АВТОГЕНЕРАТОР СВЧ С НИЗКИМ УРОВНЕМ ФАЗОВОГО ШУМА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.373.12

Автогенератор СВЧ с низким уровнем фазового шума

В.А. Романюк, Яр Зар Хтун

Национальный исследовательский университет ««МИЭТ»

Microwave Oscillator with Low Phase Noise

V.A. Romanyuk, Yar Zar Htun

National Research University of Electronic Technology, Moscow

Рассмотрена возможность уменьшения фазового шума транзисторного автогенератора СВЧ путем согласования годографов его резонатора и транзистора. Разработаны требования к частотным характеристикам колебательной системы, позволяющие уменьшить шум генератора. Предложена схема автогенератора с усложненным резонатором, фазовый шум которого существенно ниже, чем в классической схеме Колпитца.

Ключевые слова: автогенератор СВЧ; фазовый шум.

The possibility of reducing the phase noise of the microwave transistor oscillator by matching its resonator and transistor has been considered. The requirements to frequency characteristics of the oscillating system, allowing reducing of the generation noise, have been developed. The circuit of the oscillator with a complicated resonator, the phase noise of which is significantly lower than that one in the classical Colpitts circuits, has been proposed.

Keywords: microwave oscillator, phase noise.

Введение. Задача создания синтезаторов СВЧ с минимальным уровнем фазового шума [1] весьма актуальна. Методы уменьшения фазового шума известны, например для уменьшения шума автогенераторов применяются специальные резонаторы [2-4].

В настоящей работе рассмотрен метод уменьшения шума автогенераторов СВЧ путем усложнения его колебательной системы. Моделирование схем автогенераторов проводилось в программе Microwave Office. Метод основан на идее, изложенной в работе [5]. Автогенератор представляется в виде соединения двухполюсников - негатрона, являющегося источником колебаний, и резонатора, определяющего их частоту. Стационарный режим работы автогенератора определяется пересечением годографов

проводимостей негатрона Yнег и резонатора Y p. Уменьшение шума автогенератора можно достичь путем оптимизации угла пересечения годографов проводимостей.

Квазилинейная модель автогенератора. На рис.1 представлена классическая схема автогенератора СВЧ на полевом транзисторе. Резонатор выполнен на элементах с сосредоточенными параметрами небольших номиналов, что дает возможность разработать автогенератор в виде монолитной микроволновой интегральной схемы. Полевой СВЧ-транзистор включен с заземленным (по переменному току) стоком. Резонатор ав-

© В.А. Романюк, Яр Зар Хтун, 2015

Рис. 1. Электрическая схема автогенератора на полевом транзисторе

тогенератора образован элементами Ц, С1 и С, в его составе также входная емкость транзистора - емкость затвор-исток С3_и. Напряжение смещения между затвором и истоком создается постоянным током истока /И0 через сопротивление автосмещения ^ . С и Ц - блокировочные емкость и индуктивность соответственно, С - емкость связи с нагрузкой.

Схему автогенератора в точках А и В (см. рис.1) затвор - исток транзистора можно разделить на две части [2, 5]. Одна часть содержит транзистор (негатрон), имеющий комплексную проводимость

(1)

Унег /С1/^С-И ,

где /с и С/с_и - комплексные амплитуды первой гармоники тока и напряжения сток-исток, отсчитываемого от стока; унег = онег + „/бнег. Другая часть содержит резонатор с комплексной проводимостью У = Gр + ]Б .

Эквивалентная схема шумящего автогенератора может быть представлена в виде параллельного соединения генератора тока негатрона амплитудой / , резонатора

с комплексной проводимостью Ур и генератора шумового тока / , имеющего случайную амплитуду и фазу (рис.2). На трех параллельно включенных элементах имеется одно и то же напряжение амплитудой ис-И, поэтому условие стационарного режима колебаний шумящего автогенератора

может быть записано в виде

Ур =-(Унег + Уш ) ,

(2)

где уш = /ш/ис-и - комплексная проводимость генератора шума.

