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おきみちかくはり
5 years ago
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1 QEX 11 月掲載記事低価格スペアナの周波数拡張アダプタワンチップの GHz 帯シンセサイザ IC を応用してローカル信号源とミキサーを一体化させた周波数拡張アダプタを試作しました RIGOL DSA815TG などの低価格スペアナで 6.5GHz までのフィルタやアンプの通過特性スペクトルの測定を可能にします周波数拡張アダプタの設計製作評価のレポートをいたします 1. ブロック図と主な仕様 HMC833 外部 10MHz 入力 100MHz-VCXO 2.5GHz or 1.75GHz P/D P/D 10MHz-TCXO or 17.5 x2 逓倍マイコン各部の制御 LPF Fc=3.1GHz スペアナ TG-OUT スペアナ TG-OUT IF LO LO IF スペアナ RF-IN RF RF DUT 図 1 周波数拡張アダプタのブロック図周波数変換アダプタのブロック図を図 1 に示します周波数変換アダプタの心臓部は 3.5GHz/5.0GHz のローカル発振源です近年アナログ IC 各社から VCO と PLL 部を一体化させてワンチップで周波数安定な GHz 帯の信号発生が可能な IC が発売されています今回 Hittite 社の HMC833 に採用しました HMC は 25MHz~3GHz の VCO と PLL 回路を内蔵していますダブラも内蔵しておりダブラ使用時は 6GHz まで信号発生が可能です HMC833 を周波数拡張アダプタに応用することで 5GHz 帯の無線 LAN の信号観測に応用することもできます今回はスイッチ切り替えによりローカル信号源を 3.5GHz/5GHz の 2 周波を切り替えられるようにしておりますローカル信号発生部は外部からの 10MHz もしくは基板に搭載された 10MH-TCXO を基準に動作します 10MHz は一旦 100MHz-VCXO と PLL 回路により 100MHz まで 10 逓倍されます 10 逓倍の PLL-IC には ADF4001 を採用しました HMC833 は 100MHz を基準に 3.5GHz もしくは 5GHz を生成します HMC833 の基準を 10MHz ではなく 100MHz にすることで PLL のループ帯域を広くでき HMC833 内部の分周器の分周数を減らして位相雑音フロアを下げることができますループ帯域を広くすることで衝撃が加わった際のロック外れを起こしにくくさらには PLL ループの VCO 位相雑音補正効果を向上させることができます耐衝撃性や位相雑音低減効果を十分に引き出すには 10MHz を逓倍する際の VCXO は位相雑音の優れたものを選ばなければなりません位相雑音が非常に良好で小型低価格な VCXO が発売されておりわずかなコスト増と基板スペースで 10MHz の 10 逓倍ができますローカル信号源の耐衝撃性や位相雑音が良好であれば安定で低位相雑音を要求される測定にも周波数拡張アダプタを応用することができます HMC833 から得られた 3.5GHz/5GHz のローカル信号は抵抗分配により TG-OUT 用のミキサー RF-IN 用のミ

2 キサーに2 分配されますミキサーを駆動するには +7dbm 必要です HMC833 の出力レベルと分配による損失を補うためにアンプ ( 使用デバイス :MGA-81563) を計 4つ挿入していますまた HMC833 のダブラ使用時の基本波を除去するために 3.1GHz の LPF を挿入しています 3.5GHz 生成時は 1.75GHz の基本波 5GHz 生成時は 2.5GHz の基本波が出ますがどちらの場合も 3.1GHz の LPF で除去するようにしています 10MHz を 10 逓倍する PLL と HMC833 はどちらも SPI 通信で制御します SPI 通信での制御と 10MHz の内部 / 外部切り替え用にマイコンを搭載しています以下に今回試作した周波数拡張アダプタの仕様をまとめます拡張周波数範囲 3.5 ~ 5.0GHz / 5.0 ~ 6.5GHz の 2 バンド対応ローカル信号源 5.0GHz( BAND-A ) もしくは 3.5GHz( BAND-B ) TG ミキサー変換損失 7dB ~ 12dB RF ミキサー変換損失 10dB ~ 16dB RF および TG 最大入力 +5dBm 入出力コネクタ SMA 型メス外部同期入力 10MHz AC 結合ハイインピーダンス電源 DC 7V~9V 450mA DC ジャックセンタープラス 2.1mm 径付属品 AC アダプタ ( DC9V ) 2. 周波数拡張アダプタの製作製作した周波数拡張アダプタの写真を図 2 に示しますローカル信号源とミキサーを一体化させ 10cm 10cm の小型サイズに収めることができました基板は FR-4 の 4 層基板としました FR-4 では 3.5GHz/5GHz のローカル信号の伝送損失が大きくなりますがアンプでロスを補います TG の周波数変換後と RF の周波数変換前は最大で 6.5GHz の信号が通過しますしアンプでロスの補正もしていません TG の周波数変換後と RF の周波数変換前の信号はロスが小さくなるようにできるだけ短い距離で配線しました基板には DIP スイッチが搭載されており 10MHz リファレンスの内部外部切り替えおよび HMC833 の発振周波数の 3.5GHz 5GHz の切り替えをすることができます 100MHz を発生させる PLL と HMC833 の 2 つの PLL が搭載されていますが常に PLL ロックを監視しておりロック状態を LED で表示します今回の試作で使用した IC(HMC833 ADF4001 MGA など ) については特に注意点はありません WEB で入手できるメーカのデータシートに外付け部品や基板レイアウトなど設計に必要な情報がすべて記載されていますのでそれをもとに設計を行いました HMC833 と ADF4001 を動作させるにはレジスタ設定が必要ですがレジスタ設定についてもデータシートに詳細が記載されています 2 つの PLL はリファレンス周波数と発振周波数はビートによりスプリアスが発生しないように発振周波数を選んでいます ADF4001 のループ帯域は 10Hz HMC833 のループ帯域は 200kHz として設計しました今のところ HMC833 が正常にロックしない不具合が解決しきれていませんが電源を再投入することでこの問題は回避することができます

