Von einem Experiment kam hier das Bedürfnis nach einem groben Frequenzzähler auf, der mit 6.5 GHz umgehen kann. Für weniger hohe Frequenzen setzt man bereits erfolgreich ein Gerät von Alceco ein:
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Leider sind sämtliche Geräte der Firma auf 3 GHz begrenzt.
Der Hintergrund ist, dass mit Hilfe einer Step-Recovery-Diode von einem Referenzoszillator ein Frequenzkamm abgeleitet wird. Ein PLL soll sich nun auf die Zinke mit 6.5 GHz setzen, die Anschließend verstärkt wird. Mit dieser Frequenz werden dann im Vakuum befindliche Atome traktiert. Das Problem ist nun, dass die PLL nicht immer zuverlässig auf die "richtige" Zinke des Frequenzkamms lockt. Man braucht zur Einstellung irgend eine Art von Rückkopplung, wann man richtuig liegt. Das Experiment selbst taugt dafür nicht, denn es hängt noch an diversen anderen Vorraussetzungen. Am Speci, der dafür bisher eingesetzt ist das zwar problemlos zu erkennen. Jedoch gibt es andere wichtige Aufgaben für dieses Investitionsgut.
Die Auflösung muss für diese spezielle Aufgabe nicht besonders hoch sein. Da der Frequenzkamm einen Zinkenabstand von 500 MHz hat, sollten 1e-2 Auflösung ausreichen. Leistung ist ebenfalls unkritisch Problem. Die zu messende Frequenz wird hundert mW abgestrahlt. Die Frequenz selbst ist supergenau stabil. Sie ist über Umwerge von der PTB abgeleitet. Wäre es realistisch, einen Schwingkreis für die 6.5 GHz zu bauen? Oder eienn passenden Hohlraumresonator? Nur, wie detektiert man, ob der Schwinkreis, oder Resonator anschwingt? Meint Ihr man könnte in dem Fall mit Hausmitteln voran kommen? HF-Quellen und Analyzer für den Frequenzbereich sind vorhanden. UHF-Erfahrung nur bedingt.
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Kai-Martin Knaak tel: +49-511-762-2895
Universität Hannover, Inst. für Quantenoptik fax: +49-511-762-2211
Welfengarten 1, 30167 Hannover http://www.iqo.uni-hannover.de
GPG key: http://pgp.mit.edu:11371/pks/lookup?search=Knaak+kmk&op=get
Gibt's schon, Agilent, Marconi und andere, aber nicht billig:
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Mehrere Moeglichkeiten:
a. Topfresonator -> Verstaerker -> Diode -> Voltmeter. Wenn es physikergerecht zum Zusammenstoepseln sein soll, reicht dieser vielleicht mit ach und krach noch, oder zwei hintereinander:
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Die sportlicheren unter uns nehmen ein MMIC, die knausrigen einen 65GHz SiGe Transistor fuer ein paar Groschen, so 10-12dB pro Stufe geht. Ersparnis gegenueber Fertigmodulen 4-5 Bierkaesten.
b. Verstaerker -> 5GHz Oszillator oder in dem Dreh -> Diode als Mischer
-> Normaler 1.8GHz Spektrumanalysator. Mixer gibt's dann auch als DBM fuer ein paar Dollars oder fertig in poliertem Kaeschtle fuer das zehnfache (bis 15GHz) bei Mini-Circuits. Eventuell kann man fuer den Oszillator ein 5GHz Drahtlostelefon oder einen neueren WLAN Adapter schlachten.
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Gruesse, Joerg
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Ok, noch eine Idee. Ich weiss nicht ob man diesen oder aehnliche Chips anderer Hersteller bis 6.5GHz hochquaelen koennte. Waere aber einen Blick wert und eine besonders tolle Rauschzahl braucht Ihr sicher nicht:
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Falls es geht, koennte man die reinkommende Amplitude am RSSI Ausgang ablesen. Falls es nicht geht vielleicht vorher mit 700MHz mischen um ein Mischprodukt bei 5.8GHz zu bekommen. Geht aber nur wenn die Chose normalerweise nicht mehr als zwei "Zinken" aus dem Ruder laufen kann, damit man nicht der Spiegelfrequenz aufsitzt. Obwohl die Selektivitaet so gut ist, dass die anderen Produkte so ziemlich alle rausfallen wuerden (muesste man auf dem Taschenrechner durchklimpern).
