УПРАВЛЯЕМЫЕ ДВУХКАСКАДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ПАВ-ФИЛЬТРАХ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.32

УПРАВЛЯЕМЫЕ ДВУХКАСКАДНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ПАВ-ФИЛЬТРАХ М.И. Бочаров1, С.Г. Некрасов2, А.Е. Акиньшин1

воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО НКТБ «Феррит», г. Воронеж, Россия

Аннотация: к управляемым генераторам высокочастотных колебаний, используемых на высоких частотах и СВЧ, предъявляются повышенные требования по линейности модуляционных характеристик, величине девиации частоты, уровню шумового излучения и стабильности частоты. Эти противоречивые требования могут быть выполнены с использованием генераторов, выполненных на двухкаскадных усилителях и фильтрах на поверхностных акустических волнах (ПАВ). На основе анализа основных структур двухкаскадных усилителей (каскодных схем) сделано обоснование по реализации управляемого генератора на ПАВ полосовых фильтрах с применением двухкаскадных усилителей общая база - общий коллектор при токовом управлении частотой генератора барьерной емкостью варактора. Для реализации управляемых генераторов с оптимальными характеристиками предложена методика их расчета, основанная на матричном методе и применении Y-параметров, что позволяет реализовать оптимальный энергетический режим работы с минимальными нелинейными искажениями. Для оценки достоверности полученных результатов проведены моделирование и экспериментальная проверка статической модуляционной характеристики (СМХ), динамической модуляционной характеристики (ДМХ), уровня шумового излучения и нелинейных искажений. Установлено, что диапазон перестройки по частоте ПАВ-генератора составляет около 0.9 % при девиации частоты 230 кГц, уровне шумового излучения около 155 дБ/Гц при отстройке от средней частоты на 100 кГц и режимной нестабильности частоты 1.8 10-5 при изменении напряжения питания на ±5 %

Ключевые слова: ПАВ-фильтр, двухкаскадный усилитель, матричный метод, модуляционные характеристики, моделирование и экспериментальные исследования

Введение

К устройствам генерирования колебаний систем связи и измерительной техники предъявляются повышенные требования по диапазону рабочих частот, стабильности частоты и уровню нелинейных искажений и шумового излучения. Реализация этих требований во многих случаях может быть осуществлена с использованием генераторов на ПАВ-фильтрах [1...4]. Это обусловлено несколькими причинами: высокими избирательными свойствами этих устройств и технологичностью, появлением новых принципов построения ПАВ-фильтров [3.7], позволяющих существенно улучшить технические характеристики устройств на ПАВ-генераторах. Перспективным является использование и схемотехнических методов, которые также улучшают технические характеристики. В частности, в [8] исследован ПАВ-генератор, в котором для перестройки по частоте используется емкость варактора, включенного в одну из ветвей П-контура. В результате существенно расширяется полоса рабочих частот.

Постановка задачи

Перспективным является использование ПАВ-генераторов и с применением двухкас-кадных усилителей [9]. Из возможных вариантов двухкаскадных усилителей для построения управляемых генераторов наиболее целесообразным является применение усилителей типа общая база - общая база (ОБ)-(ОБ), общая база - общий коллектор (ОБ)-(ОК), общий эмиттер -общий коллектор (ОЭ)-(ОК), которые генерируют большие уровни ВЧ мощности при одинаковых потерях в фильтрах по сравнению с однокаскадными генераторами. При этом наиболее высокочастотными из приведенных структур являются генераторы, выполненные по схеме ОБ-ОБ [10]. Однако они имеют существенные недостатки: относительно небольшой уровень выходной мощности, при которой достаточно большая режимная нестабильность частоты, сложность согласования с относительно небольшим сопротивлением внешней нагрузки.

Оптимальным из приведенных структур является генераторы, выполненные по схеме ОБ-ОК. Один из вариантов принципиальной схемы такого устройства приведен на рис. 1.

