5.6: Тематичне дослідження - проектування ГУН C-діапазону

У цьому розділі представлена конструкція високопродуктивного СВЧ ГУН, що працює від\(4.5\) до\(5.3\text{ GHz}\) повідомляється в [19]. Метою проектування є генерація незалежної від частоти негативної провідності\(G_{d}(A)\), із заданою формою коефіцієнта відбиття\(\Gamma_{d}\), використовуючи трикінцевий активний пристрій у загальній базовій конфігурації з послідовно-індуктивним зворотним зв'язком. Схема генератора показана на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а). Це генератор загальної бази, в якому базовий індуктор\(L_{3}\) забезпечує негативний зворотний зв'язок між входом і виходом транзистора, а резонатор представляє індуктивність на частоті коливань.\(2.2\text{ nH}\) Таким чином, ця схема є загальним базовим генератором Колпітта; еквівалентність проілюстрована на малюнку\(\PageIndex{2}\).

5.6.1 Філософія дизайну та топологія

Посилаючись на рисунок\(\PageIndex{1}\) (а), осцилятор розділений на активну мережу праворуч від лінії\(\mathsf{x-x}\) і резонаторну мережу зліва від ділильної лінії. Негативна провідність, представлена резонатору, головним чином через зворотний зв'язок, що забезпечується базовим індуктором\(L_{3}\). Дросель\(L_{\text{CHOKE}} = 8.2\text{ nH}\), і пов'язані з ними елементи забезпечують зміщення постійного струму до транзистора. Дросель має величину імпедансу\(258\:\Omega\) at\(5\text{ GHz}\) і фактично є радіочастотним розімкнутим контуром. Вихід генератора приймається з колектора транзистора через\(2.2\text{ pF}\) конденсатор, який приводить в рух\(50\:\Omega\) навантаження,\(Z_{L}\). Випромінювач підключається до мережі резонатора через паралельний\(47.5\:\Omega\) резистор і\(10\text{ pF}\) конденсатор. \(10\text{ pF}\)Конденсатори мають імпеданс

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Генератор SiGe BJT на\(5\text{ GHz}\) загальній основі: (а) генератор, що показує інтерфейс (x-x) між резонаторною мережею (також називається ланцюгом бака) та пристроєм; (b) активна мережа; і (c) мережа резонатора. Елемент з маркуванням ТЛ\(_{1}\) - це мікросмужкова лінія з низьким імпедансом. Конденсатори\(C_{a}\) і\(C_{b}\) компенсують частотно-залежний зворотний зв'язок, що забезпечується базовою індуктивністю. Дросельний індуктор\(L_{\text{CHOKE}} = 8.2\text{ nH}\), представляє РФ розімкнутий ланцюг і є частиною ланцюга зміщення. \(V_{CC} = 30\text{ V}\)і\(I_{CC} = 30\text{ mA}\). Кожен варакторний діод\((D_{1}–D_{4})\) є моделлю JDS2S71E. Транзистор являє собою модель Si BJT NE894M13, яка призначена для застосування осциляторів вище\(3\text{ GHz}\).

величина\(3\:\Omega\) при\(5\text{ GHz}\) і ефективно РЧ коротких замикань.

Базовий індуктор забезпечує зворотний зв'язок\(L_{3}\), що призводить до негативної провідності від випромінювача до землі. Оскільки зворотний зв'язок залежить від частоти, ця індукована негативна провідність також залежить від частоти.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Перетворення осцилятора Фігури\(\PageIndex{1}\) у форму стандартного генератора зворотного зв'язку Кольпітса: (а) перший етап перетворення, що поєднує еквівалентну активну та резонаторну мережі на малюнку\(\PageIndex{1}\); (б) об'єднання\(L_{1}\) і\(C_{x}\) (за рахунок\(C_{a}\) і паразитів) для отримання еквівалентної ємності\(C_{1}\); і (в) кінцева форма зворотного зв'язку (порівняти зі схемами на малюнках 5.2.2 (а) і 5.2.3 (b)).

Однак реактивне навантаження\(C_{b}\) змінює ефективну провідність пристрою так, що вона стає незалежною від\(C_{a}\) частоти. Конструкція\(C_{a}\) і\(C_{b}\) буде розглянута в глибину пізніше. Конденсатори\(C_{a}\) і\(C_{b}\) є ключовими для подання допуску до резонаторної мережі, яка має необхідні характеристики для стабільного коливання.