Oliver wuerde wahrscheinlich auf diese Geraete hinweisen, kostet aber:
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Gruesse, Joerg
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Naja, ein klassischer Schwingkreis ist bei der Frequenz nicht mehr der Hit.
Wenn es wirklich nur darum geht, _eine_ Frequenz des PLL Oszillators zu messen (also nicht den Zinken aus dem SRD Kamm zu filtern), dann nimm doch einen der vielen verfügbaren Frequenzteiler-IC's direkt oder mittels Demoboard oder Modul, hier wirst Du fündig:
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Du kannst auch ein hinreichend schnelles PLL IC missbrauchen, z.B. von Analog Devices oder Skyworks, einen Teiler-Ausgang kann man im allgemeinen auf den MUX-Pin führen.
Oder mische das Signal mit einer bekannten Quelle, oder, wenn Du schon mit SRD's arbeitest, erzeuge einen zweiten Kamm, der sich nur an der einen Frequenz mit dem PLL VCO Signal so trifft, dass ein bestimmtes Mischprodukt gebildet wird.
Am einfachsten scheint mir aber wirklich der Vorteiler zu sein, oder irgendein fertiger gebrauchter Mikrowellen-Frequenzzähler, die sind günstig zu haben.
Sollte es um das Herausfiltern des Zinken gehen, dann wird es aufwendig, man kann auf geeignetem Substrat entsprechende Filter z.B. als Microstrip-Strukturen ätzen, oder Du nimmst einen YIG-Filter (ggf. auch gebraucht) und stimmst den manuell auf die Frequenz ab, für ein Einzelstück könnte das die günstigste Lösung sein.
Auf die von mir entwickelten Handheld Specs hat Jörg ja schon hingewiesen, die haben auch eine USB-Schnittstelle.
Das koennte gerade noch mit Topfkreisen gehen. Was haben wir da frueher Wenol Polierpaste durchgeschossen. Ich hoffe das Zeug war nicht giftig an den Fingern. Hatte in der Hektik vor der Auswanderung natuerlich vergessen ein paar Tuben mitzunehmen. Nachdem sich hier dann so langsam Verzweiflung in Sachen Polierpaste breitmachte, kam in einem Kuechenfachgeschaeft eines Nachbarn der Juchzer: Zwei grosse Tuben echt teutonisches Wenol. Wurden natuerlich sofort meine.
[...]
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Gruesse, Joerg
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Da ihr mit Atomuhren arbeitet, und die SRD wahrscheinlich nicht ohne Grund einer direkten PLL auf den Referenzoszillator vorgezogen wurde, nehme ich mal an, das das Phasenrauschen ultrakritisch ist und PLL-Chips für direktes Runterteilen zu stark rauschen würden (s.u.).
Ziemlich rauscharme und zudem sehr schnelle Prescaler gibts bei Hittite (bis -233 dBc/Hz).
Oder Du nimmst einen schnellen PFD Chip wie den ADF4107 und programmierst ihn so, daß er die runtergeteilte Oszillatorfrequenz mit der Grundfrequnez des Kammes vergleicht. Der PFD-Fehlerstrom zeigt Dir dann mit einer zwei-Farben LED gegen VCC/2 direkt an, ob Du richtig liegst.
Man kann es auch integriert und verstärkt auf das Fehlersignal der existierenden PLL gegeben. Solange für irgendeine niedrige Frequenz das ADF-Signal stärker ist als das schnelle rauscharme Signal von der PLL mit dem Kammzinken, sollte die PLL nur noch auf dem richtigen Zinken einrasten können.