© Бочаров М.И., Некрасов С.Г., Акиньшин А.Е., 2018

Рис. 1. Принципиальная схема генератора

В этой схеме на транзисторе УТ1 выполнен каскад с ОБ, а на транзисторе УТ2 каскад с ОК (эмиттерный повторитель). ПАВ-фильтр 21, варактор VD1, его барьерная емкость, которая совместно с индуктивностью катушки L2 и образует последовательный LC контур, создают цепь положительной обратной связи. Достоинством этого устройства является большая прямая проводимость при работе как при больших, так и небольших сопротивлениях внешней нагрузки 2н. Этим и обеспечивается его эффективная работа как на низких, так и на высоких частотах.

Управляющий входной сигнал подается на варактор VD1 через фильтр R4, С5. Напряжение смещения Ес передается через фильтр R5, С6. В этом устройстве оба каскада содержат 100-процентную отрицательную обратную связь, что повышает область рабочих частот. Кроме этого, за счет подключения цепи обратной связи к выходу ОК, имеющему малое выходное сопротивление, достигается более высокая стабильность частоты.

Необходимо также отметить, что возбуждение автоколебаний происходит около резонансной частоты последовательного контура, образованного статической емкостью фильтра 21, катушкой индуктивности L2, емкостью варактора VD1. Этим достигается зарядовое (токовое) управление емкостью варактора VD1. При таком соединении его кулонвольт-ная характеристика (КВХ) представляется следующим выражением

и^М(1-у)*уофк>фк 1_У]1/(1"У) - Ф:

(1)

где Су0 - емкость варактора в рабочей точке; фк - контактная разность потенциалов (0.5... 0.7 В); V - коэффициент нелинейности (0.5...1).

Для наиболее широко используемых на практике варакторов (у = 0.5) его КВХ в барьерном режиме описывается зависимостью

и^)=Су0^+(4фк )-1С

V

у0 q

(2)

Выбор метода исследования

Для определения оптимального режима возбуждения управляемого генератора воспользуемся матричным методом [11]. Для этого представим принципиальную схему (рис. 1) в виде структуры, состоящей из параллельного соединения активного (усилителя) и пассивного (цепи обратной связи) четырехполюсников. Далее с использованием Y параметров транзисторов [9] формируются матрицы проводимости усилителя и цепи обратной связи. При этом матрица проводимости усилителя имеет следующий вид

№

41

У2 . '21

Уц+У.

Уц(Т12+У22)

У -

У+У4

Уц(У21+Уц)

Уц+У4

(3)

где Уц = д11 + ] • Ьг1 — входная проводимость транзистора (дг1 —активная составляющая проводимости, Ьг1 — реактивная составляющая проводимости); У12 = д±2 + ] • Ь12 — проводимость обратной передачи (д12 —активная составляющая проводимости обратной передачи, Ь12 — реактивная составляющая проводимости обратной передачи); Уц = 921 + ] • ^21 — проводимость (крутизна S) прямой передачи (д2 ± — активная составляющая проводимости прямой передачи, Ь21 — реактивная составляющая проводимости прямой передачи); У22 = дгг + ] • Ь22 — выходная проводимость (д22 — активная составляющая выходной проводимости, Ь22 — реактивная составляющая выходной проводимости); У4 = Дэ'+Г^э1 - проводимость контура L1, С3; Яэ = Qk • Рк — эквивалентное активное сопротивление этого контура на резонансной частоте, ^Э"1- активная проводимость контура, Qk — добротность контура, рк — волновое сопротивление контура; XЭ"1 — реактивная проводимость контура;

У<ГУ11 + У12 + У21 + У22.

Матрица проводимости цепи обратной связи приводится к следующему виду

II = У1+У3 —Уз

I 11 ОС 11 —

II 1 —Уз У1 + У3

где У! = 1/Я3; У2 = 1/Я6; У3 = £3 + +]ш0Ст;

д3 = 1Д?! + гБ+гк), гъ г5, гк - сопротивления потерь ПАВ-фильтра 21, варактора и индуктивности L2 соответственно. С = С0 • Суо/(С0 + Суо) — общая (суммарная) емкость цепи обратной связи: С0 - статическая емкость фильтра 21; Суо - емкость варактора VD1.

