PLL de microondas con tiempo de adquisición reducido

PLL DE MICROONDAS CON TIEMPO DE ADQUISICION REDUCIDO J. Berenguer, E. Artal, I. Corbella J. Bara, A. Comer6n. Dpto . de EZectrofisica E. T . S. I. de Telecomunicacidn de Barc elon a, U.P . C. Apartado 30002 08080 -B a rc eZona Espana ABSTRACT The behaviour of a PLL where the VCO is injection-locked to the reference frequenc y is studied. It is experimentally shown that the phase acquisition time can be reduced relative to the non-injection locked VCO situation. At the same time, the phase relationship between an injection-locked oscillator and the reference oscillator can also be fixed. These techniques can be applied to the local oscillators synthesis in a coherent receiver for the 12.5, 20 and 30 GHz beacons of the Olympus satellite. 1 . INTRODUCCION La tecnica de sincronizaclon por inyecclon /1/ hace que la sefial de salida de un oscilador (llamado en adelante "oscilador controlado") siga en frecuencia a la sefial de otro oscilador (llamado en adelante "oscila dor de referencia") (fig. 1) . En cuanto a las caracteristicas de ruido de fase, si la potencia inyectada en el oscila dor controlado por el oscilador de referen= cia es suficienterrente al ta, seran practicamente las mismas para los dos osciladores en el ancho de banda · de sincronizaci6n / 1/ . Como este ancho de banda puede ser muy gran de, puede en muchos casos considerarse que la densidad espectral de ruido de fase es la misma para los dos osciladores. En esas condiciones, la diferencia de fase instantanea entre los dos osciladores depen de de la diferencia entre la frecuencia deoscilaci6n libre del oscilador controlado y la frecuencia del oscilador de referencia. Como esa diferencia puede variar a lo largo del tiempo, en general no existe una relaci6n de fase determinada entre los oscilado res controlado y de referencia. Tal rela-- ci6n puede fijarse utilizando un bucle de fase (PLL) en el que el VCO sea el propio oscilador controlado. Al ternativamente, el oscilador controlado de un PLL puede tardar un tie mp o considerable en adquirir el sincronismo con el oscilador de referencia si sus frecuencias difieren mucho, dependiendo de la anchura de banda del PLL. Puede pensarse en disminuir 76 el tiempo de adquisici6n mediante la sincronizaci6n previa por inyecci6n del VCO por el oscilador de referencia. En lo que sigue se discute el comportamiento de un PLL a frecuencias de microondas cuando el VCO esta sincronizado por inyecci6n al os cilador de referencia. 2. MODELO TEORICO En la figura 2b se representa el diagrama de bloques de un PLL clasico /2,3/. Si la funcion de transferencia F(s) del filtro de lazo corresponde a un integrador imperfecta (importante caso practico) F(s) (1) entonces la fase de salida del VCO viene dada por <l> o (s) 2 '1s + 2 <l>v co ( s l ( 2 l T1s +KKDKF(1+T 2 s) donde KD (Volt rad _1) es la con stante del detector de fase, KF(rad s-1 Volt-1) es la constante del VCO y q, REF y <l> vco representan las transformadas de la sefial de referencia y del VCO libre respectivamente. La expresi6n (2) indica que, dentro del ancho de banda del PLL, la caracteristica espectral de fase del oscilador controlado corresponde fundamentalmente a la del oscilador de referencia, mientras que fuera de ese margen de frecuencias se encu~ntra la caracteristica de fase del VCO libre. Si el VCO se encuentra sincronizado por inyecci6n por el de referencia, en las condiciones consideradas en la introducci6n, el diagrama de bloques es el representado en la figura 3b. El proceso de inyecci6n, ademas de modificar las caracteristicas de fase del VCO, hace que su tension de control no actue sobre su frecuencia, sino sobre la fase, por lo cual las dimensiones de la constante K , p qu e representa el modelo linealizado de co ntrol, seran ahora de rad Volt-1. Su poniendo la misma funci6n de transferenci a del filtro de lazo que en la expresi6n (1 ), la fase de salida del VCO sera ahora '1s <P