eng
Выпуск #6/2023
В. Геворкян, В. Кочемасов, А. Сафин
ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФЕРРИТОВЫХ РЕЗОНАТОРОВ. ЧАСТЬ 2
ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ С ПРИМЕНЕНИЕМ ФЕРРИТОВЫХ РЕЗОНАТОРОВ. ЧАСТЬ 2
Просмотры: 577
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.227.6.76.89
Рассмотрены генераторы СВЧ с применением ферритовых резонаторов. Приведена информация о конструктивных и электрических характеристиках коммерческих ЖИГ-генераторов, выпускаемых различными производителями.
Ключевые слова: генератор, ферритовый резонатор, диапазон частот
Рассмотрены генераторы СВЧ с применением ферритовых резонаторов. Приведена информация о конструктивных и электрических характеристиках коммерческих ЖИГ-генераторов, выпускаемых различными производителями.
Ключевые слова: генератор, ферритовый резонатор, диапазон частот
Генераторы СВЧ с применением ферритовых резонаторов. Часть 2
В. Геворкян, к. т. н.1, В. Кочемасов, к. т. н.2, А. Сафин, к. т. н.3
В первой части статьи, опубликованной в пятом номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2023 год, было рассказано об основных особенностях ферритовых резонаторов и схемотехнике СВЧ-генераторов, созданных с их применением. В данном номере рассматриваются характеристики коммерческих ЖИГ-генераторов, выпускаемых различными производителями.
Конструктивные и электрические характеристики коммерческих ЖИГ-генераторов
В сравнении с LC-генераторами и генераторами на керамических и диэлектрических резонаторах ЖИГ-генераторы имеют несколько большие габариты за счет использования в них магнитной системы. Конструктивно (рис. 7) ЖИГ-генераторы делятся на кубические и цилиндрические (табл. 4), которые могут быть реализованы как на электромагнитах (см. рис. 4а), так и на постоянных магнитах (см. рис. 4б). Кубические ЖИГ-генераторы чаще всего имеют размеры 1,0" × 1,0" × 0,5", 1" × 1" × 1", 1,25" × 1,25" × 1,25", 1,4" × 1,4" × 1,4". Генераторы цилиндрической формы выпускаются в виде цилиндров различной высоты с диаметрами 0,625", 1,75" и 2,0". Высота ЖИГ-генераторов увеличивается с ростом частоты.
Часто ЖИГ-генераторы наряду с электрической перестройкой имеют и механическую подстройку частоты. У компании OMNIYIG в изделиях YOM2776, YOM2777, YOM2778, YOM2779, YOM2780, YOM2781 на постоянных магнитах функция механической подстройки является опцией, которая выбирается при заказе. Механическая подстройка частоты обеспечивается также и в трех моделях М311123, М311123 А и М311124 компании «Феррит-Домен». Аналоговый драйвер является неотъемлемой частью этих ЖИГ-генераторов (рис. 8).
Широкая линейка ЖИГ-генераторов с использованием электромагнитов в стандартном (рис. 9а, б) и миниатюрном (рис. 9в, г) исполнениях выпускается компанией Micro Lambda Wireless (MLW). В трех из этих ЖИГ-генераторов подача постоянного напряжения осуществляется через штырьковые выводы, а вывод СВЧ-энергии – через коаксиальный соединитель (рис. 9а, б, в). В миниатюрном ЖИГ-генераторе (рис. 9г) подача питания и вывод СВЧ-энергии осуществляются по проводам. Кроме таких изделий выпускаются также ЖИГ-генераторы кубической или цилиндрической формы для монтажа в отверстия печатной платы (printed circuit board, РСВ) [10], в которых ввод/вывод энергии выполняется только через штырьковые выводы, вставляемые в отверстия платы (рис. 10) [10]. Цилиндрические ЖИГ-генераторы в РСВ-исполнении выпускаются в стандартных корпусах ТО‑8 диаметром 0,625" (рис. 10г), высота которых может принимать различные значения (табл. 4). Одной из первых с такой продукцией вышла на рынок компания Teledyne Microwave Solutions (TMS), представившая ЖИГ-генераторы в корпусах TO‑8 со штырьковыми выводами под торговой маркой TINYIG (рис. 11а, б, в). Судя по уровню фазовых шумов, эти генераторы (табл. 5) реализованы на биполярных SiGe-транзисторах. Эти изделия могут также поставляться в корпусах для поверхностного монтажа (Surface Mount Technology, SMT) (рис. 11г). Линейные размеры 0,7" × 0,7" основания печатной платы такого ЖИГ-генератора несколько больше диаметра 0,625" цилиндрической части базовых изделий (табл. 4). Помимо TMS подобные ЖИГ-генераторы поставляет и компания MLW (рис. 12). В одном из них (рис. 12б) вывод СВЧ-энергии осуществляется через коаксиальный соединитель.
ЖИГ-генераторы на постоянных магнитах часто изготавливают в малогабаритном исполнении (рис. 13). В этих изделиях питание подается через штырьковые выводы, а съем СВЧ-энергии осуществляется через штырьковый (рис. 13а, б), либо через коаксиальный (рис. 13в) выводы.