Резонаторна мережа, зліва від (\(\mathsf{x-x}\)) на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а), складається з лінії передачі TL,\(_{1}\) яка пов'язана зі змінною ємністю, що забезпечується стеком чотирьох варакторів. Один варактор забезпечить ємність, що регулюється напругою, але стек з чотирьох варакторів дозволяє в чотири рази більше радіочастотної напруги коливання [20]. \(3.6\text{ nH}\)А\(8.2\text{ nH}\) індуктори забезпечують шорти постійного струму, представляючи радіочастотні розімкнуті ланцюги. Пролучена лінія електропередачі, посилаючись на зв'язок між активною та резонаторною мережами, які не знаходяться у верхній частині лінії електропередачі, покращує\(Q\) навантаження мережі резонатора. Резонаторна мережа резонансна на частоті нижче частоти коливань, причому лінія електропередачі індуктивна на частоті коливань. Таким чином, на частоті коливань резонаторна мережа представляє індуктивність з необхідним нахилом допуску по відношенню до частоти\(^{1}\). Конструкція штабеля варактора розглядається далі в розділі 5.3 [21].

Схема розташування і заселена мікросмужкова друкована плата показані на малюнку\(\PageIndex{3}\) (а і б). Резонаторна мережа показана на малюнку\(\PageIndex{4}\) (а), а активна мережа показана на малюнку\(\PageIndex{4}\) (б). Зверніть увагу на багато переходів до задньої площини заземлення. Це характерно для мікрохвильових конструкцій, оскільки перехідні отвори усувають режими підкладки, а великі заземлені області мінімізують паразитарне з'єднання. Широкий мікросмужковий резонатор, TL\(_{1}\), видно на малюнку\(\PageIndex{4}\) (а), і поперек нього до смуги заземлення є короткочасна планка (доступна у формі мікросхеми у вигляді\(0\:\Omega\) резистора). Планку можна переставити і використовувати для настройки мережі резонатора. Хоча це необхідно під час ручного оптимізації конструкції генератора, він зберігається в остаточному проекті (як зазвичай). Короткочасна планка ефективно зменшує довжину TL\(_{1}\). На виході генератора (див. Рис.\(\PageIndex{4}\) (b)) між і\(50\:\Omega\) смуговим фільтром знаходиться Pi атенюатор (з\(294\:\Omega\) резисторами в шунтуючих ніжках\(V_{\text{out}}\) і\(17.4\:\Omega\) послідовним резистором). Фільтр блокує гармоніки з кінцевого виходу ланцюга. Імпеданс видно з\(V_{\text{out}}\) терміналу, що дивиться на фільтр, є\(50\:\Omega\).

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Схема ГУН C-діапазону: (а) макет, що показує металізацію та переходи до площин заземлення (жовтим кольором); і (б) заповнена друкована плата з резонаторною мережею зліва від лінії розрізу (\(\mathsf{x-x}\)), відокремленої від активного контуру праворуч.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Схема ГУН C-діапазону: (а) анотована резонаторна мережа; і (б) анотована активна мережа. Аттенюатор Pi (з\(294\:\Omega\) резисторами в шунтуючих ніжках і\(17.4\:\Omega\) послідовним резистором) знаходиться між\(V_{\text{out}}\) і\(50\:\Omega\) смуговим фільтром.

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Опір паралельного (або налаштованого на шунт) резонатора, необхідного для задоволення умови коливання для (a)\(|\Gamma_{d}| = 1.4\), (b)\(|\Gamma_{d}| = 2\) та (c)\(|\Gamma_{d}| = 4\) проти величини кута коефіцієнта відбиття пристрою.\(R_{P}\) Curve (d) є активним пристроєм\(Q = Q_{d} = |B_{d}/G_{d}|\) для\(|\Gamma_{d}| = 2\).

5.6.2 Стратегія проектування

\(S\)Параметри малого сигналу, як правило, є хорошими показниками роботи генератора, особливо для частоти коливань [22]. Однак вони не дають достатньої інформації, щоб визначити, чи станеться стабільне коливання. Стратегія проектування тут полягає у використанні моделювання та вимірювання окремих резонаторів та активних мереж для вибору необхідних модифікацій, зокрема вибору\(C_{a}\)\(C_{b}\) та положення замикання. Вимірювання необхідні, оскільки характеристики дуже чутливі до зчеплення паразитів, головним чином між сторонами згорнутих елементів, які не можуть бути захоплені в моделюванні.

