CC BY
165
УДК 621.373
Г. С. НИКОНОВА щ В. А. АРЖАНОВ И
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
В статье проведен сравнительный анализ разработок генераторов с ПАВ-резо-наторами и линиями задержки. Приведены частотные характеристики ПАВ-линии задержки с малыми потерями и характеристики одночастотного генератора. Ключевые слова: ПАВ-фильтры, ПАВ-резонаторы, ПАВ-линии задержки, ПАВ-гене-раторы.
В последнее десятилетие в России, как и в других странах мира, интенсивно ведутся разработки при-емо-передающей аппаратуры в диапазоне частот от 106 до 2-109 Гц. В радиоаппаратуре коротковолнового диапазона успешно применяются серийно выпускаемые генераторы с кварцевыми резонаторами на ОАВ, обеспечивающие кратковременную нестабильность частоты до 10-12 (без учета температурной и режимной нестабильности) [1]. Однако генераторы с кварцевыми резонаторами на ОАВ не могут применяться в качестве генераторов с широкой частотной перестройкой, а умножение частоты таких генераторов от 1 МГц до 1 ГГц увеличивает мощность шума выходного сигнала устройства на 60 дБ. Тем не менее генераторы с кварцевыми резонаторами на ОАВ, а также RC-генераторы и LC-генераторы, имеющие худшие характеристики по нестабильности частоты (10-3—10-6), применяются и в новых радиотехнических устройствах для частотного диапазона от 107 до 2-109 Гц. Однако в этом частотном диапазоне могут успешно использоваться более технологичные генераторы с устройствами на поверхностных акустических волнах (ПАВ-генераторы).
Это противоречие связано, в частности, с тем, что сравнительно успешные исследования в области акустоэлектроники поверхностных акустических волн относятся лишь к проектированию ПАВ-фильтров. В частности, разрабатываются различные методики проектирования ПАВ-фильтров, делаются попытки применения в ПАВ-фильтрах других типов акустических волн, исследуется возможность получения достаточно эффективной перестройки по частоте и полосе пропускания. Поэтому большинство разработчиков ПАВ-генераторов используют ПАВ-фильтры как покупные радиокомпоненты, не учитывая специфику работы таких фильтров, их возможные параметры, температурные, различные вторичные эффекты, которые влияют на характеристики генераторов. В немногочисленных исследованиях ПАВ-генераторов, описанных в российских публикациях, даже не анализируется возможность одномодового или многомодового режима работы генератора (в дальнейшем термин «одномодовый режим» будет означать выполнение условия баланса фаз генератора для одной частоты в полосе пропу-
скания ПАВ-фильтра, а термин «многомодовый» — для нескольких частот). В этой связи основные характеристики новых разрабатываемых генераторов с ПАВ-линиями задержки (ПАВ ЛЗ), описанные в открытых публикациях для частот 10 — 50 МГц, мало изменились в сравнении с характеристиками подобных генераторов двадцатилетней давности и соответствуют примерно следующим значениям [2]: ґ ,
Af fo.
10-8 относительная кратковремен-
ПАВ
ная нестабильность частоты 1мс;
за время измерения
—£>¥ПДВ«130 дБ/Гц относительная мощность фазовых шумов при отстройке от средней частоты генерации на 10 кГц.
У разработанных и серийно выпускаемых зарубежных ПАВ-генераторов с резонаторами для частот генерации выше 100 МГц, где удается получить эквивалентную добротность резонатора 103 — 2-104 при приемлемых размерах пьезоподложки, достигнутые характеристики несколько лучше — за счет более высокой добротности частотно-избирательного устройства. В частности, фирма Micro Networks выпускает ПАВ-генераторы (например, модель PLO-800—100) на частоты от 100 МГц до 2 ГГц с малыми шумами и с возможностью электронной перестройки частоты в небольших пределах. Типовые характеристики таких генераторов в указанном частотном диапазоне следующие:
дБ/Гц при отстройке более
10 кГц
3^(130-135)
'и'
*(10
-8
10
что все же хуже по-
ПАВ
добных характеристик опорных генераторов с кварцевыми резонаторами на ОАВ для нижней границы рассматриваемого частотного диапазона. Характеристики таких генераторов лучше характеристик генераторов с кварцевыми резонаторами на ОАВ лишь на частотах выше 500 МГц, где удается получить более высокую добротность резонаторов.