Оригинальные конструкторские решения [11, 12] были реализованы компанией Stellex (впоследствии перекуплена компаниями Endwave, а затем и Microsemi) в генераторах Mini-YIG (рис. 14а) и Micro-YIG (рис. 14б). В серии Mini-YIG генераторы выпускаются для диапазонов частот 3–5, 5–7, 7–9 и 9–11 ГГц, а в серии Micro-YIG – для диапазонов 4,5–6,5, 6,5–8,0 и 8,0–10,0 ГГц. Фазовые шумы во всех этих изделиях обеспечиваются на уровне –128 дБн / Гц при отстройке 100 кГц (табл. 6). Миниатюрные ЖИГ-генераторы кубической формы с размерами 1,0" × 1,0" × 0,5" выпускаются также компаниями OMNIYIG (YOM2977) и Giga-tronics (рис. 14в). Последняя из этих компаний, кроме миниатюрных, выпускает модели ЖИГ-генераторов, отличающиеся высокой скоростью перестройки и низким уровнем фазовых шумов (табл. 7). В интегральном исполнении (рис. 14г, д) свои изделия, судя по рекламе, реализует компания VIDA Products. Генератор DS1004LCB этой компании размером 0,9" × 0,9" × 0,3" в диапазоне частот 10–20 ГГц обеспечивает фазовые шумы <–145 дБн / Гц при отстройках более 1 МГц. Достижения компании при создании интегральных ЖИГ-генераторов базируются на полученном патенте [13]. Несколько миниатюрных ЖИГ-генераторов выпускает компания Raditek (табл. 8).
Отметим также, что практически все производимые в настоящее время ЖИГ-генераторы выполняются по тонкопленочной (thin film) микрополосковой технологии СВЧ-цепей, обеспечивающей более высокую надежность и меньшую стоимость изготовления.
Генераторы на ЖИГ-сферах обладают уникальными возможностями по полосе перестройки [1], в которой отклонения от линейного закона, аппроксимирующего реальную характеристику (рис. 15), находятся в пределах ±0,05…±0,25%. Рабочие частоты ЖИГ-генераторов ограничены значениями fн = 0,5 ГГц снизу и fв = 40–45 ГГц сверху. По частотному перекрытию ЖИГ-генераторы можно классифицировать следующим образом: меньше октавы (fв / fн < 2); октавные (fв = 2fн); многооктавные (fв > 2fн).
Крупнейшим производителем ЖИГ-генераторов является компания Micro Lambda Wireless. В линейке ее продукции есть ЖИГ-генераторы (серия MLPF), рассчитанные на фиксированные частоты 5, 7, 9, 13, 17 ГГц, специально разработанные для использования в синтезаторах фиксированных частот на кольцах ФАПЧ. Ряд изделий компания выпускает с перестройкой менее октавы: 4,6–8,9 ГГц (MLMY‑1019X, MLMY‑1179X), 8–12,4 ГГц (MLOM‑0812), 11,6–13,9 ГГц (MLOM‑1074X, MLOM‑1495X).
Кроме того, компания производит несколько серий ЖИГ-генераторов, в которых перестройка относительно центральной частоты осуществляется в пределах ±1, ±2, ±4, ±5, ±6 ГГц и более. Так, перестройка ±1 ГГц реализуется в сериях MLPB (2–4, 3–5, 4–6, 5–7, 6–8 ГГц), MLPM и MLPC (4–6, 6–8, 8–10, 12–14, 16–18 ГГц). Перестройка ±2 ГГц возможна в серии MLPW (8–12, 10–14, 14–18, 18–22 ГГц), ±4 ГГц – в серии MLPX (16–24, 20–28, 28–36 ГГц), а ±5 и ±6 ГГц – в сериях MLXM, MLXB и MLXS. В отдельных изделиях реализуются перестройки ±1,5 ГГц (MLMH‑0306, MLMB‑0306, MLMY‑0306), ±3 ГГц (MLMH‑0208, MLLC‑0208), ±5,5 ГГц (MLVG‑1021), ±8 ГГц (MLOS‑0218T), ±9 ГГц (MLOS‑0220T), ±10 ГГц (MLOS‑2040) и ±11 ГГц (MLOS‑1840). Десятикратная (от 2 до 20 ГГц) перестройка обеспечивается в изделиях MLOS‑0220T, MLXS‑0220T, MLXS‑0220, MLXB‑0220. Еще большая (от 2 до 26 ГГц) перестройка достигается в ЖИГ-генераторе MLOS‑0226T. Разработка ЖИГ-генераторов со столь значительными перестройками представляет собой весьма непростую задачу.
Одним из способов достижения большого перекрытия по частоте является использование в генераторе двух ЖИГ-сфер, подключаемых к активному элементу посредством pin-диодного переключателя. Каждая из сфер обеспечивает перекрытие своего поддиапазона частот. В двух изделиях (MLOS‑0218T и MLOS‑0220T) перекрытие в нижнем поддиапазоне частот составляет 2–8 ГГц, а в верхнем поддиапазоне частот – 8–18 ГГц и 8–20 ГГц. В третьем изделии этой серии (MLOS‑0226T) поддиапазоны перестройки равны 2–12 ГГц и 12–26,5 ГГц. Точность стыковки поддиапазонов составляет 8 МГц для модели MLOS‑0218T и 10 МГц для изделий MLOS‑0220T и MLOS‑0226T. Включенный после pin-переключателя усилитель обеспечивает выходную мощность в этих изделиях 13, 12 и 8 дБм соответственно. Генераторы выпускаются в цилиндрических корпусах с диаметром 2,0" и высотой 1,4". Фазовые шумы при отстройке 100 кГц в этих трех генераторах меняются от –113 дБн / Гц до –97 дБн / Гц (табл. 9). Существенно лучший уровень фазовых шумов (–123 дБн / Гц при отстройке 100 кГц) достигается в переключаемых генераторах MLXS‑0218T и MLXS‑0220T (рис. 7г), реализованных на биполярных SiGe-транзисторах (табл. 9). В этих генераторах к тому же обеспечивается несколько меньший уровень 3‑й гармоники (–15 дБн вместо –12 дБн) и, что более существенно, уровень дискретных составляющих –70 дБн вместо –60 дБн.