Eine Alternative dürften Hohlraumresonator-Filter sein: Es gibt Firmen, die behaupten, geeignete Filter verkaufen, so daß Du aus dem Kamm den einzig richtigen Zinken extrahieren kannst:
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Aus aktuellem Interesse: Wo habt ihr euren Kammgenerator her? Ich brauche momentan eine sehr rauscharme Mikrowelle bei 9 GHz. Das Phasenrauschen, das man durch direktes Phasenlocken eines DRO von 9000 MHz auf eine 100 MHz Referenz bekäme, wäre durch den Frequenzteilerchip und nicht die Referenz (im Falle von Hittite) auf
-233+10 Log(100 10^6) + 20 Log(9000/100)=-153 + 20 Log(9000/100) beschränkt. Gute OCXO können aber wohl bei 10kHz Seitenbändern fast 20 dB weniger Rauschen und es wäre ja schade, das zu verschenken, wenn es eine praktikable Möglichkeit gibt.
Ausmalen könnte ich mir, eine 125MHz OCXO Referenz auf 1 GHz hochzumultiplizieren (die 1 GHz brauche ich sowieso), den 9 GHz DRO mit der
Harmonischen davon zu mixen und das Resultat dann phasenzulocken. Womit bekomme ich am besten bei so hohen Frequenzen die 9. Harmonische und wie bekomme ich die 125 MHz mit möglichst wenig Phasenrauschen auf 1 GHz? 3 Minicicruits-Doppler? Oder besser direkt höhere Harmonische ausfiltern?
Skyworks liefert entsprechende SRD IC's (SPD1101), die sind sogar erhältlich. Von den ganzen SRD-Kamm-Designs bin ich allerdings nicht so überzeugt, heute hat es bessere Möglichkeiten.
Schau Dir mal die neuen PLL Bausteine von Hittite an, der HMC698 hat einen PFD, der bei 1,3GHz arbeitet, ähnlich der Technik des HMC439, mit dem wir schon gute Erfahrungen gemacht haben.
Die hohen Ref-Frequenzen kann man z.B. extrem phasenrauscharm aus einem SAW gewinnen, der via PLL gelockt wird, man nimmt die nächstbeste teilbare Frequenz, die der SAW mag, und bringt sie per DDS ins Ziel.
BTDT ;-)
In dem Fall täte ich phasenrauscharm /8 teilen und die 1,125 GHz Referenz per SAW+DDS und ggf. Verdreifacher erzeugen, entweder mit einem schnellen DDS direkt oder mit einem nicht ganz so schnellem mit einem zusätzlichen Vektormodulator, der DDS erzeugt dann ein Quadratursignal für den, der LO kommt dann aus dem SAW und der DDS-Takt ebenfalls.
Das Signal wird dann gefiltert und für den Phasenvergleicher des HMC439 hergenommen und gut ist.
Danke für den Hinweis. ich bin nicht genau über die Randbedingugnen des betreffenden Experiments informiert, was Zeit und Geld angeht. Eventuell ist das obere Ende von Olivers Produktspektrum hier auch für andere interessant. Bisher sind wir in diesem Frequenzbereich rein auf die dicken Kisten von Agilent & Co angewiesen. Für dei gibt es teilweise Wartelisten.
Klingt gut. Ich werde mir das mal genauer anschauen.
Das wäre dann die logische Fortführung.
Das ist wohl ein Teil der in mehr als einer Doktorandengeneration entstandenen Eigenbaukisten. Wobei es auch eine Zusammenarbeit mit HF- Zauberern von der ENS aus Paris gab. Ein Teil des Problems ist, dass die betreffenden Doktopranden seit einiger Zeit auf anderen Kontinente ausgeflogen sind. Ich werde mich am Montag nochmal genauer informieren.
Falls der Link bricht, Item Number 290273975635. Ok, fuer $335 wird der nicht weggehen, doch es duerfte im Rahmen bleiben. Modernere gehen so um die $4k weg, z.B. Item 280277661487. Aber vorher Daten ansehen, dass auch alles passt in Sachen PC Anbindung und was man sonst so braucht. Gute Bandscheiben sind auch noetig ;-)
Der Knueller sind immer die fetten optischen Spektrumanalysatoren, die bekommt man inzwischen fast nachgeworfen. Muss zu meiner Schande gestehen, dass ich einen mal profan als Power Meter benutzt habe. Er war billiger (!) als ein simples Zeigergeraet.