Проводимость резонатора зависит от частоты колебаний и слабо зависит от их амплитуды, а проводимость негатрона зависит от амплитуды колебаний и почти не зависит от их частоты. При изменении частоты колебаний конец вектора Ур описывает кривую - годограф проводимости резонатора Унег. Аналогично при изменении амплитуды колебаний стационарного режима конец вектора Унег описывает кривую - годограф

проводимости негатрона У н

На рис.3 показаны годографы У р и - У нег, изображенные на комплексной плоскости. В идеальном автогенераторе стационарный режим колебаний определяется точкой пересечения годографов У р и - У нег. При этом стационарная амплитуда колебаний ист находится на годографе - У нег, а генерируемая частота /0 - на годографе У р. В шумящем автогенераторе к вектору Унег добавляется вектор -Уш и суммарный вектор равен вектору Ур,. Стационарный режим шумящего генератора соответствует двум точкам: одна на годографе У

р определяет частоту колебаний, другая на годографе — У нег определяет их амплитуду. Поскольку вектор Уш имеет случайную амплитуду и фазу, амплитуда и частота автогенератора флуктуируют, образуя амплитудный и фазовый шум.

Рис.3. Графическое определение стационарного режима колебаний: а - годографы проводимости негатрона и резонатора (стрелки на годографах показывают направление возрастания аргументов проводимостей); б - оценка угла пересечения годографов

Максимальное отклонение частоты от среднего значения имеем в том случае, когда

вектор Уш имеет максимальную амплитуду и перпендикулярен годографу — У нег

(/ — / )

(рис.3,а). Наибольшее отклонение частоты колебаний Д/ = —^^—^^ от среднего

значения /0 определяется длиной ДУр участка годографа Ур от точки до точки / (или от точки /0 до точки /тах). Из рис.3,а видно, что

дур = уш/в1П е, (3)

где е - угол пересечения годографов У р и — У нег. Оценку угла е можно провести, используя рис.3,б.

При изменении частоты колебаний от / вектор Ур, получает добавочный вектор:

где

Yp(/) = У/,) + ДУр, дУр =д/ (<Юр/ /+а/).

(4)

Учитывая (3) и (4), получаем выражение для максимального отклонения частоты колебаний от среднего значения:

--1-1

А/ = YII

sin 0

Г dGp ^ d/

+

Г d^p ^ d/

(5)

Из (5) следует, что при прочих равных условиях минимальное отклонение частоты, а следовательно, и минимальный уровень фазового шума получаем при пересечении двух годографов под углом 0 = 90°.

Построение годографов - Y нег и Yp. Годограф -Yнег. Зависимость проводимости негатрона от амплитуды колебаний Y^ (Uc-И) рассчитана по (1) в программе Microwave Office с использованием схемы автогенератора, показанной на рис. 1. Амплитуда колебаний изменялась путем варьирования емкости связи C4. При этом генерируемая частота оставалась постоянной и была равна 18 ГГц за счет корректировки индуктивности L1.

Годограф Yp. Для расчета зависимостиY (/) из схемы автогенератора исключен

транзистор, а также элементы цепей питания и смещения. Параллельно емкости Q добавлены элементы (емкость и сопротивление), представляющие собой входную проводимость транзистора, рассчитанную в стационарном режиме работы автогенератора:

yр = v U3-_

(6)

где /31 - комплексная амплитуда первой гармоники тока затвора транзистора; U31 -

комплексная амплитуда первой гармоники напряжения затвор-исток.

Проводимость резонатора в порте P1 рассчитана в линейном режиме работы программы Microwave Office. Результат показан на рис.4. Резонатор автогенератора имеет две резонансные частоты: последовательный резонанс на частоте 14,11 ГГц и параллельный резонанс на частоте 21,68 ГГц. Колебания возникли на частоте 18 ГГц, при которой по условиям устойчивости стационарного режима колебаний [2] выполняется соотношение dB^jd/ > 0.