Отметим также, что в ряде новых разработок (MLXB‑0218, MLXS‑0218, MLXB‑0220 и MLXS‑0220) удалось обеспечить 9- и 10‑кратные перекрытия по частоте без режима переключения поддиапазонов. В этих ЖИГ-генераторах уровни второй и третьей гармоник равны соответственно –12 дБн и –15 дБн, уровень паразитных спектральных составляющих составляет –70 дБн. Фазовые шумы при отстройке 100 кГц в диапазоне частот 2–12 ГГц равны –120 дБн/Гц, в диапазоне частот 12–18 ГГц равны –112 дБн/Гц и в диапазоне 18–20 ГГц составляют –107 дБн / Гц. Остальные характеристики этих генераторов практически совпадают с характеристиками переключаемых изделий (табл. 9).
У большинства производителей верхние частоты изделий обычно не превосходят 18,0–26,5 ГГц. Более высокочастотные ЖИГ-генераторы выпускает лишь компания Micro Lambda Wireless. В линейке ее продукции присутствуют две серии таких изделий. В одной из них представлены три модели – MLOS‑1840 (18–40 ГГц), MLOS‑2040 (20–40 ГГц) и MLOS‑2640 (26,5–40 ГГц) – ЖИГ-генераторов в цилиндрических корпусах диаметром 2,00" и высотой 1,55". Изделия реализованы на электромагнитах с использованием арсенид-галлиевых полевых транзисторов. Фазовые шумы при отстройке 100 кГц в этих генераторах не превосходят –95 дБн / Гц.
Альтернативное решение предполагает использование для расширения диапазона рабочих частот умножителя частоты (рис. 16). В качестве исходных ЖИГ-генераторов служат изделия серии MLPW. Реализуемые на общем металлическом основании изделия MLPХ‑1624, MLPХ‑2028, MLPХ‑2836 и MLPХ‑3644 обеспечивают выходные колебания в диапазонах частот 16–24, 20–28, 28–36 и 36–44 ГГц соответственно. Уровни 2‑й и 3‑й гармоник в этих изделиях не превосходят –20 дБн, а уровень паразитных спектральных составляющих менее –70 дБн. Фазовые шумы в этих моделях находятся в пределах –100…–94 дБн / Гц (табл. 10). Кратность умножения более двух реализуется в ЖИГ-генераторах YOM‑103, YOM‑104, YOM‑102 и YOM‑105 от компании OMNIYIG. Например, в изделие YOM‑105 входит ЖИГ-генератор с перестройкой 1–2 ГГц, усилитель с выходной мощностью 0,5 Вт и ЖИГ-умножитель частоты. Гармоники основной частоты 1–2 ГГц выделяются следящим ЖИГ-фильтром в полосе частот 2–18 ГГц. Размещение фильтра и умножителя частоты в одном корпусе обеспечивает подавление гармонических и негармонических составляющих на уровне –60 дБн и ниже относительно колебания основной частоты. Выходная мощность ЖИГ-генератора с увеличением частоты заметно снижается (рис. 17). Габариты всего изделия за счет введения дополнительных модулей увеличиваются до 4,5" × 2,0" × 5,0".
Эффективным способом борьбы с гармоническими и негармоническими составляющими является применение следящих фильтров. Компания Micro Lambda Wireless выпускает две модели ЖИГ-генераторов этого типа для полосы частот 2–8 ГГц (MLOF‑0208 и MLOF‑2208). В первом из этих генераторов используется однозвенный фильтр, а во втором – двухзвенный. Фильтры настраиваются на частоту основной гармоники ЖИГ-генераторов или смещаются относительно нее на значение промежуточной частоты. В первом из этих генераторов уровень 2‑й и 3‑й гармоник составляет –40 дБн, а во втором –60 дБн. В коммерческом исполнении рабочий диапазон температур равен 0–65 °C. При выполнении этих изделий по военным стандартам MIL-E‑5400, MIL-E‑16400 рабочий диапазон температур составляет –54…85 °С. Линейность перестройки генератора достигает ±0,1%.
Схожие изделия производит и компания OMNIYIG, которая использует двухзвенные следящие фильтры (генераторы M132YTO, M133YTO, M134YTO, M135YTO), трехзвенные фильтры (генераторы M136YTO, M137YTO, M138YTO, M139YTO), четырехзвенные фильтры (генераторы M140YTO, M141YTO, M142YTO, M143YTO), а также два последовательно включенных двухзвенных фильтра (генераторы M144YTO, M145YTO, M146YTO, M147YTO). Уровень второй гармоники в этих генераторах реализуется на уровне –40 дБн и ниже. Уровень же паразитных спектральных составляющих в генераторах с четырехзвенным фильтром снижается до –80 дБн.
Время переключения в стандартных ЖИГ-генераторах, выпускаемых компанией OMNIYIG, находится в пределах от 3 до 16 мс. Существенно, до 800 мкс, оно может быть снижено в ЖИГ-генераторах со следящими фильтрами (рис. 18). Эти изделия выпускаются для диапазонов 0,5–2,0, 2–8, 8–18 и 2–18 ГГц. ЖИГ-генераторы с такими диапазонами перестройки могут быть реализованы с применением двухзвенных следящих фильтров (M148YTOF, M149YTOF, M150YTOF, M151YTOF), четырехзвенных следящих фильтров (M129YTOF, M120YTOF, M121YTOF, M152YTOF) и двух последовательно включенных двухзвенных фильтров (M153YTOF, M154YTOF, M155YTOF, M156YTOF). Следящие фильтры имеют вносимые потери от 5 до 7 дБ и полосы по уровню 3 дБ 15–30 МГц в диапазоне частот 0,5–2,0 ГГц, 24–45 МГц в диапазоне 2–8 ГГц, 25–45 МГц в диапазоне 8–18 ГГц и 20–50 МГц в диапазоне 2–18 ГГц. Расхождения частот генерируемых колебаний и частот настройки следящих фильтров находятся в пределах ±5…±9 МГц.
