автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Малошумящие генераторы, управляемые по частоте напряжением, на коаксиальных керамических резонаторах

На правах рукописи

кУ

КУВШИНОВ Вадим Владимирович

МАЛОШУМЯЩИЕ ГЕНЕРАТОРЫ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ПО ЧАСТОТЕ НАПРЯЖЕНИЕМ, НА КОАКСИАЛЬНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРАХ

Специальность 05.12.04-Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидепия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

005044201

005044201

Работа выполнена на кафедре Формирования колебаний и сигналов Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель: КУЛЕШОВ Валентин Николаевич,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: ХОТУНЦЕВ Юрий Леонтьевич,

доктор физико-математических наук, профессор, зав. кафедрой Общетехнических дисциплин МПГУ

ГЕВОРКЯН Владимир Мушегович,

кандидат технических наук, профессор, профессор кафедры Электрофизики информационных систем НИУ МЭИ

Ведущая организация: ОАО «Российские космические системы»

(г. Москва)

Защита состоится 31 мая 2012 г. в 17 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при НИУ МЭИ по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., 14, Ученый совет НИУ МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ МЭИ. Автореферат разослан 2 7 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05 л. /у л

кандидат технических наук, доцент ^Ш/ры))^4^Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема разработки источников колебаний СВЧ диапазона с высокой долговременной стабильностью частоты и низким уровнем фазовых шумов возникла более 50 лет назад и остаётся актуальной до настоящего времени. Основными видами радиотехнических систем, для функционирования которых требовались такие источники, были и остаются радиолокационные системы и различные виды систем связи и передачи информации. С появлением новых видов сигналов и способов их формирования и обработки требования к стабильности частоты основных источников колебаний и уровням их фазовых шумов становятся всё более жёсткими.

Одним из ключевых функциональных узлов, влияющих на уровни фазовых шумов таких источников колебаний СВЧ диапазона как синтезатор частот (СЧ) с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), является генератор, управляемый по частоте напряжением (ГУН).

Изобретение термосгабилизированных керамических материалов и освоение производства малогабаритных коаксиальных керамических резонаторов (ККР), открыло новые возможности построения колебательных систем малошумящих ГУН. Такие автогенераторы (АГ) являются подклассом генераторов, в состав колебательных систем которых входит высокодобротный резонатор, обеспечивающий повышение стабильности частоты собственных колебаний и добротности рабочей моды колебательной системы (КС), а также снижение уровней фазовых шумов в выходных колебаниях ГУН.

Основы общих методов но теории и расчёту класса АГ с высокодобротными резонаторами были заложены в работах А.М.Кугушева Г.А.Зейтлёнка, С.А.Дробова, Е.ПКорчагиной, С.ИЕвтянова, а также развиты в работах Д.Томаса (Л.Туошая), Г.Т.Шитикова, ОА.Челнокова. Такие методы опирались на общую теорию АГ почта гармонических колебаний, созданную и развитую трудами Б.Ван-дер-Поля, Н.М.Крылова и Н.Н.Боголюбова, Л.И.Мапделыптама, А.А.Андронова, Г.Г.Меллера, Ю.Б,Кобзарсва, К.Ф.Теодорчика, С.И.Евтянова и других авторов. Вопросы, связанные с устойчивостью стационарного режима АГ,

з

исследовались в работах А.А.Андронова, А.А.Витта, С.Э.Хайкина, Ю.Б.Кобзарева, С.И.Евтянова, Се Си, В.М.Богачёва, ДШДарапкина, С.М.Смольского.

Исследованию и расчету флуктуации в АГ методами спектрально-корреляционной теории посвящены работы С.М.Рытова, А.Н.Малахова, С.И.Евтянова, В.Н.Кулешова, Ю.ЛХотунцева, А.Н.Бруевича, ПЛенфилда (P.Penfield), У.Эдсона (W.A.Edson), Дж.Маллена (J.A.Mullen), Д.Лисона (D.B. Leeson) и других авторов.

Появление коммерческих пакетов программ, Microwave Office (компании Applied Wave Research (AWR)), Advanced Design System (ADS) и Genesys (компании Agilent Technologies) и др., позволяющих осуществлять схемотехническое моделирование и сквозное проектирование линейных и нелинейных СВЧ устройств существенно упростило их разработки. Однако, для получения удовлетворительно воспроизводимых результатов проектирования нелинейных СВЧ устройств, к числу которых относятся ГУН, требуется использовать достаточно точные модели компонентов ГУН (активных и пассивных) и типовых фрагментов их топологий, так и методики проектирования, позволяющие найти находить нехудшие технические решения поставленных задач. Разработки моделей компонентов (в общем случае нелинейных и содержащих источники собственных шумов) опираются на результаты тщательно планируемых измерений, научно обоснованные структуры моделей и использование программных средств идентификации параметров этих моделей.

При высоких требованиях к точности и применимости для анализа систем в широкой полосе частот эти модели оказываются настолько сложными, что опираясь на них, трудно прогнозировать результаты изменений режимных и шумовых характеристик при изменении параметров схем ГУЖ С другой стороны, для нахождения с помощью «точных» методов параметров и режимов, близких к оптимальным, необходимо уметь находить сочетания параметров, при использовании которых в качестве нулевых приближений будет обеспечена сходимость итерационных процедур, заложенных в программных шкетах ADS и MWO.

