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5-2016

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Quarze und Oszillatoren

Quarze und Oszillatoren Quarzstabile Oszillatoren bis 10 GHz Für viele Anwendungen verschiebt sich der Frequenzbereich der eingesetzten Oszillatoren zu immer höheren Frequenzen. Dabei gibt es verschiedene Methoden zur Erzeugung hoher Frequenzen oberhalb des normalen Obertonbetriebes von Quarzoszillatoren mit entsprechenden Vorund Nachteilen, die nachfolgend dargestellt werden sollen. Bild 1: Phasenrauschen bei Frequenzmultiplikation SAW (Surface Acoustic Wave) Oszillatoren Mit SAW-Resonatoren können Frequenzen bis etwa 2 GHz analog zu konventionellen Quarzoszillatoren direkt auf der Endfrequenz erzeugt werden. Dadurch lässt sich ein sehr guter Rauschflur beim Phasenrauschen erreichen. Aufgrund der kleinen Resonatorgüte bei hohen Frequenzen haben diese Oszillatoren jedoch ein deutlich schlechteres trägernahes Phasenrauschen bis 100 kHz Offset und eine geringere Frequenzstabilität gegenüber konventionellen (multiplizierten) Quarzoszillatoren. Als Vorteile ergeben sich ein sehr geringer Platzbedarf und eine hohe spektrale Reinheit des Ausgangssignals, ohne Subharmonische. Ein Beispiel ist Henry Halang, Bernd Neubig AXTAL GmbH & Co. KG www.axtal.com die Reihe AXGS10 im kleinen 19x13-mm-SMD-Gehäuse, die mit der „Gated“-Option gleichzeitig schnelle ASK-Modulation ermöglicht, wie sie in der Flugsicherung eingesetzt wird. Frequenzmultiplikation Bild 2: 1-GHz-OCXO AXIOM1000 Bei der Frequenzmultiplikation wird das Signal eines Referenzoszillators, in der Regel ein hochstabiler OCXO mit sehr gutem Phasenrauschen, vervielfacht. Dies geschieht durch Erzeugung von Harmonischen an nichtlinearen Kennlinien (Diode, Transistor etc.) und anschließende Filterung und Verstärkung. Vorteil dieser Methode ist, dass die hohe Frequenzstabilität des Referenzoszillators auch für das vervielfachte Signal erhalten bleibt. Nachteilig bei der Frequenzmultiplikation sind die entstehenden zusätzlichen Sub- Harmonischen (Vielfache der Referenzfrequenz), die einen deutlich erhöhten Filter- und Verstärkeraufwand nötig machen und - neben dem Abgleichaufwand - zu einer höheren Stromaufnahme und einem größeren Platzbedarf führen. Das Phasenrauschen des Referenzoszillators verschlechtert sich bei der Frequenzvervielfachung um den Faktor N mindestens um den theoretischen Anteil von 20·log(N). Hinzu kommt der zusätzliche Rauschanteil der Vervielfacherstufen, der die größte Designherausforderung darstellt. Dennoch lässt sich mit dieser Methode, durch den Einsatz von ultra-rauscharmen OCXO, eine herausragende Phasenrausch- Performance (insbesondere trägernah) bei hohen Frequenzen im GHz Bereich, bei gleichzeitig hoher Frequenzstabilität, erreichen. Frequenzmultiplikation ist daher in vielen Fällen den anderen Methoden überlegen. Bild 1 zeigt das Phasenrauschen einer von 100 MHz auf 1 GHz vervielfachten OCXO-Signals mit Vergleich zur idealen Multiplikation. Bei der hier dargestellten Modellreihe AXIOM1000 handelt es sich um Präzisions- 24 hf-praxis 5/2016