Для составления матрицы проводимостей автогенератора сделаем следующие допущения: У21>>У12, У21>>У22, У22>>Уц, Уц>>У22, что следует из реальных значений У-параметров транзисторов [13].

С учетом принятых допущений, а также малой рассеиваемой мощности на транзисторе, чистоты спектра выходного колебания и работе транзисторов в недонапряженном режиме, матрица У-параметров управляемого генератора принимает следующий вид

1М =

Уц + у + Уз

22)

-у,-

у2 '21

Уц+Ул.

Уц+У4

У,-, У

Уц+Уд

+У1 + Уз

(5)

Для проведения анализа предположим также, что режимы работы транзисторов VT1 и VT2 по постоянному току таковы, что их параметры практически одинаковы. Влиянием внешний нагрузки 2н, конденсаторов С1, С2, С^, резисторов R1, R2, R6, R7 на условия самовозбуждения и генерированную частоту пренебрегаем. С учетом этих допущений эквивалентная схема управляемого генератора принимает вид, представленный на рис. 2.

Поскольку автоколебания возникают в режиме малого сигнала, то можно считать, что возбуждение генератора происходит при условии, что в определителе (5) действительная (реальная Д=0) и мнимая составляющие (1тД=0).

В стационарном режиме необходимо обеспечить и ненапряженный режим работы транзисторов, при котором происходит минимальное изменение реактивных параметров транзисторов, в результате достигается максимальная режимная стабильность частоты. При этом для определения оптимального режима можно использовать полигональную аппроксимацию только для крутизны проходной характеристики транзисторов. С учетом этого усредненная крутизна по первой гармонике определяется с помощью выражения

= уЛвУЧ

_1Г0.5(У11 + У1)У4 _ У4

+ У +

0.5У4(У11+У1)У3 У

+у]2 +

У1(У11 + У1)(У11 + У4) +-У-+ (6)

+(2Угц + УГ1)(УГ11 + Уг4) +

+

УцО)пСпС,

Рис. 2. Эквивалентная схема генератора

°ЬоЬУ°]0.5-,

Уз

где у-у(б)-1- коэффициент разложения по первой гармонике для угла отсечки в [10].

С использованием (6) определяется оптимальный режим работы, которому соответствует устойчивая работа устройства при минимальных нелинейных искажениях.

Генерируемая частота в устройстве (рис.1) при добротности ПАВ-фильтра, превышающей добротность фильтрующей цепи ^2, СУ0) приблизительно на порядок, как и для генератора [12], находится в области с максимальной крутизной фазочастотной характеристики ПАВ-фильтра и совпадает со скатом его амплитудно-частотной характеристи. Поэтому можно считать, что ее середина сдвинута относительно центральной частоты ПАВ-фильтра приблизительно на половину его полосы пропускания, определенной по уровню 3 дБ.

Необходимо также определить и область безынерционной работы транзисторов, в которой практически не возникают фазовые сдвиги, обусловленные влиянием паразитных реактивных элементов транзисторов. Эта область генерированных частот определяется из условия ^<0.25£; (£! - граничная частота транзистора по крутизне),

£=f/(Sr6), (7)

где fT - граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ; гб - сопротивление материала базы транзистора (справочные величины) [11].

Следует отметить, что при оптимальном выборе транзисторов безынерционный режим их работы перекрывает весь диапазон известных ПАВ-фильтров [5...7]. Так, для транзистора КТ399А [13]: fT — 1,8 ГГц, граничная частота по крутизне fs — 1,5 ГГц. Поэтому безынерционная область частот с учетом (7) находится в полосе до 450 МГц. С учетом этого при использовании транзисторов с /Г — 10 ГГц можно считать, что для генераторов с ПАВ-фильтрами [5.7] режим работы транзисторов будет безынерционным. Поэтому расчетные соотношения (5) и (6) можно упростить, исключив реактивные составляющие Y параметров транзисторов.

