Прибор "Динамика" на "западный" манер, часть I: Прецизионный двухтональный ВЧ генератор, конструкция KI6QP.

Кварцевые генераторы в союзе с кварцевыми фильтрами обеспечивают исключительно низкий уровень фазового шума в схеме испытательного устройства для измерения динамического диапазона КВ приёмников

 

Stuart Rumley, KI6QP. Статья опубликована в журнале QEX, April, 1995

  В радиолюбительской литературе множество статей посвящено значимости большого динамического диапазона в КВ приёмниках [ 1 ]. Без достаточного динамического диапазона, другие важные параметры приёмника, такие как чувствительность и избирательность не могут быть в полной мере реализованы. Динамический диапазон может определяться по блокированию или по интермодуляции. Динамический диапазон по блокированию определяется как способность приёмника не снижать своей чувствительности при воздействии на его вход сильных сигналов. Динамический диапазон по интермодуляции определяется как устойчивость приёмника к генерации ложных сигналов в условиях присутствия на его входе двух и более сильных сигналов. Измерение интермодуляционных искажений сводится к определению численного значения параметра, известного как точка пересечения по интермодуляционным составляющим третьего порядка - IP3. Цель этой статьи - показать, как сконструировать недорогой источник для осуществления измерений интермодуляционных искажений, как проводить такие измерения, рассчитывать IP3 и сравнить некоторые типы приёмников.

 Для проведения измерений интермодуляционных искажений (ИИ) необходимо иметь два высокостабильных источника ВЧ сигнала, имеющих низкий уровень фазовых шумов на необходимые Вам частоты. Типичное устройство для измерения ИИ обычно выглядит подобно Fig. 1 (Рис. 1) [ 2 ].

 

Synthesizer – синтезатор. Attenuators – аттенюаторы. Hybrid Combiner – гибридный сумматор. Receiver under test – испытуемый приёмник. IMD measurement setup – Установка для измерения интермодуляционных искажений.

 

 К сожалению, большинство радиолюбителей- энтузиастов не имеют и одного (не говоря уже о двух) синтезаторного генератора с малым уровнем фазовых шумов, как, например, НР8640А. Два синтезатора требуется, потому, что двухтональный метод измерения ИИ требует применения двух высокостабильных (и по частоте и по амплитуде) источника сигнала, разнесённых на расстояние всего в несколько кГц (в противном случае, да ещё и при недостаточной развязке источников сигнала друг от друга, возможно даже затягивание частоты одного генератора другим – UA9LAQ).

 Попытки проведения измерений ИИ с помощью нестабильных источников испытательных сигналов бессмысленны, так как, не дают достоверного результата. Если Вы хотите изготовить что-то стоящее для проведения измерений ИИ, то Вам, скорее всего, подойдёт комбинация из двух кварцевых генераторов, работающих на необходимых частотах, чем применение двух синтезаторов. На Fig. 2  показана блок-схема такого измерительного устройства. Оно содержит два кварцевых генератора, по одному на каждый тон.

 

Two Tone Generator – двухтональный генератор. Crystal Filter - кварцевый фильтр. Oscillator – генератор. 15 MHz 7^th Order  Lowpass Filter – фильтр нижних частот 7-го порядка с частотой среза 15 МГц. 1 dB Step Attenuator - ступенчатый аттенюатор с шагом регулировки 1 дБ. Output - выход. Block Diagram of the Two-tone Source - Блок – схема источника двухтонального сигнала.

 

  После каждого кварцевого генератора установлен кварцевый фильтр, полоса пропускания которого согласована с частотой генератора (фильтр имеет небольшую полосу пропускания, а частота генератора является для него центральной - UA9LAQ). Выход каждого фильтра снабжён аттенюатором, после которых, оба сигнала сводятся в один двухтональный с помощью сумматора (Combiner’a). Выходной комбинированный сигнал после сумматора пропускается через фильтр для устранения гармонических составляющих. Для двухтональных исследований я выбрал частоты 14200 и 14220 кГц, как наиболее, на мой взгляд, подходящие. Это, примерно, частотная середина  в КВ приёмниках с непрерывным диапазоном (0,5…30 МГц) и центр 20-метрового любительского диапазона, т. е., может быть использован с приёмниками, имеющими только любительские диапазоны.

