Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Разработка методики проектирования автогенераторов свч, сочетающей аналитеческие методы и моделирование в прогремме microwave office . 19
1.1. Фрагменты квазилинейной теории транзисторного автогенератора 19
1.2. Методика предварительного аналитического расчета схемы автогенератора 23
1.3 Методика моделирования схемы автогенератора в линейном режиме работы. 25
1.4. Алгоритм проектирования схемы автогенератора в нелинейном режиме работы. Выводы по главе 1. 34
ГЛАВА 2. Снижение шума автогенератора путем оптимального сочетания характеристик транзистора и резонатора . 36
2.1. Применение метода годографов для анализа стационарного режима нешумящего автогенератора 36
2.2. Методика анализа стационарного режима работы шумящего автогенератора 39
2.3. Вывод выражения для флуктуации частоты колебаний в автогенераторе. 42
2.4 Построение годографа проводимости негатрона с помощью программы Microwave Office 43
2.5. Построение годографа проводимости резонатора автогенератора 45
2.6. Определение стационарного режима колебаний автогенератора с использованием годографов проводимости негатрона и резонатора 48
2.7 Характеристики автогенератора, определенные в программе Microwave Office 50
2.8. Вывод соотношений, необходимых для оценки угла пересечения годографов проводимости резонатора и негатрона 52
2.9. Применение усложненного резонатора в автогенераторе с целью оптимизации угла пересечения годографов проводимости негатрона и резонатора. 54
2.10. Алгоритм поиска оптимального резонатора 59
Выводы по главе 2 60
ГЛАВА 3. Определение принципов построения электрических схем генераторов, управляемых напряжением (ГУН), для малошумящих синтезаторов СВЧ . 61
3.1 Методика моделирования базовой схемы автогенератора. 61
3.2 Оценка влияния вариантов включения транзистора в схему автогенератора на уровень его фазового шума . 63
3.3. Влияние схем смещения транзистора на уровень фазового шума автогенератора 69
3.4. Поиск оптимальной схемы смещения в автогенераторе с использованием высокочастотного полевого транзистора структуры HEMT. 77
3.5 Сравнение результатов измерения фазовых шумов автогенераторов, выполненных на разных транзисторах. 79
3.6 Варианты схем подключения варикапа к резонатору 80
3.7. Сравнение фазовых шумов ГУНов при различных способах подключения варикапа к резонатору. 85
3.8. Основы создания схем малошумящих ГУНов СВЧ 86
Выводы по главе 3. 87
ГЛАВА 4. Оценка возможности уменьшения фазового шума источников свч колебаний путем совместного использования автогенераторов и умножителей частоты 89
4.1. Исследование зависимости величины фазового шума автогенератора от частоты генерации. 90
4.2. Разработка методики проектирования умножителя частоты в программе Microwave Office с выходом в миллиметровый диапазон 94
4.3. Сравнение уровня фазового шума вариантов источников электромагнитных колебаний, состоящих из автогенератора на транзисторе модели TOM 1 и
умножителя частоты. 101
4.4. Сравнение величины фазового шума автогенераторов на транзисторах моделей ANGELOV 2 и YHLAND, работающих совместно с умножителями частоты 106
Выводы по главе 4. 113
ГЛАВА 5. Разработка принципов создания электрических схем опорных автогенераторов, имеющих минимальный уровень фазового шума и высокую долговременную стабильность частоты . 114
5.1. Исследование влияния схем смещения на достижение оптимальных характеристик автогенератора 115
5.2 Сравнение рассматриваемых схем автогенераторов по величине крутизны зависимости генерируемой частоты от питающего напряжения . 130
5.3 Оптимальная схема автогенератора и ее характеристики. 132
5.4. Изучение способов ослабления влияния изменений нагрузки на частоту автоколебаний 134
5.4.1 Резистивный аттенюатор 135
5.4.2 Буферные каскады на транзисторах 137
5.4.3 Влияние различных вариантов буферных каскадов на фазовый шум опорного генератора 141
5.5. Опорный автогенератор с кварцевым резонатором 148
Выводы по главе 5. 150
ГЛАВА 6. Развитие квазилинейной теории автогенераторов и разработка методики проектирования высокочастотных кварцевых генераторов, основанных на схеме батлера. 152
6.1. Требования к резонатору малошумящего и высокостабильного автогенератора 152
6.2. Развитие методики проектирования кварцевых автогенераторов, работающих на высоких механических гармониках кварцевого резонатора 155
6.3. Схема Батлера, спроектированная по развитой методике 161
6.4. Варианты схем Батлера 167
Выводы по главе 6 170
Заключение 172
Литература 175
- Методика предварительного аналитического расчета схемы автогенератора
- Построение годографа проводимости негатрона с помощью программы Microwave Office
- Оценка влияния вариантов включения транзистора в схему автогенератора на уровень его фазового шума
- Сравнение рассматриваемых схем автогенераторов по величине крутизны зависимости генерируемой частоты от питающего напряжения
Методика предварительного аналитического расчета схемы автогенератора
Выбираем в качестве схемы автогенератора емкостную трехточку (схему Колпитца) на полевом транзисторе структур MESFET или НЕМТ с заземленном по переменному току стоком - рис. 1.1 [36].
