CC BY
18
УДК 621.373
Г.С. Никонова, И.В. Никонов
Омский государственный технический университет, г. Омск
ФАЗОВЫЕ ШУМЫ ПАВ ГЕНЕРАТОРОВ УКВ ДИАПАЗОНА
Известные достоинства генераторов с устройствами на поверхностных акустических волнах (ПАВ) заключаются в следующем [1]:
- технологичность и миниатюрность;
- относительно высокий уровень мощности генерируемого сигнала;
- хорошая повторяемость параметров при серийном производстве, возможность применения масштабирования при разработке на различные рабочие частоты;
- хорошая вибрационная устойчивость;
- сравнительно высокая кратковременная стабильность частоты колебаний;
- небольшая стоимость.
В настоящее время существует потребность разработки ПАВ-генераторов для малогабаритной радиоаппаратуры для применения в частотном диапазоне 300-500 МГц. Различные интервалы этого частотного диапазона разрешены для организации служебных (транкинго-вых) сетей связи, для использования в системах охранной сигнализации и в системах сбора телеметрической информации. В радиоаппаратуре подобного назначения, в связи с жесткими требованиями к стабильности рабочей частоты, необходимо применение высокостабильных генераторов с малым относительным уровнем фазовых шумов. Причем, в частотном диапазоне 300-500 МГц миниатюрные, экономичные, высокостабильные генераторы с малым уровнем фазовых шумов, при небольших размерах пьезоподложек ПАВ устройств, могут быть разработаны не только с линиями задержки, но и с применением резонаторов.
273
В [2] для проектирования предложены следующие варианты сравнительно простых ПАВ-резонаторов и резонансных фильтров на их основе, отличающихся топологией преобразователей и отражательных решеток:
- одновходовые резонаторы, с одним встречно-штыревым преобразователем (ВШП), расположенным в резонансной полости, и двумя отражательными решетками, находящимися с двух сторон от ВШП. Фазочастотная характеристика такого ПАВ резонатора изменяется в пределах полосы пропускания на 180°;
- двухвходовые резонаторы (резонансные фильтры), с несколькими ВШП и не менее чем с двумя отражательными решетками. В двухвходовых ПАВ резонаторах могут дополнительно применяться многополосковые ответвители, за счет которых «в поперечном направлении» относительно распространения ПАВ каскадно объединяются параллельно расположенные более простые резонаторные структуры. Топология с ответвителями позволяет получить большее ослабление в полосе задерживания, а также, при необходимости, получить изменение фазочастотной характеристики в полосе пропускания в 360°, а не в 180°.
В данной статье рассматриваются лишь некоторые аспекты возможности применения генераторов с ПАВ резонаторами в новой радиоаппаратуре, для чего приближенно оцениваются характеристики таких резонаторов и генераторов на их основе. Типовая топология и вариант электрической эквивалентной схемы одновходового ПАВ резонатора, приведены на рисунках 1а и 1б.
Ьї їе
Н------------------■
а)
Рис. 1. Топология и эквивалентная схема резонатора
На рисунке 1а: обозначено: а - ширина волнового фронта, примерно соответствующего апертуре ВШП; 1п - длина резонансной полости; 1е - расстояние от первого элемента отражательной решетки до эффективного центра отражения решетки.
В соответствии с обозначениями на рисунке 1а, реальная резонансная полость резонатора, без учета эффектов второго, порядка равна:
Эквивалентные параметры одновходового ПАВ-резонатора приближенно анализировались для рабочей частоты Г0=500 МГц по значению модуля коэффициента отражения Го, для произвольного пьезоэлектрика.. Рабочая частота в расчетах являлась частотой акустического синхронизма (резонансной частотой). Модуль коэффициента отражения от отражательных решеток, рассчитывался в соответствии с [2]. При числе отражательных элементов в каждой решетке не менее 500, при их ширине, равной четверти длины волны резонансной частоты (Х/4) и при 1=0,002 м, его значение Г0=0,999999. Эквивалентные параметры резонатора, наиболее важные для проектирования схемы генератора, определятся выражениями:
Ко
Йр Ьр Ср
274
Є ю р(2п1/1 - Г„),
Ср ^ 1/((2л)2/0Ч)
В выражениях (2), (3) поправочный коэффициент р имеет величину и размерность, равную 1/м.