С использованием данной методики выполнен расчет принципиальной схемы управляемого генератора (рис. 1) в оптимальном режиме с использованием СВЧ транзисторов КТ399А [13] при потребляемом токе Ikq — 5 мА каждым транзистором и варакторе 2В124А. В качестве ПАВ-элемента выбран полосовой фильтр с параметрами: /0 — 85,38 МГц - центральная частота; динамические параметры: Li=87,65 мкГ, — 0,04 пФ, — 28,8 Ом - динамические параметры; С0 — 6 пФ - статическая емкость; полоса пропускания по уровню 3 дБ равна 1,3 МГц.

Моделирование и экспериментальные исследования

Для выявления работоспособности устройства и его основных технических характеристик проводилось моделирование устройства с использование системы AWR Microwave Office [14]. В процессе моделирования использовались библиотечные модели компонентов, имеющихся в программе. Вместо транзисторов КТ399А применены их зарубежные аналоги BFR93A, а варактор 2В124А заменен на аналог BB639.

В процессе моделирования определялись: спектр выходного ВЧ колебания, уровень сигнала основной частоты и побочных гармоник.

Установлено, что происходит устойчивое возбуждение колебаний вблизи центральной частоты ПАВ-фильтра. В результате при потребляемом токе 1к0 — 5 мА каждым транзи-

стором (рис. 1) выходная мощность составляет около 4 мВт на нагрузке 50 Ом, а уровень побочных гармоник не превышает 20 дБ. При этом ток, протекающий через транзисторы, имеет форму импульсов с в ~ 140°.

Определялись также и модуляционные характеристики: СМХ, приведенная на рис. 3.

^МГц

85

83.8 -

0 2 4 6 8 10 Ес,В

Рис. 3. Статическая модуляционная характеристика

Из рис. 3 следует, что диапазон перестройки по частоте составляет около 0.9 %, при этом диапазон линейной перестройки 0.6 %, а смещение средней частоты генерируемых колебаний от £ составляет 0.21 МГц и практически равен половине полосы пропускания ПАВ-фильтра.

Уровень шумового излучения (рис. 4) составляет около 155дБ/Гц при отстройке от центральной частоты на 100 к Гц.

О 0.2 0.4 0.6 0.8 дС.МГц

Рис. 4. Уровень шумового излучения

Экспериментально определялись динамическая модуляционная характеристика и уровень шумового излучения в ближней зоне. Установлено, что девиация частоты изменяется линейно до значения Д/Д ~ 230 кГц, а уровень шумового излучения равен 109 дБ/Гц при отстройке от генерируемой частоты на 1 кГц и 128 дБ/Гц при отстройке на 10 кГц.

Режимная нестабильность частоты при изменении напряжения питания на ± 5 % составляет 1,8 10-5.

Заключение

Для определения оптимального режима работы управляемого генератора использован матричный метод, основанный на Y параметрах элементов его принципиальной схемы. Это позволяет определить его оптимальный режим с углом осечки в ~ 120° ... 150°, минимальными нелинейными искажениями и максимальной стабильностью частоты.

Результаты моделирования показали, что двухтранзисторные управляемые генераторы, выполненные с использованием высокочастотных усилителей и ПАВ-фильтров с полосой пропускания 1,3 МГц, обеспечивают полосу перестройки 0.9 % при практически линейной модуляционной характеристике в полосе 0.6 % и уровня шумового излучения 155 дБ/Гц при отстройке от генерируемой частоты на 100 кГц.

Результаты экспериментальных исследований показали, что девиация частоты линейна до 230 кГц; уровень шумового излучения в ближней зоне составляет 98 дБ/Гц при отстройке от центральной частоты на 1 кГц и 128 дБ/Гц при отстройке на 10 кГц.

Полученные результаты свидетельствуют о достаточно большой перестройке по частоте и для данного типа генераторов, и низком уровне шумового излучения.

Литература

1. Семенов Э.А., Посадский В.Н. Развитие СВЧ техники объемных и поверхностных акустических волн // Радиотехника. 1999. № 4. С. 81-85.

2. Багдасарян А.С. Устройства на поверхностных акустических волнах. Состояние и перспективы // Национальная академия наук. Режим доступа: http://www.sci.am/.-2009

3. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь, 1991. 264 с.

