Jump to content

    

Фазовые шумы генератора двухчастотных колебаний

Здравствуйте!

 

Решил добраться до старой идеи об измерении магнитных полей с помощью ЖИГ генераторов.

 

Как известно, в ЖИГ генераторах частота сигнала зависит от магнитного поля, как внешнего так и внутреннего. Это можно использовать для измерения магнитных полей. Казалось бы, по частоте можно напрямую судить о величине поля. Однако, сразу возникает проблема температурной нестабильности и фазовых шумов. Даже при постоянном поле, частота генератора будет гулять. В разных временных масштабах с разной амплитудой. Это описывается вариацией Алана для конкретного генератора.

 

Есть мысль как минимизировать температурную и фазошумовую нестабильность применяя следующую схему:

 

magnetometer.jpg

 

Можно использовать специальную схему намагничивания, при которой внешние магнитные поля будут уменьшать частоту одного резонатора и увеличивать частоту другого. Если подключить два резонатора в кольцевую схему применяя методику, на которой я не буду останавливаться, мы можем получить генератор двухчастотного сигнала - биений. Из биений легко выделить разностную частоту, по которой далее считается величина внешнего поля.

 

Вопрос состоит в том, позволит ли улучшить частотную стабильность данная схема?

Ведь усилитель в схеме один и флуктуации и нестабильности в нем будут пропорционально влиять на обе частоты.

В отличие от схемы с двумя генераторами на тех же резонаторах по отдельности, где частота в какой то момент может начать

уплывать в противоположные стороны. Как минимум получаем выигрыш в два раза.

 

Хотелось бы также понять теорию.

Как посчитать фазовый шум разностного сигнала? Если к примеру частота резонатора номер

№1 - 1000МГц(фазовый шум с одиночным резонатором -90dBc/Hz at 10kHz offset),

№2 - 1010МГц(фазовый шум тот же)

Частота разностного сигнала будет соответственно 10МГц.

Скорее всего фазовый шум упрощенно улучшиться относительно базовых частот как 20logN, где N=1000МГц/10МГц

 

Дальше фазовый шум несложно перевести в вариацию Алана и понять, что существует наилучшее время накопления сигнала для получения максимальной относительной чувствительности. При этом, учитывая, что в области 10^0-10^3 секунд вариация Алана у ЖИГ генераторов сильно растет, абсолютная точность показаний датчика будет падать со временем. И вопрос до какого значения и когда она остановится и перейдет в относительно медленное старение из случайных фликкер флуктуаций фазы и частоты.

Share this post


Link to post
Share on other sites

тактактак, что-то знакомое. линия задержки, поди,нелинейная, ферритовая....

 

проблема в том что разрешение измерений (имхо) будет не выше датчика холла. дело в том, что ЖИГ устройства еще как черт зависят от температуры (кроме, например периодических линий нагруженных на сосредоточенные элементы, где температурная зависимость определяется нагрузкой)... а температурная стабилизация - это та еще головная боль. Еще хорошо если у вас в катушке маленький ток... А если это ампер, как получается при изготовлении на коленке, то температурный уход катушки адский.

В лабораториях под прибором ставят плитку, а сверху вентилятор, чтобы создать некоторое тепловое равновесие с мощностью источника превосходящей саморазогрев ферритового образца.

А снаружи ставят все тот же датчик холла в обратной связи регулятора тока катушки. В принципе на коротких измерениях подходит и стабилизатор на КРЕН, превращенный в источник тока путем обхвата прецизионного измерительного резистора, который тоже баксов в $100 обойдется - тогда вы действительно сможете и смещение подать и уход измерить.

Т.о ваша идея балансировки может и оправдаться. Но если у вас спин-волновые резонаторы, то наклон дисперсии спинволн зависит от поля, тоже нелинейно. Это имхо нарушит баланс.

