CC BY
39УДК 621.373.12
Минимизация фазового шума микроволновых синтезаторов частот выбором схем опорного генератора и ГУН
В.А. Романюк, Яр Зар Хтун
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Изложены результаты моделирования электрических схем автогенераторов СВЧ в программе Microwave Office. Цель моделирования и оптимизации - минимизация фазового шума синтезаторов частот миллиметрового диапазона длин волн. Рассмотрены варианты построения схем опорных автогенераторов и генераторов, управляемых напряжением (ГУН). Изучено влияние на фазовый шум схем включения биполярных и полевых транзисторов, цепей подачи напряжения смещения на базу и затвор транзисторов, способов включения кварцевых резонаторов, методов перестройки частоты ГУН. Предложены оптимальные схемы опорного автогенератора и ГУН миллиметрового диапазона, имеющие минимальные фазовые шумы.
Ключевые слова: синтезатор СВЧ, фазовый шум, моделирование, Microwave Office.
Уровень фазового шума выходных колебаний - один из основных параметров, определяющих качество синтезаторов частот. Весьма актуальной является задача построения синтезаторов миллиметрового диапазона длин волн, имеющих минимальные фазовые шумы. Различные подходы к решению этой задачи изложены в работах [1-3]. Синтезаторы СВЧ обычно выполняют на базе автогенераторов, охваченных цепью фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). В таких синтезаторах фазовый шум выходных колебаний определяется в значительной степени шумами автогенераторов, входящих в кольцо ФАПЧ: генератора, управляемого напряжением (ГУН) частоты fryH, и опорного автогенератора эталонной частоты /э.
В настоящей работе описаны результаты исследований, направленных на минимизацию фазового шума синтезаторов частот путем оптимизации электрических схем опорного генератора и ГУН. Спектральная плотность мощности фазового шума синтезатора зависит от частоты фазовых флуктуаций F. Если частоты флуктуаций фазы несущих колебаний малы и попадают в полосу пропускания системы ФАПЧ, то нормированная (к мощности генератора) спектральная плотность мощности фазового шума выходных колебаний синтезатора, выраженная в дБ/Гц, определяется следующим приближенным выражением
^синт = S + 20 lg N + £Дет, (1)
где S - нормированная спектральная плотность мощности фазового шума опорного генератора; N = /ГУН//э; £дет - нормированная спектральная плотность мощности фазового шума синтезатора, обусловленная шумами фазового детектора. Если частоты F шумовых флуктуаций опорного автогенератора велики и не проходят через амплитудно-частотную характеристику системы ФАПЧ, то нормированная спектральная плот© В.А. Романюк, Яр Зар Хтун, 2014
ность мощности фазового шума выходных колебаний синтезатора на этих частотах равна нормированной спектральной плотности мощности собственного шума ГУН (не охваченного системой ФАПЧ):
^синг = ^ГУН • (2)
Таким образом, с целью минимизации фазового шума синтезаторов СВЧ, учитывая (1) и (2), нужно оптимизировать электрическую схему опорного автогенератора по критерию «минимум низкочастотного фазового шума», электрическую схему ГУН - по критерию «минимум высокочастотного фазового шума» и применять высокочастотные опорные автогенераторы для снижения коэффициента N.
Цель настоящей работы - моделирование в программе Microwave Office электрических схем опорных автогенераторов и ГУН, предназначенных для микроволновых синтезаторов частот, и оптимизировать их с целью минимизации фазового шума выходных колебаний синтезатора.
Опорный автогенератор. Опорные автогенераторы выполняют на биполярных транзисторах, имеющих меньшие низкочастотные шумы, чем полевые, и стабилизируют частоту с помощью кварцевых резонаторов. Для создания малошумящего опорного автогенератора следует оптимизировать схему подачи постоянного напряжения смещения на базу транзистора, способ уменьшения влияния на генерируемую частоту изменений сопротивления нагрузки автогенератора и выбрать схему включения кварцевого резонатора.
Схемы опорных автогенераторов были настроены на частоты диапазона 80 МГц, а спектральная плотность мощности фазового шума сравнивалась при отстройке от частоты ГУН (от несущей) на F = 1 кГц. При моделировании схем опорных автогенераторов использована модель Гуммеля [4] биполярного транзистора GBJT3. Фазовый шум оценивался в программе Microwave Office с помощью команд Nonlinear, Oscillator, L_USB_F [5]. При этом измерялось отношение спектральной плотности мощности фазового шума в верхней шумовой полосе спектра автогенератора к мощности несущей частоты.