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Gruesse, Joerg
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Das Prinzip ist meist simpel. Hier ist einer im "unteren Frequenzbereich" bis etwa 3GHz beschrieben:
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Man betreibt einfach einen mehrstufigen HF Verstaerker voll nicht-linear. Heutzutage leben wir diesbezueglich im Schlaraffenland, ich hatte letztens BFP620 mit 65GHz ft fuer um einen Dollar in Kleinstueckzahl gekauft. Da wagte ich als Jugendlicher nichtmal von zu traeumen, selbst ein AF239 wurde wie ein Kleinod gehegt und abends ins samtene Schubkaestchen schlafen gelegt. Mit Roehren was das Oberwellengenerieren damals nicht einfach, die Steilheit der (erschwinglichen) Varianten war zum gaehnen.
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The good old days are right now :-)
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Gruesse, Joerg
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Gestern abend kam noch eine Idee, diesmal bei Rotwein. Man koennte einen einfachen 2.45GHz Chip nehmen, die es wie Sand am Meer gibt. Einen, den man durch Beschaltung mit einem Quarz auf einer "verkehrten" Frequenz auf 2.17GHz senden lassen kann und der FM als Modulationsart bietet. Das wird dann einfach nicht moduliert, Dateneingang auf Masse. Die Umrechnung des Anpassnetzwerks koennte gleichzeitig als Stoff fuer eine Uebung zur Vorlesung HF-Technik hergenommen werden. Nun einen feschen HF Transistor mit wenig oder gar keiner Basisvorspannung dran, Topfresonator an den Kollektor, und man hat seine 6.5GHz. Kein Kammrasten und so mehr noetig.
Das muesste aber ein Chip mit SPI Control sein oder mit einer anderen Schnittstellenart, die den internen Oszillator nicht fuer ein Timing benoetigt. Denn das stimmt ja jetzt nicht mehr. Beim HF-Transistor dann einen Kompromiss suchen zwischen ft und Vce max. Die mit sehr hoher ft halten nur 2-3V aus. Die Muenchener bauen bei Euch ganz gute.
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Gruesse, Joerg
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Die On-Chip Oszillatoren lassen sich gewöhnlich nicht soweit runter ziehen.
Wenn Du einen Verdreifacher bauen willst, nimm gleich den richtigen IC wie einen Si4136 oder ADF4360-1, der für diesen Frequenzbereich gebaut ist. Oder gleich VCO plus PLL bei der richtigen Frequenz.
Nur hast Du dann die Frequenz erzeugt und nicht detektiert oder gezählt und erst recht nicht gefiltert. Es braucht ergo noch einen Mischer, der bei 6 GHz nicht ganz trivial ist (wohl aber als HMC488 zu haben) usw.
Aber warum von hinten durch die Brust ins Auge, Prescaler für 6 GHz sind erfunden und von mehreren Anbietern preiswert zu haben, dto. PLL IC's mit Prescaller usw.
Nun ja, wenn man einen Chip haette, der z.B. ueber SPI seine interne PLL eingestellt bekommt und dann sauber (und immer) 2.17GHz erzeugt, braucht man das alles nicht mehr. Muss ja nichts mehr gemessen werden.
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Ok, dann werde ich wohl mit meiner Einschätzung richtig liegen, daß hier das non-plus-ultra des technisch Machbaren in Bezug auf Phasenrauschen das Ziel war. Also alles, was irgendwie das Phasenrauschen der Mikrowelle auch nur ansatzweise stört, könnte das ganze Experiment scheitern lassen, da dann nicht mehr das Rauschen der Atomuhr sondern des Oszillators die Messung dominiert.
