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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
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM, DERECHOS RESERVADOS 2009
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.
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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.
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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
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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
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.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
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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
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM, DERECHOS RESERVADOS 2009
for low phase noise applications, Proc. 2004 IEEE IFCS pp. 762-765.
Resonador de Zafiro de Onda Viajera
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
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM, DERECHOS RESERVADOS 2009
Application to Ultra Low Phase Noise Oscillators,“ in proc. ICEEE-CIE 2006, pp. 403-407.
Resonador de Zafiro de Onda Viajera
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
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∆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
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βP4 P2
Resonador de Zafiro de Onda Viajera
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
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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
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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
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Oscilador de Zafiro de Onda Viajera
Lazo principal del oscilador
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Oscilador de Zafiro de Onda Viajera
N. A. Shtin, and J. M. Lopez Romero, “Medium Power C-Band Array Amplifier Featured Ultra Low Residual Phase
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM, DERECHOS RESERVADOS 2009
N S , J p , C y p UNoise“ Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 52, No 2, 2010. (to be published)
Oscilador de Zafiro de Onda Viajera
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
CENTRO NACIONAL DE METROLOGÍA, CENAM, DERECHOS RESERVADOS 2009
SiGe HBT Amplifier, in proc. ICEEE CIE 2007, pp. 217 220.
Oscilador de Zafiro de Onda Viajera
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).
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p p 1 fm 1 ( )
Oscilador de Zafiro de Onda Viajera
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
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Oscilador de Zafiro de Onda Viajera
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)
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( ) ( )β β β βΓ + + +0 1 2 1 21 / 1 (4)
Oscilador de Zafiro de Onda Viajera
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.
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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 =
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awgN
Trabajo para el futuro
Entrada DDS
MH
z10
Entrada WGROSalida
( )1 150 /∝−oscL kHz dBc Hz
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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.
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