A Direct Synthesis stable and precise 404 MHz LO

Jacques F6TEM

1) Abstract : Very often Overtone Xtal oscillators don’t reach the capability to be booth stable and tuned on the theoretical working frequency. Once upon a time……Xtal manufacters had the know how to cut the xtal you order in better than 1 part in 1007 …. It was just a question of money and so seldom acheived now in practice for just a few samples of the small Ham Radio market. Moreover if you are not lucky enough, you may be confused by doing ajustment on a close spurious response of a poor quality resonator…. Nothing is perfect even Xtals. One proposed way is to dissociate the functions as follows : A VHF overtone Xtal on its best operating frequency (it is what it is) and an HF ajustable fondamental frequency Xtal mixed together to put the LO working on 404 MHz with easy Hz tuning….. -no PLL in this Direct Synthesis scheeme. -very low phase noise with schottky diode doubler (very low electric charge storage). -low order of multiplication means fondamentaly low phase noise. -fair temperature behaviour without need for heating ovens. -oldfashion but proof technology.

Résumé: Il est fréquent de constater que les oscillateurs Overtone quartz ne sont pas capables d’assurer simultanément stabilité et calage exact sur la fréquence théorique de travail. Il était une fois….les fabricants de cristaux possédaient le savoir-faire pour tailler les quartz sur commande à mieux que 1 part dans 107. Ce n’était qu’une question d’argent et rarement possible aujourd’hui vue la petitesse du marché radioamateur. De plus, si vous n’êtes pas chanceux ce jour-là, vous pouvez faire les réglages sur une des réponses parasites du résonateur…. Rien n’est parfait, pas même les quartz. Une proposition pour résoudre ce dilemme est de dissocier les fonctions, comme suit: Un oscillateur overtone VHF travaillant sur sa meilleure fréquence (elle est ce quelle est) et un oscillateur HF ajustable en mode fondamental …Le mélange des deux donnant un OL 404 MHz ajustable à quelques Hz (1 Hz= 2,47 part dans 109 à 404 MHz!) -pas de PLL/asservissement dans ce schéma à synthèse directe -très faible bruit de phase du doubleur à diode Schottky (très faibles charges électriques) -faible ordre de multiplication signifie fondamentalement faible bruit de phase. -bonnes performances à la température sans enceinte thermostatée. -technologie paraissant démodée mais qui a fait ses preuves.

2) The fondamentals Remember that Xtals in the range 5 to 10 MHz have better short/medium term stability than stand alone atomic clocks. Unfortunatly, some nice LF standard transmissions would be soon down in 2011 (HBG on 75 KHz) or too far NE with anisotropy problems on the LF propagation path(DCF77).Is the GPS the only way ? Don’t put all your eggs in one basket…if possible!

Rappels : Souvenons-nous que les cristaux dans la gamme 5 à 10 MHz possèdent une stabilité à court et moyen terme supérieur aux horloges atomiques. Malheureusement, quelques émissions étalons en ondes longues seront arrêtées en 2011 (HBG 75 KHz)…ou malheureusement (bis) un peu loin de nous (problèmes d’anisotropie du milieu de propagation ondes longues pour DCF77. Le GPS est-il la dernière alternative ? Il n’est pourtant pas prudent de mettre tous ses œufs dans le même panier…si possible!

More about the subject / Pour en savoir plus The following Application notes on http://www.hpmemory.org -« Fondamentals of Quartz oscillators » AN 200-2 -« Frequency and time standards » AN 52 - 1965 -« L’heure : conservation, diffusion et contrôle » Philippe Sannier F5SP Ondes Courtes Informations n°46-47-49-50 1975 -Crystal oscillators : Handbook of thin film technology L.I MAISSEL & R.GLANG Mc GRAW Hill Company

3) The Local Oscillator Architecture

4) Instrumentation : Frequency measurement Test Set with the reciprocal HP5334B double oven Time Base counter (thanks to Electropuces/Nantes for calibration on atomic standard). Some checks were also done with an homebrew direct receiver on 75 KHz. HBG is just a few miles from the station with an impressive level received on a selective ferrite antenna preamplifier + ECL limiter/shaper stages. Homemade prescaler up to 730 MHz (WB amplifier + 11C90). This HP5334B 100 MHz counter fortunatly measures directly up to the 116 MHz LO of my 144 station with a beautiful Hz resolution ±1 count (144/28 transverter and TS830 calibration). Using the 100 gates averaging function Hz resolution is also available at 404 MHz using the prescaler but measurements are more time consuming. The aging rate of the HP5334B double oven time base is less than 5 parts 1010/day. The only part missing is an HPIB acquisition computer (like HP85-86-87 or 9845) but this would be done anyway manualy with some patience.

