СПМФШ и спектр на выходе отладочной платы LMX2594 EVM:



Наблюдается высокий уровень спуров при широкой развертке спектра по частоте (-73 дБн). На вход опоры подается синус 100 МГц (с выхода ref анализатора спектра) с мощностью 10 дБм, в микросхеме опорная частота умножается на 2. Пробовал уменьшать мощность опоры-уровень спуров растет. Помогает уменьшение выходной мощности СВЧ, но не на много. Пробовал подавать на вход диф. сигнал (меандр) с разным уровнем мощности (от минус 18 до 3 дБм)-с уменьшением мощности ситуация улучшается, но ниже минус 78 дБн спуры не опускаются. Как еще больше можно подавить спуры (желательно до минус 85-90 дБн)?

Сообщение отредактировал Cach - Jan 15 2018, 02:21

Качество отладки LMX2594 для таких измерений не подходит. Лучше - на своей плате и под крышкой.


Спасибо.
Сергей, графики считались по 2.4, конечно. У Царапкина (или Штина, уже не помню) в подобной 2.10 формуле сомножителем фигурирует параметр T0^-2, который в максимуме равен 4 и сокращается с двойкой в знаменателе около добротности. На практике я неправильно определил добротность резонатора - должно быть 4 тысячи, а не 8. Тогда, 2.10 даст адекватный результат. Недавно выловил наконец-то это промах. Неприятно, но не фатально - 8 тысяч улучшит результат на 6 дБ.

Отлично. Я подозревал, что Вы оперируете величиной T0^-2 (при этом уточним, что в интерпретации Царапкина Т0 - это произведение модуля S11 резонатора на крутизну его ФЧХ, которое выходит на максимум в районе 0.5 при критической связи с резонатором).

В данном контексте как Вы объясняете следующую нестыковку:

В статье Штина Development of ultra low phase noise microwave oscillators at CENAM дается упрощенная формулка типа: L(Fm) = k*T*NF/2Pin*T0^(-2)*(HBW/Fm)^2. HBW=F0/2Q=полполосы резонатора.

Что сие означает на пальцах?

Николас фактически говорит нам: если Вы, ребята, делаете генератор с комбинированной системой стабилизации, то в пределах петли АПЧ фазовый шум будет определяться "шумовым полом комбинированной системы стабилизации (фазовым детектором)". И согласно приведенной модели, кривая шума будет расти в пределах полполосы резонатора по закону 1/F^2 (то есть, выражаясь по-простому, 20дБ на декаду отстройки). И еще есть такой замечательный параметр, как T0, который, если правильно настроить резонатор, будет смещать кривую шума на 6дБ вверх в лучшем случае (в худшем еще выше).

Мы знаем, что у простого автогенератора на СВЧ шум растет по закону 1/F^3. Стало быть, когда мы врубаем КСС, то, согласно упрощенной модели Штина, шум должен не просто провалиться на десятки дБ, но и наклон нашего шума должен измениться с 30 дБ на 20 дБ.

На самом же деле это брехня, к сожалению. Все статьи с реальными измерениями генераторов с КСС (Иванова, Сен Гупты), Ваши измерения, наши многократные измерения демонстрируют в итоговых генераторах наклон 1/F^3. Что любопытно, наклон 30 дБ имеют как генераторы с LNA в петле АПЧ, так и без него (только с миксером). Стало быть, подобная упрощенная модель не работает

У Царапкина со Штином есть статья получше (PERFORMANCE LIMITS OF MICROWAVE OSCILLATORS WITH COMBINED STABILIZATION), где шум в петле КСС моделируется как Lfcs(Fm) = (Sint +Slna +Vpd/K^2)*(HBW/qFm)^2. Там Дмитрий Петрович Slna моделирует как постоянное число (что не факт, что соответствует реальности), но оговаривается, что есть, мол, еще одна аддитивная составляющая с наклоном 1/Fm (которая при умножении на (HBW/Fm)^2 как раз может дать 30 дБ на декаду) и что эта составляющая - ферритовый циркулятор. Шумы ее оцениваются как Lcirc (Fm)=-152-12*lg(Fm), то есть низкие (в районе -150 на отстройке 1кГц, а не -140, как Вы, кстати, указали в диссере). Циркулятор как бы дает возможность объяснить наклон в 30дБ (в отличие от работы Штина), но его маленькая оценочная величина не позволяет объяснить, откуда такой наклон берется в генераторах с шумом, например, -137 дБ/Гц@1кГц (где до "шума циркулятора" еще далеко).