Для улучшения характеристик опорных и управляемых ПАВ-генераторов в диапазоне 107 — 2-109 Гц необходимо решить следующие задачи:
1.Определить предельные эквивалентные добротности ПАВ ЛЗ и ПАВ-резонаторов в данном частотном диапазоне при приемлемых размерах
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
*
пьезоподложек. Оценить возможность применения конкретных ПАВ-фильтров (линий задержки и резонаторов) в различных частотных интервалах рассматриваемого частотного диапазона с максимальной эквивалентной добротностью.
2.Проанализировать вносимые потери в ПАВ ЛЗ и ПАВ-резонаторах при различных топологиях преобразователей.
3.Разработать ПАВ ЛЗ, имеющие минимальные вносимые потери и обеспечивающие при этом устойчивый одномодовый режим работы генератора.
4.Разработать модель и методику анализа стабильности частоты ПАВ-генераторов, учитывающую влияние эквивалентной добротности и вносимых потерь ПАВ-фильтра. Исследовать практические схемы генераторов.
В данной статье приводится обзор некоторых авторских исследований ПАВ-генераторов для частотного диапазона 10-400 МГц, в которых решались перечисленные выше задачи.
1.В диапазоне частот 10 — 400 МГц для пьезоподложки с габаритами не более10х15х1 мм определены предельные значения добротности ПАВ ЛЗ (ОЛЗ) и ПАВ-резонаторов (0РЕЗ) — из условия эквивалентности ПАВ-структуры избирательному контуру. Изменения фазочастотной характеристики (АТ) ПАВ ЛЗ вблизи резонансной частоты определяются выражением:
АТ=т(ю+Аю)—т(ю—Аю)=2Ают,
(1)
а для избирательного контура подобные изменения АТ равны
АЧ<» 20 (Ш° + АЮ)-20 (Ю° ~ АЮ) » 40^ ■
ю0
Отсюда получаем
ю0
“о
0лз=0,5(о0т=100—4000
0ЛЗ=0,5ю0т(р)=10—10000.
(2)
(3)
(4)
ФМТр/(1—Р).
(5)
Меньшие значения добротности в (3,4) соответствуют частоте 10 МГц, а большие — частоте 400 МГц при т=3 мкс. На частоте 300 МГц расчетные значения добротности линии задержки и резонатора примерно одинаковы (0=3000).
2.Для упрощенной нелинейной модели генератора, при условии 0>10, проведен анализ кратковременной нестабильности частоты генератора с
ПАВ-устройствами (ПАВ ЛЗ и ПАВ резонаторами) по приближенным выражениям [2]
(—)к—“ /0 20э
(6)
R3
4" т
R5
и вых
Рис. 1. ПАВ-генератор по схеме Батлера
1
(—)«- „ 2
/о к-(Оэ)2
(7)
Здесь т — постоянное время задержки ПАВ-устройства (время задержи между ВШП или между ВШП и отражательной структурой);
р — коэффициент отражения отражательных структур резонатора, зависящий от возможности их эффективного выполнения на разных частотах;
т(р) — эквивалентное время задержки резонатора, в первом приближении пропорциональное коэффициенту отражения отражательных структур:
где 0'Э — эквивалентная добротность ПАВ-устройства с учетом влияния внешних цепей, АТ — флуктуации ФЧХ ПАВ-устройства; к — коэффициент, учитывающий мощность полезного сигнала, частоту анализа, температуру.
Для конкретной схемной реализации генератора (общая база — общий коллектор) (рис. 1), при мощности полезного сигнала 0,2 мВт и для частоты анализа, соответствующей їа=1кГц, к&100.
В соответствии с выражением (7) рассчитанная кратковременная нестабильность частоты генератора с ПАВ ЛЗ составляет
(—)я5-10~10 — при 0=4000, на частоте 400 МГц,
*0
М с
(—)«10 — при 0=100, на частоте 10 МГц.