5.6.3 Запуск осцилятора міркування

Іншим міркуванням в конструкції генератора є те, що для запуску коливань повинні бути передбачені правильні умови, який спочатку починається з посилення шуму. Простіше кажучи, умова для запуску генератора шунт-налаштованого генератора є те, що для малих сигналів (малих\(A\))\(|G_{d}(A, \omega )| > G_{r}(\omega )\). Тобто для малих сигналів активна мережа повинна представляти негативну провідність, яка більша за величиною, ніж позитивна провідність мережі резонатора. Так як\(B_{d}(\omega)\approx −B_{r}(\omega )\) умова запуску коливань може бути виражено і через\(Q\) s активної і резонаторної мереж. Тобто для пуску коливань,\(Q_{r} > Q_{d}\) для малих сигналів, де\(Q\) активної мережі\(Q_{d} = |B_{d}/G_{d}|\) і мережі резонатора\(Q_{r} = |B_{r}/G_{r}|\).\(Q\) Оскільки\(G_{d}\) є негативним\(|\Gamma_{d}| > 1\), однак, недостатньо просто мати велике значення\(|\Gamma_{d}|\).

Існує певний кутовий діапазон\(\Gamma_{d}\), який забезпечує правильну умову для запуску генератора. Тепер\(1/\Gamma_{d}\approx\Gamma_{r}\) при стаціонарному коливанні і тому проектування для конкретного\(\Gamma_{d}\) також визначає\(\Gamma_{r}\). Встановлено, що кут\(\Gamma_{d}\)\(\angle\Gamma_{d}\), повинен бути обмежений таким чином, щоб втрати в резонаторній мережі були розміщені. Відповідний діапазон вибирається за допомогою малюнка\(\PageIndex{5}\), який відображає необхідний мінімальний паралельний опір\(R_{p} (= 1/G_{r})\), резонаторної мережі в залежності від\(|\angle \Gamma_{d}|\) декількох значень\(|\Gamma_{d}|\). Якщо\(|\angle\Gamma_{d}|\) менше\(50^{\circ}\), то резонаторна мережа повинна мати вищу\(Q\), для того\(Q_{r}\), щоб задовольнити вимогу запуску генератора. Тепер якщо потрібен великий діапазон настройки ГУН, то\(\angle\Gamma_{d}\) слід розглянути великий діапазон. Розумний діапазон, отриманий від малюнка,\(\PageIndex{5}\) полягає в тому, що\(\angle\Gamma_{d}\) між\(30^{\circ}\) і\(70^{\circ}\) повинні підтримуватися. Таким чином, у випадку з шунтонованим осцилятором конструкція інтерфейсу резонатора та активних мереж є методичним процесом для забезпечення відповідного допуску для включення генератора над смугою налаштування ГУН.

Що вище означає, що якщо активна мережа призначена для представлення негативної провідності та невеликої сприйнятливості (так що\(\angle\Gamma_{d}\approx 180^{\circ}\)) до мережі резонатора, то еквівалентний паралельний опір мережі резонатора повинен бути дуже високим для забезпечення запуску.\(R_{p}\) Високий\(R_{p}\) означає, що\(Q\) мережа резонатора\(Q_{r}\), повинна бути високою. Однак такого максимуму\(Q_{r}\) було б важко досягти за допомогою перебудованого резонатора. Для забезпечення більшої ймовірності запуску генератора, а також досяжності\(Q_{r}\), краще для активної мережі представити\(\angle\Gamma_{d}\approx 50^{\circ}\). Вимога до широкого діапазону налаштування розширює цей діапазон до чогось подібного\(30^{\circ}\leq\angle\Gamma_{d}\leq 70^{\circ}\). Таким чином, не розумно просто вбудовувати реактивні опори в резонаторну мережу для компенсації паразитів в активній мережі, а потім очікувати досягнення необхідних умов запуску. Це може бути можливо зробити, але такий підхід обмежить можливість робити інші компроміси, які б оптимізували продуктивність генератора. Отже, справа в тому, що кращу продуктивність генератора може бути досягнута, виходячи за рамки простої форми умови коливання Курокава, втіленої в рівнянні 5.5.2.