3 図 2: 製作した周波数拡張アダプタ

ローカル信号源 5.0GHz ) を選択しますスペアナ TG 出力が 5.0GHz のローカル信号により 5.2GHz~6.2GHz に変換されます一方 RF-IN に入った 5.2GHz~6.2GHz は 200MHz~1.

4 3. 周波数拡張アダプタを試用 RIGOL DSA815TG( 9kHz~1.5GHz TG 内蔵スペアナ ) で 5.2GHz~6.2GHz の DUT( フィルタ ) の測定した例を紹介いたしますスペアナの周波数スパンを 200MHz~1.2GHz にセットして TG モードにしますスペアナ TG-OUT と拡張アダプタの TG-IN スペアナ RF-IN と拡張アダプタの RF-OUT を接続します拡張アダプタの TG-OUT と RF-IN の間にアッテネータフィルタを挿入しますアッテネータフィルタを挿入する目的は後述いたします拡張アダプタに AC アダプタを接続し DIP スイッチで BAND-A( ローカル信号源 5.0GHz ) を選択しますスペアナ TG 出力が 5.0GHz のローカル信号により 5.2GHz~6.2GHz に変換されます一方 RF-IN に入った 5.2GHz~6.2GHz は 200MHz~1.2GHz に変換されます外部同期が必要な場合は 10MHz 入力に外部 10MHz を接続し DIP スイッチで 10MHz_EXT を選択しますスペアナの TG レベルを 0dBm にセットします 3dB のアッテネータを挿入した場合ミキサーとアッテネータのロスにより-30dBm~-20dBm の RF レベルが得られます次にノーマライズを実行してアッテネータとミキサーのロスを補正します ( )RIGOL DSA815TG で TG=0dBm 設定とした時にノーマライズ実行後に測定し DUT を外した際にノイズフロアが画面中心から右側で上昇する症状が 2 台で確認出来ました RF 入力には何も接続されていないので本体固有の原因と思われますこの場合は TG レベルを-1dBm 以下に下げてください

ノーマライズ前ノーマライズ後 TG-OUT と RF-IN の間に DUT( フィルタ )

5 ノーマライズ前ノーマライズ後 TG-OUT と RF-IN の間に DUT( フィルタ ) を挿入しますスペアナの画面に DUT の通過特性が表示されますローカル信号源の 5GHz をスペアナの周波数読み値に加算してください 4. ミキサーの特性と測定のコツ周波数拡張アダプタのミキサーからはイメージ周波数およびハーモニック周波数が現れますし DUT とのミスマッチでミキサーの特性が変化します通常のスペアナではこれらのミキサーの特性は補正されて画面表示されますが周波数拡張アダプタはミキサーの特性が補正されていませんのでミキサーの特性を頭において測定する必要があり

6 ます慣れないうちは面倒ですがミキサーの癖を知り尽くして使いこなすのは簡易的な装置で測定をする醍醐味でもありますイメージ周波数についてたとえばローカル信号 5GHz で TG から 500MHz を入れるとミキサーからは 4.5GHz と 5.5GHz が現れますイメージ周波数除去のためにフィルタを挿入しますハーモニック周波数についてたとえばローカル信号 5GHz で TG から 500MHz を入れるとミキサーからは 9.5GHz と 10.5GHz が現れますハーモニック除去のためにフィルタを挿入します

7 DUT とのミスマッチについて DUT とのミスマッチでミキサーの特性が変動しますミスマッチ緩和のためにアッテネータを挿入します 5. まとめと今後のテーマワンチップの PLL-IC を使用することで 10cm 10cm の小さなサイズの基板でスペアナの周波数拡張を実現できることができました今回の測定を行ったフィルタではローカル信号源の周波数の正確さや位相雑音は測定結果への影響は少ないと思われます今後は高度な位相精度を必要とする無線通信の周波数コンバータにローカル信号源を応用しローカル信号源の周波数正確さや位相雑音がどのように通信品質へ影響するか検証したいと考えております 6. 試作した周波数拡張アダプタの販売について今回製作しました周波数拡張アダプタを円にて販売いたします販売について詳しくはモリサカ研究所もしくはマイクロパワー研究所の WEB サイトをご覧下さいまたイメージ除去として使用したフィルタをオプションとして発売予定 ( 予価 4000 円 ) です設計製作 : モリサカ研究所 ( ) 販売 : マイクロパワー研究所 ( )

Microsoft Word - QEX_2014_feb.doc

Microsoft Word - QEX_2014_feb.doc QEX2 月掲載記事 GPS 同期の 10MHz-OCXO 1. はじめに様々な場面で周波数精度の高い 10MHz 基準信号が必要とされますたとえばダブルオーブン式の OCXO を使用して ppb 級 (10 の -9 乗 ) の精度を実現することができます OCXO 以上の精度を要求する場合にはルビジウム発振器や GPS 同期の OCXO を使用しますルビジウム発振器や GPS 同期の OCXO