Резонатор образован элементами Llt Clt С2, в его состав также входят неявные элементы транзистора: входная емкость Свх (емкость затвор-исток), включаемая параллельно емкости С1, и емкость затвор-сток, включаемая параллельно индуктивности L1. Емкость Сбл и индуктивность Ьбл - блокировочные, Ссв -емкость связи с нагрузкой, Епит - напряжение питания; напряжение смещения на затворе образуется за счет протекания постоянного тока истока через сопротивление автосмещения Rсм.
В квазилинейной теории используются следующие параметры автогенератора: S1 - крутизна транзистора по первой гармонике генерируемых колебаний, Кос - коэффициент обратной связи по напряжению, Zp - импеданс резонатора в точках включения истока и стока транзистора . Введенные параметры являются комплексными числами и определяются следующими формулами:
В формулах использованы комплексные амплитуды: 1с1 - первой гармоники тока стока, из_и - напряжения затвор-исток, (7С_И -напряжения сток-исток. Напряжение U3_m отсчитывается от затвора, а напряжение ис_и - от стока. В стационарном режиме колебаний выполняется следующее условие S1K0CZp = - 1 (1.3) Объединив (1.1) и (1.2), введем новый параметр - комплексную проводимость негатрона нег = 1с1/ис_и (L4) где Кнег = GHer +jBHer. Негатрон - это элемент цепи, отдающий в нагрузку мощность электромагнитных колебаний
Поскольку мощность не потребляется, а отдается, должно выполняться условие Снег 0. В схеме автогенератора негатроном является транзистор.
Условие существования стационарного режима колебаний с учетом нового параметра запишем в виде
Для существования стационарного режима в автогенераторе, кроме условия (1.5), должно быть выполнено еще два условия: 1) возбуждения колебаний SK0CZp 1, (1.6) где S - крутизна переходной характеристики транзистора їс(из-и) ос и р - модули соответствующих величин; 2) устойчивости стационарного режима dG-/du 0, а\а 0 (1.7, а) ИЛИ 0 (1.7, б) В автогенераторе транзистор играет роль активного элемента (негатрона) и нелинейного, ограничивающего амплитуду колебаний при их возбуждении и нарастании. Если ограничение амплитуды колебаний происходит за счет ограничения тока стока іс, то для устойчивости стационарного режима должно быть выполнено условие (1.7, а) [37]. При ограничении амплитуды колебаний за счет ограничения напряжения щ_и или ис_и требуется выполнение условия (1.7, б).
Колебания в автогенераторе возбуждаются, начинаясь с самых малых амплитуд, когда еще не проявляется нелинейность транзистора. При этом автогенератор отдает в нагрузку колебания мощностью Р_ = 0,5 U2GBUX, где U -амплитуда колебаний выходного напряжения, Свых- действительная часть выходной проводимости автогенератора при малых амплитудах. Так как автогенератор является источником мощности электромагнитных колебаний, то Свых 0. Колебания нарастают, если мощность колебаний, отдаваемая транзистором, превышает мощность, потребляемую нагрузкой, Рн = 0,5 U2GH, где GH - проводимость нагрузки автогенератора (Сн = V/? , RH = 50 Ом). Таким образом, условие нарастания колебаний имеет вид КЫХ СН (1.8) Теоретическое условие самовозбуждения SK0CRp 1 , (1.9) где S - крутизна переходной характеристики транзистора, зависящая от начального напряжения смещения(/см, Кос= С2/С - коэффициент обратной связи по напряжению, Rp - резонансное сопротивление колебательной системы в точках подключения стока и истока транзистора.