В работах У.Роде (Rohde U.L.), Р.Рэа (Rhea R.W.), А.В.Гребенникова (A.V. Gre-bennikov) и других авторов, посвященных вопросам проектирования ГУН, для поиска параметров схем и режимов с учётом требований к фазовым шумам ГУН используют сильно упрощенные модели самих ГУН в сочетании с моделью Д.Лисога, применимость которой для решения данной задачи проектирования вызывает ряд сомнений. Ведь при увеличении мощности колебаний в кошурах ГУН с варикапами снижение уровня фазовых шумов ограничивается влиянием преобразования флуктуаций амплитуды во флуктуации частоты автоколебаний, которое, как и ряд других факторов, в формуле Лисона не учитывается.

Кроме того, число резонансных частот и возможных мод колебаний в реальных моделях современных ГУН СВЧ-диапазона из-за сложности моделей транзисторов, резонаторов, варикапов с цепями управлепия и распределенными элементами топологии весьма велико. Изменение параметров большей части элементов этой колебательной системы невозможно. Поэтому возникают сложности с обеспечением самовозбуждения и устойчивости колебаний на заданной моде, а также близости этих колебаний к гармоническим, что предполагается во всех упрощенных моделях. Это значит, что в любой реальной схеме необходимо предотвратить возникновение паразитных колебаний и исключить прохождение по кольцу обратной связи высших гармоник импульсов тока управляемого генератора, входящего в состав модели транзистора.

Полуэмпирический анализ этих противоречий приведён в ряде публикаций, посвященных вопросам проектирования ГУН. Однако, как правило, в этих работах даются общие рекомендации по выбору схем, приводятся примеры готовых схем, результаты их моделирования и результаты измерений основных характеристик описанных схем. Перенос полученных в них результатов на решение других задач этого класса весьма затруднителен.

Изложение систематического подхода к решению таких задач, основанного на использовании как современной теории автогенераторов, применяемой с учетом неполноты информации о моделях компонентов, так и результатов чётко планируемых экспериментов и моделирования, в опубликованных к настоящему времени работах отсутствует.

5

Однако, для повышения эффективности использования этих программных средств весьма актуальна разработка логически последовательной и опирающейся на теоретически обоснованные методы расчёта автогенераторов методики, используя которую можно выявлять и сознательно преодолевать все основные препятствия, возникающие на различных этапах проектирования современных ГУН СВЧ.

Цель работы заключается в разработке систематического подхода к проектированию малошумящих ГУН СВЧ диапазона с коаксиальными керамическими резонаторами, основанного на сочетании применения и развития теории автогенераторов СВЧ с использованием планируемых экспериментов и современных методов математического моделирования.

Для достижения сформулированной цели в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

> Поиск базовой схемы АГ, обеспечивающей надежную работу в диапазоне СВЧ, в которой включение ККР проводилось с учетом его конструктивных особенностей;

> Обоснование и разработка алгоритма применения системы приближённых методов расчёта стационарного режима, параметров и флуктуационных характеристик ГУН с ККР, колебания в которых близки к гармоническим;

> Вывод формулы для расчёта фазовых шумов, которая представляет собой обобщение известной формулы Лисона для ГУН;

> Обоснованный выбор моделей пассивных и активных компонентов ГУН с ККР с ориентацией на технологию поверхностного монтажа;

> Разработка подхода к использованию сложных моделей компонентов ГУН при моделировании ГУН с ККР;

> Экспериментальная проверка методики проектирования ГУН с ККР.

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследований выбраны ГУН на ККР, а также входящие в него компоненты.

В работе используются методы теории электрических цепей с сосредоточенными и распределёнными параметрами, методы теории нелинейных колебаний, методы статистической радиофизики, методы математического моделирования

б

процессов в нелинейных системах с сосредоточенными и распределёнными параметрами, методы экспериментального исследования линейных и нелинейных цепей СВЧ, методы исследования энергетических, модуляционных и спектральных характеристик автоколебательных систем СВЧ диапазона.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Предложен и обоснован метод предварительного анализа условий самовозбуждения требуемых и не самовозбуждения паразитных колебаний в автогенераторе с многочастотаым коаксиальным керамическим резонатором (ККР) в составе колебательной системы и с одним активным СВЧ прибором, модель которого содержит конечное число элементов, являющихся причиной возникновения паразитных обратных связей.

2. Для того же класса автогенераторов СВЧ сформулированы условия близости колебаний на рабочей моде к гармоническим, применимости квазилинейного метода и метода укороченных символических уравнений для приближённого расчёта стационарных колебаний в автогенераторе с ККР, анализа их устойчивости и оценочного расчёта спектральной плотности мощности фазовых шумов в таких автогенераторах.

3. Предложен квазистационарный метод расчёта флуктуаций фазы и амплитуды колебаний в автогенераторах, условия и область применимости которого определены с использованием метода укороченных символических уравнений.

4. Квазистационарным методом получена приближённая формула для расчёта фазовых шумов, которая представляет собой обобщение известной формулы Лисона на генераторы, управляемые по частоте напряжением. Полученная формула отличается от формулы Лисона учётом влияния поправки на частоту автоколебаний на СПМ фазового шума и преобразования флуктуаций амплитуды автоколебаний во флуктуации мгновенной частоты, а следовательно, и во флуктуации фазы из-за нелинейности характеристик варикапов. Кроме того, в полученной формуле, в отличие от формулы Лисона, используются чётко определённые коэффициенты фазового и амплитудного

шумов, рассчитываемые для заданного активного прибора с учётом периодической нестационарности его шума в нелинейном режиме.

Достоверность результатов обеспечивается использованием обоснованно выбранных методов теоретического анализа, выбором моделей, а также проверкой

основных результатов компьютерным моделированием и экспериментами.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод предварительного анализа условий самовозбуждения требуемых и не самовозбуждения паразитных колебаний в ГУН с многочастотным коаксиальным керамическим резонатором (ККР) в колебательной системе с одним активным СВЧ прибором, предложенный и обоснованный в работе, позволяет уже на начальном этапе проектирования ГУН с ККР получить вариант схемы, достаточно близкой к требуемой и являющийся удобным отправным пунктом для дальнейшего проектирования.