За допомогою генератора Колпітта із загальною базою фіксованої частоти робоча точка коливання (перетин\(\Gamma_{r}\) і\(1/\Gamma_{d}\)) може знаходитися в лівій половині площини діаграми Сміта, оскільки втрати резонатора незначні. Однак з мікрохвильовою ГУН втрати резонатора, через варактори, помітні, і розташування перетину\(\Gamma_{r}\) і\(1/\Gamma_{d}\) важливо.

Підсумовуючи, проектування для злегка реактивного\(\Gamma_{d}\) є тонким моментом, який призводить до дизайну ГУН з чудовою продуктивністю. Не обов'язково розбиратися в цьому питанні, щоб слідувати наступній процедурі проектування. Достатньо слідувати процедурі проектування ГУН, зазначивши, що одна з вимог полягає в тому\(30^{\circ}\leq |\angle\Gamma_{d}|\leq 70^{\circ}\), що, тобто вхідний допуск активної мережі на резонаторно-активному мережевому інтерфейсі повинен бути трохи ємнісним (або злегка індуктивним). У відповідності\(1/\Gamma_{d}\) до\(\Gamma_{r}\), це відповідає трохи індуктивної (або трохи ємнісної) резонаторної мережі з\(70^{\circ}\geq\angle\Gamma_{r}\geq 30^{\circ}\) (або\(−70^{\circ}\leq\angle\Gamma_{r}\leq −30^{\circ}\)).

5.6.4 Початкове проектування

Початкова конструкція генератора з\(C_{a} = 0.5\text{ pF}\) і з\(C_{b} = 0\) привела до моделювання резонатора та активної мережі характеристик, показаних на малюнку\(\PageIndex{6}\), де показано локус\(\Gamma_{r}\) при двох напругах зміщення\(3\text{ V}\),\(1\text{ V}\) і,. Також показані малосигнальні характеристики активної мережі, побудовані як\(1/\Gamma_{d}\) і визначені (при моделюванні гармонічного балансу) за допомогою\(50\:\Omega\) порту. Імпеданс порту був досить високим, щоб придушити коливання. \(1/\Gamma_{d}\)Крива перетинається з кожною з кривих резонатора в декількох місцях, так що можливі множинні коливання.

Подібні виміряні характеристики фактичного осцилятора показані на малюнку\(\PageIndex{7}\). Резонаторна мережа показана ліворуч від лінії (\(\mathsf{x-x}\)) на схемі генератора на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а) і знову на малюнку\(\PageIndex{1}\) (c). Він також показаний на малюнку\(\PageIndex{4}\) (а). Вимірювання контуру резервуара дало набір резонаторних кривих (Curves a—g) на рис\(\PageIndex{7}\). Крива a - локус

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Імітований коефіцієнт\(50\:\Omega\) відбиття резонатора\(\Gamma_{r}\), і зворотний коефіцієнту відбиття малого сигналу активної мережі\(1/\Gamma_{d}\), С-діапазону ГУН з\(C_{a} = 0.5\text{ pF}\) і без\(C_{b}\). Це діаграма\(50\:\Omega\) Сміта.

Коефіцієнт відбиття резонаторної мережі при налаштуванні напруги дорівнює\(0\text{ V}\), тобто крива а є локусом по відношенню до частоти\(\Gamma_{r}(0\text{ V})\). Сім реакцій резонатора, показані на малюнку\(\PageIndex{7}\), Криві a—g, є коефіцієнтами відбиття резонатора для однаково віддалених настроювальних напруг від\(0\text{ V}\) наскрізного\(9\text{ V}\). Порівнюючи цифри,\(\PageIndex{6}\) і\(\PageIndex{7}\) видно, що між змодельованими та виміряними результатами існує розумна згода. До відмінності можна віднести складність виконання вимірювань в правильному місці, а також зв'язок між самими компонентами, які не фіксуються при моделюванні.