  Сама концепция (схемотехника) двухтонального генератора для измерения ИИ довольно проста, но некоторые особенности нужно принять во внимание. Чтобы точно измерить возможности Вашего приёмника, источник двухтонального сигнала должен обладать следующими характеристиками:

1. Иметь низкий уровень собственных (инструментальных) ИИ, для того, чтобы можно было с уверенностью сказать, что наблюдаемые ИИ появляются в приёмнике или другом тестируемом устройстве, а не содержатся в испытательном сигнале.
2. Иметь низкий уровень фазовых шумов. Фазовый шум обоих тонов на частотах продуктов интермодуляции должен быть намного меньше, чем уровень самих продуктов.
3. Иметь низкий уровень гармоник. Поскольку продукты интермодуляции, например, третьего порядка, содержат энергию  второй и третьей гармоник частот  F1 и F2, необходимо, чтобы уровень гармоник двухтонального  сигнала был очень малым.
4. Иметь хорошую развязку и экранировку., чтобы быть уверенным, что внешние наводки и шум не мешают измерениям.

 

Описание схемы

  Детальная схема представлена на Fig. 3.

 

Рис. 3 – Принципиальная схема двухтонального генератора для измерения ИИ. (Катушки L2-L5, L7 c переменной индуктивностью (подстраиваемые сердечником) 0,47 мкГн и  Т1 - симметрирующий трансформатор “балун” - обычно10-12 витков скрученным проводом – UA9LAQ).

 

Кварцевые генераторы на транзисторах Q1 и Q2 выполнены по схеме Колпитца и работают на частотах 14200 и 14220 кГц, соответственно. Выбор конкретных частот зависит от двух взаимосвязанных требований. Одно из них: частоты в испытательном сигнале не могут располагаться сколь угодно близко, иначе 

 

 

Расположение деталей на плате генератора.

 

испытуемые приёмники просто не смогут распознать ИИ из-за ограниченной избирательности или фазового шума местного гетеродина приёмника. Второе: частоты и не могут быть слишком далеко друг от друга, так как входной полосовой фильтр будет ослаблять один из тональных сигналов. Хорошим компромиссом является разнос между тонами в 20-25 кГц. Выход с каждого генератора осуществляется с настроенного контура в цепи коллектора с целью получения минимального уровня гармоник и с целью получения низкоомного (низкоимпедансного)  источника для кварцевого фильтра. Генераторы работают при довольно высоком уровне мощности, при токе коллектора каждого транзистора, превышающем 10 мА. Повышенная мощность генератора требуется, чтобы получить на выходе каждого генератора мощность в -10 дБм. Этот уровень выходной мощности был выбран, с целью иметь запас по ослаблению в 10 дБ на аттенюаторе и позволить иметь сигнал, способный создать некоторый уровень ИИ в высокодинамичных приёмниках. Причиной запаса на аттенюатор, (и, соответственно, применения аттенюатора, как такового) между испытательным генератором и испытуемым устройством, является невозможность полного их согласования под импеданс 50 Ом через выходной фильтр генератора. 10 дБ ослабление гарантирует, по крайней мере, 20 дБ обратных потерь, как для выходного фильтра испытательного на ИИ генератора, так и для входного полосового фильтра приёмника.

  Кварцевые генераторы, сами по себе, имеют очень низкий уровень фазового шума, но работа в режиме с током более 1 мА, несколько увеличивает значение этого шума. С целью получения очень низкого уровня этого шума, я применил несколько дополнительных мер. Антипаразитные резисторы R3 и R7, включенные в цепь эмиттеров, обеспечивают отрицательные обратные связи, которые уменьшат фазовый шум генераторов. За генераторами следуют узкополосные кварцевые фильтры: С1, С5, Y2 и С10, С15, Y3. Кварцевые фильтры обеспечивают

 

Рис. 4. Обычная для измерения составляющих третьего порядка картина на экране анализатора спектра.