Quarze und Oszillatoren Bild 3: Phasenrauschen eines PLL-OCXO OCXO im 50 x 50 mm Gehäuse, die bis 1500 MHz lieferbar sind (Bild 2). Frequenzen deutlich über 1500 MHz können durch die Verwendung von SAW- Ofenoszillatoren, sogenannten „OCSO“, realisiert werden. Damit kann das Weitabrauschen (Rauschflur) stärker abgesenkt werden. Phase Locked Loop (PLL) Mit Hilfe der PLL wird ein VCO (Voltage Controlled Oscillator) in einer Phasenregelschleife auf einen Referenzoszillator gelockt. Innerhalb der per Design wählbaren Loopbandbreite (typisch im Hz- bis kHz-Bereich) bestimmt dann der interne oder externe Referenzoszillator die Frequenzstabilität und maßgeblich das Phasenrauschen des Ausgangssignals. Als Referenzoszillatoren werden daher meist TCXOs und hochstabile OCXOs eingesetzt. Auf diese Weise lässt sich innerhalb der Loop-Bandbreite ein signifikant besseres Phasenrauschen gegenüber dem ungelockten VCO bei hohen Frequenzen erreichen. Der „VCO“ kann bei relativ niedrigen Ausgangsfrequenzen als VCXO oder VC-OCXO ausgeführt werden, bei etwas höheren Frequenzen auch als VCSO mit SAW-Resonator. Nachteile der PLL-Methode sind eine Rauschüberhöhung bei der Loop-Grenzfrequenz („Rauschknie“) und die im Ausgangsspektrum auftretenden PLL-Produkte (Vielfache der Vergleichsfrequenz und des Referenzoszillators), die auch bei gutem Design in der Größenordnung von -80 dBc bis -60 dBc liegen können. Die PLL ist aber eine sehr vielseitige Methode, um die Eigenschaften von Referenzoszillator und VCO miteinander zu kombinieren und durch geeignete Wahl der PLL-Schleifenparameter auf die gewünschte Anwendung zuzuschneiden. Außerdem lässt sich die PLL mit den anderen vorgestellten Methoden beliebig kombinieren. Bild 3 zeigt ein Beispiel für einen OCXO mit Frequenzvervielfachung durch PLL. Hierbei wurde ein hochstabiler und rauscharmer 100 MHz OCXO auf eine externe 10 MHz Low- Noise-Referenz gelockt. Es zeigt wie das trägernahe Phasenrauschen Größe: des 90x120mm Ausgangssignals gegenüber dem freilaufenden internen 100 MHz-OCXO verbessert m e s a s.urface m.ounted a.pplication e.lectronics GmbH wird. Gut zu erkennen ist auch das „PLL-Knie“ bei der Loopfrequenz von ca. 10 Hz. Durch die geeignete Kombination von PLL-Technik und Frequenzmultiplikation lässt sich die Performance von komplexen Frequenzmodulen in einem weiten Rahmen auf die Anforderungen der jeweiligen Anwendung zuschneiden. Das Modul AXPLO2000 ist dabei die vielseitigste Type, die nahezu alle Methoden der Erzeugung hoher Frequenzen in sich vereint und phasenstarre Ausgangsfrequenzen bis zu 12 GHz ermöglicht. Als Beispiel wird in Bild 4 eine Modellvariante gezeigt, bei der die Frequenzen 80 MHz, 800 MHz und 2 GHz durch rauscharme Frequenzmultiplikation aus einem internen 80-MHz- Oberton-OCXO abgeleitet werden, der durch PLL-Anbindung auf die externe 10 MHz-Referenz gelockt werden kann. ◄ Sie suchen hochwertige Bobbins? kundenspezifische Varianten? in SMD? Dann sind Sie bei uns richtig. Als Distributor kümmern wir uns gerne um Ihre Anfragen. Bild 4: Universelles Frequenzmodul mit mehreren phasenstarren Ausgangsfrequenzen www.smae.de info@smae.de s.m.a.e. GmbH Lise-Meitner-Straße 6, 40878 Ratingen Telefon: 02102 / 4248-0, Fax: 02102 /4248-23 hf-praxis 5/2016 25

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