CC BY
43
DOI 10.36622^Ти.2020.16.5.017 УДК 621.32
УПРАВЛЯЕМЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ НА ФИЛЬТРАХ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ И СИНТЕЗИРОВАННОЙ НЕЛИНЕЙНОЙ ИНДУКТИВНОСТИ
М.И. Бочаров1, А.В. Володько1,2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2Международный институт компьютерных технологий, г. Воронеж, Россия
Аннотация: проведены исследования качественных характеристик однокаскадных частотно-модулированных (ЧМ) генераторов, выполненных на однокаскадном усилителе по схеме с общим коллектором и узкополосным фильтром на поверхностных акустических волнах (ПАВ) при использовании в качестве управителя частоты синтезированной нелинейной индуктивности (СНИ). Получены расчетные соотношения для определения девиации основной частоты, уровня нелинейных искажений для третьей и пятой гармоник и крутизны модуляционной характеристики, которая практически постоянна как при перестройке генератора по частоте, так и изменении уровня модулирующего сигнала. В результате этого в процессе модуляции уровень паразитной амплитудной модуляции не повышается, что обеспечивает высокую частоту спектра формируемого ЧМ радиосигнала. Проведен анализ полученных технических характеристик, который показал, что исследуемый формирователь ЧМ сигнала при управлении напряжением СНИ практически не создает сдвига центральной частоты, который приводит в процессе модуляции к уменьшению стабильности частоты. Установлено, что при девиации основной частоты около 90 кГц коэффициент нелинейных искажений по третьей и пятой гармоникам составляет менее 1 % и 0.1 % соответственно. Это соизмеримо с уровнем нелинейных искажений ЧМ генератора, в котором в качестве управителя частоты используются варакторы с резким законом изменения вольтфа-радной характеристики, обеспечивающей минимально возможные нелинейные искажения при модуляции генераторов с помощью варакторов и практически полным отсутствием этих искажений на четных гармониках
Ключевые слова: ПАВ фильтр, синтезированная нелинейная индуктивность, девиация частоты, нечетные гармоники, нелинейные искажения, крутизна модуляционной характеристики
Введение
В измерительной технике и информационно-телекоммуникационных системах различного назначения широко применяются ЧМ генераторы, выполненные на резонаторах и узкополосных фильтрах поверхностных акустических волн (ПАВ), имеющие технические характеристики, которые по ряду показателей выше по сравнению с управляемыми кварцевыми генераторами с использованием варакто-ров [1]: большие значения девиации частоты (пределов перестройки по частоте), более высокие уровни генерируемых мощностей, низкий уровень шумового излучения, высокий диапазон рабочих частот и др.
При этом в качестве управителя частоты в основном используются варакторы [1]. Однако им свойственны и существенные недостатки: достаточно высокий уровень нелинейных искажений, а небольшие искажения можно реализовать при коэффициенте нелинейности ВФХ, равным 0,5, что трудно обеспечить как технологически, так и практически, поскольку нелинейность ВФХ сильно зависит как от
© Бочаров М.И., Володько А.В., 2020
напряжения смещения, так и от уровня приложенного к варактору напряжения. Кроме этого параметры варактора нестабильны как во времени, так и при изменении температуры. Недостатком использования варакторов является и низкий уровень ВЧ генерируемых мощностей, при котором реализуется рабочий режим работы, что не отвечает требованиям построения формирователей радиосигналов современных систем связи, работающих на достаточно больших уровнях мощностей, а также позволяет реализовать и высокие качественные характеристики формирователей сигналов различного назначения.
Перспективным является реализация в диапазонах дециметровых и более коротких волн управляемых генераторов на ПАВ фильтрах, имеющих относительно узкие полосы частот с применением управителей частоты, выполненных на СНИ. Возможность расширения диапазона перестройки частоты за счет изменения реактивного сопротивления индуктивного характера известна давно [2]. Однако на практике при использовании в качестве управителей частоты нелинейных индуктивно-стей даже на относительно низких частотах возникают конструктивные и технологические трудности. Это обусловлено тем, что извест-
ные управляемые индуктивные элементы, выполненные с применением ферромагнитных материалов, имеют низкую технологичность, а на высоких частотах и очень большие потери, что существенно снижает их технические характеристики и возможности применения.