Mesures de fréquence avec compteur réciproque HP 5334B à double enceinte thermostatée (Merci à Electropuces/Nantes pour la récente calibration contre une horloge atomique). Quelques vérifications personnelles ont été réalisées avec un RX à amplification directe « maison » sur 75 KHz. HBG est juste à quelques miles nautiques de la station et le niveau de réception est impressionnant sur un préamplificateur d’antenne ferrite + étages limiteurs et mise en forme logique ECL (Emitter Coupled Logic). Pré-diviseur par 10 « maison » (WB amplifier + 11C90) permettant la mesure jusqu’ 730 MHz.

Le HP 5334B est un compteur 100 MHz réciproque qui, pour l’exemplaire en ma possession, accepte la mesure directe de l’OL 116 MHz du transverter 144/28 (TS830) décrit sur ce site (confirmant ainsi la distribution des stations à ±500 Hz d’incertitude autour de 144,300 000). En utilisant la fonction 100 Gate Averaging et en acceptant que la mesure prenne un peu plus de temps, la résolution de mesure : c’est le Hz 404 MHz ! (0,1 Hz à 20 MHz en mode direct). Préchauffage du compteur selon la spécification HP bien sur. Dans de telles conditions et en optimisant le seuil de déclenchement à l’endroit proche d’où la dérivée de la fonction sinus est la plus grande c-a-d au passage à zéro (attention aux parasites et bruit) …il ne reste que le taux de vieillissement de la base de temps spécifiée inférieure à 5 parts dans 1010/jour. Le seul maillon manquant la chaîne de mesure est l’acquisition automatique via HPIB avec un calculateur genre HP85-86-87 voire 9845 (nostalgie !). Néanmoins, cela peut être mené à bien avec un peu de patience et de méthode puis traité dans un tableur comme EXCEL voire le freeware OPEN OFFICE (interpolation linéaire, pas de curve fitting dans ce dernier à ma dernière utilisation de ce logiciel).

Spectrum measurements : At least 80 dB dynamic range, far more using the classical method of the external notch on top of the carrier. HAMEG 5011 (0.15 – 1060 MHz) HP 8565A (10 MHz -22 GHz) Be careful with RF Input level and No DC here! Au moins 80 dB de dynamique, beaucoup plus en utilisant la classique méthode du Notch sur le pic de porteuse. Le HP8565A option 100Hz + stabilisateur permet une estimation intuitive rapide de la performance bruit de phase. Attention aux niveaux RF et pas de DC sinon…casse au niveau atténuateur d’entrée et Mélangeur large bande probablement spécifique!

Bandwidth and Matching measurements : Low cost VNA HP 8754 4-1300MHz + homemade SWR Bridge

5) The results : At least better than 1 part in 107 depending of temperature variations in the shack. See the following graph.

Novembre 2011. Le Chauffage du shack est enclenché en début d’essais T amb<16°C / hygrométrie relevée 51%, l’OL n’est pas alimenté (+12V + régulateur LM317 9V dédicacé sur le montage). La température moyenne du shack sera enregistrée par palier grossiers de 1°C comme l’indique le graphique. La fréquence de l’OL est volontairement placée arbitrairement quelques 450 Hz à coté.

La partie gauche du graphique montre la variation de fréquence en fonction de T shack et mise en température du circuit (40,4Hz= 1 part dans 107).

Entre 45 et 50’, la fréquence est ajustée (10MHz tuning) proche de la valeur théorique < Zone notée (1) > (100 gate

averaging off = 10 Hz resolution).

Dans l’intervalle 55’-85’, la température du shack est à peu près stable (au degré près) à 18°C et la variation de fréquence de l’ordre de 0,5 108 soit probablement bien mieux que le transceiver déca qui pilotera la station. A ce niveau, plusieurs constatations sur cet OL non thermostaté et posé sur l’établi : a)la position du Xtal 96MHz « clippé » sur le copper clad est favorable (inertie et homogénéité thermique).Son point de fonctionnement RF est naturel donc non forcé. b)le Xtal 10 MHz HC6-U pourrait judicieusement recevoir un petit capuchon en mousse isolante…c’est gratuit ! (les deux Quartz sont connectés, sans compromis, à la masse). c)le CV de réglage 10 MHz est évidemment sensible aux courants d’air, malgré la petite boite laiton (attention aux capacités additionnelles pour l’emplacement des cloisons). Un (futur) démultiplicateur mécanique rendrait le « tuning » encore plus facile (on verra pour le 1296). La fermeture mécanique inférieure du montage amènera probablement un plus, sans aller vers un système de mise en température de l’ensemble. d)cette approche d’un OL 404 MHz est certes un peu plus complexe qu’à l’accoutumée. Selon les quartz disponibles mais aussi le choix du sens du mélange, on obtient ici une compensation partielle « gratuite » de la dérive de fréquence. Enfin, dans l’intervalle 90’-115’, le chauffage du shack est volontairement poussé et donne ainsi une indication de la susceptibilité globale aux variations de température (déjà sur 70cm, on est confronté au problème de fond ! relire avec plaisir F9HX &Co : Revue HYPER). A noter une coupure de 5’ (Zone notée (2) sur le graphique) puis ré-enclenchement pour une éventuelle détection de Retrace Effect (dans les 109 d’après HP) dont l’analyse sort du cadre de cette réalisation.