2. Сформулированные для этого класса автогенераторов СВЧ условия близости колебаний на рабочей моде к гармоническим позволяют применить квазилинейный метод и метод укороченных символических уравнений для приближённого расчёта стационарных колебаний в автогенераторе с ККР, анализа их устойчивости и оценочного расчёта спектральной плотности мощности фазовых шумов в таких автогенераторах.

3. Для приближённых расчётов спектральных плотностей мощности флуктуа-ций фазы и амплитуды колебаний в автогенераторах СВЧ на первом этапе проектирования предложен квазистационарный метод, условия и область применимости которого определены с использованием метода укорочеппых символических уравнений.

4. Для расчётов фазовых флуктуаций квазистационарным методом получена приближённая формула, которая представляет собой обобщение известной формулы Лисона на генераторы, управляемые по частоте напряжением. Она отличается от формулы Лисона учётом влияния поправки на частоту автоколебаний на СПМ фазового шума и преобразования флуктуаций амплитуды

автоколебаний во флуктуации мгновенной частоты, а следовательно, и во флуктуации фазы из-за нелинейпости характеристик варикапов.

5. Разработан, формализован и проверен на примерах проектирования и испытания трёх ГУН с ККР систематический подход к поэтапному проектированию малошумящих ГУН СВЧ диапазона. Он основан на применении и развитии простых приближённых методов прикладной теории автогенераторов и использовании современных средств математического моделирования нелинейных автоколебательных систем (пакеты ADS и MWO).

Практическая пеппость результатов работы и её реализация.

1. Разработан, формализован и проверен на практике систематический подход к поэтапному проектированию малошумящих ГУН СВЧ диапазона. Он основан на применении и развитии простых приближённых методов прикладной теории автогенераторов СВЧ, уточнении используемых моделей при помощи обработки данных планируемых промежуточных экспериментов и использовании современных средств математического моделирования нелинейных автоколебательных систем (пакеты MWO и ADS). Основанная на этом подходе методика проектирования позволит ипженерам-разработчикам более эффективно использовать на этапе проектирования ГУН как доступные в настоящее время средства моделирования, так и измерительные средства.

2. Конкретные варианты малошумящих ГУН с ККР, примерами разработки и экспериментального исследования которых проиллюстрировано применение предложенного подхода, могут быть рекомендованы для использования в качестве прототипов ГУН для малошумящих синтезаторов частот соответствующего диапазона волп.

3. Разработанный подход, с одной стороны, в методическом плане полностью согласован с теоретическим материалом, излагаемым в учебных дисциплинах, посвящённых изучению устройств генерировапия колебаний и формирования сигналов. С другой стороны, в нём используются современные программные и измерительные средства. Поэтому его целесообразно использовать в учебном процессе при изучении соответствующих

дисциплин и выполнении студентами радиотехнического направления подготовки выпускных работ и курсовых проектов. Публикаиии и апробация результатов работы. Изложенные в диссертации результаты отражены в 11 публикациях, в том числе: в 2 статьях научно-технического журнала «Электросвязь», входящего в перечепь ВАК, в 1 статье рецензируемого паучно-технического журнала, в тезисах докладов на 4 международных конференциях, на 3 всероссийских научно-технических семинарах и в сборнике трудов научной сессии НТОРЭС им. А.С.Попова. Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 141 позицию, и 3 приложений, содержит 208 страниц, включая 115 рисунков и 10 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы диссертации, определены цели исследования, сформулированы новые научные результаты, приведены положения, выносимые на защиту, и сведения об апробации работы.

В первой главе представлен аналитический обзор публикаций по истории развития схем ламповых ГУН с коаксиальными резонаторами и транзисторных ГУН с микрополосковыми резонаторами, принципы построения и опыт разработки которых создали основу для развития схемотехники ГУН с ККР, а также обзор публикаций и патентов по ГУН с ККР. Выделены базовые однотранзи-сторные схемы, построенные с учётом конструктивных особенностей четвертьволновых ККР, на оспове которых построено подавляющее большинство более сложных схем. Типовые базовые схемы ГУН с ККР показаны на рис.1.

Представлен краткий анализ методов расчёта и исследования режимов автогенераторов без цепей управления частотой и ГУН. Изложена краткая история развития методов расчёта флуктуациопных характеристик автогенераторов. Приведены данные о достигнутых к настоящему времени сочетаниях характеристик ГУН с ККР, предназначенных для разных приложений. Уточнён перечень основных задач, решаемых в данной работе.

СХ1 | IС2

УТ1 С5■

ишлв

Я—I I-

а)

б)

Рис.1. Типовые схемы ГУН с ККР: а) ёмкостная трехточка с общим коллектором; б) с индуктивностью в цепи базы

Во второй главе предложена и обоснована система приближённых методов расчёта стационарного режима ГУН с ККР, параметров его схемы и флуктуаци-онных характеристик, рекомендуемых для использования на первом этапе проектирования таких ГУН и составляющих основу предлагаемой методики проектирования. Система предложенных приближенных методов иллюстрирована примером расчета малошумящего экономичного ГУН с ККР па 3,5 ГГц, с полосой перестройки порадка 1,5%, с дополнительным требованием к выходной мощности в 1 мВт при ограниченном напряжении питания 3 В и тока потребления 3-3,5 мА. Для выбранной базовой схемы ГУН (рис.1,а) сформулированы условия, при которых колебания в ГУН близки к гармоническим и поведение ГУН описывается одномодовой моделью (рис.2,а).