o(s)= <P REF(s)+ 6<f> (s) (3) ~Kp+( -r 1 +~Kp-r 2 )s representa la transformada de la diferen ci a de fase entre el oscilador de referencia ~ e l controlado debida a la diferencia en- ~re la frecuencia del oscilador de referenci a y la frecuencia de oscilaci6n libre del o scilador controlado que es, en el dominio "e l tiempo, una funci6n de variaci6n gene- :!: almente lenta. ~ comparaci6n de las expresiones (2) y (3) ~d ica que en un caso, la contribuci6n del ··eo a la fa se de sal ida aparece f il trada ?Or un filtro paso-alto de segundo orden, ien tras que en el otro es filtrada por un =il tro de primer orden. En cada caso, las =e spectivas contribuciones presentan carac- ~e risticas espectrales distintas. 3. RESULTADOS EXPERIMENTALES En la figura 4a se ha representado la vari~ io n de la tension de control del VCO corres po ndiente al montaje de la figura 2a ~l o scilador de referencia es un oscilador de b arrido de laboratorio trabajando en CW a un a frecuencia alrededor de 12 GHz. El nco es un oscilador a MESFET estabilizado ?Or r esonador dielectrico, cu ya frecuencia se v aria alrededor de 12 GHz actuando sabre _a tension de puerta del transistor . Como dete ctor de fase se utiliza un mezclador equ ilibrado realizado mediante un circuito ~ibr ido de 90Q con diodes Schottky como ·i s p ositivos no lineales. ~~ ~ constantes del diagrama de bloques 6 =l. g._2b) son KD=0 . 38 Volt rad-1 , KF=4 x 10 :!:ad s 1volt-1, K=1 .36 x 10-2, -r 1 =s.6 ms, ~ 2 = 0 .15 ms. Con estos valores, el ancho ~e b anda calculado del PLL es de 10 KHz. ~1 tiempo medido de adquisici6n (tiempo ent r e los instantes en que se cierra el la zo y se estabiliza la tensi6n de controlT es de unos 60 s, para un offset inicial de =ecuen cia de unos 20 MHz. ~n l a figura 4b se representa la tension de cont rol del VCO cuando este se encuentra sinc ronizado por inyecci6n por la senal de :!:e ferencia. Se observa la tipica respues- ~a a l escal6n de un sistema de primer orden. ~os v alores de las constantes son los miss que en el caso anterior, excepto la =on stante correspondiente al VCO, cu yo va- :or es Kp = 1.53 rad Volt-1. Es clara la =edu cci6n del tiempo de adquisicion de fase r e specto del caso anterior (apro x imada- -ent e un factor 20). 4. CONCLUSIONES Se ha comprobado que el tiempo de adquisi- =-on de un PLL de microondas de segundo or =en puede reducirse mediante la sincroniza cion por inyeccion del VCO por el oscila-- =or de referencia. En ese caso, el modelo =el sistema se reduce al de un PLL de pri- - r o rden. ~sta tecnica puede aplicarse tambien para 77 conseguir una relaci6n de fase fija entreun oscilador de referencia y un oscilador slncronizado por inyecci6n. Estas tecnicas estan siendo estudiadas en relaci6n con la sintesis de frecuencias de osciladores locales en un receptor coherente para las balizas a 12.5, 20 y 30 GHz del pa quete de propagaci6n del s atelite Ol y mpus.- REFERENCIAS /1 / Kaneyuki Kurokawa, "Injection Locking of Microwave Solid-State Oscillator". Proc . of the I EEE , 61, 10, Oct. 1973, pp.1386-1410. -- /2/ Floyd M. Gardner, "P haseZock Te ch niqu es " John Wiley & Sons. 1979. / 3/ Alain Blanchard, "Pha se - Locked Loop s . Application to Coherent Rec eiver De s ign ". John Wiley & Sons. 1976. Controlled Oscillat or Reference Oscillator W IIF ! + <j) 1 0' (t) +£. <j) (t) w IIF t + <!> 1u (t) Fig. 1. Oscilador sincronizado por inyecci6n. PHASE DETECTOR v.c.o. (a) (b ) Fig. 2. Bucle de seguimiento de fase (PLL). (a) Modelo fisico. (b) Diagrama de bloques linealizado. PHASE <t> IEF DETECTOR (a) (b) Fig. 3. PLL con V CO sincronizado por in y ecci6n. (a) M odelo fisico. (b) Dia gr ama de bloques linealizado. TIME (sgconds) TIME (sgconds) -.5 0 10 20 30 40 50 60 70 0 -. 7 > -.6 ,... > ...... ...... lJ.I lJ.I ~ -. 7 L:l < II- ...J 5-.8 0 > -.8 > d d u u :> -.9 :> "'"1 -.9 (a) ( b) F ig. 4. Evoluci6n de la tensi6n de control del VCO para las situaciones correspondientes a: (a)figura 2; (b) figura 3. 78