4. Петухов В.К., Мальтер И.Г., Павловский О.П. Фильтры, линии задержки и автогенераторы на поверхностных акустических волнах // Радиотехника. 2006. № 3. С. 72-76.

5. Узкополосные фильтры на поверхностных акустических волнах в системах радиочастотной идентификации / А.С. Багдасарян, Ю.В. Гуляев, С.А. Никитов, С.А. Багдасарян, Т.В. Синицина // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53. № 7. С. 887-896.

6. Синицина Т.В., Прапорщиков В.В., Багдасарян А.С. Резонаторные фильтры для систем связи // Крыника-2004. СВЧ техника и телекоммуникационные технологии: материалы 14-й междунар. конф. Украина, 2007. С. 472-473.

7. Синицина Т.В., Багдасарян А.С., Егоров Р.В. ПАВ-фильтры на основе продольно-связанных структур // Электронная промышленность. Наука. Технологии. Изделия. 2004. С. 14-19.

8. Лящук А.Н., Завьялов С.А. Генераторы на поверхностных акустических волнах с широкой перестройкой по частоте // Омский научный вестник. 2011. № 3 (103). С. 300-303.

9. Уточкин Г.В. Интегральные и многотранзисторные каскады избирательных усилителей. М.: Энергия, 1978. 80 с.

10. Шитиков Г.Т., Цыганков П.Я., Орлов О.М. Высокостабильные кварцевые автогенераторы / под ред. Г.Т. Шишкова. М.: Сов. радио, 1974. 374 с.

11. Сайт http://www.angstrem.ru/

12. Бочаров М.И., Рыжов А.О. ЧМ-генераторы информационно-телекоммуникационных систем на резонаторах и узкополосных фильтров на поверхностных акустических волнах // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № 2. С. 75-79.

13. Перельман Б.Л. Полупроводниковые приборы. Справочник. М.: НТЦ Микротех, 2000. 176 с.

14. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office / под ред. В.Д. Разевига. М.: СОЛОН Пресс, 2003. 496 с.

Поступила 13.09.2018; принята к публикации 12.11.2018 Информация об авторах

Бочаров Михаил Иванович - канд. техн. наук, доцент Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 7-960-131-32-68, e-mail: komandor20132013@mail.ru Некрасов Сергей Геннадьевич - инженер, АО НКТБ «Феррит» (394066, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 179, корп. 4), тел. 8-909-215-72-67, e-mail: nec-sergio@Yandex.ru

Акиньшин Антон Евгеньевич - магистр, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), тел. 7-960-109-41-56, e-mail: antonakinshin@rambler.ru

CONTROLLABLE TWO-CASCADE GENERATORS ON SAW-FILTERS

М.I. Bocharov1, S.G. Nekrasov2, А.Е. Akin'shin1

1 Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2JS «Ferrit», Voronezh, Russia

133

Abstract: raised standarts are required for the linearity of the modulation characteristics, the magnitude of the frequency deviation, the level of noise emission and frequency stability of controlled oscillators of high-frequency oscillations used at high frequencies and microwave frequencies. These contradictory requirements can be fulfilled using generators made on two-cascade amplifiers and filters on surface acoustic waves (SAW). Based on the analysis of the basic structures of two-cascade amplifiers (cascode circuits), a justification was made for implementing a controlled generator on SAW bandpass filters using two-cascade amplifiers common base - common collector with current control of the generator frequency by the barrier capacitance of the varactor. For the implementation of controlled generators with optimal characteristics, a method of their calculation is proposed, based on the matrix method and the use of Y-parameters, which allows for an optimal energy mode of operation with minimal nonlinear distortions. To assess the reliability of the results obtained, modeling and experimental verification of the static modulation characteristic (SMC), dynamic modulation characteristic (DMC), the level of noise radiation and nonlinear distortion were carried out. It was found that the tuning range of the SAW generator frequency is about 0.9% with a frequency deviation of 230 kHz, a noise level of about -155 dB/Hz when offset from the center frequency by 100 kHz and mode instability of the frequency 1.8 10-5 when the supply voltage changes to ± 5%

Key words: SAW filter, two-cascade amplifier, matrix method, modulation characteristics, simulation and experimental studies

References

1. Semenov E.A., Posadskiy V.N. "Development of microwave technology of bulk and surface acoustic waves", Radio Engineering (Radiotekhnika), 1999, no. 4, pp. 81-85.