г-И^н

1шт

а) б)

Рис.2, а) Одаомодовая модель ГУН с ККР; б) модель АГ с источниками естественных шумов

При приближённом расчете стационарного режима и параметров простой модели ГУН с ККР предполагается, что напряжение иэп на эмиттерном переходе БТ является также гармоническим и ограничение амплитуды автоколебаний вызывается влиянием напряжения автосмещения, уменьшающего угол отсечки тока коллектора 0 и среднюю крутизну характеристики БТ по первой гармонике 871(8), где Б,- крутизна аппроксимированной характеристики БТ, у] (0) - коэффициент Берга. ^

Вводя управляющее сопротивление ГУН 2у(}2п() как отношение комплексной ампшпуды первой гармоники напряжения на эмиттерном переходе иэп к комплексной амплитуде первой гармоники тока коллектора 1к1 и учтивая, что в стационарном режиме 1к1~Яу^О) иэп, получим известное уравнение стационарного режима квазилинейной модели (КЛМ) автогенераторов.

(1)

Из него вытекает уравнение для частоты автоколебаний которое записывается, с помощью фазо-частотной (ФЧХ) характеристики управляющего сопротивления

Агв^уагтедде)]^, (2)

и уравнение для стационарного угла отсечки

Не[гУС2лГ0)5У1(е)] = 1. (3)

Из (3) определяется стационарная амплитуда автоколебаний и рассчитываются остальные характеристики стационарного режима. Поскольку 71(6) < 1, решение уравнения (3) существует лишь при выполнении условия самовозбуждения Яе[гу 0271^ )8]>1. (4)

Методом С.И.Евтянова составлены укороченные дифференциальные уравнения, позволяющие исследовать устойчивость стационарного режима, найти поправку на частоту и получить флуктуационные уравнения и выражения для расчёта спектральных плотностей мощности (СПМ) флуктуаций фазы и амплитуды автоколебаний. Схема одномодовой модели с источниками собственных шумов активного прибора и колебательной системы представлена на (рис.2,б).

Из этих уравнений получены уравнения квазистационарного метода расчёта СПМ фазовых и амплитудных шумов в ГУН с ККР.

Квазистационарпым методом получена новая формула для расчёта фазовых шумов, которая представляет собой обобщение известной формулы Лисона на генераторы, управляемые по частоте напряжением. Показано, что эта формула, приведённая ниже, позволяет получать достаточно точные количественные оценки уровней фазовых шумов уже на первом этапе проектирования ГУН.

1

1 +

\2

/м

•к;

U&+1

F

[2 г г2

К Pi J

Г1

1 Па

+ 1

Sa(F)}

(5)

S^F) - полная СПМ фазового шума ГУН; F - частота анализа; Af®- отклонение резонансной частоты от частоты колебаний; fp - резонансная частота КС; Qk - добротность КС; Fa,, - частота перехода от области, где эта СПМ изменяется по закону 1/F2, к области где она изменяется по закону 1/F3; Pt - мощность колебаний в нагруженной колебательной системе; коэффициент фазового шума АГ, характеризующий степень превышения полной СПМ квадратурпой составляющей аддитивного шума над СПМ соответствующей составляющей теплового шума; колебательной системы, кБ - постоянная Больцмана; Еу, - величина напряжения управления частотой; U„ - амплитуда колебательного напряжения па варикапе; syi(Ey4,UB) -крутизна модуляционной характеристики; ^(Е^Щ - чувствительность резонансной частоты к изменению напряжения на варикапе; Fna- частота перехода от области преобладания вклада шумов 1/F к области преобладания естественных шумов; SpyH - СПМ шумовой составляющей напряжения управления; Sa(F) - СПМ естественных флуктуаций амплитуды.

В третьей главе с учётом условий реализации ГУН с использованием технологий поверхностного монтажа, обоснован выбор моделей пассивных и активных компонентов, которые целесообразно применять на этапе моделирования как работы основных узлов выбранной схемы ГУН, так и работы ГУН в целом.

Для модели колебательной системы, состоящей из ККР, варикапа и ёмкости связи исследована связь полосы электрической перестройки по частоте с добротностью рабочей моды колебательной системы и уточнены результаты аналогичного исследования, выполненного для простейшей модели этой колебательной системы. Исследовано влияние амплитуды колебаний на варикапе на резонансную частоту колебательной системы.

Проведено экспериментальное исследование частотных характеристик колебательной системы, состоящей из ККР, варикапа и ёмкости связи. Исследование проведено как в узкой окрестности полосы перестройки частоты, так и в широкой полосе частот. Определено положение частот паразитных резонансов, влияние которых следует учитывать при проектировании автогенератора. Выбрана и описана полная модель биполярного транзистора, рекомендуемая для описания его работы на сверхвысоких частотах.

В четвертой главе показано, как применяется разработанная методика, начиная с результатов первого этапа, полученных во второй главе, и завершая этапом полного моделирования в программном пакете Microwave Office (MWO) и расчётом требуемых характеристик полигармошгческим методом.

Поэтапное усложнение схемы ГУН в MWO проводится также с использованием квазилинейной модели для проверки на каждом шаге усложнения изменений стационарного режима работы. Дополнительно, при моделировании в MWO проверяется условие применимости одногармонического приближения, которое обеспечивается выполнением двух важных условий:

1. Невозможность самовозбуждения автоколебаний на всех частотах £ отличающихся от рабочей, т.е. выполнение неравенства:

Re[Zy(j2nf)S]<l. (6)

2. Малый по сравнению с единицей коэффициент передачи по кольцу обратной связи для высших гармоник основного колебания, т.е. выполнение неравенства:

\ЪУ (j27tnf0)S|«1, при п = 2,3,... (7)

На рис.3 показана упрощенная схема ГУН с ККР с простой моделью БТ и уточненной моделью КС, анализируемая на промежуточном этапе моделирования в

М\\Ю, а на рис.4,а показаны фазо-частотная характеристика управляющего сопротивления и зависимость вещественной части коэффициента усиления разомкнутого кольца обратной связи АГ от частоты (8).