Если не учитывать потери энергии электромагнитных колебаний в автогенераторе, то резонансное сопротивление колебательной системы Rp определяется нагрузкой, пересчитанной через емкость С св. В соответствии с методикой проектирования простых узкополосных цепей [37]
Начальную емкость связи С св можем выбрать достаточно большой с тем, чтобы сопротивление нагрузки оказалось приложенным непосредственно к стоку и истоку транзистора. В процессе оптимизации схемы может быть найденное оптимальное сопротивление Rp путем уменьшения емкости С св. Блокировочную индуктивность рассчитываем из соотношения й)Ьбл » 50 Ом.
Методика моделирования схемы автогенератора в линейном режиме работы. Для оценки возможности возбуждения колебаний нужно рассчитать зависимость Свых от частоты в линейном режиме работы программы Microwave Office [38]. Колебания могут возникнуть, если выполняются условия: 1) действительная часть выходной проводимости автогенератора отрицательна, GBbIX 0, 2) величина модуля должна быть достаточно большой в соответствии с выражениями (1.8) и (1.13).
Второе условие можно выполнить путем: - увеличения крутизны S изменением сопротивления автосмещения, - увеличением коэффициента обратной связи путем изменения соотношения емкостей СІ и С2, - изменением емкости Ссв. Для моделирования схемы автогенератора в программе Microwave Office его схема была усложнена: добавлены сопротивления потерь в индуктивной и емкостной ветвях резонатора, сопротивление потерь в источнике напряжения питания, измерительные амперметры и вольтметры - рис.1.2.
Построение годографа проводимости негатрона с помощью программы Microwave Office
Из (2.4) следует, что для оптимизации угла в нужно изменять углы а и /?. Как было отмечено, наклон годографа проводимости негатрона (то есть угол /?) зависит от конкретного транзистора, поэтому для увеличения угла в следует изменить угол а путем использования более сложного резонатора, чем показанного на рис. 2.1.
Как видно из рис. 2.16, благоприятное изменение угла а может быть получено в том случае, когда с ростом частоты колебаний действительная часть проводимости резонатора Gp не уменьшается, а увеличивается или уменьшается более медленно, чем в классическом резонаторе. Для оптимизации угла в нужно синтезировать схему резонатора, в которой на требуемой частоте генерации выполняются условия
На рис. 2.17 изображена схема автогенератора с усложненным резонатором, в котором к колебательному контуру добавлен второй контур на элементах L3, С6 с помощью емкости связи С5. На рис. 2.18 представлена схема резонатора этого автогенератора, здесь добавлены емкость С3 и сопротивление R4, учитывающие входную проводимость транзистора. CAP DCVS
Зависимость от частоты действительной Gp (верхняя кривая) и мнимой Яр (нижняя кривая) частей проводимости двухконтурного резонатора. Для расчета угла в пересечения годографов проводимости резонатора и негатрона найдены углы а и /? по формулам (2.6) и (2.7) с помощью таблиц 2.6 и 2.7. Таблица 2.6. Частотная зависимость проводимости двухконтурного резонатора вблизи частоты генерации. f, ГГц 18 18,05 р, Сим 0,0140 0,020 Яр, Сим - 0,0146 - 0,020 В данном случае годограф Yp не отстает от вертикали , а опережает ее на угол а. Из таблицы 2.6 следует, что ДСр = 0,06 Сим и АВр= 0,06 Сим. В соответствии с (2.5), угол опережения вертикали а = 450.