На первом этапе была оптимизирована схема автогенератора на ZC-контуре без кварцевого резонатора. Рассмотрены следующие варианты схем подачи смещения на базу: фиксированное смещение от источника коллекторного питания; комбинированная схема смещения с источником коллекторного питания и сопротивлением автоматического смещения, включенного в цепь базы (базовое автосмещение); комбинированное смещение, отличающееся от предыдущего варианта тем, что включено дополнительное сопротивление автосмещения в цепь эмиттера (эмиттерное автосмещение). Исследованы способы ослабления изменений нагрузки автогенератора на его частоту. С этой целью рассмотрены различные варианты буферных каскадов: аттенюатор, усилители на биполярных или полевых транзисторах, удвоители частоты.
На втором этапе были рассчитаны фазовые шумы автогенераторов с кварцевыми резонаторами при различных схемах включения резонаторов. В результате оптимизации, проведенной на первом этапе, определена схема ZC-автогенератора (без кварцевого резонатора), имеющая минимальный низкочастотный фазовый шум (рис.1). В оптимальной схеме применено комбинированное смещение - фиксированное, включающее источник коллекторного питания и сопротивления R2, R3, а также базовое автоматическое за счет протекания постоянного тока базы через параллельное соединение сопротивлений R2 и R3. Сопротивление R1 введено для учета потерь в контуре.
Рис.1. Оптимальная схема автогенератора на биполярном транзисторе
Несколько выше (примерно на 1 дБ) фазовый шум в схеме (см. рис.1), в которой исключено сопротивление Я3 и уменьшено сопротивление К2. Достоинство этой схемы в меньшей крутизне зависимости генерируемой частоты от напряжения питания.
На рис.2 представлены результаты измерения в компьютерной модели фазовых шумов автогенераторов с различными схемами смещения, разными буферными каскадами и различными схемами включения кварцевых резонаторов. По вертикальной оси отложена нормированная спектральная плотность мощности фазового шума автогенератора, по горизонтальной оси - частота отстройки от частоты генерации. Сравнение уровня фазового шума проведено на частоте отстройки Г = 1кГц.
Из рис.2,а следует, что в оптимальной схеме автогенератора (см. рис.1) получен наименьший уровень шума при отстройке 1 кГц. При удалении из той же схемы блокировочной индуктивности в цепи смещения фазовый шум увеличивается на 11 дБ. Если вместо блокировочной индуктивности поставить блокировочное сопротивление, то фазовый шум увеличивается примерно на 3 дБ. Опробовано комбинированное смещение при подключении в схеме на рис.1 сопротивления автосмещения последовательно с эмиттерным выводом транзистора и шунтировании его блокировочной емкостью. Фазовый шум возрос на 2 дБ по сравнению с оптимальным вариантом. Следует отметить, что в каждом варианте моделируемой схемы был установлен одинаковый режим работы транзистора по постоянному току, а параметры схемы оптимизировались по критерию «минимум фазового шума» при контроле, чтобы напряжения и токи транзистора не превышали допустимых значений.
Промоделирована схема автогенератора с заземленным (по переменному току) коллектором. Уровень фазового шума в этой схеме оказался приблизительно на 9 дБ выше уровня шума в оптимальной схеме.
При исследовании влияния на фазовый шум автогенератора вариантов буферных каскадов (см. рис.2,б) выявлено, что наименьшие фазовые шумы обеспечивает буферный каскад в виде усилителя на полевом транзисторе. Этот результат соответствует обычно применяемым схемам опорных генераторов [6]. Применение аттенюатора
Рис.2. Фазовый шум автогенераторов на биполярных транзисторах: А - оптимальная схема (см. рис. 1), □ - схема без блокировочной индуктивности Ь2, ◊ - схема, в которой блокировочная индуктивность Ь2 заменена блокировочным сопротивлением, X - схема с сопротивлением автосмещения в эмиттере (а); А - автогенератор с усилителем на полевом транзисторе, □ - автогенератор с аттенюатором 10 дБ, ◊ - автогенератор половинной частоты с удвоителем (б); □ - схема «кварц в контуре», А - схема Батлера (в)
в качестве буферного каскада помимо уменьшения выходной мощности увеличивает фазовый шум на частотах отстройки, больших 30 кГц. Выполнение автогенератора на частоту в два раза меньше требуемой с последующим ее умножением увеличивает шум приблизительно на 3 дБ. В то же время в работе [3] отмечено, что выполнение опорного автогенератора на существенно более низкую частоту с последующим включением умножителя большой кратности уменьшает фазовый шум.