 

дополнительные ослабления фазового шума генераторов на 30 дБ в полосе +/- 10 кГц от несущей. Добавление кварцевых фильтров может показаться избыточным, но является необходимым для повышения качественных характеристик испытательного двухтонального сигнала, в частности, для подавления фазового шума, что скажется при испытании малошумящих приёмников с большим динамическим диапазоном (даже слабые всплески ИИ не будут маскироваться шумами - UA9LAQ). Дополнительным удобством, создаваемым наличием двух малошумящих генераторов, является возможность оптимизации шумов в радиоприёмных устройствах и настройка смесителей на минимальный собственный шум (видимо, методом сравнения - UA9LAQ).

 Выход каждого кварцевого фильтра соединён с аттенюатором на 6 дБ , состоящим из R12, R13, R14 - для одного тона и  из R15, R16, R17 - для другого. Сигналы с аттенюаторов складываются в гибридном сумматоре (Hybrid Combiner), состоящем из трансформатора Т1 и резисторов R9, R10 и R11. Аттенюаторы рекомендуются для изоляции сумматора от кварцевых фильтров и

Рис. 5. Точка пересечения по интермодуляции третьего порядка - IP3

.

получения постоянного импеданса для обоих. Сумматор складывает оба сигнала с вносимыми потерями в 6 дБ при изоляции в 40 дБ. Приводимая комбинация фильтров, аттенюаторов и сумматора обеспечивает львиную долю изоляции между коллекторными выводами транзисторов двух генераторов (более 90 дБ). Вместе с физической изоляцией, эта схемотехника предотвращает генерацию значительных интермодуляционных продуктов.

 Выходной фильтр гармоник – 7-го порядка. Все катушки, применяемые в фильтре, такие же, как в генераторах.  Этот фильтр имеет вносимые потери на рабочих частотах, примерно, 1 дБ, на вторых гармониках - более 50 дБ, на третьих гармониках – более 70 дБ. На выходе кварцевого фильтра вторая гармоника подавлена более, чем на 40 дБ, а третья - более, чем на 55 дБ. В результате на выходе двухтонального испытательного генератора вторая гармоника составляет менее - 100 дБм и третья - менее - 135 дБм. Эти уровни настолько малы, что

 

Рис. 6. Устройство для измерения ИИ.

 

не внесут, в любом случае, никакого (по крайней мере, заметного) вклада в ИИ испытуемого устройства. Поскольку уровень второй гармоники меньше - 100 дБм, то можно поискать продукты интермодуляции второго порядка на частотах 28400, 28420 и 28440 кГц.

 Для монтажа устройства используйте правила монтажа РЧ устройств: короткие выводы деталей, хорошее заземление (соединение с общим проводом) и экранировка. Будьте особенно тщательны при физическом разделении генераторов, кварцевых фильтров, сумматора и фильтра гармоник. Если не будет обеспечена соответствующая развязка и экранировка, ИИ могут возникнуть в самом измерительном генераторе из-за перекрёстных проникновений сигналов из одного канала в другой. Подобным же способом нужно изолировать входы и выходы кварцевых  фильтров и ФНЧ друг от друга, чтобы не ухудшать их характеристик в полосе задерживания. Поскольку в этой разработке применено большое количество катушек, я не применял самодельных, намотанных на кольцах. Как мне кажется, их трудно наматывать и нет возможности подстройки. А катушки, применённые здесь, продаются, недороги, доступны и качество их превосходное.

 

Настройка

  Настройка генератора описана ниже: для её проведения необходим осциллограф, частотомер и проходной 50-омный эквивалент. Эквивалент используется с осциллографом, чтобы обеспечить номинальное сопротивление нагрузки генератору.

  Во-первых, каждый генератор и фильтр настраиваются индивидуально. Начните с отключения питания одного из генераторов, удалением перемычки (JP1 или JP2). Выходное напряжение другого генератора установите оптимальным, необходимым, настройкой катушки индуктивности (L2 или L7) в цепи коллектора транзистора генератора, пользуясь осциллографом, по максимуму. Затем, частоту генератора следует установить подстроечным конденсатором С4 или С14  точно равной требуемой, пользуясь частотомером. После коррекции частоты, отсоедините частотомер и снова подключите осциллограф. Теперь тщательно подстройте фильтры соответствующими подстроечными конденсаторами С21 или С22 на максимальный выход. Повторите, проделанные операции для другого генератора и фильтра. Настройка выходного фильтра некритична. Поочерёдно настраивайте катушки L3, L4 и L5 на максимальный выход от одного и другого

Таблица 1 – проверка приёмников: производитель, модель приёмника, Ра – мощность по 1 гармонике, Pim – мощность продуктов интермодуляции, IP3 – положение точки пересечения.