Что касается параметра T0 - то это ИМХО лишь одно из средств подгонки графика матмодели к графику реальных измерений для рекламных статеек в журналах.

Когда я Дмитрию Петровичу у себя в лаборатории показал шумы SLCO c КСС с наклоном 30дБ, вместо 20дБ, и попросил объяснить, почему график не сходится с его матмоделью (и почему ни у кого и нигде ФШ подобного генератора не имел наклона 20дБ), он не нашелся, что ответить. Точнее он сказал, что в случае реальных измерений лучше моделировать генератор с КСС как обычный автогенератор по Лиссону, но с резонатором с лучшей "эффективной добротностью".

Моя точка зрения, основанная на анализе экспериментальных данных различных сапфировых генераторов с КСС, заключается в том, что в моделях Царапкина-Штина игнорируется частотно-зависимый коэффициент шума устройства выделения обратной волны, который всегда имеет наклон 1/Fm. Этот коэффициент шума пропорционален подавлению несущей (его максимум реализуется на несущей) и обратно пропорционален мощности, подводимой к резонатору. LNA на этот параметр положительного влияния не оказывает, поскольку он в плече "интерферометра" стоит после. Слишком сильно давить несущую черевато, поскольку это приведет к большому коэффциенту шума вида 1/Fm экстрактора обратной волны, который в пределах полполосы резонатора по отражению вырастет еще на 20дБ (в итоге даст наклон 30дБ). И этот наклон будет у любого генератора с КСС (с циркулятором, с подвешенной линией, с TWDF). Здесь возникает вопрос, а зачем тогда сильно давить несущую? А для того, чтобы обострить ФЧХ S11 и сузить полполосы резонатора по отражению. Тогда рост на 30дБ начнется с меньших отстроек. Но важно экспериментально нащупать правильный баланс мощности-подавления-эффективной добротности.

P.S. В Вашем диссере в формуле 2.4 Вы используете параметр Br(f) - "коэффициент передачи устройства выделения обратной волны с подключенным к одному плечу резонатором". И определяете его как: Br(f)= (1 +CS*jfQL/Fo)/(1+jfQL/Fo). А CS как "величину, обратную коэффициенту отражения от резонатора" (большое число при критической связи). Получается, что коэффициент передачи такого устройства по Вашей формуле всегда больше единицы. Как так? Речь вроде идет о пассивном устройстве?

Сообщение отредактировал Sergey Beltchicov - Jan 16 2018, 23:46

Пробовал накрывать жестяной крышкой, отгораживать металлическим листом цепь опоры-ничего не влияет на эти спуры. Добавлял дополнительные конденсаторы 0,1 мкФ по питанию (монтажом поверх имеющихся) - не помогает. Создается впечатление, что это пролаз в самой микросхеме-недоработка, так сказать.

Эта формула описывает предельный случай, для которого нужна куча условий. Одно из них я, по-моему, привожу в диссертации - единичная связь с резонатором (CS и усиление МШУ стремятся к бесконечности). Еще - отсутствие собственных шумов выделителя отраженной волны, отсутствие чувствительности АПЧ к амплитудным шумам. На практике, CS вполне достижим на уровне 35-40 дБ, а дальше все становится очень чувствительно к механике и климату. Естественно, формула здесь неприменима, а нужна более-менее полная модель. Насчет перемножения добротностей я не согласен, так как КСС меняет границу фликкер-шума в отличие от случая с простым увеличением добротности. Лучше эту систему воспринимать, как нивелирующую потери в обратной связи автогенератора и сильно избыточный вносимый фазовый шум насыщенного усилителя.
PS: Резонатор с выделителем работают, как усилитель фазового шума падающей волны.