Таблица 2.7. Зависимость проводимости негатрона от амплитуды напряжения между стоком и истоком транзистора ис-я, В 1,50 1,53 Снег, Сим 0,0144 0,0140 В нег, Сим - 0,01642 - 0,01616 Из таблицы 2.7 видно, что ДСнег= 0,0004 Сим, а Д5нег = 0,00026 Сим. В соответствии с (2.6), угол опережения горизонтали годографом проводимости негатрона /3 = 330. Угол пересечения годографов проводимости негатрона и резонатора в данном случае
Как видим, разность в - 900 в двухконтурном автогенераторе равна 120, в то время как в одноконтурном автогенераторе отличие в от оптимального угла 900 было равно 430.
На рис. 2.21 представлена зависимость уровня фазового шума усложненного автогенераторов от частоты отстройки. Sv, дБ/Гц Рис. 2.20. Зависимость нормированной спектральной плотности мощности фазового шума усложненного автогенератора от частоты отстройки На рис. 2.21 дано сравнение фазового шума двух автогенераторов, схемы которых показаны на рис.2.1 и 2. 17 Для того чтобы спроектировать резонатор, уменьшающий фазовый шум автогенератора, разработан следующий алгоритм. 1. Моделируем в программе Microwave Office стандартную схему автогенератора (например, схема Колпитца), измеряем частоту и амплитуду колебаний и характеристики - спектр выходной мощности и фазовый шум. 2. Рассчитываем комплексную входную проводимость транзистора по формуле (2.4). 3. Измеряем в линейном режиме работы Microwave Office зависимости действительной и мнимой частей резонатора автогенератора от частоты ( с учетом входной проводимости транзистора). 4. К исходному резонатору добавляем второй контур, настроенный на частоту генерации, с помощью емкости связи минимальной величины. 5. Изменяя индуктивность и емкость второго контура, добиваемся равенства мнимых частей ( по модулю) проводимостей негатрона и резонатора Вр = Янег 6. Увеличивая емкость связи, выполняем условия (2.8), способствующие оптимизации угла пересечения годографов проводимостей негатрона и резонатора. Предложенный алгоритм может быть применен и для других вариантов усложненного резонатора.
В главе рассмотрена возможность снижения фазового шума автогенератора путем более разумного сочетания транзистора (негатрона) с резонатором, которое определяется углом пересечения годографов проводимости резонатора и негатрона. С целью уменьшения шума к одноконтурному резонатору добавлен второй контур и его параметры настроены таким образом, чтобы угол пересечения годографов стал ближе к оптимальному. Получены соотношения, позволяющие определять оптимальные параметры суммарной колебательной системы.
Оценка влияния вариантов включения транзистора в схему автогенератора на уровень его фазового шума
Зависимость нормированной спектральной плотности мощности фазового шума ГУНов, представленных в разделе 3.6, от частоты отстройки показана на рис. 3.27. Схемы ГУНов были оптимизированы по критерию «минимум нормированной спектральной плотности мощности фазового шума» при ограничениях на допустимые значения напряжений на затворе и стоке транзистора.
Из рис. 3.27 следует, что наименьший уровень фазового шума имеется в схеме с варикапом, подключенным параллельно одной из емкостей колебательного контура – схема PARA С. Самой шумящей схемой ГУНа является схема, в которой перестройка частоты осуществляется внутренней емкостью транзистора – схема INNER. В этой схеме фазовый шум приблизительно на 18 дБ больше, чем в лучшей схеме. Фазовый шум схем PARA L и SERIES приблизительно одинаков и больше шума лучшей схемы на 4 – 5 дБ.