На рис.2,в показаны результаты сравнения шумов двух схем кварцевых автогенераторов, образованных на базе схемы на рис.1: схема «кварц в контуре», образованная заменой индуктивности L1 кварцевым резонатором, и модифицированная схема Батле-ра [6]. Наилучшие результаты получены в схеме «кварц в контуре». При использованных параметрах кварцевого резонатора шум в этой схеме при отстройке на 1 кГц оказался на 6 дБ меньше, чем в схеме Батлера, достоинство которой в возможности создания более высокочастотных автогенераторов.
Генератор, управляемый напряжением. ГУН коротких сантиметровых и миллиметровых волн выполняют на полевых транзисторах структур MESFET или HEMT. В настоящей работе схема ГУН была оптимизирована по критерию «минимум высокочастотного фазового шума». При моделировании схем ГУН в программе Microwave Office была использована модель TOM 1 полевого структуры MESFET [7] и модель Angelov 2 для структуры HEMT [8]. С целью создания малошумящего ГУН миллиметрового диапазона длин волн исследованы схемы автогенераторов, работающих в диапазоне 18 и 36 ГГц. Сравнение различных схем проведено по уровню нормированной спектральной плотности мощности фазового шума в точке верхнего шумового спектра, отстоящей от частоты генерации на F = 1 МГц.
Для поиска оптимальной схемы ГУН исследованы следующие проблемы: схема включения транзистора, обеспечение необходимого напряжения смещения на затворе, метод электрической перестройки частоты, возможность уменьшения шума путем создания низкочастотного генератора с последующим умножением частоты. В результате выполнения первого этапа исследований получена оптимальная электрическая схема автогенератора на полевом транзисторе СВЧ (без перестройки частоты) (рис.3). Особенности схемы: транзистор включен с заземленным стоком, смещение на затвор образовано протеканием постоянного тока истока через сопротивление R2 (истоковое автосмещение), частота генерации 18 ГГц. Для поиска оптимальной схемы автогенератора опробован вариант включения транзистора в автогенератор с заземленным истоком. Результаты моделирования и оптимизации показали, что схемы включения транзистора с заземленным истоком и заземленным стоком равноценны.
DCVS ID=V1
V=8V
CAP
ID=C3
C=3pF
IND
RES ID=R2 R=164 Ohm
Рис.3. Оптимальная схема автогенератора на полевом СВЧ-транзисторе
На рис. 4 показаны зависимости нормированной спектральной плотности мощности фазового шума от частоты отстройки для различных вариантов схем автогенераторов на полевых СВЧ-транзисторах. Результаты измерения фазового шума автогенера-
Рис.4. Фазовый шум в автогенераторах на полевых СВЧ-транзисторах: А - оптимальный генератор с истоковым автосмещением (см. рис.3), □ - автогенератор с дополнительным источником постоянного напряжения, подводимого к затвору и сопротивлением автосмещения в цепи затвора, ◊ - автогенератор с истоковым автосмещением без блокировочной индуктивности (а); А - варикап включен параллельно емкости С2 в схеме на рис.3, □ - варикап включен параллельно индуктивности Ы, ◊ - варикап включен последовательно в контур, вместо емкости С2, X - перестройка частоты изменением напряжения смещения на затворе транзистора (б); А - автогенератор частоты 18 ГГц, ◊ - генератор 18 ГГц с удвоителем частоты,
□ - генератор частоты 36 ГГц (в)
тора с различными схемами смещения приведены на рис.4,а. Были исследованы схемы с подачей постоянного напряжения на затвор от отдельного источника с применением автосмещения за счет постоянного тока затвора, схема без блокировочной индуктивности L2. Наименьшие шумы имеет схема автогенератора с истоковым автосмещением и блокировочной индуктивностью, включенной последовательно с сопротивлением автосмещения, и без источника фиксированного смещения (см. рис.3). Исключение блокировочной индуктивности увеличивает шум приблизительно на 7 дБ. Применение фиксированного смещения и автосмещения в цепи затвора увеличивает шум на 3,5 дБ по сравнению с лучшим вариантом.
