de verrouillage). Un multiplicateur de fréquence commuté est inséré dans la PLL qui (a) diminue le nombre de fréquences générées par le distributeur analogique direct et (b) supprime le bruit PLL résiduel aux basses fréquences.

En conséquence, l'architecture présentée offre essentiellement un mécanisme PLL sans bruit, ce qui signifie qu'il traduit le bruit de référence du synthétiseur sans ajouter de dégradation du bruit de phase au-dessus du fondamental de 20logN. Une référence qui combine trois sources est utilisée pour fournir le bruit de phase le plus faible possible pour tout décalage de fréquence. De plus, cette référence combinée est contrôlée par une horloge atomique au rubidium qui ajoute un degré de stabilité beaucoup plus élevé par rapport à une référence conventionnelle à base d'OCXO. Le fonctionnement de l'horloge au rubidium est basé sur des constantes fondamentales et non sur des dimensions physiques, ce qui la rend extrêmement stable. Plusieurs fréquences de référence sont disponibles pour la synchronisation de l'instrument, y compris une sortie haute fréquence de 1,6 GHz pour une fidélité maximale.

L'architecture des générateurs de signaux Rubidium offre des performances élevées en termes de pureté spectrale et de stabilité. Le bruit de phase est toujours une spécification clé pour les générateurs de signaux. Les générateurs de signaux Rubidium offrent quatre niveaux de bruit exceptionnels de -140 dBc/Hz à 10 GHz et un décalage de 10 kHz avec une option de bruit améliorée, comme illustré à la Figure 2. Un autre aspect important est la stabilité de fréquence. Les générateurs de signaux conventionnels intègrent généralement des oscillateurs OCXO 10 MHz, dont les performances sont relativement stables. Cependant, la fréquence d'oscillation d'un oscillateur OCXO dépend de la résonance mécanique du cristal ou, en d'autres termes, des dimensions du cristal. Il est évident qu'avant un changement de température, les dimensions du cristal changent également, ce qui se traduit par de petites variations de fréquence. De plus, le matériau cristallin lui-même s'évapore avec le temps et cela affecte la fréquence. Ainsi l'introduction d'un étalon atomique améliore grandement la stabilité de la base de temps interne, non pas de plusieurs multiples mais de plusieurs ordres de grandeur.

Étalonnage sur le terrain

La précision et la stabilité de la fréquence et des niveaux de sortie sont essentielles dans un générateur de signaux micro-ondes. Ainsi, les générateurs de signaux traditionnels nécessitent un étalonnage périodique, ce qui représente cependant une certaine complexité. Que le laboratoire d'étalonnage soit à proximité ou à l'autre bout du pays, expédier un instrument pour étalonnage à un moment critique est une option coûteuse et chronophage.

Pour réduire le coût total de possession, les générateurs de signaux Rubidium intègrent une fonction d'étalonnage qui ajuste leur base de temps interne et leur puissance de sortie in situ. L'une des principales tâches lors de l'étalonnage d'une source de signal consiste à ajuster la base de temps qui définit finalement la précision de fréquence de l'instrument. Heureusement, les générateurs de signaux Rubidium sont fournis avec une base de temps Rubidium considérée comme un étalon de fréquence à part entière. Par conséquent, il n'est pas nécessaire de calibrer la fréquence dans la plupart des cas en pratique, ce qui est très important dans les applications sensibles telles que l'aérospatiale et la défense.

Les générateurs de signaux Rubidium intègrent un récepteur de système global de navigation qui reçoit un signal extrait d'une source atomique de haute précision installée à bord d'un satellite en orbite autour de la Terre. La sortie du récepteur est un flux d'impulsions de 1 pps qui peut être utilisé pour ajuster la base de temps interne de l'instrument afin de la synchroniser avec n'importe quelle fréquence standard offerte par les systèmes de navigation mondiaux. Ce réglage s'effectue simplement en cliquant sur la souris, éliminant ainsi la nécessité d'envoyer le générateur de signal pour un étalonnage en usine. Une autre caractéristique intéressante de ce générateur de signaux est qu'il vous permet de connecter un capteur de puissance USB (voir Figure 3). Le capteur de puissance permet de mesurer la puissance directement dans le plan de l'appareil testé, prenant ainsi en compte toute perte supplémentaire provenant de câbles externes ou d'autres appareils. Le capteur de puissance de précision calibre également la puissance de sortie de l'instrument, dans certaines limites, en fonction des besoins et sans l'envoyer à l'usine.

En bref, la nouvelle technologie Rubidium offre des performances supérieures par rapport aux instruments traditionnels. Avec ses excellents niveaux de pureté spectrale et de stabilité du signal, la série Rubidium est une source de signal idéale pour la conception et la fabrication de tests de composants et de systèmes dans une grande variété d'applications, y compris les communications sans fil, l'aérospatiale, la défense et l'électronique grand public.