Ку 02я9 = ЪУ 0271^ (8)

Рис.3. Модель ГУН с ККР с уточнённой моделью колебательной системы

а) б)

Рис.4. Характеристики к схеме на рис.3: а) ФЧХ коэффициента усиления по кольцу обратной связи Ку(Т) и зависимость Ке(Ку(0) при трёх значениях напряжения на варикапе; б) зависимости выходной мощности от частоты

Эти зависимости рассчитываются при разомкнутой цепи управления генератором тока в модели транзистора рис.3 и фиксированной амплитуде первой

гармоники тока коллектора, которая принята равной её расчётному значению, найденному на первом этапе проектирования. По фазо-частотным характеристикам и формуле (2) на каждом шаге процесса проектирования находится частота автоколебаний и по формуле:

_ 1 , ¿Фку ЦК 2/о df

(9)

/=/о

где —й- крутизна ФЧХ коэффициента усиления по кольцу, рассчитывается

добротность нагруженной колебательной системы, которая контролируется на каждом этапе преобразования схемы ГУН. По кривым, показанным на рис.4,б определяются значения выходной мощности на каждом этапе проектирования.

Кроме того, по зависимостям 11е(Ку(!)) в широкой полосе частот контролируется выполнение неравенств (6), (7). Пример такой зависимости, полученной на этапе анализа схемы рис.3 показан на рис.5,а, а на рис.5,б показана аналогичная зависимость для схемы, полученной непосредственно перед переходом к расчёту с помощью нелинейной модели. Из них видно, что неравенства (6), (7) в обоих случаях выполняются.

Re(Ky(f»

- Re(Eqr»{Ky)) P1-1V P2-7V P3-15V

¡3460 MHil |3.034 Т

--------

6640 МН; ЖМ№ 13010MHJ 0.495 0.548

гСТТ"^

Г

5100 1D100 15100

Frequency (MHz)

Re(Ky(f))

10100 15100

Frequency (MHz)

a)

6)

Рис.5. Коэффициент усиления по цепи ОС в широкой полосе частот: а) для схемы ГУН на рис.3; б) для полной и окончательной схемы ГУН с ККР

На рис.6 показаны схема и результаты экспериментального исследования макета спроектированного ГУН, которые удовлетворительно согласу-

ются как с результатами расчета по квазилинейной модели, так и полигармонического расчета.

-тт-пя—-яч^сйЗГ

Л!

опиатаэтиооен -ожпйбт!

1: 1 кнг -76.4208 йвс/г1г

2: 10 кнг -1С1.«М ЙВс/Нг

К, >1: 100 <нг нг.-./н?

1

Рис.6. а) Электрическая схема ГУН с ККР с полосой перестройки -1,5% на частоте -3,5 ХТц; б) результат измерения уровня фазовых шумов (СПМ в одной боковой полосе)

Кроме основного генератора, спроектированы и реализованы ещё два генератора, имеющих центральную частоту 3,5 ГТЦ с полосой перестройки 0,2% рис.7, (уровень СПМ ФШ -109 дБн/Гц при отстройке 10 кГц) и полосой перестройки 1,3%, рис.8, (уровень СИМ ФШ -107 дБн/Гц при отстройке 10 кГц).

1: 1 кН2 -76. ЙМЗ сз:/н;' >2: 10 1гИ2 -109.5217 йвс/'нг

Рис.7, а) Электрическая схема ГУН с ККР с полосой перестройки 0,2% на частоте 3,5 ГГц; б) результат измерения уровня фазовых шумов (СПМ в одной боковой полосе)

По шумовым характеристикам разработанные ГУН сравнимы с зарубежными аналогами, а потребляемые ими мощности в несколько раз ниже.

Рис.8, а) Электрическая схема ГУН с ККР с полосой перестройки 1,3% на частоте 3,5 ГГц; б) результат измерения уровня фазовых шумов (СПМ в одной боковой полосе)

В Заключении сформулированы основные итоги и результаты работы.

ДОСТИГНУТЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

> Обоснован выбор базовой схемы для построения ГУН на ККР.

> Предложена и обоснована система приближенных методов расчета стационарного режима, параметров и флукгуационных характеристик ГУН с ККР.

> Получена новая формула для расчета фазовых шумов ГУН.

> Обоснован выбор моделей пассивных и активных компонентов, которые целесообразно применять при моделировании работы ГУН с ККР.

> Проведены экспериментальные исследования спроектированных ГУН с ККР.

Приложения к диссертации содержат материалы по расчету упрощенной модели АГ с ККР, а также по методам измерения характеристик ККР.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Кувшинов В.В., Кулешов В.Н., Болдырева Т.И., Методика проектирования ГУН СВЧ на коаксиальных керамических резонаторах // Электросвязь, 2011, №5. С. 44-48.

2. Кувшинов В.В., Кулешов В.Н. О путях снижения фазовых шумов ГУН СВЧ на коаксиальных керамических резонаторах // Электросвязь, 2012, №5. С. 25-28.

3. Кулешов В Л., Кувшинов В.В., Болдырева Т.И. Об использовании квазилинейного метода при проектировании малошумящих ГУН СВЧ на коаксиальных керамических резонаторах // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. - 2011. - № 3. С. 3-19.