Еще раз подчеркну: когда Вы (вслед за Штином и Царапкиным) рассматриваете предельный случай, то фактически заявляете о "достижимом" генераторе с шумом 1/F^2. В Вашем диссере на стр. 60 Вы приводите график шумов для подавления 44дБ и для подавления 60 дБ. У первого наклон 30дБ (что согласуется с экспериментальными данными), а для второго Вы бодро рисуете наклон в 20дБ. В действительности же у генератора с подавлениями 44 дБ и 60 дБ наклон вблизи F0 будет одинаковый. Потому что по входу интерферометра стоит устройство выделения обратной волны, которое для простоты можно рассмотреть как частотно-зависимый аттенюатор. Он всегда вносит коэффициент шума вида 1/F в логарифмическом масштабе отстроек, который в пределах полполосы даст наклон 30дБ. То есть ситуации "отсутствия собственных шумов выделителя отраженной волны" не бывает. 1/F всегда уже есть в таком устройстве (циркулятор, TWDF, подвешенная линия). Чем больше давите несущую, тем выше такой шум.




Моя интерпретация отличается и от Вашей и от царапкинской. Если мы рассматриваем автогенератор с КСС, то можно приблизительно утверждать, что основное кольцо генерации - это управляемый генератор, который мы петлей ФАПЧ привязываем к некой "опоре". При этом в пределах петли шумы УГ полностью устраняются и заменяются на шумы "опоры". А что такое эта "опора"? Я склонен рассматривать ее как систему преобразования шумового сигнала (шумовой даунконвертор) с определенным динамическим окном. Динамическое окно и есть фазовый шум. Верхнюю границу окна задает задает мощность подводимая к резонатору. Нижнюю границу задает чувствительность интерферометра, которую можно моделировать как чувствительность обычного даунконвертора. По входу такой системы стоит "частотно-зависимый аттенюатор" в виде устройства выделения обратной волны (с шумом всегда 1/F), далее вторым каскадом стоит усилитель (который лучше моделировать не как простое число, а как b0*(1+Fc/Fm) и третьим каскадом фазовый детектор (смеситель, коэффициент шума которого давится усилителем). Крутизна подавления несущей определяет параметры "входного аттенюатора" и одновременно те полполосы (-45...+45 градусов ФЧХ S11), в пределах которых есть захват и в пределах которых все указанные составлящие шума умножатся на 1/F^2. Также подавление несущей модифицирует фликкерную границу LNA (второго каскада). Можно сказать, что Fc LNA eff = Fc LNA/S (где S - подавление). Подобная интерпретация позволяет объяснить, почему у генератора с КСС всегда имеется 30-децибельный наклон шума. Усиливая подавление несущей, мы двигаем границу 30-децибельного наклона ближе к нулевой отстройке, одновременно убивая фликкер LNA, но все больше "обнажая" шум 1/F входного "экстрактора обратной волны".

Сообщение отредактировал Sergey Beltchicov - Jan 17 2018, 22:07

Я и не спорю, что наклон 30 дБ/дек остается и при CS 60 дБ. Просто его граница сдвигается на отстройку 100 Гц с 1 кГц, соответствующего CS 44 дБ. Если бесконечно наращивать CS и усиление МШУ, то в пределе будет 20 дБ/дек везде в пределах действия АПЧ. Правда, это не достижимо по очевидным причинам. CS 60 дБ очень трудно обеспечивать и поддерживать, 40 дБ - уже попроще в комнатных условиях.
Сергей, почему Вы исключили влияние МШУ на формирование спада 30 дБ/дек и все пытаетесь свести к выделителю? Вы измеряли спектры шумов без циркулятора (с делителем мощности) при разных CS (в т.ч. выше 50 дБ) соответствующих коэффициентах усиления МШУ?

Нет, не исключаю. Его фликкерная граница будет уменьшена подавлением и при подавлении >50дБ сместится в зону отстроек ~100-300 Гц. Там появится наклон 40дБ.
Измерить пытались, но один генератор все равно был "циркуляторный", так что измерение не вполне чистое. Я склонен не доверять тезисам про шумы циркуляторов, потому как Иванов на циркуляторах (статья Interferometric Signal Processing) получил за -156dBc/Hz@1kHz.