Можливість множинних коливань видно на малюнках\(\PageIndex{6}\) і\(\PageIndex{7}\), як може бути кілька перетинів\(\Gamma_{r}\) кривої (для конкретного зміщення) і\(1/\Gamma_{d}\) кривої. (Зверніть увагу, що\(1/\Gamma_{d}\) локус буде зміщуватися вправо у міру збільшення рівня сигналу коливань.) Кілька коливань спостерігаються, як видно в спектрі на виході\(V_{\text{out}}\), осцилятора (див. Рисунок\(\PageIndex{8}\)). Генератор, який коливається на декількох частотах, звичайно, не бажано, тому конструкція повинна бути змінена, щоб уникнути множинних перетинів\(\Gamma_{r}\) (при певній напрузі налаштування) і\(1/\Gamma_{d}\) кривих.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Виміряний коефіцієнт відбиття резонаторної мережі та зворотний коефіцієнту відбиття малого сигналу мережі активного пристрою СГО діапазону з\(C_{a} = 0.5\text{ pF}\) і без\(C_{b}\).\(\Gamma_{r}\)\(1/\Gamma_{d}\) \(\Gamma_{r}\), Крива а, є характеристикою мережі резонатора для настройки напруги,\(V_{\text{tune}}\), з\(0\text{ V}\). Крива g - це для\(V_{\text{tune}} = 9\text{ V}\). \(V_{\text{tune}}\)однаково відстань для Curves a—g. Локус\(1/\Gamma_{d}\) переміщень вправо при збільшенні рівня сигналу і перетині\(1/\Gamma_{d}\) і\(\Gamma_{r}\) визначає частоту коливань і рівень сигналу.

Малюнок\(\PageIndex{8}\): Множинні коливання спостерігаються до формування коефіцієнта відбиття за допомогою\(C_{a}\) і\(C_{b}\). Спектр вимірювався за допомогою пропускної здатності роздільної здатності\(3\text{ MHz}\) та пропускної здатності відео\(1\text{ MHz}\).

5.6.5 Уникнення множинних коливань через формування коефіцієнта відбиття

На ранньому етапі проектування (з\(C_{a} = 0.5\text{ pF}\) і\(C_{b} = 0\)) спостерігалися множинні коливання на рис\(\PageIndex{8}\). Причиною цих множинних коливань є множинні перетину\(1/\Gamma_{d}\) локуса активного контуру і\(\Gamma_{r}\) при певному напрузі зміщення. Це видно як на модельованих результатах на малюнку, так\(\PageIndex{6}\) і в виміряних результатах на малюнку\(\PageIndex{7}\). Наступним кроком в проектуванні є\(1/\Gamma_{d}\) формування активної мережі так, щоб було унікальне перетин

Малюнок\(\PageIndex{9}\): Імітований коефіцієнт відбиття резонатора\(\Gamma_{r}\), і зворотний коефіцієнту відбиття малого сигналу активної мережі\(1/\Gamma_{d}\), ГУН С-діапазону для різних значень компенсаційних конденсаторів\(C_{a}\) і\(C_{b}\).

від\(1/\Gamma{d}\) і\(\Gamma_{r}\) при кожному напрузі зміщення. Елементи, які використовуються для формування\(1/\Gamma_{d}\), - це\(C_{a}\) і\(C_{b}\). У той же час, щоб вони були скориговані, конструкція повинна досягти\((\partial B_{d}/\partial V|_{V =V_{0}})\approx 0\). Також обговорення в розділі 5.6.3 вказувало на те, що\(\Gamma_{d}\) бажаний кут для забезпечення запуску коливань знаходиться навколо\(50^{\circ}\). Однак для широкого діапазону настройки ГУН можна досягти лише певного кута\(\Gamma_{d}\) при одній частоті коливань. Компроміс варто вибирати\(−70^{\circ}\leq\angle\Gamma_{d}\leq −30^{\circ}\), вказуючи на те, що активна мережа повинна бути трохи ємнісною, що відповідає трохи індуктивної резонаторної мережі с\(70^{\circ}\geq\angle\Gamma_{r}\geq 30^{\circ}\). Таким чином, перетин\(\Gamma_{r}\) і\(1/\Gamma_{d}\) повинен бути у верхньому правому квадранті діаграми Сміта. (Альтернативний вибір дизайну, який все ще призвів би до успішного запуску генератора є\(70^{\circ}\geq\angle\Gamma_{d}\geq 30^{\circ}\).)