Pureté spectrale : Grâce aux différents filtrages, Notch (à placer aux points de haute impédance des CO pour une meilleure efficacité), une seule raie spectrale -5dBm à 404 MHz. Tous les produits parasites sont à -60 voire -70dBc dans l’intervalle 1-1000 MHz.

Sweep 1-1000MHz 100MHZ/div 10dB/div HAMEG 5011

F centrale 404 MHz- stabilizer ON- ref level -5dBm=LO Output 10dB/div

Le pied de porteuse ne semble pas entaché par des modulations parasites (HP8565A option 100Hz+averaging)

5) Schematics and modules

Vue générale de l’OL 404 (construction modulaire pour un développement plus aisé). De gauche à droite -10MHz et

doubleur 20MHz- Filtre 20 MHz – Mixer puis OL 384MHz.

Idem vu de dessous. 96 vers 384MHz-Mixer- filtre 20 MHz-10 vers 20 MHz oscillateur ajustable.

Détails de la partie 10-20 MHz. Différentes architectures de doubleurs ont été essayés, plus particulièrement paires de diodes, push-push actif et passifs, amplis différentiels avant d’aboutir à celui décrit sur le schéma (paramètres de sélection : niveau de sortie + réjection fondamentale et harmoniques dont les schémas ne seront pas inclus ici pour limiter la longueur de l’article). A noter que le Notch 10 MHz a un couplage infime sur le CO de sortie 20 MHz (F différentes et sens de bobinage ;-) Capacités mica et RFC de récupération. Le découplage efficace des points d’alimentation est essentiel (RFC + by-pass multicellules sur la face externe des modules).

Filtre 20 MHz 2 pôles. Distance de 20mm de centre à centre pour les bobinages.

Oscillateur 10MHz et Doubleur. T4, T5 et T6 : BC107 Transfo large bande sur tore ferrite miniature Inductances collecteurs T5,T6 et filtre 20 MHz : 25spires diam.15mm hauteur 28mm Prévoir des cellules de filtrage en PI à tous points d’alimentation avec constantes de temps LC adéquates. BW filtre 20 MHz=1,7 MHz à -3dB IL=1,2dB 10MHz :-50dB 30MHz :-45dB

Filtrage 192MHz, étage de sortie 384MHz avec Notch 96MHz. Mixer 7dBm avec -3dB pad sur RF et LO inputs

96MHz osc. + buffer + schottky diode doubler 192MHz Régulateur +9V en haut à droite. A remarquer le montage

du Xtal HC18 sous le clip CuBe.

T1=T2= NPN HF 2N918 ou equiv. T3=BFR96 D1=D2= hot carrier diodes genre hp2800/2900 L1/C1= accord sur 96MHz T1 =WB transfo sur mini tore ferrite (qqs spires) C liaison=470p L1=L2 Longueur 85mm, prises à 15, 20mm coté froid (blindage sur 60mm). L3= 55mm prise collecteur à 35mm du pt froid, prise output à12mm du pt froid (voir photo) C=470p L+C5 notch accordé sur 96MHz…Optimiser le réglage pendant observation du spectre complet 1-1000MHz.

Filtre interdigital 4 pôles dont les dimensions sont, au facteur d’échelle près, tirées d’un design 432. Dimensions hors tout 195*195*25mm Alu(matières premières disponible dans les surfaces de bricolage). Vis de réglages : M6 inox avec contre-écrous de blocage. L’usinage au tour est un jeu d’enfant. Pour le reste, scie à métaux et lime.

Réponse du filtre interdigital 404MHz. F centrale = 400MHz marker 10MHz 10dB/div Bien calé, ce filtre procure une belle réjection de 60dB à 10MHz de la fréquence centrale. Pertes d’insertion : env. 1,5dB (oui, il pourrait être optimisé pour cette application !)

Ref : F6AAR Radio REF Décembre 1970 correction apportée=1,07

Mixer standard 7dBm 5-500MHz genre MD108, CIM1, SBL1 etc. 6)How to build such a unit : Printed circuits are fine (despite cost, rather low Q and poor dielectric constant never better than air) but not required up to at least 2.3 GHz. The printed circuit key is modelisation and its drawbacks + some loss of intuitive feeling because computers may only describe the Known Past. As Amateur Radio is still fortunatly not an industrial way of life and a mean of personal discover as well as skill improvement, point to point wiring had been used here without troubles. Impedances and reactives quantities would be well localised or even distributed using the « line above ground » system. Some small pads would be glued on the copper clad ground plane using Araldite. Cost is very low and the junkbox is at work according to your ideas. The Wainwright firm produced some of these pads some 10 years ago …I don’t know if these parts and sockets may still be found today with the large scale integration and normalization of « High Tech » electronics? At low cost these various µstrips and ready to glue sockets would be a great tool for on the bench experimenters not afraid by Matter and Physics.