На втором этапе создания оптимальной схемы ГУН были исследованы различные варианты электрической перестройки частоты. Промоделированы схемы автогенераторов на базе схемы на рис.3 с варикапом, включенным параллельно индуктивности L1, параллельно емкости C2 и при включении варикапа последовательно в контур. Рассмотрена также возможность электрической перестройки частоты путем изменения напряжения смещения на затворе за счет нелинейности входной емкости транзистора затвор - исток. Результаты измерения шума в различных схемах с перестройкой частоты приведены на рис.4,6. Как видно из рисунка, для минимизации высокочастотных шумов ГУН перестройку частоты нужно осуществлять с помощью варикапа, включенного параллельно емкости контура автогенератора. При остальных способах перестройки фазовые шумы ГУН увеличиваются на 4 - 8 дБ. В рассмотренных вариантах схем в качестве варикапа бал использован полевой транзистор в диодном включении. Управляющее напряжение на варикап в диапазоне от 0 до 5 В подавалось от источника через резистивный делитель напряжения.
Исследовано два способа получения генерации в миллиметровом диапазоне: настройка ГУН на частоту 36 и 18 ГГц с последующим ее удвоением. Схемы обоих генераторов соответствуют схеме на рис.3, отличие лишь в настройке LC-контура. На рис.4,в приведены результаты измерения шума генераторов различных частот. Из рисунка следует, что фазовый шум автогенератора, настроенного непосредственно на частоту 36 ГГц, приблизительно на 10 дБ превышает выходной шум комбинации - генератор 18 ГГц плюс удвоитель частоты. Таким образом, для минимизации фазового шума СВЧ-автогенератора на полевом транзисторе целесообразно выполнить генератор на пониженной частоте и затем ее умножить.
Оптимальная электрическая схема ГУН частоты 36 ГГц, представляющая собой автогенератор 18 ГГц с удвоителем частоты, приведена на рис.5.
Результаты моделирования и оптимизации электрических схем в программе Microwave Office показали, что с целью получения минимального низкочастотного фазового шума опорного автогенератора необходимо:
- выполнять опорный автогенератор на биполярном транзисторе с буферным усилителем на полевом СВЧ-транзисторе;
- включать транзистор по схеме с заземленным эмиттером;
- применять комбинированную схему подачи напряжения смещения на базу, включающую источник коллекторного питания (с резистивным делителем напряжения или без него) и сопротивление автосмещения, включенное в цепь протекания постоянного тока базы;
- применять блокировочные индуктивности;
- применять резонатор с возможно большей добротностью (например, кварцевый);
- кварцевый резонатор включать последовательно в LC-контур.
Рис.5. Оптимальная схема ГУН миллиметрового диапазона
Для минимизации высокочастотного фазового шума СВЧ ГУН следует применять автоматическое смещение на затвор путем включения сопротивления автосмещения последовательно с блокировочной индуктивностью в цепь истока транзистора, а также осуществлять электрическую подстройку частоты включением варикапа параллельно колебательному контуру (параллельно одной их емкостей). Для создания ГУН миллиметрового диапазона необходимо выполнить автогенератор на пониженной частоте с последующим включением умножителя частоты.
Литература
1. Горевой А. Выбор генераторов для построения малошумящих СВЧ-синтезаторов // Компоненты и технологии. - 2012, № 6. - С. 12-17.
2. Ченакин А. Фазовые шумы в СВЧ-генераторах. Методы решения проблемы. Электроника: НТБ, 2011, №4. - С. 52-61.
3. Молчанов Е.Г., Очков Д.С., Силаев Е.А. и др. Гетеродины см-диапазона с низким уровнем фазовых шумов. - URL: http://rastr-radio.ru (дата обращения: 17.09.2013.).
4. Gummel H.K. and Poon H.C. An integral charge control model of bipolar transistors // Bell Syst. Tech. J. - May-June 1970. - Vol. 49. - P. 827-852.
5. MWO/AO Measurement Catalog, 2009.
6. Silaev A.E. Bogomolov V.D. Low Noise Ovenized Quarz Oscillator // Proc of the 1998 IEEE International Frequency Control Symposium (USA, Pasadena, 1998). - P. 349-352.
7. McCant A.J., McCormack G.D., Smith D.H. An Improved GaAs FET Model for SPICE // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. - June, 1990. - Vol. MTT-38. - P. 822.
8. Коколов А.А., Шеерман Ф.И., Бабак Л.И. Обзор математических моделей СВЧ полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов // Доклады ТУСУРа. - Декабрь 2010. - № 2 (22). - Ч 1, С. 118-123.
Статья поступила 30 декабря 2013 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.