 

генератора. Настройка таким методом не будет хуже более, чем на 1 дБ (или около этого) проведённой настройки со спектроанализатором, т. е., - довольно точна.

  Наконец, при подключенном осциллографе и эквиваленте нагрузки (кстати, эквивалент должен быть подключен к соединительному кабелю со  стороны осциллографа), последовательно отключайте один из генераторов и снова настраивайте катушки L2 и L7 на выходное напряжение в - 10 дБм на каждой частоте. Минус 10 дБм соответствуют напряжению 200 мВ “от пика до пика” на нагрузке в 50 Ом.

 

Измерение интермодуляционных искажений

 По определению (теория): любой идеально линейный элемент схемы не будет давать интермодуляционных искажений (см. Приложение А). Но любая реальная схема приёмника в той или иной степени нелинейна. Эта как раз та степень нелинейности, которую мы собираемся выявить, измеряя ИИ. Наиболее проблемными являются, так называемые, продукты интермодуляции третьего порядка. Это сигналы 2F1-F2 и 2F2-F1, показанные на гипотетическом анализаторе (Fig. 4). Если Вы используете приёмник с похожей интермодуляционной характеристикой и пожелаете принять слабый сигнал на (или вблизи) этих частот интермодуляции, то, мягко выражаясь, Вы будете испытывать некоторые неудобства – помехи. Чем выше значение IP3 (точка пересечения характеристик по интермодуляции 3-его порядка), обычно выражаемая  в дБм, тем меньше уровень вышеназванных продуктов, тем меньше будет интермодуляция. Отметьте, что продукт интермодуляции третьего порядка (2F-F2) на Fig. 4 показан как сигнал с уровнем на 80 дБ ниже уровней основных тонов (сигналов) F1 и F2. Если уровни сигналов F1 и F2 уменьшить, например, на 10 дБ, то продукты третьего порядка уменьшатся на 30 дБ. Поскольку уровни продуктов третьего порядка зависят от уровня входного сигнала, так же как и от нелинейности системы, точка пересечения характеристик по продуктам 3-его порядка IP3 как нельзя лучше подходит для описания достоинств испытуемой системы - она не зависит от уровня  сигнала.

 На Fig. 5 приведено графическое представление концепции IP3. Если значение точки пересечения характеристик по интермодуляции третьего порядка IP3 известна, уровень составляющих третьего порядка может быть определён из графика. В примере на Fig. 5, двухтональный сигнал с уровнем -38 дБм приложен к гипотетической приёмной системе, имеющей IP3 = +3 дБм, амплитуды основных тонов будут иметь уровень +40 дБ выше S9 и уровень составляющих третьего порядка составит S1.

 

Проведение измерений

  Чтобы измерить уровень интермодуляционных составляющих третьего порядка, проверяемый приёмник и аттенюатор подключаются к выходу двухтонального генератора, согласно Fig.6. Если у Вас отсутствует набор ступенчатых аттенюаторов, то изготовьте их для себя, например, по описанию, приведённому в справочнике ARRL. Чтобы ощутить суть проблемы, узнать, чего Вы хотите добиться, начните с установки аттенюаторов для общего сигнала в 20 дБ. Затем, перестраивайте приёмник от частоты 14175 до 14245 кГц; большинство приёмников обнаружат значительные продукты интермодуляции на частотах 14180 и 14240 кГц, плюс два основных сильных сигнала на частотах 14200 и 14220 кГц. Установите на приёмнике нижнюю или верхнюю боковую полосу, АРУ включена, РЧ аттенюатор установлен на 0 дБ, если есть предусилитель, то он отключается. Вы можете не согласиться с включением АРУ, мотивируя свой вывод тем, что требуется максимальное усиление УРЧ и УПЧ. В принципе, я соглашусь с Вашими аргументами, но тогда (при отключении АРУ) не будет работать S-метр, а его наличие при измерениях необходимо. (Есть ещё одна проблема, связанная с АРУ, особенно, если система АРУ рассчитана неправильно, что часто встречается в самодельных приёмниках: АРУ уменьшает усиление каскадов, переводя их рабочую точку на нелинейный участок характеристики, а, известно, чем больше нелинейность устройства, тем больший уровень интермодуляционных искажений мы получим. Лучше уменьшать уровни сигналов не смещением рабочей точки усилительных приборов с помощью АРУ, а использовать управляемые ею аттенюаторы - UA9LAQ).