Construire une telle unité. Les circuits imprimés : c’est bien (malgré le prix, les faibles coefficients de surtension et les médiocres constantes diélectriques jamais meilleures que l’Air) mais pas vraiment nécessaires en-dessous d’au moins 2,3GHz. La clé des circuits imprimés c’est la modélisation et ses inconvénients spécifiques sans compter la perte d’intuition car les ordinateurs ne peuvent que décrire le monde passé. Comme l’activité radioamateur n’est heureusement pas (encore !) une « industrial way of life » mais un fondamental moyen de découvertes et d’amélioration de connaissances personnelles (la fameuse Expérience qui ne se transmet pas…nous dit-on parfois)…le câblage « point par point » a été utilisé ici sans problème sinon que par la compréhension des phénomènes physiques en jeu. Impédances et réactances peuvent être indifféremment localisées ou distribuées en utilisant la technique du « conducteur au-dessus d’un plan de masse ». Le coût est quasi nul et les fonds de tiroirs au service de vos idées….pas le contraire. Quelques étroits bouts de copper clad sont collés (Araldite rapide) comme relais de câblage sur le copper clad « plan de masse ». La firme Wainwright GmbH produisait il y a une dizaine d’années de tels supports de composants pré-encolés. Je ne sais si actuellement ces éléments, supports de CI, lignes 50, 75, 100Ω peuvent être encore trouvés dans une ambiance industrielle d’intégration grande échelle et de normalisation par l’électronique dite « high Tech ». A prix raisonnables, ces lignes variées et autres supports préencollés seraient un bel outil pour ceux qui veulent expérimenter sans peur de la Matière et de la Physique : c’est une grande liberté.

7) Including the 404 LO in a 432 transverter – concluding remarks : The remaining work is to raise the 404 LO level to +12 dBm (resistive splitter toward RX/TX 7dBm mixers) which

would be quite an easy goal. Don’t be too much worry here with some in phase harmonic distorsion on h2, h3 and

up. This effect would be fondamentaly produced inside the RX/TX mixers by diode characteristics and will reduce

conversion losses.

Nevertheless be careful avoiding mixers saturation because of unexpected production of spurious (spectrum

analyzer really needed here). The isolation from LO to IF ports are worse than supposed (10 to 15 dB worse as well

explained in Mini Circuits Laboratories application Notes and confirm by measurements). Don’t hope no more than

15 dB at upper band edge of a standard 5-500MHz mixer. Don’t push to much energy on that singlediode ring

devices and provide further enough linear amplification (what is quite easy with today mmIcs). Don’t forget to

terminate mixers ports on 50 Ω for all the frequency products…no mystery.

TX and RX lines are now by the classical way described everywhere….with a clean stable and well tunable 404MHz Local Oscillator.

OL 404 dans un ensemble 432 MHz, conclusions.

Il reste à hisser le niveau de cet OL de -5dBm vers +12 dBm (diviseur résistif vers mélangeurs 7 dBm TX et RX). Cela devrait être une tâche facile. Ne pas s’inquiéter outre mesure de la distorsion harmonique (en phase) générée par cette amplification sur h2, h3 etc. Cet effet sera de toute manière produit par la caractéristique des diodes mélangeurs et conduit à réduire les pertes de conversion (remplissage maxi dans l’angle de conduction). Néanmoins, éviter la saturation des mélangeurs car source de produits parasites. Un analyseur de spectre sera là un outil précieux si disponible….sinon, mesure de niveaux avec détecteur calibré, wattmètre sensible, scope rapide etc. L’isolation de LO vers IF est souvent pire que supposée (voir à ce sujet les notes de Mini Circuits laboratories MCL) et confirmées par les mesures in situ. N’espérer pas plus de 10 à 15 dB en-dessous des spécifications, particulièrement vers le haut de bande des mélangeurs 5-500MHz. En bref, ne mettez pas trop d’énergie dans un simple pont de diodes et procurer derrière un supplément d’amplification linéaire (les mmics sont faits pour ça). Enfin, terminer tous les ports d’un mélangeur sur 50Ω …pour tous les produits harmoniques de mélange ...Pas de mystère. Les branches TX et RX peuvent être maintenant réalisées de façon classique et décrites en de nombreux endroits….à partir d’un oscillateur 404MHz stable, propre et calé à volonté sur la fréquence.

73’s à tous jacques moncall @ orange.fr