Вот для размышления график SLCO на мощном SA (примерно Ватт в резонатор), с реально конским подавлением (>70дБ). Из-за большой мощности генератор сильно быстро "бегает", раз в 10 шустрее обычного. Это увеличивает наклон на отстройке 1 Гц.

Сообщение отредактировал Sergey Beltchicov - Jan 17 2018, 10:33

Тогда откуда уверенность в присутствии фликкера даже в пассивном выделителе?

если взять типовую формулу для графика подавления несущей, например, CS = (2Q*Fm/f0)/(sqrt(1+(2Q*Fm/f0)^2)), прологарифмировать график по оси отстроек от F0, мы увидим, что изменяться данная величина будет 10дБ на декаду. То есть это не фликкер в традиционном понимании (шум активного элемента), но, подобно фликкеру, это шум вида 1/F первого каскада интерферометра.

Даже если взять Br(f) из Вашего диссера, то получаются вот такие графики. Ваша интерпретация выделителя обратной волны отличается тем, что вы вводите плоский участок близко к несущей. Но увеличение подавления будет уменьшать ширину такого участка.

Сообщение отредактировал Sergey Beltchicov - Jan 17 2018, 12:27

Сергей, проверьте - должно быть 20 дБ на декаду. На Вашей картинке так и есть. Вы привели формулу для модуля передаточной характеристики ФВЧ. Насколько я помню из университетских дисциплин, не существует цепи, имеющей АЧХ вида 1/sqrt(f).

Сообщение отредактировал Dr.Drew - Jan 17 2018, 12:37

Приведенная мной формула по сути мало отличается от вашего Br(f), если взять модуль от комплексного числа. Разница только в том, что вы зафиксировали минимум коэффициента передачи через слагаемое единицу и ввели коэффициент пропорциональности через CS.

Хороший вопрос, сколько брать, 20log Br или 10log Br?

Рассмотрим такой пример. Подаем сигнал на усилитель (это я про LNA), на выходе получаем 20дБм и фликкерную границу 1МГц на уровне -174дБм (-164дБм@100к, -154дБм@10к). Теперь снижаем сигнал на 20дБ, на выходе имеем 0дБм. Согласно Рубиоле (да и практике) фликкер отползет на частоту 10кГц. Очевидно, что фликкерная граница в линейном виде обратно пропорциональна подавлению. Так чему в разах соответствует 20дБ подавления?

Сообщение отредактировал Sergey Beltchicov - Jan 17 2018, 18:43

Собрал модель резонатора с Баттервортом, Q0=1000, QL=500, F0=1ГГц. На картинке - S-параметры и групповая задержка относительно несущей в лог. масштабе по частоте.



Как видно из рисунка, фильтрующие способности резонатора вблизи несущей оказывают слабое влияние на наклон, как по S21, так и по S11. В этой области резонатор скорее работает как модулятор шумов (как в оптической линии). В случае линейной ФЧХ (наклон ГВЗ=0), белый шум трансформируется в 1/f^2, шум вида 1/f - в 1/f^3 и т.д. За пределами полосы пропускания резонатора наклон ФЧХ уменьшается, а АЧХ становится 20 дБ/дек. Можно поиграться с коэфф. связи и типом фильтра, но результат не сильно изменится.

P.S. Хорошо записать АЧХ и ФЧХ разомкнутой цепи в бинарном виде для мат. обработки.


Бывает в интегрирующей цепи используют только низкочастотные элементы, они хорошо пропускают пикосекундные фронты схемы накачки заряда. Попробуйте закоротить выход CP на землю через 10-15 пФ 0402 NP0 (только не поверх тех элементов, а впритык к земле).

На этот вопрос давно ответили в книгах, в том числе по статистической радиотехнике. Как с этим связан приведенный пример, не совсем понятно.

Попробовал:

Видно, что спуры на отстройке 800 МГц просели, в целом стало лучше, но что делать с остальными спурами?

Сообщение отредактировал Cach - Jan 18 2018, 08:25