K-Band Oszillatoren mit PLL Stabilisierung sind sehr teuer und schwierig zu beschaffen. Allerdings möchte ich gerne einige K-Band Experimente machen. Unter anderem ein 1,2 cm Transverter und ein FMCW Radar.
K-Band Oszillator Rev-A (Prototyp)
Kernkomponenten des Oszillators sind die VCO HMC739 von Analog Devices, ehemals Hittite, und die PLL ADF4150. Die VCO hat glücklicherweise einen integrierten durch 16 Teiler, so dass die PLL die durch 16 geteilte Frequenz der VCO als Regeleingang benutzen kann. Mit Hilfe eines 10 MHz Referenzsignals, das extern über eine SMA Buchse eingespeist werden kann, erhält man ein relativ frequenzstabilen K-Band Oszillator. Der Frequenzbereich des Oszillators geht von 23 GHz bis 27,5 GHz. Die Frequenz lässt sich auf Grund des maximalen Modulo Register Wertes von 4096 minimal in 1 MHz Schritten einstellen. Für die meisten Anwendungen mehr als genug. Eine Frequenzschrittweite von 10 MHz erwies sich als besser, da so das Rauschen des Signals geringer ist. Beziehungsweise keine Fractional-Spurs mehr erkennbar waren.
24 GHz Signal mit Spurs durch Switching Regulator
Nach der ersten Inbetriebnahme hatte das Signal deutlich erkennbare Spurs in 500 kHz Abständen. Diese entstehen durch den Schaltregler der die 15 V Eingangsspannung in 5 V „zerstückeln“ soll und dieses macht er eben mit 500 kHz. Dabei dienen die 5 V als Versorgungsspannung der VCO, was die Spurs erklärt. Obwohl ein LC-Filter, bestehend aus 22 µH und 47 µF, nach dem Schaltregler platziert wurde, der die Spannung glätten sollte, reicht die Filterung noch nicht aus.
Als Vergleich wurde der Schaltregler überbrückt und saubere 5 V angelegt. Das Spektrum ist nun deutlich besser. Der Frequenz Span dieser Messung beträgt nun 1 MHz statt 10 MHz.
Saubere 5 V statt Schaltregler
Wichtig war auch, dass der Oszillator schnell Sweepen kann (Evt. für ein FMCW Radar). Das Bild unten zeigt den schnellstmöglichen Frequenzsprung von 24 GHz auf 24,5 GHz. Begrenzend ist hier nicht die Bandbreite des Loop Filters, da die Tune Spannung sehr schnell ansteigt, sondern die Berechnung der Register Werte und das Übertragen der Register vom Mikrocontroller in die PLL. Der µC braucht etwa 500 µs (…eine halbe Ewigkeit…) um den Fractional und Integer Wert zu berechnen und dann ein 32 Bit Register zu übertragen. Das Register wird mit etwa 2 MHz beschrieben, die 32 Bit sind also nach spätestens 20 µs gesendet worden. Die Berechnung der Register Werte benötigt also zu viel Zeit. Der Mikrocontroller, ein Atmega 328P, hat 8 Bit breite Register wohingegen die Integer und Fractional Werte größer als 8 Bit sind. Obendrein benötigt man um die Register (INT und FRAC) zu berechnen Division und Multiplikation, wofür der Atmega keine Operationen in seiner ALU hat. Des Weiteren wird der Atmega nur mit 8 MHz getaktet. Es muss also ein schnellerer µC her. Eine Zweite Version Rev-B ist in Bearbeitung, in der auch eine saubere Versorgungsspannung eingeplant ist.
Tuning Spannung Frequenzsprung 24 GHz auf 24,5 GHz