Меньшие значения времени переключения реализуются в ряде других моделей компании OMNIYIG: 500 мкс (YOM2789, YOM2781), 400 мкс (YOM2980, YOM2981), 100 мкс (YOM2776, YOM2777, YOM2778, YOM2779), 80 мкс (YOM2979) и 70 мкс (YOM2977, YOM2978).
Высокая скорость перестройки обеспечивается также в ЖИГ-генераторах серии MLMH, выпускаемых компанией Micro Lambda Wireless. Эти генераторы перестраиваются в диапазонах частот 2–4 ГГц (MLMH‑0204), 3–6 ГГц (MLMH‑0306), 4–8 ГГц (MLMH‑0408) и 2–8 ГГц (MLMH‑0208). При использовании стандартного аналогового драйвера с напряжениями питания +24 и –15 В скорость перестройки в диапазоне частот 2–8 ГГц (MLMH‑0208) составляет 80 мкс / ГГц с точностью ±10 МГц. При напряжениях питания драйвера +15 В и –15 В скорость перестройки возрастает до 100 мкс / ГГц при той же точности. В пять раз меньшее время перестройки по сравнению со стандартными ЖИГ-генераторами обеспечивается в трех моделях (серия FTO) компании Giga-tronics (табл. 7): FTO‑0307-540-01 (3–7 ГГц), FTO‑0408-540-01 (4–8 ГГц) и FTO‑0410-540-01 (4–10 ГГц).
В значительной степени характеристики ЖИГ-генераторов зависят от тщательности разработки и изготовления аналоговых и цифровых драйверов, обеспечивающих формирование необходимых напряжений и кодов. Среди характеристик генераторов, на которые оказывает влияние качество исполнения драйверов, можно назвать: шумовые свойства генератора (остаточная частотная модуляция (ЧМ)), время его перестройки, линейность, температурный уход частоты и точность ее установки. Часть этих характеристик определяется стабильностью характеристик используемых компонентов в диапазоне рабочих температур. Шумовые свойства и время переключения частоты зависят от уровня остаточной ЧМ. Стандартные значения времени перестройки частоты (10–20 мс) обеспечиваются при остаточной ЧМ 50–100 кГц (peak-to-peak). Снижение этого показателя до 25 кГц (peak-to-peak) положительно сказывается на шумах генератора, но увеличивает почти на порядок время перестройки. В силу достаточно сложных требований, предъявляемых к драйверам, они чаще всего разрабатываются и производятся изготовителями ЖИГ-генераторов.
Драйверы могут быть как аналоговыми, так и цифровыми (рис. 19). В аналоговых драйверах, как правило, формируется напряжение, меняющееся от 0 до +10 В. В цифровых драйверах формируются последовательный или параллельный коды [14]. В изделиях компании Micro Lambda Wireless разрядность последовательного кода равна 16 бит, а параллельный код формируется с числом разрядов 12, 14 и 16 бит. О размерах ЖИГ-генераторов с подключенными к ним драйверами можно судить по чертежам (рис. 20), на которых все размеры указаны в дюймах.
Особенно большими размеры оказываются в случае, когда к ЖИГ-генератору и следящему ЖИГ-фильтру подключаются два драйвера, обеспечивающие управление этими ЖИГ-изделиями (рис. 21). Так, в состав изделия М141YTO, выпускаемого компанией OMNIYIG, входят собственно ЖИГ-генератор, 4‑звенный следящий ЖИГ-фильтр и два драйвера, которые могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. Это сложное изделие имеет габариты 1,65" × 3,40" × 3,70" и обеспечивает генерацию колебаний в диапазоне частот 2–8 ГГц при выходной мощности более 13 дБм и шумах –120 дБн / Гц при отстройке от несущей на 100 кГц.
Важным элементом большинства ЖИГ-генераторов является термостат, обеспечивающий постоянную температуру резонаторной части генератора. На основании опубликованных технических описаний можно заключить, что все изделия компании OMNIYIG содержат элементы термостатирования. В стационарном режиме напряжение, подаваемое на термостат, составляет 18–30 В, а потребляемый ток в различных моделях меняется от 50 до 150 мА. В технических описаниях ЖИГ-генераторов компании Micro Lambda Wireless приводятся сведения о токах в стационарном режиме и в режиме нагрева. В большинстве выпускаемых этой компанией ЖИГ-генераторов напряжение термостата находится в границах 20–28 В, а потребляемые токи составляют 20–25 мА в стационарном режиме и 200–250 мА в режиме нагрева. В некоторых недавно выпущенных сериях (MLOF, MLOB) генераторов при термостатировании используются двуполярные напряжения. В двух сериях (MLSMO и MLVG) этой компании нагревательные элементы вообще отсутствуют.
В завершение можно констатировать, что наиболее крупными производителями ЖИГ-генераторов являются компании Micro Lambda Wireless, OMNIYIG и Teledyne Microwave Solutions. Для ряда других компаний (Raditek, Zik, Filtronic Solid State и др.) эта деятельность является непрофильной. В Российской Федерации ЖИГ-генераторы производят ННИПИ «Кварц», АО «НИИ «Феррит-Домен» и компания «Микран» (табл. 11). Определенных успехов в этой деятельности в последнее время добились и китайские производители (табл. 12).
Литература
PCB-Mounted, YIG Sources // Microwave J., Jan. 1996.
Experimenting with a Stellex YIG Oscillators. – Stellex (Endwave/Microsemi) Products PP. 55–64.