Модельовані характеристики резонатора і активних мереж показані на рис\(\PageIndex{9}\). Показані локуси\(\Gamma_{r}\) для двох настроювальних напруг, а малий сигнал\(1/\Gamma_{d}\) показаний для різних значень\(C_{a}\) і\(C_{b}\). Крива AA (of\(1/\Gamma_{d}\)) є для\(C_{a} = 0.5\text{ pF}\) і\(C_{b} = 0\), як розглядалося раніше, і призведе до множинних коливань. Крива DD є для\(C_{a} = 0\)\(C_{b} = 0\) і і дуже близька до\(\Gamma_{r}\) і може бути важко для початку коливання. Інший спосіб опису цього полягає в тому, що\(Q_{r}\) дуже близький до дрібного сигналу\(Q_{d}\). Тож навіть якби коливання почалося, воно досягне стійкого стану при низькому рівні сигналу. Активні мережі, представлені Curves CC і DD, не забезпечують достатню кількість.

Рисунок\(\PageIndex{10}\): Імітований коефіцієнт відбиття резонатора та зворотний коефіцієнту відбиття малого сигналу активної мережі ГУН С-діапазону.\(\Gamma_{r}\)\(1/\Gamma_{d}\)

негативна провідність і дозволяють коливання лише у вузькому діапазоні частот. Кращою характеристикою тут є крива ВВ, для якої\(C_{a} = 0.5\text{ pF}\) і\(C_{b} = 0.5\text{ pF}\). Цей відгук забезпечує єдине перетин кривої резонатора для кожного настроювального напруги і кривої активної мережі. Також це вказує на досить велику величину негативної провідності, так що вихідна потужність генератора буде високою. Тобто величина негативної провідності зменшується зі збільшенням рівня сигналу і великою величиною негативної провідності при малих сигналах означає, що рівень сигналу може значно зростати до того, як провідності резонатора та активних мереж збігаються.

Модельовані характеристики резонатора і активних мереж повторюються\(\PageIndex{10}\) на малюнку для\(C_{a} = 0.5\text{ pF}\) і\(C_{b} = 0.5\text{ pF}\) (тобто крива ВВ на рис.\(\PageIndex{9}\)). Відгук схеми тепер має бажані властивості. Спочатку розглянемо локус коефіцієнта відбиття резонаторної мережі з\(1\text{ V}\) поперечними діодами варактора (це\(\Gamma_{r}(1\text{ V})\) крива). Існує два резонанси між\(3\text{ GHz}\) і\(6\text{ GHz}\), але саме резонанс між\(4.0\text{ GHz}\) і близький до\(1/\Gamma_{d}\) локусу\(5.3\text{ GHz}\), і тому (для цього варактора зміщення) є єдиним резонансом, який вплине на коливання. Локус\(\Gamma_{r}(1\text{ V})\) приблизно слідує кривій постійної провідності так, що в\((\partial G_{r}/\partial\omega|_{\omega=\omega_{0}})\approx 0\) міру необхідності. Зі збільшенням рівня сигналу в активній мережі\(1/\Gamma_{d}\) локус зміщується вправо у напрямку постійної сприйнятливості\((\partial B_{d}/\partial V|_{V =V_{0}})\approx 0\) так, що за бажанням. За умови збігу частот точка, в якій\(\Gamma_{r}(1\text{ V})\) локус перетинає\(1/\Gamma_{d}\) локус, визначає як частоту коливань, так і рівень коливань як

Малюнок\(\PageIndex{11}\): Вимірювання активної ланцюга за допомогою\(50\:\Omega\) випробувального приладу на межі розділу резонатора і активних мереж. Карта була вирізана на інтерфейсі, щоб зробити з'єднання. \(35\text{ ps}\)Затримка через довжину роз'єму SMA повинна бути віднімана з вимірювань для еталонних вимірювань до краю плати.

локус\(1/\Gamma_{d}\) зрушень вправо.

Змодельовані результати, розглянуті в попередньому пункті, вказують на те, що генератор буде працювати за бажанням. Однак існує багато паразитичних і зв'язкових ефектів, які не повністю захоплені в симуляції. Остаточна оптимізація конструкції вимагає експериментального дослідження коефіцієнтів відбиття, що дивляться в контур резонатора і в активний контур.

Наступним кроком проектування ГУН є використання VNA для вимірювання коефіцієнта відбиття активної мережі на малюнках\(\PageIndex{1}\) (b) та\(\PageIndex{4}\) (b) (показано знову в конфігурації вимірювання на малюнку\(\PageIndex{11}\)). Великий локус сигналу на малюнку\(\PageIndex{12}\) вимірювався\(10\text{ dBm}\) сигналом, що подається до активної мережі на\(50\:\Omega\) вимірювальному порту. Ця крива є вказівкою того, що активна мережа представляє резонатору при великих умовах сигналу, і вона використовується як орієнтир, оскільки вона не фіксує повну складність навантаження, наприклад, гармонічні закінчення не є правильними.