Результаты расчета зависимостей Y^ (ис-И) и Yp (/) вблизи точки пересечения годографов приведены в табл.1 и 2.

Рис. 4. Зависимость действительной (А) и мнимой (□) частей проводимости резонатора от частоты

Таблица 1

Зависимость проводимости негатрона от амплитуды колебаний Y^ (Uс-и )

Таблица 2

Зависимость проводимости резонатора от частоты колебаний Y (/)

Uc-И, B ^нег > См Внег , См

1,8 0,0075 0,022

1,9 0,006 0,021

f ГГц G , См В, См

18 0,0073 -0,022

19 0,0060 -0,014

2

2

Для определения угла пересечения годографов воспользуемся рис.3,б. Угол пересечения в градусах определяется следующим соотношением:

0 = 90-а-р, (7)

где а - угол отставания годографа Y p от вертикали; Р - угол отклонения годографа - Yjjer от горизонтали.

Как следует из рис.3,б, углы а и р можно рассчитать следующим образом:

tga = agp/ABp, (8)

1вр = л£нег/а^нег , (9)

где agp = о, -gp2, ЛВр = |bj -\Bp2\, лвнег = ft| -|bher2, ло^г = g -о,,^. Здесь взяты

действительные и мнимые части проводимостей в соседних точках на годографах вблизи точки их пересечения.

Для автогенератора на рис.1 получены следующие значения углов: а = 9°, Р = 34°, 0 = 47°. В автогенераторе по схеме рис.1 угол пересечения годографов отличается от оптимального на 43°.

Автогенератор с усложненным резонатором. Из (7) следует, что для оптимизации угла 0 нужно изменять углы а и Р . В стационарном режиме работы автогенератора при частоте колебаний f = 18 ГГц и амплитуде £/с_и = 1,8 В мнимая часть проводимости негатрона BHer = 0,022 См (см. табл. 1 и 2). Она обусловлена наличием выходной емкости транзистора. Вольт-фарадная характеристика этой емкости зависит от конкретного транзистора

и определяет угол Р наклона годографа - Yнег, поэтому для увеличения угла 0 следует изменить угол а путем использования более сложного резонатора.

Как видно из рис.3,б, необходимое изменение угла а может быть получено в том случае, когда с ростом частоты колебаний действительная часть проводимости резонатора О не уменьшается, а увеличивается или уменьшается медленнее, чем в классическом резонаторе. Для оптимизации угла 0 нужно синтезировать резонатор, в котором на требуемой частоте генерации выполняются условия

dG dB

—p > 0, > 0 . (10) db db

На рис.5 изображена схема автогенератора с усложненным резонатором, в котором к колебательному контуру добавлен второй контур на элементах L3, C6 с помощью емкости связи C . Настройка схемы автогенератора для уменьшения шума осуществляется следующим образом. Резонансная частота вспомогательного контура L , C устанавливается равной требуемой частоте (в настоящем примере 18 ГГц), а емкость связи C - минимальной. Исключив из схемы автогенератора транзистор, а также цепи питания и смещения можно рассчитать в линейном режиме программы Microwave Office зависимость от частоты действительной и мнимой частей проводимости Y (f) . Для выполнения равенства B = bher на требуемой частоте следует изменить значения L3 и C6. Чтобы выполнить условия (10), необходимо увеличить емкость связи С5 .

Рис.5. Электрическая схема автогенератора с двухконтурным резонатором

'- V См

/

/

2—----

' 17,9 17,95 18 18,05 /ГГц

Рис.6. Зависимость действительной (кривая 1) и мнимой (кривая 2) частей проводимости двухконтурного резонатора от частоты

На рис.6 изображены зависимости от частоты действительной и мнимой частей проводимости двухконтурного резонатора вблизи частоты генерации. Из рисунка видно, что условия (10) выполнены. Для расчета угла 9 пересечения годографов проводимости резонатора и негатрона найдены углы а и Р по формулам (8) и (9) с помощью табл. 3 и 4.

