Síntesis de frecuencias en microondas mediante sistemas PLL: aplicación a la recepción de señales emitidas por satélite hasta 30 GHz

Abstract

La tesi estudia el problema de la síntesi de freqüències en les bandes de freqüències de microones i ones mil·limètriques, i la seva aplicació al disseny dels oscil·ladors locals d'un receptor coherent per a la recepció de les *radiobalises que a 12, 20 i 30 GHz emetia el satèl·lit Olympus de l'Agència Espacial Europea (ESA), amb la finalitat de caracteritzar el comportament radioelèctric de l'atmosfera a aquestes freqüències, a partir de mesures d'atenuació i transpolarització sobre aquests senyals de test, tot això dintre del marc d'un experiment de propagació (OPEX) propiciat per l'agència.<br/><br/>La tesi s'ha centrat en l'estudi dels sistemes de síntesis de freqüències utilitzats habitualment, i especialment en els de síntesi indirecta de freqüència basats en sistemes Phase Locked Loop (PLL) a freqüències de microones ja que són la base sobre la qual s'han dissenyat i construït els prototips de multiplicadors de freqüència que s'han desenvolupat, capaços de sintetitzar senyals en bandes de mil·limètriques, que en el nostre cas s'han restringit al marge de 1 a 29 GHz.<br/><br/>Alguns dels multiplicadors fan ús de la detecció de fase harmònica, sistema que permet realitzar multiplicacions de freqüència d'índex imparell, evitant la utilització de divisors de freqüència en el llaç de realimentació del PLL.<br/><br/>La tesi s'estructura en quatre parts diferenciades. La primera, amb un caire eminentment teòric, s'ofereix a manera de revisió dels aspectes del soroll de fase i dels sistemes de síntesis de freqüències existents. La segona part aborda les qüestions derivades de la síntesi de freqüències en microones mitjançant PLL's, amb descripció dels components utilitzats, per a passar a tractar dels aspectes de disseny d'un receptor coherent, els seus requisits i aplicacions. En la tercera part es presenten els multiplicadors de freqüència realitzats, la seva descripció, esquema de blocs i resultats experimentals obtinguts. I finalment, en la quarta part s'inclouen una sèrie de realitzacions derivades de la utilització de sistemes PLL a freqüències de microones, amb sincronització per injecció del VCO al senyal de referència, en aplicacions de combinació de potència i de control electrònic de fase en sistemes phased-arrays amb elements actius.

La tesis estudia el problema de la síntesis de frecuencias en las bandas de frecuencias de microondas y ondas milimétricas, y su aplicación al diseño de los osciladores locales de un receptor coherente para la recepción de las radiobalizas que a 12, 20 y 30 GHz emitía el satélite Olympus de la Agencia Espacial Europea (ESA), con la finalidad de caracterizar el comportamiento radioeléctrico de la atmósfera a estas frecuencias, a partir de medidas de atenuación y transpolarización sobre esas señales de test, todo ello dentro del marco de un experimento de propagación (OPEX) propiciado por la agencia.<br/><br/>La tesis se ha centrado en el estudio de los sistemas de síntesis de frecuencias utilizados habitualmente, y en especial en los de síntesis indirecta de frecuencia basados en sistemas Phase Locked Loop (PLL) a frecuencias de microondas puesto que son la base sobre la que se sustentan los prototipos de multiplicadores de frecuencia que se han desarrollado, capaces de sintetizar señales en bandas milimétricas, que en nuestro caso se han restringido al margen de 1 a 29 GHz.<br/><br/>Algunos de los multiplicadores hacen uso de la detección de fase armónica, sistema que permite realizar multiplicaciones de frecuencia de índice impar, evitando el empleo de divisores de frecuencia en el lazo de realimentación del PLL.<br/><br/>La tesis se estructura en cuatro partes diferenciadas. La primera, con un cariz eminentemente teórico, se ofrece a modo de revisión del tema del ruido de fase y de los sistemas de síntesis de frecuencias existentes. La segunda parte aborda las cuestiones derivadas de la síntesis de frecuencias en microondas mediante PLL's, con descripción de los componentes utilizados, para pasar a tratar de los aspectos de diseño de un receptor coherente, sus requisitos y aplicaciones. En la tercera parte se presentan los multiplicadores de frecuencia realizados, su descripción, esquema de bloques y resultados experimentales obtenidos. Y por último, en la cuarta parte se incluyen una serie de realizaciones derivadas de la utilización de sistemas PLL a frecuencias de microondas, con sincronización por inyección del VCO a la señal de referencia, en aplicaciones de combinación de potencia y de control electrónico de fase en sistemas phased-arrays con elementos activos.

The thesis studies the problem of the synthesis of frequencies in the microwave and millimeter waves frequency bands, and its application to the design of the local oscillators of a coherent receiver for the reception of the radio beacons that to 12, 20 and 30 GHz emitted the satellite Olympus from the European Space Agency (ESA), with the aim of characterizing the radio behavior of the atmosphere at these frequencies, from measurements of attenuation and transpolarisation on those signals of test, all that in the framework of a propagation experiment (OPEX) favored by the agency.<br/><br/>The thesis has been focused on the study of the frequency synthesis systems, and especially on the indirect frequency synthesis systems based on Phase Locked Loops (PLL) at microwave frequencies, since they are the base on which the prototypes of frequency multipliers that they have been developed, capable of synthesizing signals in millimeter bands, are held that in our case they have restricted regardless of 1 to 29 GHz.<br/><br/>Some of the multipliers make use of the harmonic phase detection system that allows carrying out frequency multiplications of odd index, preventing the use of frequency dividers in the feedback loop of the PLL.<br/><br/>The thesis is structured in four differentiated parts. The first, with an eminently theoretical look, offers like revision of the subject of the phase noise and the methods of frequency synthesis. The second part tackles the questions derived from the synthesis of frequencies in microwaves through PLL's, with description of the used components, to pass to deal of the aspects of design of a coherent receiver, its requirements and applications. In the third part the frequency multipliers carried out, its description, schema of blocks and obtained experimental results are presented. And finally, in the fourth part a series of accomplishments are included phased-arrays derived of the use of systems PLL at frequencies of microwaves, with synchronization by injection of the VCO to the reference signal, in applications of power combination and of electronic phase control in systems with active elements.