4. Кувшинов В.В. Сравнительный анализ автогенераторов с электронной перестройкой частоты на коаксиальных керамических резонаторах: Сборник тезисов докладов четырнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов // Москва 2008г.- Москва: Издательский дом МЭИ, 2008.-С. 26.

5. Кувшинов В.В., Перфильев A.A. Исследование влияния электрической перестройки по частоте на характеристики автогенератора с коаксиальным керамическим резонатором: Сборник тезисов докладов пятнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов // Москва 2009г.- Москва: Издательский дом МЭИ, 2009. - С. 40.

6. Кувшинов В.В., Кулешов В.Н. О характеристиках коаксиальных керамических резонаторов, перестраиваемых варикапами // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова. Научп. сессия, посвященная дню радио. Вып. LXV. Москва, 2010. - С. 105-107.

7. Кулешов В.Н., Кувшинов В.В., Перфильев A.A. Исследование малошумящих ГУН на керамическом коаксиальном резонаторе. Сборник докладов НТС «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». Воронеж, 2009. - С. 69-71.

8. Кувшинов В.В. Методы повышения стабильности частоты генератора на коаксиальных керамических резонаторах, управляемого по частоте напряжением // Сборник тезисов докладов шестнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Москва 2010г.- Москва: Издательский дом МЭИ, 2010. - С. 34.

9. Болдырева Т.И., Кувшинов В.В., Грязнова А.П., Кулешов В.Н. Расширение полосы перестройки ГУН на коаксиальных керамических резонаторах //

Сборник докладов НТС «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». Нижний Новгород, 2010.- С. 56-59.

10. Кувшинов В.В. Исследование влияния величины КПД генератора па коаксиальных керамических резонаторах, управляемого но частоте напряжением, на уровень его фазовых шумов // Сборник тезисов докладов семнадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов. Москва 2011г.- Москва: Издательский дом МЭИ, 2011. - С. 56.

11. Кувшинов В.В., Кулешов В.Н., Болдырева Т.И. О проектировании малошу-мящих ГУН СВЧ на коаксиальных керамических резонаторах // Сборник докладов НТС «Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов для связи и вещания». Одесса 2011. - С. 58-61.

Подписано в печать М.ОЬМг. Зак. /¿7/ Тир. /00 п.л. Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/2380

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Национальный исследовательский университет «МЭИ»

КУВШИНОВ Вадим Владимирович

МАЛОШУМЯЩИЕ ГЕНЕРАТОРЫ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ПО ЧАСТОТЕ НАПРЯЖЕНИЕМ, НА КОАКСИАЛЬНЫХ КЕРАМИЧЕСКИХ

РЕЗОНАТОРАХ

Специальность 05.12.04 -Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Кулешов В.Н.

Москва-2012

АННОТАЦИЯ

В диссертации обоснована и разработана методика проектирования малошумящих генераторов, управляемых по частоте напряжением (ГУН) с коаксиальными керамическими резонаторами (ККР).

Предложена и обоснована система приближённых методов расчёта стационарного режима, параметров и флуктуационных характеристик ГУН с ККР. Получена формула для расчёта фазовых шумов, которая представляет собой обобщение известной формулы Лисона для ГУН. В разработанной методике сочетается использование приближённых методов на первых этапах проектирования с применением современных средств моделирования на завершающем этапе.

Разработанная методика иллюстрируется примером проектирования малошумящего и экономичного ГУН с ККР на 3,5 ГГц с полосой перестройки 1,5%. На завершающем этапе проектирования в этом примере использован программный пакет Microwave Office. Экспериментальное исследование спроектированного ГУН с ККР, показало хорошее согласование с результатами расчета и моделирования. При напряжении питания 3 В ГУН с ККР имел КПД 10,5%, выходную мощность 1 мВт и уровень фазовых шумов (-100) дБн/Гц при отстройке от несущей частоты на 10 кГц. Приведены результаты экспериментальных исследований еще двух ГУН с ККР, спроектированных с использованием той же методики и имеющих более низкие уровни фазовых шумов.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ГЕНЕРАТОРЫ, УПРАВЛЯЕМЫЕ ПО ЧАСТОТЕ НАПРЯЖЕНИЕМ, С КОАКСИАЛЬНЫМИ КЕРАМИЧЕСКИМИ РЕЗОНАТОРАМИ И МЕТОДЫ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 17 1Л История создания и разработок ГУН с ККР..................................................................17

1.2 История и эволюция схемотехнических решений ГУН с ККР....................18

1.3 Развитие теории и методов проектирования ГУН с ККР..........................................32

1.4 Некоторые характеристики современных ГУН с ККР и уточнение постановки задач диссертации............................................................................................................43

1.5 Основные результаты..........................................................................................................................46

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ГУН с ККР 48

2.1 Схема и модели ГУН с ККР и их использование в процессе проектирования........................................................................ 48

2.2 Анализ простейшей модели ККР с варикапом и построение одномодовой модели ГУН.......................................................... 50

2.3 Расчёт параметров модели ГУН с ККР и характеристик стационарного режима............................................................... 54

2.4 Укороченные уравнения модели ГУН с ККР............................... 64

2.5 Флуктуационные уравнения модели ГУН с ККР и спектральные характеристики флуктуаций фазы и амплитуды колебаний.................. 69

2.6 Квазистационарный метод расчёта флуктуаций в ГУН с ККР и обобщённая формула Лисона........................................................ 75

2.7 Количественные оценки флуктуаций в ГУН с ККР с использованием квазистационарного метода и обобщённой формулы Лисона................ 83

2.8 Основные результаты главы..................................................... 90

3. МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ГУН С ККР 92 3 Л Уточнение моделей компонентов при проектировании ГУН с ККР... 92

3.2 Модели пассивных линейных компонентов..................................................................94