  Как только Вы нашли продукты интермодуляции, начните их измерение с калибровки S-метра приёмника. S-метр достаточно откалибровать только в одной точке, например, S1 или S2. Это осуществляется установкой аттенюаторов для получения суммированного уровня сигнала примерно 100 дБ (-110 дБм) и при настройке приёмника на частоту 14200 или на частоту 14220 кГц. Подстраивайте  аттенюатор с шагом 1 дБ до тех пор, пока S-метр покажет точно S1 или S2. Выбор, какой уровень использовать, зависит от того, как откликается на изменение уровня сигнала на 1 дБ S-метр. Некоторые приёмники при уровнях S1 “тупы”, тогда используйте уровень S2. Старайтесь избегать уровней измерения больших, чем S2, так как, АРУ будет влиять на линейность входной части приёмника. Идея заключается в том, чтобы Вы смогли различить изменение уровня входного сигнала в +/- 1 дБ на очень слабых сигналах близких к уровню шумов приёмника. Теперь у Вас есть откалиброванный S-метр: каждый абсолютный уровень сигнала соответствует определённому делению шкалы S-метра. Запишите уровень сигнала (Pim)  как  -10 дБм  минус общие затухания в аттенюаторе.

  Затем, настройте приёмник на на частоту 14180 или 14240, увеличьте уровень сигнала уменьшением затухания в аттенюаторе до прежнего установленного калибрационного значения  S-метра. Запишите это значение уровня сигнала (Ра) как - 10 дБм минус общие затухания в аттенюаторе. ИИ на этом определённом уровне сигнала составляют разность уровней сигналов на аттенюаторе, т. е., Ра – Рim. Точка IP3 равна Ра + половина значения уровня ИИ. Не верите, давайте проверим на примере:

  Настроим приёмник на частоту 14200 кГц, допустим, что для получения уровня на S-метре S2 необходимо установить затухание на аттенюаторе в 88 дБ. Отсюда, Pim = -10дБм – 88 дБ = -98 дБм. Настроим приёмник на частоту продукта интермодуляции 14180 кГц, значение затухания в аттенюаторе оказалось равным 18 дБ. Отсюда: Ра = -10дБм - 18 дБ = -28 дБм. Итак, IP3 = [-28 дБм – (-98 дБм)]/2 + (-28 дБм) = + 7 дБм. Это выведено из более общей формулы для точки пересечения по ИИ 3-его порядка:

Которая, в этом конкретном случае, будет выглядеть так:

Вы можете использовать любой способ расчёта, какой Вам больше понравится. Мне нравится первый, поскольку, в этом случае, я могу “сосчитать в голове”, не прибегая к средствам вычислительной техники и к “перу с бумагой”. В качестве примера, возьмите Fig. 4 и попробуйте просчитать точку пересечения IP3 в голове для этого конкретного случая: - 18 дБм + 80 дБ/2 = + 22 дБм.

  В Table 1 (Таблице 1) приведена сравнительная характеристика отдельных типов приёмников по IP3. Используйте эту таблицу в качестве опорной при проведении собственных измерений.