2. Bagdasaryan A.S. "Surface acoustic wave devices. State and prospects" ("Ustroystva na poverkhnostnykh akusticheskikh volnakh. Sostoyaniye i perspektivy"), National Academy of Science (Natsional'naya akademiya nauk), 2009, available at: http://www.sci.am/

3. Ryzhkov A.V., Popov V.N. "Frequency synthesizers in radio technology" ("Sintezatory chastot v tekhnike radiosvyazi"), Moscow, Radio i svyaz', 1991, 264 p.

4. Petukhov V.K., Malter I.G., Pavlovskiy O.P. "Filters, delay lines and oscillators on surface acoustic waves", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2006, no. 3, pp. 72-76.

5. Bagdasaryan A.S., Gulyaev Yu.V., Nikitov S.A., Bagdasaryan S.A., Sinitsina T.V. "Narrow-band filters on surface acoustic waves in radio frequency identification systems", Radio Engineering and Electronics (Radiotekhnika i elektronika), 2008, vol.53, no.7, pp. 887-896.

6. Sinitsina T.V., Praporshchikov V.V., Bagdasaryan A.S. "Resonator filters for communication systems", Proc. of the 14th intern. Ukraine conf. Krynika-2004. Microwave technology and telecommunication technologies (Krynika-2004. SVCH tekhnika i tele-kommunikatsionnyye tekhnologii: materialy 14-y mezhdunar. konf. Ukraina), 2007, pp. 472-473.

7. Sinitsina T.V., Bagdasaryan A.S., Egorov R.V. "SAW filters based on longitudinally connected structures", Electronic industry. The science. Technology. Products (Elektronnaya promyshlennost'. Nauka. Tekhnologii. Izdeliya), 2004, pp. 14-19.

8. Lyashchuk A.N., Zav'alov S.A. "Generators on surface acoustic waves with a wide frequency tuning", Omsk Scientific Herald (Omskiy nauchnyy vestnik), 2011, no. 3 (103), pp. 300-303.

9. Utochkin G.V. "Integral and multi-transistor cascades of selective amplifiers" ("Integral'nye i mnogotranzistornye kaskady izbiratel'nykh usiliteley"), Moscow, Energiya, 1978, 80 p.

10. Shitikov G.T., Tsygankov P.Ya., Orlov O.M. "Highly stable quartz oscillators" ("Vysokostabil'nye kvartsevye avtogenera-tory"), Moscow, Sov. Radio, 1974, 374 p.

11. Website http://www.angstrem.ru/

12. Bocharov M.I., Ryzhov A.O. "FM generators of information and telecommunication systems on resonators and narrowband filters on surface acoustic waves", ne Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstven-nogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol.13, no. 2, pp. 75-79.

13. Perelman B.L. "Semiconductor devices. Reference book" ("Poluprovodnikovye pribory. Spravochnik"), Moscow, NTTs Mikrotekh, 2000, 176 p.

14. Razevig V.D., Potapov Yu.V., Kurushin A.A. "Designing microwave devices using Microwave Office" ("Proektirovanie SVCH ustroystv s pomoshch'yu Microwave Office"), Moscow, SOLON Press, 2003, 496 p.

Submitted 13.09.2018; revised 12.11.2018 Information about the authors

Mikhail I Bocharov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. 7-960-131-32-68, e-mail: komandor20132013@mail.ru

Sergey G. Nekrasov, Engineer, JS "Ferrit" (179 build. 4 Moskovskiy Prospekt, Voronezh 394066, Russia), tel. 8-909-215-72-67, e-mail: nec-sergio@yandex.ru

Anton E. Akin'shin, MA, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh, 394026, Russia), tel. 7-960-109-41-56, e-mail: antonakinshin@rambler.ru