Das sieht also so ziemlich dem ähnlich, was ich hier auch stemmen möchte, allerdings ist für meine Experimente der Frequenzbereich
Ich dachte, Dir wäre der Begriff des Phasenrauschens bekannt, oder war es doch zuviel Rotwein gestern ? ;-/
Du weißt schon, warum dem Kai-Martin seine PLL über einen SRD Kamm realisiert ist und warum man das Nutzsignal nicht über so einen Chip erzeugen möchte, wenn hier von einer Anbindung an die PTB Atomzeit die Rede ist ?
Zuviel nicht, aber ein guter Tropfen aus unserer lokalen Winzerei.
Ok, dann muesste man den Generator selbst zimmern. PLL mit sehr langsamer Schleife, phasengekoppelt an PTB, und dann verdreifachen. Wobei dann die Versorgung der Verdreifacherstufe natuerlich auch astrein sein muss.
Randbemerkung: Wir haben letztes Jahr so etwas aehnliches gemacht, bei dem der Lock aber auf eine THz Frequenz erfolgt (IR). Sehr kritisch in Sachen Phasenrauschen. Da hatten uns auch so ziemlich alle gesagt, dass es nicht gehen wird. Anlage laeuft seit Anfang des Jahres zur Zufriedenheit des Kunden und der muss an sich nur den Netzschalter anknipsen.
Ausgetauscht wurde spaeter dann der Netzschalter. Meiner war nicht schoen genug ...
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Gruesse, Joerg
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Ich hab' jetzt so kurz vor 2300 auch schon eine gewisse Exposition gegenüber dem württembergischen Schwarzriesling, aber das Problem des OP war doch lediglich, dass er sicherstellen wollte, dass seine PLL auf der richtigen Oberwelle gelockt ist. Da sollte ein 1/4-Teiler von den einschlägigen Lieferanten vor seinem 3GHz- Zähler wohl reichen. Von HP gab's auch Topfkreise zum Frequenzmessen, die fast ausschließlich aus einem Zylinder mit rumgewickelter Frequenzskala bestanden. Sollte eigentlich auch reichen, ist aber im KlickiBuntiDigitalZeitalter nicht mehr richtig zitierfähig.
Was hat das Phasenrauschen mit der Atomzeit zu tun? Die Atomzeit ist grade mal für den Langzeit-Trend zuständig. Die Dreckarbeit bezüglich Rauschsumpf < -165 dBc und so wird wohl wie überall ein Quarzoszillator oder gekühlter whispernder Saphir machen. (näher am Träger mit kleineren Zahlen genauso) Falls das überhaupt gebraucht wird.
SRDs waren mal die technolgy enabler beim HP141 und 8401A, aber mehr als so lala kann man damit auch nicht erreichen, weil sich die paar mW Eingangsleistung auf ganz viele Oberwellen verteilen und nirgendwo mehr ein g'scheites S/N rauskommt. Kein Wunder, dass sie aussterben.
- Bei der Lösung mit /n Frequenzteiler braucht es, wenn der gerade seinen Ausgang geschaltet hat, womöglich n/2 Zyklen, bis ein Phasenversatz des Eingangssignals an dessen Ausgang erscheint, wenn diese Flanke eh' nicht zählt (also PFD und kein XOR), dann sogar n, und zwar der Phasenversatz dann logischerweise um den Faktor n reduziert. Bei der Rechnung des Phasenversatzes in der s-Ebene wirkt das wie ein viel zu großer Spannungsteiler vor einem genauem Voltmeter, der daraus ein ungenaues Voltmeter macht, weil er Auflösung kostet.
- Bei der Lösung mit Kamm wird eine _Differenz_frequenz gegen den jeweiligen Zinken gebildet, d.h. der Phasenversatz des HF Signals erscheint in voller Pracht und Größe am Phasenvergleicher.
Zur langsamen Schleife: Ich weiß, wo Du drauf hinauswillst, aber das geht schief. Man möchte eine möglichst hohe Frequenz am Phasenvergleicher haben, weil bis zu dieser die Qualität des Ausgangssignals weitgehend nur von der Qualität der Referenz abhängt. Außerdem geht n leider quadratisch ins Phasenrauschen ein. Die Schleifenbandbreite will dann _richtig_ gewählt sein, abhängig von den Daten des VCO etc. und den Systemanforderungen, das ist einer der wenigen Fälle, wo gnadenloses Simulieren wirklich ganz viel bringt. BTDT.