А)
На частоте 300 МГц кратковременная нестабильность частоты генератора с ПАВ-резонатором аналогична нестабильности частоты генератора с ПАВ ЛЗ. На частотах ниже 100 МГц при указанных выше размерах пьезоподложки резонатор с отражательными решетками и достаточно хорошими характеристиками выполнить невозможно. Поэтому для частот ниже 200 — 300 МГц целесообразно разрабатывать и применять ПАВ-генераторы только с линиями задержки.
3.При рассмотренном выше приближенном анализе кратковременной нестабильности частоты генераторов приняты следующие допущения: коэффициенты передачи ПАВ-устройств по мощности приняты равными единице; характеристика избирательной цепи автогенератора не учитывается в оценке кратковременной нестабильности частоты; баланс амплитуд автоматически выполняется для всех анализируемых частот генераторов; сопротивления преобразователей ПАВ-устройств согласованы с сопротивлениями внешних цепей по условию передачи максимальной мощности, которая близка к условию согласования по шумам.
Однако в типовых схемах ПАВ-генераторов (например, рис. 1) при применении обычных ПАВ ЛЗ с двунаправленными преобразователями, даже при согласовании линий задержки по мощности с помощью внешних цепей, потери мощности могут составлять более 6—12 дБ. Такие потери мощности определяются двунаправленностью излучения обычных двунаправленных встречно-штыревых преобразователей. В итоге, потери мощности в ПАВ-устройствах уменьшают амплитуду сигнала генератора (отношение сигнал/шум), а также из-за случайного характера изменений коэффици-
+
-2,639 Е+00 -1.264Е+01 -2,264Е+01 -3,264Е+01 -4,264Е+01 -5,264Е+01 -6,264Е+01 -7,264Е+01 -6,264Е+01 -9,264Е+01
6,97Е+07 6,98Е+07 6,99Е+07 7,00Е+07 7,01 Е+07 7,02Е+07 7,03Е+07
Frequency (Hz)
Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-фильтра
► 1 : Тransmission Phase 45.0°/ Ref 0.00° С FORMRT
2: Off ”
Log Mag
□ e 1 ay
Phase
Po 1 ar
More
Format.
Center 70.010 MHz Span О.1OO MHz
Рис. 3. ФЧХ ПАВ-фильтра
ентов передачи отдельных узлов автогенератора увеличивают мощность амплитудных и фазовых шумов. Поэтому кратковременная нестабильность частоты реального ПАВ-генератора хуже в сравнении с расчетами по выражению (7).
Необходимо учесть, что при применении ПАВ ЛЗ с двумя встречно-штыревыми преобразователями относительная полоса пропускания ЛЗ по первым нулям амплитудно-частотной характеристики обратно пропорциональна числу пар электродов узкополосного преобразователя
(8)
/0 ЛГ'
где N — число пар электродов узкополосного преобразователя; — абсолютная полоса пропускания узкополосного преобразователя по первым нулям амплитудно-частотной характеристики. Поэтому при включении ПАВ ЛЗ в кольцо автогенератора условия баланса фаз могут выполняться для значительного количества частот в полосе пропускания, а устойчивый одночастотный режим без дополнительных внешних избирательных устройств обеспечивается при условии
->2Д/ПП, (9)
X
где т — величина запаздывания в ЛЗ.
Выполнение этого условия накладывает ограничения на возможность увеличения времени запаздывания и эквивалентной добротности ПАВ ЛЗ и, как следствие, на возможность повышения стабильности частоты ПАВ-генератора. Реализация одночастотных (одномодовых) режимов работы ПАВ-генераторов с ЛЗ ранее рассматривалась в [2, 3]. В частности, в [3] для решения подобных задач предложена ПАВ ЛЗ с расстроенными по частоте ВШП, что привело, к сожалению, к увеличению потерь.
В последние годы разработаны полосовые ПАВ-фильтры для преселекторов и трактов промежуточной частоты (ПЧ) сигнала с новой топологией встречно-штыревых преобразователей и с существенно улучшенными характеристиками [4]. Их основные достоинства следующие:
—достаточно эффективное согласование с внешними электрическими цепями без дополнительных согласующих индуктивностей;
—возможность трансформации резистивных сопротивлений преобразователей от входных клемм к выходным;
—минимизация вносимых потерь в полосе пропускания (менее 1дБ) за счет применения различных кольцевых преобразователей;
—получение ослабления в полосе задерживания до 60 — 65 дБ при однокаскадном фильтре;
—возможность разработки топологий для получения одномодового режима и, как следствие, для
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
333
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012
*
обеспечения гарантированного одночастотного режима работы генератора.