3.2.1 Модели конденсаторов......................................................................................................94

3.2.2 Модели чип-индуктивностей......................................................................................99

3.2.3 Модели резисторов..............................................................................................................ЮЗ

3.3 Модели и некоторые характеристики коаксиальных керамических резонаторов..........................................................................................................................................................106

3.4 Модели варикапов................................................................................................................................ИЗ

3.5 Исследование влияния полосы перестройки по частоте на добротность рабочей моды колебательной системы, состоящей из ККР, варикапа и емкости связи........................................................................................................................118

3.6 Экспериментальное исследование ККР с перестройкой по частоте

при помощи варикапа..................................................................................................................................121

3.7 Исследование влияния амплитуды колебаний на характеристики КС 124

3.8 Модели транзисторов..........................................................................................................................128

3.9 Основные результаты главы..........................................................................................................132

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГУН С ККР 134

4.1 Цели и место моделирования ГУН с ККР в процессе проектирования......................................................................... 134

4.2 Моделирование характеристик кольца обратной связи ГУН с ККР и коррекция параметров его схемы................................................... 135

4.2.1 Коррекция параметров схемы, связанная с уточнением

модели внутреннего транзистора.................................................. 135

4.2.2 Коррекция параметров схемы, связанная с уточнением модели колебательной системы............................................................... 140

4.2.3 Анализ влияния параметров полной модели транзистора на рабочие характеристики ГУН.........................................................................................................144

4.2.4 Завершающие этапы моделирования работы ГУН с ККР................152

4.3 Экспериментальное исследование разработанных ГУН с ККР....................158

4.3.1 Исследование базового варианта ГУН с ККР................................................158

4.3.2 Малошумящий ГУН с ККР с полосой перестройки 0,2%......................165

4.3.3 Малошумящий ГУН с ККР с полосой перестройки 1, 3%....................169

4.4. Сравнение спроектированных ГУН с ККР с известными аналогами.. 172

4.5. Основные результаты главы......................................................................................................174

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 179 ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Приближённый расчёт режима и параметров схемы

маломощного ГУН с ККР....................................................................................................................193

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Расчёт вольт-фарадных характеристик варикапа при

большом гармоническом напряжении на нём........................................................205

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Измерение характеристик ККР. Определение

параметров эквивалентной схемы ККР....................................................................................207

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Проблема разработки источников колебаний СВЧ диапазона с высокой долговременной стабильностью частоты и низким уровнем фазовых шумов возникла более 50 лет назад и остаётся актуальной до настоящего времени. Основными видами радиотехнических систем, для функционирования которых требовались такие источники, были и остаются радиолокационные системы [1-3] и различные виды систем связи и передачи информации [4-10]. Из публикаций [1-Ю], охватывающих более чем 40-летний отрезок времени, видно, что с появлением новых видов сигналов и способов их формирования и обработки т требования к стабильности частоты основных источников колебаний и уровням их фазовых шумов становятся всё более жёсткими.

Одним из ключевых функциональных узлов, влияющих на уровни фазовых шумов таких источников колебаний СВЧ диапазона как синтезатор частот (СЧ) с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), является генератор, управляемый по частоте напряжением (ГУН) [7-10].

При проектировании ГУН СВЧ основными показателями качества являются полоса электрической перестройки и уровень фазовых шумов в этой полосе. При этом задаются требования к выходной мощности и степени её непостоянства в пределах полосы перестройки, к чувствительности частоты автоколебаний к изменениям питающего напряжения, изменениям температуры и других параметров окружающей среды, а также к вариациям комплексного сопротивления нагрузки. В ряде случаев дополнительно задаются требования к линейности перестроечной (модуляционной) характеристики ГУН. Существуют практические задачи, при решении которых накладываются ограничения на массогабаритные характеристики ГУН СВЧ, а также на потребляемые ими мощности.

В целом, ключевой проблемой разработок малошумящих ГУН является построение схем, в которых одновременно достигаются максимальные

значения эквивалентной добротности рабочей моды колебательной системы и полосы электрической перестройки частоты.

Изобретение [11-14], освоение производства [15-17] и исследование характеристик [18] малогабаритных коаксиальных керамических резонаторов (ККР) открыло новые возможности построения колебательных систем малошумящих ГУН, частоты колебаний в которых, в основном, определяются свойствами ККР с высокими значениями их собственных добротностей.

Начиная с 2000-го года, было оформлено значительное число патентов на схемы ГУН с ККР [19-24]. Рядом зарубежных компаний было освоено производство ГУН с ККР [25-28]. Появились публикации, в которых излагались описания некоторых схем, разные варианты подходов к проектированию таких ГУН и оценки достижимых показателей качества [29-32]. Примеры ГУН с ККР стали включать в монографии [33-36].

При разработках ГУН с ККР активно использовались средства автоматизации проектирования, такие как Advanced Design System (ADS) и Microwave Office (MWO) [29,33,36-38]. Это потребовало разработок достаточно точных моделей компонентов ГУН (активных и пассивных) и типовых фрагментов их топологий. Разработки моделей компонентов (в общем случае нелинейных и содержащих источники собственных шумов) опираются на результаты тщательно планируемых измерений, научно обоснованные структуры моделей и использование программных средств идентификации параметров этих моделей.

При высоких требованиях к точности этих моделей и применимости их для анализа систем в широкой полосе частот эти модели оказываются настолько сложными, что опираясь на них, трудно прогнозировать результаты изменений режимных и шумовых характеристик при изменении параметров схем ГУН. С другой стороны, для нахождения с помощью «точных» методов параметров и режимов, близких к оптимальным, необходимо уметь находить сочетания параметров, при использовании

которых в качестве нулевых приближений будет обеспечена сходимость

а/

итерационных процедур, заложенных в программных пакетах ADS и MWO.