Mini & Micro YIG Oscillators // Microwave J., Jan. 17, 2011.
Differential Resonant Ring Oscillator Utilizing Magnetically Tuned YIG Resonators to Achieve ultra Low Phase Noise and Multi-octave Electronic Tuning in Microwave Frequencies. R. A. Parrott, A. A. Sweet. Патент США, № 8.350.629В2, Jan. 8, 2013.
Standard oscillator, filter and multiplier driver adjustment procedure. – Micro Lambda Wireless. Document № 201.202. PP. 1–11.
В. Геворкян, к. т. н.1, В. Кочемасов, к. т. н.2, А. Сафин, к. т. н.3
В первой части статьи, опубликованной в пятом номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2023 год, было рассказано об основных особенностях ферритовых резонаторов и схемотехнике СВЧ-генераторов, созданных с их применением. В данном номере рассматриваются характеристики коммерческих ЖИГ-генераторов, выпускаемых различными производителями.
Конструктивные и электрические характеристики коммерческих ЖИГ-генераторов
В сравнении с LC-генераторами и генераторами на керамических и диэлектрических резонаторах ЖИГ-генераторы имеют несколько большие габариты за счет использования в них магнитной системы. Конструктивно (рис. 7) ЖИГ-генераторы делятся на кубические и цилиндрические (табл. 4), которые могут быть реализованы как на электромагнитах (см. рис. 4а), так и на постоянных магнитах (см. рис. 4б). Кубические ЖИГ-генераторы чаще всего имеют размеры 1,0" × 1,0" × 0,5", 1" × 1" × 1", 1,25" × 1,25" × 1,25", 1,4" × 1,4" × 1,4". Генераторы цилиндрической формы выпускаются в виде цилиндров различной высоты с диаметрами 0,625", 1,75" и 2,0". Высота ЖИГ-генераторов увеличивается с ростом частоты.
Часто ЖИГ-генераторы наряду с электрической перестройкой имеют и механическую подстройку частоты. У компании OMNIYIG в изделиях YOM2776, YOM2777, YOM2778, YOM2779, YOM2780, YOM2781 на постоянных магнитах функция механической подстройки является опцией, которая выбирается при заказе. Механическая подстройка частоты обеспечивается также и в трех моделях М311123, М311123 А и М311124 компании «Феррит-Домен». Аналоговый драйвер является неотъемлемой частью этих ЖИГ-генераторов (рис. 8).
Широкая линейка ЖИГ-генераторов с использованием электромагнитов в стандартном (рис. 9а, б) и миниатюрном (рис. 9в, г) исполнениях выпускается компанией Micro Lambda Wireless (MLW). В трех из этих ЖИГ-генераторов подача постоянного напряжения осуществляется через штырьковые выводы, а вывод СВЧ-энергии – через коаксиальный соединитель (рис. 9а, б, в). В миниатюрном ЖИГ-генераторе (рис. 9г) подача питания и вывод СВЧ-энергии осуществляются по проводам. Кроме таких изделий выпускаются также ЖИГ-генераторы кубической или цилиндрической формы для монтажа в отверстия печатной платы (printed circuit board, РСВ) [10], в которых ввод/вывод энергии выполняется только через штырьковые выводы, вставляемые в отверстия платы (рис. 10) [10]. Цилиндрические ЖИГ-генераторы в РСВ-исполнении выпускаются в стандартных корпусах ТО‑8 диаметром 0,625" (рис. 10г), высота которых может принимать различные значения (табл. 4). Одной из первых с такой продукцией вышла на рынок компания Teledyne Microwave Solutions (TMS), представившая ЖИГ-генераторы в корпусах TO‑8 со штырьковыми выводами под торговой маркой TINYIG (рис. 11а, б, в). Судя по уровню фазовых шумов, эти генераторы (табл. 5) реализованы на биполярных SiGe-транзисторах. Эти изделия могут также поставляться в корпусах для поверхностного монтажа (Surface Mount Technology, SMT) (рис. 11г). Линейные размеры 0,7" × 0,7" основания печатной платы такого ЖИГ-генератора несколько больше диаметра 0,625" цилиндрической части базовых изделий (табл. 4). Помимо TMS подобные ЖИГ-генераторы поставляет и компания MLW (рис. 12). В одном из них (рис. 12б) вывод СВЧ-энергии осуществляется через коаксиальный соединитель.
ЖИГ-генераторы на постоянных магнитах часто изготавливают в малогабаритном исполнении (рис. 13). В этих изделиях питание подается через штырьковые выводы, а съем СВЧ-энергии осуществляется через штырьковый (рис. 13а, б), либо через коаксиальный (рис. 13в) выводы.
Оригинальные конструкторские решения [11, 12] были реализованы компанией Stellex (впоследствии перекуплена компаниями Endwave, а затем и Microsemi) в генераторах Mini-YIG (рис. 14а) и Micro-YIG (рис. 14б). В серии Mini-YIG генераторы выпускаются для диапазонов частот 3–5, 5–7, 7–9 и 9–11 ГГц, а в серии Micro-YIG – для диапазонов 4,5–6,5, 6,5–8,0 и 8,0–10,0 ГГц. Фазовые шумы во всех этих изделиях обеспечиваются на уровне –128 дБн / Гц при отстройке 100 кГц (табл. 6). Миниатюрные ЖИГ-генераторы кубической формы с размерами 1,0" × 1,0" × 0,5" выпускаются также компаниями OMNIYIG (YOM2977) и Giga-tronics (рис. 14в). Последняя из этих компаний, кроме миниатюрных, выпускает модели ЖИГ-генераторов, отличающиеся высокой скоростью перестройки и низким уровнем фазовых шумов (табл. 7). В интегральном исполнении (рис. 14г, д) свои изделия, судя по рекламе, реализует компания VIDA Products. Генератор DS1004LCB этой компании размером 0,9" × 0,9" × 0,3" в диапазоне частот 10–20 ГГц обеспечивает фазовые шумы <–145 дБн / Гц при отстройках более 1 МГц. Достижения компании при создании интегральных ЖИГ-генераторов базируются на полученном патенте [13]. Несколько миниатюрных ЖИГ-генераторов выпускает компания Raditek (табл. 8).