В настоящей главе представлены результаты моделирования и оптимизации электрических схем ГУНов в программе Microwave Office с целью определения принципов создания малошумящей схемы ГУНа. Были исследованы схемы ГУНов, выполненные на интегральных транзисторах модели ТОМ 1 и ANGELOV 2. Изучалось влияние на уровень фазового шума следующих особенностей схем ГУНов. 1. Включение транзистора с заземленным истоком и с заземленным по переменному току стоком. 2. Варианты подачи напряжения смещения между затвором и истоком транзистора: - от фиксированного источника, - автоматическое смещение , - комбинированное смещение, включающее фиксированное напряжение источника и автоматическое смещение – затворное или истоковое. 3. Способы управления частотой ГУНа: 1) схема LC-контура с варикапом, включенным параллельно индуктивности контура, 2) схема колебательного контура с варикапом, включенным параллельно одной из емкостей контура, 3) схема с варикапом, включенным последовательно в контур, 4) управление частотой генерации путем подачи управляющего напряжения на затвор транзистора ( использование нелинейности емкости затвор-исток транзистора). Результаты исследований, проведенных с моделями автогенераторов на разных транзисторах, позволяют сделать следующие выводы по построению ГУНов с минимальным уровнем фазовых шумов. 1. Схемы автогенераторов с транзисторами, включенными с заземленным истоком и стоком равноценны. 2. Для создания напряжения смещения затвор-исток следует использовать сопротивление смещения, включенное в цепь истока (истоковое автосмещение). 3. Применение источника фиксированного смещения увеличивает уровень фазового шума на несколько дБ, по сравнению с автоматическим смещением. 4. Для электрической перестройки частоты малошумящего ГУНа следует включать варикап параллельно одной из емкостей контура. 5. Перестройка частоты путем использования нелинейности внутренней емкости транзистора существенно увеличивает уровень фазового шума, по сравнению с управлением частотой при помощи варикапа.
На основании результатов исследований, приведенных в настоящей главе, а также в главе 2, сформулированы требования по построению схем малошумящих ГУНов СВЧ и, в качестве примера, получена оптимальная схема ГУНа частоты 18 ГГц, созданная по разработанным рекомендациям - рис. 3.28
Во второй главе диссертации произведен поиск оптимальной схемы автогенератора для созданий малошумящего ГУНа миллиметрового диапазона дли волн. Исследования проводились на пониженной частоте (18 ГГц). В настоящей главе проведено исследование целесообразности создания малошумящего источника колебаний СВЧ путем выполнения его в виде автогенератора, частота которого ниже требуемой, и последующим ее умножением. На первом этапе проведено сравнение величины фазовых шумов следующих вариантов источников электромагнитных колебаний СВЧ: а) одиночный автогенератор требуемой частоты, б) автогенератор частоты в 2 раза ниже требуемой и удвоитель частоты, в) автогенератор частоты в 3 раза ниже требуемой и утроитель частоты. В качестве примера рассмотрен источник колебаний частоты 36 ГГц, выполненный на разных транзисторах. Исследование проведено в среде Microwave Office.
На втором этапе разработаны требования к транзистору автогенератора, позволяющие уменьшить фазовый шум источника колебаний путем выполнения автогенератора пониженной частоты с последующим ее умножением. 4.1. Исследование зависимости величины фазового шума автогенератора от частоты генерации.
Требуется получить автогенераторы частот 12, 18 и 36 ГГц. Выбрана оптимальная схема автогенератора с емкостной обратной связью (схема Колпитца), предложенная в главе 3 (рис.3.14). Электрическая схема автогенератора приведена на рис. 4.1. Исследования проводились с использованием разных полевых транзисторов моделей TOM 1, ANGELOV 2 и YHLAND.
Сравнение рассматриваемых схем автогенераторов по величине крутизны зависимости генерируемой частоты от питающего напряжения
В настоящей главе изучена еще одна возможность уменьшения фазового шума синтезаторов частот. Как известно, спектральная плотность мощности фазового шума ГУНа, при попадании частот флуктуаций в полосу пропускания системы ФАПЧ, приблизительно равна спектральной плотности мощности фазового шума опорного генератора, увеличенной на 20 IgN дБ, где N - отношение частоты ГУНа к частоте опорного генератора [36]. Поскольку наиболее стабильные кварцевые генераторы работают на частотах порядка единиц или нескольких десятков МГц, то отношение N для синтезаторов диапазона длин волн может оказаться весьма значительным, что приводит к существенному возрастанию шума синтезатора.
Таким образом, важной задачей является создание высокочастотного опорного генератора, имеющего низкий уровень фазового шума и высокую стабильность частоты [41]. При выборе схемы автогенератора и стабилизирующего резонатора следует учитывать условия устойчивости стационарного режима генератора, которые зависят от механизма ограничения амплитуды колебаний при их возбуждении и типа резонанса колебательной системы.