Таблица 3 Таблица 4

Частотная зависимость проводимости Зависимость проводимости негатрона

двухконтурного резонатора от амплитуды напряжения

вблизи частоты генерации между стоком и истоком транзистора

f ГГц Gp ,См Вр ,См

18 0,0140 -0,0146

18,05 0,020 -0,020

и С-И Р Снег , См Внег ,См

1,50 0,0144 —0,01642

1,53 0,0140 —0,01616

В данном случае годограф У p не отстает от вертикали, а опережает ее на угол а. Из табл.3 следует, что аср = 0,006 См и авр = 0,006 См. В соответствии с (8) угол опережения вертикали а = 45°.

Из табл.4 видно, что agher = 0,0004 См, а дбнег = 0,00026 См. В соответствии с (9) угол опережения горизонтали годографом проводимости негатрона Р = 33°. Угол пересечения годографов проводимости негатрона и резонатора в данном случае 9 = 90° + а —р = 102°.

Разность 9 — 90° в двухконтурном автогенераторе равна 12°, в то время как в одноконтурном автогенераторе угол 9 отличается от оптимального угла 90° на 43°.

На рис.7 представлены зависимости нормированной спектральной плотности мощности фазового шума автогенераторов от частоты отстройки. Усложнение резонатора позволило уменьшить фазовый шум автогенератора более чем на 10 дБ.

Заключение. Таким образом, снижение фазового шума автогенератора возможно путем более разумного сочетания транзистора (негатрона) с резонатором, которое определяется углом пересечения годографов проводимости резонатора и негатрона.

Для уменьшения шума к одноконтурному резонатору добавляется второй контур и его параметры настраиваются так, чтобы угол пересечения годографов стал ближе к оптимальному. Полученные соотношения позволяют определять оптимальные параметры суммарной колебательной системы. В результате усложнения схемы резонатора удалось уменьшить фазовый шум автогенератора более чем на 10 дБ. Установленные требования к частотным характеристикам резонатора дают возможность применять и другие автоколебательные системы, позволяющие уменьшить фазовый шум.

Литература

1. Романюк В.А., Яр Зар Хтун. Минимизация фазового шума микроволновых синтезаторов частот выбором схем опорного генератора и ГУН // Изв. вузов. Электроника. — 2014. — № 3 (107). — С. 73—80.

2. Петров Б.Е., Романюк В.А. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. — М.: Высшая школа, 1989. — 232 с.

3. Хансен Дж. Борьба с фазовым шумом в ВЧ- и СВЧ-диапазонах // Компоненты и технологии. — 2012. — № 9.

4. Nam Jin- Oh. A phase-noise reduction technique for RF CMOS voltage-controlled oscillator with a series LC resonator // Microelectronics J. — 2014. — Vol. 45. — Is. 4. — P. 435-440.

5. Курокава. Принудительная синхронизация твердотельных СВЧ-генераторов // ТИИЭР. — 1973. — Т. 61. — № 9. — С. 12—40.

Статья поступила 27 октября 2014 г.

Романюк Виталий Александрович — кандидат технических наук, доцент кафедры микроэлектронных радиотехнических устройств и систем (МРТУС) МИЭТ. Область научных интересов: полупроводниковые источники электромагнитных колебаний СВЧ. Е-mail: v.a.romanjuk@gmail.com

Яр Зар Хтун — аспирант кафедры МРТУС МИЭТ. Область научных интересов: проектирование телекоммуникационных устройств.

0,1 0,3 0,5 0,7 /ГГц

Рис.7. Зависимость фазового шума автогенератора от частоты отстройки: □ - одноконтурный автогенератор; А - двухконтурный автогенератор