 

по поводу шумов... не специалист. Как оценивать интермодуляцию - не знаю - просто подставляю синтезированный шум в Матлаб и считаю как нелинейный смеситель 2 порядка. Действительно ли она уменьшится? Я понимаю, что вы представляете эту цепь как PLL контур, где внутренний контур из резонаторов как будто-делитель. Но разностная частота вроде-бы образуется в усилителе, который сам же и является основным источником шума. Я когда-то измерял по инструкции, как обычно. Если в усилитель и в общее экранирование душу не вложить, то ничего особенного не выйдет. (вот ваши -90 дБц - это на бумаге, или вы уже измерили?) . Вся особенность, что кроме ФШ основных частот конечно очень много интермодуляций, хотя при небольшом усилении в кольце они немножко в стороне от опорных и от первого продукта. А вообще-то говоря, у вас там по сути 3(или четыре?) достаточно нелинейных элемента. В таких кольцах могут бегать солитоны разных конфигураций, такое же кольцо используют в экспериментах с детерминированным хаосом. Т.е. в худшей ситуации, по времени, система может скачками менять состояния и мощность будет перекачиваться в разные части спектра почти непредсказуемо. И вот вы посмотрите спектр, он будет красивенький, те же -90дБц и на 10 кГц и на 100кГц, может чуть потолще середина пика(а кто ее измеряет). а чуть подальше вместо полки БШ там такой забор начнется.

Edited by Hale

Share this post


Link to post
Share on other sites

Там будет резонатор в виде диска из ЖИГ пленки. Работать он будет в линейном режиме. Мощность на него подавать запредельную не требуется.

 

Конечно, температурная зависимость сильна, но есть метод J.D. Adam"а, который описывает термостабилизацию подобных устройств на основе эффекта температурного размагничивания магнитов системы намагничевания и который мы выдавали года 3 за свое изобретение, пока не нашли его статью от 1984 года.

 

Здесь статья по этому поводу http://mwelectronics.ru/2012/Poster/C24_V....bilizatsiya.pdf

А здесь моя диссертация, в которой в самом конце еще подробнее описан этот подход и получена вполне неплохая термостабильность 10^-6 - 10^-7 на градус, если не ошибаюсь. http://www.sgu.ru/sites/default/files/diss...alitvinenko.pdf

 

Да, точно, я представляю это для себя как PLL. Тем более, что разностную частоту я получаю потом, после буфера и простейшего диода. Мне пока все таки представляется, что улучшение будет как 20logN =)

 

 

magnetometer2.jpg

 

Солитонов как у Калиникоса или Гришина здесь не будет - здесь нет линий задержек, только пленочные резонаторы работающие на ФМР, либо ЖИГ сферы могут быть. Там нет бегущих волн.

 

Катушек с током у меня в схеме намагничивания принципиально нет. Там постоянные магниты и за счёт их температурного размагничивания достигается температурная компенсация.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Если эти два резонатора включены с использованием обычного резистивного сплиттера, то шумы только ухудшаться- начнется "переливание" энергии ЭМ колебаний из одного резонатора в другой и обратно. Процесс очень похож на многомодовую генерацию пп лазера- там тоже один усилитель на много виртуальных резонаторов, каждый для своей моды.

Если же сопряжение резонаторов фазозависимое, то могут быть очень интересные решения.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Планировался резистивный сплиттер и ограничители, чтобы реализовать режим конкуренции мод и получить двухчастотные колебания.

 

Как понять фазозависимое и где об этом почитать?

Share this post


Link to post
Share on other sites
Как понять фазозависимое и где об этом почитать?

Два резонатора связанные через направленные ответвители или 90-градусные гибридные мосты, иногда устройств связи может быть больше двух.

Гуглить cross coupled resonator и artificial band gap. Большинство полезных ссылок будет по оптике, но можно экстраполировать на СВЧ

 

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
”Там будет резонатор в виде диска из ЖИГ пленки”

Если честно, я затрудняюсь сказать, в чем прелесть использования пленок на частоте ФМР. Пленки специально делают, чтобы перейти на резонанс спиновых. И как я представляю (могу и ошибаться, т.к. не изучил,к огда была возможность) уходя от k=0 получается небольшой выигрыш по шуму. Но дисперсия СВ с ростом поля меняется нелинейно, так что балансировка затруднительна.