Отметим также, что практически все производимые в настоящее время ЖИГ-генераторы выполняются по тонкопленочной (thin film) микрополосковой технологии СВЧ-цепей, обеспечивающей более высокую надежность и меньшую стоимость изготовления.
Генераторы на ЖИГ-сферах обладают уникальными возможностями по полосе перестройки [1], в которой отклонения от линейного закона, аппроксимирующего реальную характеристику (рис. 15), находятся в пределах ±0,05…±0,25%. Рабочие частоты ЖИГ-генераторов ограничены значениями fн = 0,5 ГГц снизу и fв = 40–45 ГГц сверху. По частотному перекрытию ЖИГ-генераторы можно классифицировать следующим образом: меньше октавы (fв / fн < 2); октавные (fв = 2fн); многооктавные (fв > 2fн).
Крупнейшим производителем ЖИГ-генераторов является компания Micro Lambda Wireless. В линейке ее продукции есть ЖИГ-генераторы (серия MLPF), рассчитанные на фиксированные частоты 5, 7, 9, 13, 17 ГГц, специально разработанные для использования в синтезаторах фиксированных частот на кольцах ФАПЧ. Ряд изделий компания выпускает с перестройкой менее октавы: 4,6–8,9 ГГц (MLMY‑1019X, MLMY‑1179X), 8–12,4 ГГц (MLOM‑0812), 11,6–13,9 ГГц (MLOM‑1074X, MLOM‑1495X).
Кроме того, компания производит несколько серий ЖИГ-генераторов, в которых перестройка относительно центральной частоты осуществляется в пределах ±1, ±2, ±4, ±5, ±6 ГГц и более. Так, перестройка ±1 ГГц реализуется в сериях MLPB (2–4, 3–5, 4–6, 5–7, 6–8 ГГц), MLPM и MLPC (4–6, 6–8, 8–10, 12–14, 16–18 ГГц). Перестройка ±2 ГГц возможна в серии MLPW (8–12, 10–14, 14–18, 18–22 ГГц), ±4 ГГц – в серии MLPX (16–24, 20–28, 28–36 ГГц), а ±5 и ±6 ГГц – в сериях MLXM, MLXB и MLXS. В отдельных изделиях реализуются перестройки ±1,5 ГГц (MLMH‑0306, MLMB‑0306, MLMY‑0306), ±3 ГГц (MLMH‑0208, MLLC‑0208), ±5,5 ГГц (MLVG‑1021), ±8 ГГц (MLOS‑0218T), ±9 ГГц (MLOS‑0220T), ±10 ГГц (MLOS‑2040) и ±11 ГГц (MLOS‑1840). Десятикратная (от 2 до 20 ГГц) перестройка обеспечивается в изделиях MLOS‑0220T, MLXS‑0220T, MLXS‑0220, MLXB‑0220. Еще большая (от 2 до 26 ГГц) перестройка достигается в ЖИГ-генераторе MLOS‑0226T. Разработка ЖИГ-генераторов со столь значительными перестройками представляет собой весьма непростую задачу.
Одним из способов достижения большого перекрытия по частоте является использование в генераторе двух ЖИГ-сфер, подключаемых к активному элементу посредством pin-диодного переключателя. Каждая из сфер обеспечивает перекрытие своего поддиапазона частот. В двух изделиях (MLOS‑0218T и MLOS‑0220T) перекрытие в нижнем поддиапазоне частот составляет 2–8 ГГц, а в верхнем поддиапазоне частот – 8–18 ГГц и 8–20 ГГц. В третьем изделии этой серии (MLOS‑0226T) поддиапазоны перестройки равны 2–12 ГГц и 12–26,5 ГГц. Точность стыковки поддиапазонов составляет 8 МГц для модели MLOS‑0218T и 10 МГц для изделий MLOS‑0220T и MLOS‑0226T. Включенный после pin-переключателя усилитель обеспечивает выходную мощность в этих изделиях 13, 12 и 8 дБм соответственно. Генераторы выпускаются в цилиндрических корпусах с диаметром 2,0" и высотой 1,4". Фазовые шумы при отстройке 100 кГц в этих трех генераторах меняются от –113 дБн / Гц до –97 дБн / Гц (табл. 9). Существенно лучший уровень фазовых шумов (–123 дБн / Гц при отстройке 100 кГц) достигается в переключаемых генераторах MLXS‑0218T и MLXS‑0220T (рис. 7г), реализованных на биполярных SiGe-транзисторах (табл. 9). В этих генераторах к тому же обеспечивается несколько меньший уровень 3‑й гармоники (–15 дБн вместо –12 дБн) и, что более существенно, уровень дискретных составляющих –70 дБн вместо –60 дБн.
Отметим также, что в ряде новых разработок (MLXB‑0218, MLXS‑0218, MLXB‑0220 и MLXS‑0220) удалось обеспечить 9- и 10‑кратные перекрытия по частоте без режима переключения поддиапазонов. В этих ЖИГ-генераторах уровни второй и третьей гармоник равны соответственно –12 дБн и –15 дБн, уровень паразитных спектральных составляющих составляет –70 дБн. Фазовые шумы при отстройке 100 кГц в диапазоне частот 2–12 ГГц равны –120 дБн/Гц, в диапазоне частот 12–18 ГГц равны –112 дБн/Гц и в диапазоне 18–20 ГГц составляют –107 дБн / Гц. Остальные характеристики этих генераторов практически совпадают с характеристиками переключаемых изделий (табл. 9).