На рисунке 1б обозначено: Яр, Ьр, Ср - динамические эквивалентные параметры резонатора ; Со - статическая емкость преобразователя; Я - «расчетное сопротивление излучения», характеризующее эффективность отражательных решеток. Рассчитанные значения элементов эквивалентной схемы приближенно равны: Q-12000, Яр-8 Ом; Ьр~3,2-10-5 Гн; Ср~0,32-10 -14 Ф. Для расчета С0 необходим выбор конкретного пьезоэлектрика, но приближенно оцененная величина этой емкости на рассматриваемой частоте при а -100 X равна Со~(1-2)-10-12Ф.
Схемотехническое решения по проектированию ПАВ- генератора с резонатором следующее. ПАВ резонатор, как и резонатор на ОАВ может быть включен в схему генератора в качестве индуктивного элемента контура или резистивного элемента в цепи обратной связи. Лучшие характеристики могут быть получены в схемах с включением резонатора в цепь об-
ратной связи, то есть с самовозбуждением ПАВ резонатора на частоте последовательного резонанса. На рисунка 2 приведен вариант такой схемы на биполярных транзисторах (без буферных каскадов).
X
-X-
(2)
(3)
(4)
КЗ
и вых
К К2
¿р р(й Р0/А(1 -Ф
Т1
201
К4
С1
Т2
Рис. 2. Схема генератора с резонатором в цепи ОС
+
В схеме на рисунке 2 могут быть дополнительно включены различные элементы подстройки, компенсационные элементы.
Важными моментами проектирования малошумящих генераторов является применение транзисторов с малым коэффициентами шума (Б) и с высокими граничными частотами (Гт), а также сохранение высокой добротности частотно-избирательного устройства. В качестве таких транзисторов могут быть рекомендованы, например, следующие: БЕК949Т (Гт=9 ГГц, Б~1-1,5 дБ), ББЮ8Ш (^=8 ГГц, Б-1-1,2 дБ), ВБЮ80 (Гт=7 ГГц, Б-2,1-2,25 дБ) и другие. Собственная добротность ПАВ резонатора, рассчитанная по (2), довольно высокая и составляет около 12000. Однако эквивалентная добротность резонатора (0*) для схемы на рисунке 2 уменьшается, в основном за счет входного дифференциального сопротивления усилителя по схеме общая база(гб):
■?■ = ■? 1-": V (5)
275
Величина гб , в Омах для выбранного режима 1э (тока эмиттера) и нормальных условий эксплуатации определяется выражением:
(6)
где к - постоянная Больцмана, Т- термодинамическая температура.
Например, для 1э=5 мА рассчитанная эквивалентная добротность в схеме генератора, для рассматриваемого ПАВ резонатора, равна около 7500.
С учетом значения эквивалентной добротности ПАВ резонатора и связанной с этой характеристикой шириной полосы пропускания цепи обратной связи (2ДГос=Г0/0*), значения
коэффициента шума транзисторов (Б~2 Дб), значения типовой мощности, отдаваемой в нагрузку (Рс=0,5 мВт или минус 3 дБм) проведено моделирование для получения зависимости мощности фазовых шумов (Бе) при различных отстройках от средней частоты генерации. Рассчитанная мощность шума за пределами полосы пропускания цепи обратной связи не превышала минус 155 дБ.
Проведенные расчеты, моделирование дают основания полагать, что характеристики реально разработанных ПАВ генераторов будут удовлетворять современным требованиям к малогабаритной радиоаппаратуре.
Библиографический список
1. Никонова, Г. С. Оценка кратковременной нестабильности частоты генератора на поверхностных акустических волнах. Одночастотный режим работы / Г. С. Никонова, И. В. Никонов // Техника радиосвязи. - Вып.15. - 2010. - С. 100-106.
2. Зеленка, И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах / И. Зеленка ;под. ред. И.С.Реза. - М. : Ми, 1990. - 584с.