Коливання виникає, коли характеристики активної мережі (див.\(1/\Gamma_{d}\) Криву на малюнку\(\PageIndex{12}\)) збігаються з характеристикою резонаторної мережі, Curves a—g на рис\(\PageIndex{12}\). По-перше, для невеликих сигналів активна мережа повинна забезпечувати

\[\label{eq:1}|1/\Gamma_{d}(A,\omega )|<|\Gamma(\omega)| \]

на всіх потрібних частотах роботи. Це вимога до запуску коливань. По-друге, обертання відносно\(\omega\) близько точки коливання (тобто\(\omega_{0}\)) має бути позитивним (тобто,\((\partial B_{r}/\partial\omega |_{\omega =\omega_{0}}) > 0\) як розроблено в розділі 5.5.2) і в протилежному напрямку до\(1/\Gamma_{d}(A, \omega )\) локусу по відношенню до\(\omega\) (тобто в тому ж напрямку, що і обертання\(\Gamma_{r}(\omega )\) \(\Gamma_{d}(A, \omega )\)). Це дійсно те, що відбувається, і це можна побачити при більш детальному розгляді кривих a—g Крім того, локус\(\Gamma_{r}(\omega )\) повинен приблизно слідувати лінії постійної провідності так, що\((\partial G_{r}/\partial\omega |_{\omega=\omega_{0}})\approx 0\). Тепер пристрій самообмеження стабілізує коливання, коли кути\(\Gamma_{d}(A,\omega )\) і\(\Gamma_{r}(\omega )\) підсумовують до нуля. Для одночастотних коливань це повинно бути отримано при кожному налаштуванні напруги. Нарешті, траєкторія граничного\(1/\Gamma_{d}(A, \omega )\) локуса (тобто у міру збільшення амплітуди коливань,\(A\) або\(V\), збільшується) повинна перетинатися з\(\Gamma_{r}(\omega )\) локусом, в ідеалі під прямим кутом для мінімізації фазового шуму [11, 17]. Ці вимоги називаються взаємодоповнюючими взаємозв'язками між активною і резонаторною мережами.

Малюнок\(\PageIndex{12}\): Виміряний коефіцієнт відбиття мережі резонатора та зворотний великому коефіцієнту відбиття сигналу активної мережі СВУ С-діапазону.\(\Gamma_{r}\)\(1/\Gamma_{d}\) Для великого\(\Gamma_{d}\) вимірювання сигналу активна мережа приводиться в рух\(10\text{ dBm}\) від\(50\:\Omega\) порту. Криві ідентичні\(\Gamma_{r}\) кривим на малюнку\(\PageIndex{7}\). Криві з кінцевими точками, позначені RR, ідентифікують криві резонатора.

У той час як при малих сигнальних умовах локуси можуть не збігатися, важливим моментом є те, що вони роблять при виникненні обмеження, а також передбачають запуск коливань. Невелике обертання модифікованого активного\(1/\Gamma_{d}\) локусу пристрою проти годинникової стрілки при підвищенні рівня сигналу (а також загальне зсув вправо) забезпечує стабільне одночастотне коливання. Іншими словами, траєкторія негативної провідності, як відбувається обмеження пристрою, повинна бути такою, що\(1/\Gamma_{d}\) якраз перетинає\(\Gamma_{r}\) локус, і\(\angle\Gamma_{d}\) повинна доповнювати\(\angle\Gamma_{r}\). Така ситуація показана на малюнку\(\PageIndex{12}\), де змінена характеристика мережі пристрою досягається додаванням ємнісних висновків до клем колектора і основи випромінювача. Тут, на відміну від звичайної ситуації генератора зворотного зв'язку із загальною базою серії (як розглянуто в розділі 5.4), вхід активної мережі тепер ємнісний вище\(4.5\text{ GHz}\) (див. Рис.\(\PageIndex{12}\)). Отже, індуктивність резонатора успішно поглинається. Таким чином

Малюнок\(\PageIndex{13}\): Виміряна настройка характеристики, що показує частоту коливань та чутливість ГУН як функцію налаштування напруги.