У большинства производителей верхние частоты изделий обычно не превосходят 18,0–26,5 ГГц. Более высокочастотные ЖИГ-генераторы выпускает лишь компания Micro Lambda Wireless. В линейке ее продукции присутствуют две серии таких изделий. В одной из них представлены три модели – MLOS‑1840 (18–40 ГГц), MLOS‑2040 (20–40 ГГц) и MLOS‑2640 (26,5–40 ГГц) – ЖИГ-генераторов в цилиндрических корпусах диаметром 2,00" и высотой 1,55". Изделия реализованы на электромагнитах с использованием арсенид-галлиевых полевых транзисторов. Фазовые шумы при отстройке 100 кГц в этих генераторах не превосходят –95 дБн / Гц.
Альтернативное решение предполагает использование для расширения диапазона рабочих частот умножителя частоты (рис. 16). В качестве исходных ЖИГ-генераторов служат изделия серии MLPW. Реализуемые на общем металлическом основании изделия MLPХ‑1624, MLPХ‑2028, MLPХ‑2836 и MLPХ‑3644 обеспечивают выходные колебания в диапазонах частот 16–24, 20–28, 28–36 и 36–44 ГГц соответственно. Уровни 2‑й и 3‑й гармоник в этих изделиях не превосходят –20 дБн, а уровень паразитных спектральных составляющих менее –70 дБн. Фазовые шумы в этих моделях находятся в пределах –100…–94 дБн / Гц (табл. 10). Кратность умножения более двух реализуется в ЖИГ-генераторах YOM‑103, YOM‑104, YOM‑102 и YOM‑105 от компании OMNIYIG. Например, в изделие YOM‑105 входит ЖИГ-генератор с перестройкой 1–2 ГГц, усилитель с выходной мощностью 0,5 Вт и ЖИГ-умножитель частоты. Гармоники основной частоты 1–2 ГГц выделяются следящим ЖИГ-фильтром в полосе частот 2–18 ГГц. Размещение фильтра и умножителя частоты в одном корпусе обеспечивает подавление гармонических и негармонических составляющих на уровне –60 дБн и ниже относительно колебания основной частоты. Выходная мощность ЖИГ-генератора с увеличением частоты заметно снижается (рис. 17). Габариты всего изделия за счет введения дополнительных модулей увеличиваются до 4,5" × 2,0" × 5,0".
Эффективным способом борьбы с гармоническими и негармоническими составляющими является применение следящих фильтров. Компания Micro Lambda Wireless выпускает две модели ЖИГ-генераторов этого типа для полосы частот 2–8 ГГц (MLOF‑0208 и MLOF‑2208). В первом из этих генераторов используется однозвенный фильтр, а во втором – двухзвенный. Фильтры настраиваются на частоту основной гармоники ЖИГ-генераторов или смещаются относительно нее на значение промежуточной частоты. В первом из этих генераторов уровень 2‑й и 3‑й гармоник составляет –40 дБн, а во втором –60 дБн. В коммерческом исполнении рабочий диапазон температур равен 0–65 °C. При выполнении этих изделий по военным стандартам MIL-E‑5400, MIL-E‑16400 рабочий диапазон температур составляет –54…85 °С. Линейность перестройки генератора достигает ±0,1%.
Схожие изделия производит и компания OMNIYIG, которая использует двухзвенные следящие фильтры (генераторы M132YTO, M133YTO, M134YTO, M135YTO), трехзвенные фильтры (генераторы M136YTO, M137YTO, M138YTO, M139YTO), четырехзвенные фильтры (генераторы M140YTO, M141YTO, M142YTO, M143YTO), а также два последовательно включенных двухзвенных фильтра (генераторы M144YTO, M145YTO, M146YTO, M147YTO). Уровень второй гармоники в этих генераторах реализуется на уровне –40 дБн и ниже. Уровень же паразитных спектральных составляющих в генераторах с четырехзвенным фильтром снижается до –80 дБн.
Время переключения в стандартных ЖИГ-генераторах, выпускаемых компанией OMNIYIG, находится в пределах от 3 до 16 мс. Существенно, до 800 мкс, оно может быть снижено в ЖИГ-генераторах со следящими фильтрами (рис. 18). Эти изделия выпускаются для диапазонов 0,5–2,0, 2–8, 8–18 и 2–18 ГГц. ЖИГ-генераторы с такими диапазонами перестройки могут быть реализованы с применением двухзвенных следящих фильтров (M148YTOF, M149YTOF, M150YTOF, M151YTOF), четырехзвенных следящих фильтров (M129YTOF, M120YTOF, M121YTOF, M152YTOF) и двух последовательно включенных двухзвенных фильтров (M153YTOF, M154YTOF, M155YTOF, M156YTOF). Следящие фильтры имеют вносимые потери от 5 до 7 дБ и полосы по уровню 3 дБ 15–30 МГц в диапазоне частот 0,5–2,0 ГГц, 24–45 МГц в диапазоне 2–8 ГГц, 25–45 МГц в диапазоне 8–18 ГГц и 20–50 МГц в диапазоне 2–18 ГГц. Расхождения частот генерируемых колебаний и частот настройки следящих фильтров находятся в пределах ±5…±9 МГц.
Меньшие значения времени переключения реализуются в ряде других моделей компании OMNIYIG: 500 мкс (YOM2789, YOM2781), 400 мкс (YOM2980, YOM2981), 100 мкс (YOM2776, YOM2777, YOM2778, YOM2779), 80 мкс (YOM2979) и 70 мкс (YOM2977, YOM2978).
