CC BY
20
УДК 621.373
И.В. Никонов, I. V. Nikonov Г.С. Никонова, G.S. Nikonova
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПАВ УСТРОЙСТВ
THE RESTARCH CHARACTERISTICS OF SAW DEVICES
В статье приведен разработанный алгоритм проектирования ПАВ генераторов. Проведено моделирование схемы ПАВ генератора, приведены результаты некоторых экспериментов.
The article contains design algorithm developed SAW oscillators. The simulation of the SAW oscillator circuits, the results of some experiments are presented.
Ключевые слова: ПАВ-фильтры, ПАВ-резонаторы, ПАВ-линии задержки, ПАВ-генераторы
Keywords: SAW filters, SAW delay lines, SAW oscillators
В настоящее время перспективными для частотного диапазона от десятков мегагерц до единиц гигагерц считаются генераторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), которые можно изготавливать современными методами интегральной технологии. Хотя имеются публикации об успешных разработках ПАВ генераторов, но в целом задача проектирования малошумящих, одночастотных (одномодовых) генераторов решена лишь частично [1-3]. Причины этого заключаются в меньшей эквивалентной добротности ПАВ фильтров, в
недостаточной проработке методов повышения стабильности и перестройки частоты, а также в том, что при проектировании не учитываются особенности работы ПАВ фильтров, применяемых в генераторах.
Требования к внешним
Формулирование, ввод требований к ПАВ генератору
Формулирование, ввод требований к ПАВ устройству
Н Напряжение I
питания |
Центральная I
частота |
Диапазон I
перестройки |
схтялд
щ | Урове-
«с
язовые шумы
источников
внешних схем подключения
умы нагрузки
М излучения
^ конец ^
Конструктивные требования
Требования п
Дж
Технологические требования
Шумы в дальне
Экономические требования
Рис. 1. Алгоритм проектирования
В данной работе приведен разработанный алгоритм системного проектирования ПАВ генераторов (рис. 1), реализованный затем в виде программы, с использованием которого проведено моделирование ПАВ устройств. Алгоритм позволяет учесть при разработке генератора влияние схемы, в которой он будет применяться и реализовать поэтапную оптимизацию схемы генератора и конструкции ПАВ элемента для достижения требуемых параметров. Алгоритм включает этапы моделирования, на которых применялись пакеты прикладных программ (Altium desyner, Genesys, Cadence Spectre RF).
В соответствии с алгоритмом, исходя из комплекса технических требований разрабатывается топология двухполюсника (ПАВ резонатора), или четырехполюсника (ПАВ линии задержки), затем разрабатывается эквивалентная схема, моделируются частотные характеристики ПАВ устройства. Выбирается возможный вариант схемы генератора для разработанного акустоэлектронного устройства, выбираются радиоэлементы, анализируется эквивалентная схема усилителя генератора и ее соответствие параметрам ПАВ устройства. При необходимости проводятся корректировочные расчеты. На заключительных этапах анализируется модель генератора, исследуются его характеристики, при необходимости вновь проводятся корректировочные расчеты. При анализе спектра выходного сигнала генератора по разработанному алгоритму в эквивалентной схеме генератора применялись хорошо зарекомендовавшие себя в расчетах шумовые модели транзисторов. Для биполярных транзисторов применялась шумовая модель с источником теплового шума сопротивления базы и комбинированным источником дробового и фликкер шумов перехода база-эмиттер. Для полевых транзисторов применялась модель с тепловым шумом и фликкер шумом канала. Достоинством алгоритма является сравнительно небольшое количество итераций (до десяти), необходимых для разработки схемы ПАВ генератора, при выполнении в полном объеме заданных требований.
С использованием алгоритма (рис. 1) рассчитана топология одновходового ПАВ резонатора для частотного диапазона 430-450 МГц, для которого в дальнейшем разрабатывались макеты генераторов, выбрана схема генератора, исследованы спектральные характеристики выходного сигнала. Топология одновходового резонатора и его эквивалентная схема приведены на рисунках 2а, 26.
а) б)
Рис. 2. Топология и эквивалентная схема ПАВ резонатора
На рис. 2а обозначено: a - ширина волнового фронта, примерно соответствующего апертуре ВШП; 1п - длина резонансной полости; Ц - расстояние от первого элемента отражательной решетки до эффективного центра отражения решетки (реальная резонансная полость резонатора равна Мп+Ц.
На рис. 2б обозначено: Rр, Cр - динамические эквивалентные параметры резонатора; ^ - статическая емкость преобразователя; Ro - «расчетное сопротивление излучения», характеризующее эффективность отражательных решеток. Эквивалентные параметры подобных одновходовых резонаторов рассчитывались с использованием значения модуля коэффициента отражения Г0, для пьезоэлектрика.
Рассчитанные значения элементов эквивалентной схемы на частоте 434 МГц равны: Q -12000, Яр - 8 Ом; Ьр - 3,710-5 Гн; Ср - 0,3710 -14 Ф. Значение Со на анализируемой частоте (при а -100 X и для пьезоподложки, выполненной на кварце) равно Со -10- Ф.
Моделирование и экспериментальные исследования проводились для генератора, выполненного по двухкаскадной фильтровой схеме. При моделировании получены следующие характеристики генератора:
- частота генерации около 434 МГц;
- мощность в нагрузке - около 1 мВт;
- относительная мощность фазовых шумов при отстройке 10 кГц - минус 160-175 дБ/Гц, в зависимости от примененных типов транзисторов.
При экспериментальных исследованиях макета генератора анализировалась спектральная характеристика выходного сигнала. График зависимости относительной мощности фазовых шумов для различных отстроек от средней частоты генерации соответствовал результатам моделирования (при применении в генераторе таких же, как и при моделировании).
Разработанный алгоритм позволяет за счет взаимной оптимизации схемы генератора и ПАВ элемента проектировать малошумящие и минимизировать влияние внешних неблагоприятных факторов. Результаты проведенного моделирования и экспериментальных исследований показали, что генераторы на поверхностных акустических волнах, имеют значительный потенциал для улучшения характеристик.
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. - 2010. - Вып. 15. - С. 100-106.
2. Никонова, Г. С. Анализ характеристик генераторов на поверхностных акустических волнах / Г. С. Никонова, И. В. Никонов // Современные проблемы радиоэлектроники : сб. науч. тр. - 2012. - С. 407-411.
3. Никонова, Г. С. Управляемые ПАВ генераторы для систем частотного синтеза / Г. С. Никонова, И. В. Никонов // Техника радиосвязи. - 2013. - Вып. 2 (20). - С. 118-123.