Малюнок\(\PageIndex{14}\): Виміряна вихідна потужність та гармоніки при\(V_{\text{out}}\) (перед смуговим фільтром), що вказують на вміст гармонік низького рівня.

малосигнальний однопортовий коефіцієнт відбиття резонатора спочатку індуктивний. По суті, резонатор працює як перебудовувана індуктивність шунта, а не перебудовується ємнісний реактивний опір.

5.6.6 Продуктивність ГУН

Найважливішими показниками, які описують продуктивність ГУН, є фазовий шум, смуга пропускання настройки, вихідна потужність, посилення або чутливість налаштування, вміст вихідних гармонік та споживання енергії постійного струму. Охарактеризований тут ГУН, показаний на малюнку\(\PageIndex{1}\), включає компенсуючі конденсатори\(C_{a}\) і\(C_{b}\), обидва\(0.5\text{ pF}\). Цифри\(\PageIndex{13}\) і\(\PageIndex{14}\) документувати пропускну здатність і вихідні потужності ГУН. Оскільки напруга налаштування варактора\(V_{\text{tune}}\), переходить від\(0\text{ V}\) до\(9\text{ V}\) фільтра налаштовує від\(4.5\text{ GHz}\) до\(5.3\text{ GHz}\), виробляючи мінімальну вихідну потужність\(0\text{ dBm}\) і змінюється не більше, ніж\(2\text{ dB}\) в діапазоні. Споживана потужність постійного струму дорівнює\(150\text{ mW}\). Налаштування смуги пропускання регулюється шляхом зміни зв'язку (забезпечується двома\(0.5\text{ pF}\) конденсаторами) між стеком варактора і мікросмужкової лінією, TL\(_{1}\). На малюнку\(\PageIndex{14}\) також показана потужність на гармоніках. На кінцевому виході вони додатково зменшуються смуговим фільтром.

Виміряний фазовий шум показаний\(\PageIndex{15}\) на малюнку на\(4.5\text{ GHz}\)

Малюнок\(\PageIndex{15}\): Фазовий шум вимірюється у верхній і нижній частині діапазону настройки, а також в\(5.1\text{ GHz}\), де фазовий шум є оптимальним. Мінімальний рівень фазового шуму статі\(−116\text{ dBc/Hz}\) при\(1\text{ kHz}\) зміщенні,\(−160\text{ dBc/Hz}\) при\(10\text{ MHz}\) зміщенні.

(Відповідна настроювальному напрузі\(0\text{ V}\)), і при\(5.3\text{ GHz}\) (настроювальну напругу\(9\text{ V}\)), а також при\(5.1\text{ GHz}\) якому виходить найкращий фазовий шум. Фазовий шум приблизно однаковий у діапазоні настройки з\(1/f^{2}\) кутовою частотою шуму,\(f_{c,−2}\) (перехід від\(f^{−1}\)\(f^{−2}\) залежності до залежності)\(30\text{ kHz}\). Фазовий шум при\(10\text{ kHz}\) зміщенні\(\mathcal{L}(10\text{ kHz})\), краще, ніж\(−85\text{ dBc/Hz}\), в той час як\(\mathcal{L}(1\text{ MHz})\) краще, ніж\(−130\text{ dBc/Hz}\). Найкращий вимірюваний фазовий шум\(\mathcal{L}(1\text{ MHz})\), поблизу центру\((5.1\text{ GHz})\) смуги\(−135\text{ dBc/Hz}\).

Продуктивність ГУН слід цитувати як найгіршу продуктивність над пропускною здатністю налаштування. Для настройки смуги пропускання\(770\text{ MHz}\) і центральної частоти\(4.92\text{ GHz}\), максимальний фазовий шум цього ГУН є\(−128\text{ dBc/Hz}\). Це покращує максимальний фазовий шум\(−130\text{ dBc/Hz}\) для смуги пропускання з\(500\text{ MHz}\) центром\(5.05\text{ GHz}\).

5.6.7 Резюме

Конструкція ГУН тут використовувала стандартний підхід до проектування осцилятора з одним портом з технікою, яка ввела компенсаційні конденсатори для управління іншим частотно-залежним сприйняттям активної мережі. Ці компенсаційні елементи також призвели до того, що коефіцієнт відбиття доповненого активного пристрою має характеристики, необхідні для забезпечення стабільного коливання та запуску генератора.

Виноски

[1] Резонатор можна регулювати, щоб представити ємнісну сприйнятливість.