Высокая скорость перестройки обеспечивается также в ЖИГ-генераторах серии MLMH, выпускаемых компанией Micro Lambda Wireless. Эти генераторы перестраиваются в диапазонах частот 2–4 ГГц (MLMH‑0204), 3–6 ГГц (MLMH‑0306), 4–8 ГГц (MLMH‑0408) и 2–8 ГГц (MLMH‑0208). При использовании стандартного аналогового драйвера с напряжениями питания +24 и –15 В скорость перестройки в диапазоне частот 2–8 ГГц (MLMH‑0208) составляет 80 мкс / ГГц с точностью ±10 МГц. При напряжениях питания драйвера +15 В и –15 В скорость перестройки возрастает до 100 мкс / ГГц при той же точности. В пять раз меньшее время перестройки по сравнению со стандартными ЖИГ-генераторами обеспечивается в трех моделях (серия FTO) компании Giga-tronics (табл. 7): FTO‑0307-540-01 (3–7 ГГц), FTO‑0408-540-01 (4–8 ГГц) и FTO‑0410-540-01 (4–10 ГГц).
В значительной степени характеристики ЖИГ-генераторов зависят от тщательности разработки и изготовления аналоговых и цифровых драйверов, обеспечивающих формирование необходимых напряжений и кодов. Среди характеристик генераторов, на которые оказывает влияние качество исполнения драйверов, можно назвать: шумовые свойства генератора (остаточная частотная модуляция (ЧМ)), время его перестройки, линейность, температурный уход частоты и точность ее установки. Часть этих характеристик определяется стабильностью характеристик используемых компонентов в диапазоне рабочих температур. Шумовые свойства и время переключения частоты зависят от уровня остаточной ЧМ. Стандартные значения времени перестройки частоты (10–20 мс) обеспечиваются при остаточной ЧМ 50–100 кГц (peak-to-peak). Снижение этого показателя до 25 кГц (peak-to-peak) положительно сказывается на шумах генератора, но увеличивает почти на порядок время перестройки. В силу достаточно сложных требований, предъявляемых к драйверам, они чаще всего разрабатываются и производятся изготовителями ЖИГ-генераторов.
Драйверы могут быть как аналоговыми, так и цифровыми (рис. 19). В аналоговых драйверах, как правило, формируется напряжение, меняющееся от 0 до +10 В. В цифровых драйверах формируются последовательный или параллельный коды [14]. В изделиях компании Micro Lambda Wireless разрядность последовательного кода равна 16 бит, а параллельный код формируется с числом разрядов 12, 14 и 16 бит. О размерах ЖИГ-генераторов с подключенными к ним драйверами можно судить по чертежам (рис. 20), на которых все размеры указаны в дюймах.
Особенно большими размеры оказываются в случае, когда к ЖИГ-генератору и следящему ЖИГ-фильтру подключаются два драйвера, обеспечивающие управление этими ЖИГ-изделиями (рис. 21). Так, в состав изделия М141YTO, выпускаемого компанией OMNIYIG, входят собственно ЖИГ-генератор, 4‑звенный следящий ЖИГ-фильтр и два драйвера, которые могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. Это сложное изделие имеет габариты 1,65" × 3,40" × 3,70" и обеспечивает генерацию колебаний в диапазоне частот 2–8 ГГц при выходной мощности более 13 дБм и шумах –120 дБн / Гц при отстройке от несущей на 100 кГц.
Важным элементом большинства ЖИГ-генераторов является термостат, обеспечивающий постоянную температуру резонаторной части генератора. На основании опубликованных технических описаний можно заключить, что все изделия компании OMNIYIG содержат элементы термостатирования. В стационарном режиме напряжение, подаваемое на термостат, составляет 18–30 В, а потребляемый ток в различных моделях меняется от 50 до 150 мА. В технических описаниях ЖИГ-генераторов компании Micro Lambda Wireless приводятся сведения о токах в стационарном режиме и в режиме нагрева. В большинстве выпускаемых этой компанией ЖИГ-генераторов напряжение термостата находится в границах 20–28 В, а потребляемые токи составляют 20–25 мА в стационарном режиме и 200–250 мА в режиме нагрева. В некоторых недавно выпущенных сериях (MLOF, MLOB) генераторов при термостатировании используются двуполярные напряжения. В двух сериях (MLSMO и MLVG) этой компании нагревательные элементы вообще отсутствуют.
В завершение можно констатировать, что наиболее крупными производителями ЖИГ-генераторов являются компании Micro Lambda Wireless, OMNIYIG и Teledyne Microwave Solutions. Для ряда других компаний (Raditek, Zik, Filtronic Solid State и др.) эта деятельность является непрофильной. В Российской Федерации ЖИГ-генераторы производят ННИПИ «Кварц», АО «НИИ «Феррит-Домен» и компания «Микран» (табл. 11). Определенных успехов в этой деятельности в последнее время добились и китайские производители (табл. 12).
Литература
PCB-Mounted, YIG Sources // Microwave J., Jan. 1996.
Experimenting with a Stellex YIG Oscillators. – Stellex (Endwave/Microsemi) Products PP. 55–64.
Mini & Micro YIG Oscillators // Microwave J., Jan. 17, 2011.
Differential Resonant Ring Oscillator Utilizing Magnetically Tuned YIG Resonators to Achieve ultra Low Phase Noise and Multi-octave Electronic Tuning in Microwave Frequencies. R. A. Parrott, A. A. Sweet. Патент США, № 8.350.629В2, Jan. 8, 2013.
Standard oscillator, filter and multiplier driver adjustment procedure. – Micro Lambda Wireless. Document № 201.202. PP. 1–11.
Отзывы читателей