Der Knackpunkt ist, dass man mit einer höherenz Frequenz am Phasenvergleicher sich leider auf ein gröberes Frequenzraster (eben Bielfache) in Bezug auf die (höhere) Referenzfrequenz festlegt.
Will man das nicht, dann
- kann man mit Fractional PLL arbeiten, heutzutage meist in der Version mit digitalem Sigma-Delta Modulator für die n vs. n+1 Umschaltung, die dann dessen Rauschen möglichst im Schleifenfilter versenkt (Noise Shaping einmal anders), trotzdem ist das wirklich hohe Qualität Fractional ein Problem
- oder mit der Referenzfrequenz rumspielen, Stand der Technik ist eine Erzeugung der Referenz per DDS. Wenn man das richtig macht (hohe Überabtastung, guter DDS DAC, richtig gebauter Phasenakku), dann rettet das analoge Filter des DDS die Qualität. Der Vorteil ist hier, dass man _zwei_ getrennte Filter, das Schleifenfilter und das DDS Filter, geeignet parametrisieren kann, man hat bei der Optimierung mehr Freiheitsgrade.
Laser nichtlinear in der Fotodiode mischen und z.B. damit PLL mit optischen Komponenten oder optische Superhet bauen ist bekannt und gar nicht mal soooo schlimm.
Kritisch wird es bei Mikro- und Milimeterwellen, wenn zusätzlich Stabilitätsforderungen wie 10^-12 dazukommen. Dann will man eine blitzsaubere Referenz haben, was auf Quarzofen oder PLL-stabilisierten SAW bei hohen Frequenzen hinausläuft, oder DRO, der an einem von denen hängt. Übel wird es, wenn dann ein weiter Abstimmbereich gefordert wird, eines unserer gängigen Probleme bei Messgeräten.
Am Ende ist es immer irgendein superguter Quarz, der das alles taktet, Qualität lohnt da wirklich. Wir haben das Thema z.B. beim neuen Spectran 4, da gibt es die Wahl, kleine Filterbandbreiten und TCXO löhnen oder eben keine kleinen Filterbandbreiten, der Kunde hat die Wahl. Leider geht der TCXO als Bauteil richtig ins Geld, wenn es der mit dem Pluto Chip sein soll, und der soll es sein, weil es sonst ein Quarzofen sein müsste. Den will man aber bei einem akkubetriebenen Handgerät nicht wirklich.
Viel, wenn die Atomzeit und die Verwendung eines SRD ein klares Indiz für knallharte Forderungen an die Signalqualität sind. Dazu zählt auch das Phasenrauschen.
Warum das so genau sein muss, schreibt Kai-Martin: "Mit dieser Frequenz werden dann im Vakuum befindliche Atome traktiert." Die Frequenz liegt im Bereich der Energien von Hyperfeinstrukturniveaus => Spektroskopie an Atomen, "Atomuhr".
Ack. Nur sind all diese Bauteile für das Tier, das Miau macht, wenn man sie dazu nutzt, um dann die Zielfrequenz direkt mit einem umgetunten Billidsch-WLAN-IC zu erzeugen statt sie brav mit Kammgenerator-PLL (Kai) oder anderer hochwertiger Synthese zu erzeugen.
Ersteres war Jörgs Vorschlag ;-/
Die Atome haben für derlei Wackel-Mikrowelle gemeinhin noch nicht mal ein müdes Lächeln über.
Sie sind immer noch z.B. bei den R&S Analyzern wie FSP und FSU verbaut, um die VCO's (es werden dort keine YIG mehr als LO verwendet, sondern eine VCO Bank, der YIG ist nur Frontendfilter bei f>3GHz) zu regeln. Das ist immer noch eine der phasenrauschärmsten Methoden zur Stabilisierung.
Ein anderer Weg sind PFD, die bei >1GHz arbeiten, so würde ich es heute machen.
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