В ряде работ [33,35,36] для поиска параметров схем и режимов с учётом требований к фазовым шумам ГУН используют сильно упрощенные модели самих ГУН в сочетании с моделью Д.Лисона [39], применимость которой для решения данной задачи вызывает ряд сомнений. Ведь при увеличении мощности колебаний в контурах ГУН с варикапами снижение уровня фазовых шумов ограничивается влиянием преобразования флуктуаций амплитуды во флуктуации частоты автоколебаний [40,41], которое в формуле Лисона не учитывается.

Кроме того, число резонансных частот и возможных мод колебаний в реальных моделях современных ГУН СВЧ-диапазона из-за сложности моделей транзисторов, резонаторов, варикапов с цепями управления и распределенными элементами топологии весьма велико. Изменение параметров большей части элементов этой колебательной системы невозможно. Поэтому возникают сложности с обеспечением самовозбуждения и устойчивости колебаний на заданной моде, а также близости этих колебаний к гармоническим, что предполагается во всех упрощенных моделях. Это значит, что в любой реальной схеме необходимо предотвратить возникновение паразитных колебаний и исключить прохождение по кольцу обратной связи высших гармоник импульсов тока управляемого генератора, входящего в состав модели транзистора.

Полуэмпирический анализ этих противоречий приведён в ряде публикаций, где затрагиваются вопросы проектирования ГУН с ККР [29,30, 33-36]. Однако, как правило, в этих работах даются общие рекомендации по выбору схем, приводятся примеры готовых схем, результаты их моделирования и результаты измерений основных характеристик описанных схем. Перенос полученных в них результатов на решение других задач этого класса весьма затруднителен.

Изложение систематического подхода к решению таких задач, основанного на использовании как современной теории автогенераторов, применяемой с учётом неполноты информации о моделях компонентов, так и результатов чётко планируемых экспериментов и моделирования, в опубликованных к настоящему времени работах отсутствует.

Однако, для повышения эффективности использования этих программных средств весьма актуальна разработка логически последовательной и опирающейся на теоретически обоснованные методы расчёта автогенераторов методики, используя которую можно выявлять и сознательно преодолевать все основные препятствия, возникающие на различных этапах проектирования современных ГУН СВЧ.

При этом очевидно, что известные методы расчёта в ряде случаев потребуют дополнительного обоснования и существенной модификации, которая должна быть выполнена в исследовательской части данной диссертации.

Цель диссертации

Цель диссертации - разработка систематического подхода к проектированию малошумящих ГУН СВЧ диапазона с коаксиальными керамическими резонаторами, основанного на сочетании применения и развития теории автогенераторов СВЧ с использованием планируемых экспериментов и современных методов математического моделирования.

Методы исследования

В работе используются методы теории электрических цепей с сосредоточенными и распределёнными параметрами, методы теории нелинейных колебаний, методы статистической радиофизики, методы математического моделирования процессов в нелинейных системах с сосредоточенными и распределёнными параметрами, методы

экспериментального исследования линейных и нелинейных цепей СВЧ, методы исследования энергетических, модуляционных и спектральных характеристик автоколебательных систем СВЧ диапазона.

Новые научные результаты, полученные в диссертации

1. Предложен и обоснован метод предварительного анализа условий самовозбуждения требуемых и не самовозбуждения паразитных колебаний в автогенераторах с многочастотным коаксиальным керамическим резонатором (ККР) в составе колебательной системы и с одним активным СВЧ прибором, модели которых содержат конечное число элементов, являющихся причиной возникновения паразитных обратных связей.

2. Для того же класса автогенераторов СВЧ сформулированы условия близости колебаний на рабочей моде к гармоническим и применимости квазилинейного метода и метода укороченных символических уравнений для приближённого расчёта стационарных колебаний в автогенераторе с ККР, анализа их устойчивости и оценочного расчёта спектральной плотности мощности фазовых шумов в таких автогенераторах.

3. Предложен квазистационарный метод расчёта флуктуаций фазы и амплитуды колебаний в автогенераторах, условия и область применимости которого определены с использованием метода укороченных символических уравнений.

4. Квазистационарным методом получена приближённая формула для расчёта фазовых шумов, которая представляет собой обобщение известной формулы Лисона [39] на генераторы, управляемые по частоте напряжением. Полученная формула отличается от формулы Лисона учётом влияния поправки на частоту автоколебаний на СПМ фазового шума и преобразования флуктуаций амплитуды автоколебаний во флуктуации мгновенной частоты, а следовательно, и во флуктуации фазы из-за нелинейности характеристик варикапов. Кроме того, в полученной формуле, в отличие от формулы Лисона [39], используются чётко определённые

10

коэффициенты фазового и амплитудного шумов, рассчитываемые для заданного активного прибора с учётом периодической нестационарности его шума в нелинейном режиме.

Практическая ценность результатов работы и её реализация

1. Разработан, формализован и проверен на практике систематический подход к поэтапному проектированию малошумящих ГУН СВЧ диапазона. Он основан на применении и развитии простых приближённых методов прикладной теории автогенераторов СВЧ, уточнении используемых моделей при помощи обработки данных планируемых промежуточных экспериментов и использовании современных средств математического моделирования нелинейных автоколебательных систем (пакеты ADS и MWO). Основанная на этом подходе методика проектирования позволит инженерам-разработчикам более эффективно использовать на этапе проектирования ГУН как доступные в настоящее время средства моделирования, так и измерительные средства.

2. Конкретные варианты малошумящих ГУН с ККР, примерами разработки и экспериментального исследования которых проиллюстрировано применение предложенного подхода, могут быть рекомендованы для �