 Для большей наглядности характеристики приёмника по интермодуляции, включите предусилитель в приёмнике и снова проведите измерения. Вы обнаружите, что значение IP3 ухудшилось примерно на коэффициент усиления добавляемого предусилителя. А это говорит в пользу избавления от предусилителя! Попробуйте провести измерение снова, но на этот раз включите аттенюатор в приёмнике. Значение точки IP3 должно улучшиться, но теперь ценой ухудшения чувствительности приёмника. Обратите внимания, что уровни обоих продуктов интермодуляции (2F1-F2 или 2F2-F1) значительно ниже других. Это случается в большинстве приёмников как результат способа, которым продукты интермодуляции добавляются в каскадах предварительного усиления (входных каскадах) приёмника. Подводя черту, следует заметить, что хуже худшего ничего не бывает, так что не пользуйтесь средними значениями IP3, добивайтесь  возможного максимума по этому показателю. Ищите, выдумывайте, перестраивайте, пробуйте и измеряйте.

 

Заключение

  Я надеюсь, что эта статья была интересной и полезной для Вас. Техника измерения ИИ, приведённая в этой статье поможет глубже разобраться в процессах, происходящих внутри радиокомпонентов и выбрать готовый аппарат лучшего качества. Печатные платы отдельно, также как и собранные и настроенные скоро появятся у автора (KI6QP).

 

Приложение А

   Смысл моего обращения к определённому виду интермодуляционных составляющих обусловлен значимостью интермодуляционных составляющих именно третьего порядка. Они выводятся из математической модели нелинейного усилителя. Чтобы последовать за  разъяснением, не нужно быть профессором в области математических наук и уединяться с букетом математических выкладок. Уясните лишь с самого начала, что w1 и w2 - это частоты входного испытательного сигнала, выраженные в радианах в секунду и эквивалентны 2πf1 и 2πf2. Посмотрим, что же произойдёт, если возвести уровень мощности в куб (третий порядок).

  У всех усилителей имеется тот или иной уровень ИИ. В отличие от широкополосных или видеоусилителей, на выходе УРЧ и УПЧ обычно устанавливаются фильтры. Как ясно из схемотехники усилителей, показанной на рисунке внизу, фильтры эффективно подавляют гармонические составляющие сигналов, вызванные нелинейностью усилителя. Интермодуляционные составляющие  третьего порядка оказываются в полосах пропускания фильтров и поэтому заслуживают особого пристального внимания.

  Если усилитель не имеет искажений (идеален), его передаточная функция будет иметь вид:

где Ао является составляющей постоянного тока, а А1 замещает желаемый коэффициент линейного усиления. Поскольку большинство реальных усилителей имеют некоторый свойственный им уровень ИИ, то их передаточные функции могут быть представлены полиномом мощностных последовательностей:

где:

необходимый уровень составляющих первого порядка, Ао + А1Vin даёт основные продукты:

  Второй порядок, A2Vin^2, определяет продукты второго порядка:

В первой строке параметры по постоянному току (может быть по основным тонам испытательного сигнала), во второй – параметры по второй гармонике, а в последней строке – параметры по интермодуляционным составляющим 2 порядка.

  А вот уже теплее: третий порядок, А3Vin^3, а он даёт нам:

 

 

Первая строка даёт параметры по основной частоте входного сигнала. Вторая строка снова описывает гармонику, в этот раз - третью. Две последних строки описывают оба продукта интермодуляции третьего порядка.

 Разночтения в определениях уровней продуктов интермодуляции третьего порядка порой раздражают как помеха на слабом сигнале, который Вы пытаетесь принять. Отметьте, что чем ближе усилитель приближается к идеальному (линейному), тем ближе к нулю величина коэффициентов А2, А3…Аn.

 

 System Input – Вход системы (измерительной). Amplifier output –Выход усилителя. System Output – Выход системы. BPF – полосовой фильтр.

   

 Литература: 1. Rohde, Ulrich L., DJ2LR, “High-Dynamic Range Active Double-

              Balanced Mixer”, Ham Radio, November 1977.

            2. Rohde, Dr. Ulrich L., KA2WEU, “Testing and Calculation

              Intermodulation Distortion in Receivers,”, QEX, July 1994.

  Подробнее о проблеме можно почитать в:

 

 

 

 Свободный перевод с английского:         Виктор Беседин (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru
г. Тюмень               декабрь, 2002 г