К резонатору автогенератора предъявляют два основных требования: высокая собственная добротность Q0 и постоянство резонансной частоты сор. Для увеличения добротности Q0 = Plr следует применять резонаторы с высоким характеристическим сопротивлением о (в LC-контуре p = J—), где г - сопротивление потерь. Постоянство резонансной частоты в LC-контуре обеспечивается стабильностью значений индуктивности и емкости контура по отношению к внешним климатическим и механическим воздействиям и малым влияниям внешних, по отношению к контуру, элементов автогенератора, в первую очередь, параллельных емкостей. Для уменьшения влияния изменений внешних нестабильных емкостей на резонансную частоту параллельного контура характеристическое сопротивление контура следует уменьшать. В то же время, влияние нестабильных емкостей, подключенных к последовательному контуру, будет тем меньше, чем выше его характеристическое сопротивление [42].
Таким образом, при использовании параллельного резонанса требования высокой собственной добротности резонатора и постоянства его резонансной частоты противоречивы. Если же применяется резонатор, работающий при последовательном резонансе, оба требования совместны. По этой причине для создания высокостабильных автогенераторов следует использовать не параллельный, а последовательный резонанс колебательной системы. Создатели высокостабильных кварцевых автогенераторов используют именно последовательный резонанс кварцевого резонатора.
При построении высокодобротных кварцевых автогенераторов возникает противоречие, связанное с желанием возбудить кварцевый резонатор на последовательном резонансе и, в то же время, выполнить условия устойчивости стационарного режима работы (1.7). Существует ряд схем кварцевых автогенераторов, наиболее простая - «кварц в контуре» (рис. 5.49). Задача построения высокочастотного кварцевого автогенератора состоит в том, чтобы колебания возникли на достаточно высокой механической гармонике кварцевого резонатора – пятой, седьмой, девятой, одиннадцатой. В работе [43] отмечено, что с этой целью целесообразно применить схему кварцевого резонатора с включением кварца в цепь отрицательной обратной связи (схему Батлера) [44] – рис.6.1. В этой схеме легче возбуждаются высшие механические гармоники и подавляются ближайшие низкие из них.
В схеме Батлера» к выходным электродам транзистора последовательно включены два резонатора – кварцевый, имеющий серию последовательных резонансов на механических гармониках, и параллельный L,C1,C2 контур, выделяющий из этой серии колебания желательной гармоники. Добротность кварцевого резонатора существенно выше добротности контура, поэтому суммарная колебательная система в точках подключения коллектор – эмиттер транзистора имеет последовательный резонанс. Эту особенность схемы Батлера необходимо учитывать при проектировании схемы автогенератора.
В книге [45] при изложении методики проектирования режима работы транзистора в этой схеме использован метод угла отсечки коллекторного тока. При этом предполагается, что амплитуда возбуждающихся колебаний ограничивается за счет перехода режима работы транзистора в область отсечки, то есть происходит ограничение амплитуды током коллектора. Как следует из главы 1 настоящей диссертации, ограничение амплитуды возникающих колебаний выходным током приводит к необходимости организации параллельного резонанса суммарной колебательной системы автогенератора в точках подключения коллектор-эмиттер транзистора.
В работах [46], [47] подробно описан механизм работы кварцевых резонаторов и автогенераторов, однако ничего не сказано об устойчивости стационарного режима работы автогенератора при работе на последовательном или параллельном резонансе кварца. Варианты схем Батлера представлены в работах [48] - [52], но отличия в проектировании стационарного режима работы автогенераторов по схеме Батлера, по сравнению с наиболее употребляемой схемой Колпитца, не отмечены.
Развитие методики проектирования кварцевых автогенераторов, работающих на высоких механических гармониках кварцевого резонатора
Отмеченная особенность схемы Батлера и предположение об ограничении колебаний током коллектора приводят к противоречию, поскольку в этом случае не выполняется условие устойчивости стационарного режима колебаний (1.7,а). В настоящей главе диссертации предлагается развитие методики проектирования кварцевых автогенераторов, которая окажется справедливой для схемы Батлера. При этом применена негатронная модель автогенератора [36], в соответствии с которой схему автогенератора в точках коллектор-эмиттер транзистора можно разделить на две части.