На рис. 2, 3 приведены частотные характеристики такой ПАВ ЛЗ на среднюю частоту 70, 00 МГц.
Исследования одночастотного генератора с ПАВ ЛЗ по фильтровой схеме Батлера (рис. 1) в целом подтвердили возможность получения приемлемых для практического применения характеристик. Достигнута кратковременная нестабильность частоты генератора 10-9 (без учета температурной нестабильности), а диапазон плавной перестройки частоты внешними электронными фазовращателями составляет до 25% полосы пропускания ПАВ ЛЗ.
Проведенные исследования ПАВ-генераторов дают обнадеживающие результаты и подтверждают целесообразность специального топологического проектирования ПАВ-фильтров для высокостабильных акустоэлектронных генераторов.
Библиографический список
1. Манасевич, В. Синтезаторы частот: Теория и проектирование / В. Манасевич. — М. : Связь, 1979. — 382 с.
2. Никонова, Г. С. Оценка кратковременной нестабильности частоты генератора на поверхностных акустических волнах. Одночастотный режим работы / Г. С. Никонова, И. В. Никонов // Техника радиосвязи. — 2010. — Вып. 15. — С. 100 - 106.
3. Никонов, И. В. Одномодовая линия задержки с двумя расстроенными по частоте преобразователями / И. В. Никонов // Вопросы теории и практического использования поверхностно-акустических волн : межведомствен. сб. — М. : Изд-во МЭИ, 1982. - № 2. - С. 134 -137.
4. Доберштейн, С. А. Высокоизбирательные самосогласованные фильтры на ПАВ с малыми потерями на различных срезах ниобата лития / С. А. Доберштейн, В. А. Малюхов, К. А. Николаенко // Радиоэлектроника. — 1991. — № 1. — С. 87 — 91.
АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики». НИКОНОВА Галина Сергеевна, аспирантка кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 06.03.2012 г.
© В. А. Аржанов, Г. С. Никонова
УДК б21.3.049.75 М. Е. ОСИНКИНА
Омский государственный технический университет
ПРИМЕНЕНИЕ SADT-ТЕХНОЛОГИИ В КОНСТРУИРОВАНИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
В данной статье рассмотрен современный подход к вопросу проектирования печатной платы. Проанализированы особенности конструирования печатной платы и возможности их производства, используется метод их проектирования, базирующийся на принципах SADT-методологии.
Ключевые слова: печатная плата, SADT-методология, тепловой расчет, ЭМС, топология, компоненты.
Современные многослойные печатные платы составляют две трети мирового производства печатных плат в ценовом исчислении, хотя в количественном выражении уступают одно- и двухсторонним платам. К многослойным платам предъявляют высокие требования, в том числе и для трассировки.
Существует множество программ для трассировки печатных плат, но большинство из них не выполняют полностью разводку цепей. У некоторых программ существует ограничение на использование определенного количества цепей. Также при конструировании встречаются технологические ограничения, например, выход за границы трассировки печатной платы или трассировка в зоне крепежа. Некоторые трассировщики «запрограммированы» на обеспечение 100% разводки и поэтому на платах могут быть очень длинные цепи, проложенные по всем возможным слоям печатной платы и включа-
ющие множество переходных отверстий для ветвления цепей по слоям. Из сказанного следует, что для приемлемой разводки печатной платы, удовлетворяющей технологическим и схемотехническим требованиям, следует в непростых ситуациях технологических ограничений прибегать к ручной разводке. Подчеркнем, что современные печатные платы отличаются сложностью обширной элементной базой и большим количеством цепей, поэтому разводку ведут в автоматизированном режиме программой для трассировки печатных плат, а все критические моменты прорабатывают вручную. Этими моментами являются элементы в сложном корпусе с большим количеством дифференциальных пар или микрополосковых линий передачи, которые следует просчитывать.
В современных печатных платах применяют быстродействующие полупроводниковые приборы и