Ну, ФМР, так ФМР.

 

"Там постоянные магниты и за счёт их температурного размагничивания достигается температурная компенсация. "

Тогда хорошо. Я с этой технологией, к сожалению, не знаком. Довольно интересно, спасибо.

Edited by Hale

Share this post


Link to post
Share on other sites
Если честно, я затрудняюсь сказать, в чем прелесть использования пленок на частоте ФМР. Пленки специально делают, чтобы перейти на резонанс спиновых. И как я представляю (могу и ошибаться, т.к. не изучил,к огда была возможность) уходя от k=0 получается небольшой выигрыш по шуму. Но дисперсия СВ с ростом поля меняется нелинейно, так что балансировка затруднительна.

Ну, ФМР, так ФМР.

 

Признаюсь, вы поймали меня на нестыковке. Если говорить сторого, то ФМР там не будет. Однако, учитывая что диаметр диска 2мм и намагничивание нормальное, то длина волны первой моды прямых объемных магнитостатических волн в данном резонаторе будет 4мм и это k=2.5. А это по частоте практически ФМР. В работах по генерации солитонов в генераторах с ЖИГ волноводами используются k=50...500. И дисперсия с ростом частоты в таких системах заметно нелинейна. Все таки широкополосный фильтр.

 

В данной системе на дисперсию и ее нелинейность можно внимание не обращать, т.к. мы имеем дело с резонаторома, работающими в узкой полосе (ЖИГи достаточно добротные, так что очень даже узкой). А про балансировку я не совсем понял о чем вы. Если балансировка мощности в резонаторах, то это будут осуществлять подключенные к ним параллельно земле ограничители-диоды.

 

Два резонатора связанные через направленные ответвители или 90-градусные гибридные мосты, иногда устройств связи может быть больше двух.

Гуглить cross coupled resonator и artificial band gap. Большинство полезных ссылок будет по оптике, но можно экстраполировать на СВЧ

 

Да, были мысли как поток мощности разделить после усилителя. Частоты будут небольшие - максимум 2.5ГГц и разветвитель мощности на микрополосках будет большой, но раз это позволит шумы снизить, то надо делать. Спасибо за подсказки!

Share this post


Link to post
Share on other sites

"В работах по генерации солитонов в генераторах с ЖИГ волноводами используются k=50...500."

просто там обычно середина полосы антенн, равномерное согласование и наименьшее ослабление. Еще довольно часто исследуется затухание пакета, соответственно волна желательно покороче. И на малых К у спинволн наблюдается куча паразитных эффектов, как-то взаимодействие с акустическими модами, а рядом еще оптическая ветвь. Формированию нелинейных процессов как таковых малые k сильно не препятствуют. Есть еще одна причина. Стараются сильно не понимать частоту, чисто из удобства (вес магнита). Поэтому нижнюю границу полосы выравнивают аккурат по границе 3-волновых процессов. Вам же придется поднять частоту(поле) еще выше.

 

про балансировку. Я говорил про балансировку ухода частоты в двух резонаторах. Положительный уход не будет равен отрицательному. Хотя при малых k, это действительно не критично.

Share this post


Link to post
Share on other sites

3-магнонные нелинейные процессы благо беспокоить не будут - мощность малая в резонаторе. Поэтому и поле может быть невелико.

Согласен, уходы будут практически равны, так как на k=2.5 частота практически равна OmegaH=gamma*H0 и не сильно будет уходить от нее при разных полях.

 

Сильнее всего будут влиять на результаты измерения именно фазовые шумы системы. Попробую реализовать эту штуковину и тогда отпишусь.

 

Спасибо всем за подсказки и внимание.

Share this post


Link to post
Share on other sites

в отличие от 4-магнонных, порог 3-магнонных в ЖИГ пленках очень низкий, т.е. они слабо пролезают практически при любой мощности. поэтому и советуют поднимать частоту.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this