Постановка задачи
Перспективным является применение в качестве управителей частоты СНИ, выполненных с использованием индуктивных элементов с постоянной индуктивностью и электронных ключей с двусторонней проводимостью на транзисторах и полупроводниковых диодах. При этом нелинейность характеристики достигается за счет коммутации транзисторного ключа ВЧ напряжением в моменты времени, при которых протекающий ток через коммутируемую катушку индуктивности равен нулю [3]. Это состояние сохраняется и при изменении уровня управляющего сигнала иу в течение всего времени воздействии управляющего сигнала без коммутационных потерь, что позволяет выполнить управляемый генератор повышенной мощности, при которой реализуются и высокие энергетические и качественные характеристики формируемого ЧМ генератора [4].
Основные технические характеристики ЧМ генераторов на ПАВ при управлении частотой с применением СНИ рассмотрим на основе типового однокаскадного управляемого генератора, схема которого приведена на рис. 1.
С2 ПЭ1 U R3
il—I □ =—
■ф
т-
С5
Сб выход -II- >
Рис. 1. Принципиальная схема управляемого генератора
Управляемый ПАВ генератор выполнен на транзисторе УТ2, катушке индуктивности L1, ПАВ фильтре или пьезоэлементе (ПЭ)1, конденсаторах С2, С3, С4. СНИ выполнена на катушке индуктивности L2, транзисторе УТ1 и фазосдвигающей цепи Я2, С1, создающей фазовый сдвиг 900 между ВЧ током, протекающим через индуктивность L2 и ВЧ напряжением, приложенным к базе транзистора УГ1. Такая структура представляет синтезированную нелинейную индуктивность с высокой
добротностью, которая управляется маломощным низкочастотным напряжением, поступающим на ее вход [3].
При реализации ключевого режима транзистора УТ1 ВЧ напряжением изменением уровня как входного низкочастотного напряжения, так и напряжения смещения оптимальные условия работы транзистора УТ1 сохраняются до частот, на которых проявляется инерционность этого транзистора. В результате потери, вносимые в контур автогенератора, остаются постоянными вплоть до очень высоких частот, на которых не проявляется инерционность транзистора.
Решение поставленной задачи
Для выявления основных характеристик формирователя ЧМ сигналов рассмотрим случай, когда на вход генератора воздействует управляющий гармонический сигнал
u= Ec+ UF cos 2nFt ,
(1)
где Ес - напряжение смещения; - амплитуда и частота управляющего сигнала соответственно.
Зависимость управляемой индуктивности СНИ от входного напряжения (1) описывается следующим выражением [5]
Ly = Li/(1+l-arccos 9 ),
(2)
где l = Li/L2 - коэффициент; Li = L0 = const; cos 9 = (E0+UF)/UH; UH - амплитуда коммутирующего ВЧ напряжения, поступающего на базу транзистора VT1 с фазосдвигающей цепи.
Для упрощения расчетных соотношений принимаем l=2/n в этом случае при воздействии управляющего сигнала (1) синусоидальной формы после разложения функции arccos 9 [6] в степенной ряд, управляемая индуктивность определяется следующим выражением
Ly=Lo(2-0.64 uy -0.11uy3-0.05uy5)-1, (3)
где Uy=u/Un .
Суммарная (общая) индуктивность последовательного LC-контура автогенератора (рис. 1), образованного параллельным включением индуктивности L1 и управляемой индуктивности Ьу, определяется соотношением
Lz=0.33Lo(2-0.64uy-0. 11uy3-0.05uy5)-1. (4)
С учетом (3) и (4) генерируемая частота определяется следующим выражением
£=£[1-0.33 (Ц^ (2-0.64иу-0.11иу3--0.05%5)Г\ (5)
где £=(2л)_1^1пС1п)~0'5 - частота последовательного резонанса ПЭ1 (рис. 1); L1п, С1п - динамические индуктивность и емкость эквивалентной схемы ПАВ-фильтра соответственно.
С учетом (5) и при синусоидальном управляющем сигнале (1) девиация основной частоты определяется с помощью соотношения
Д£,1=0.33(Ц/Ь1п)-£1(0.32иу+0.06-иу3+
+0.033иу5). (6)
При этом девиация частоты по третьей гармонике определяется выражением
Д£,3=0.3 3 (ЪоЫ £(0.06иу3+0.03иу5),
(7)
а девиация частоты по пятой гармонике с помощью соотношения
Д£д5=0.01(Цо/Ь1п)£г%5.
(8)
Крутизна модуляционной характеристики равна отношению приращения девиации основной частоты (6) к амплитуде управляющего сигнала
Sм= 0.33(Lo/Llп)•(fl•/UF)•(0,33+0.06uy2+
+0.03иу4). (9)
Характеристики исследуемого генератора (рис. 1) зависят от соотношения между индук-тивностями L1 и L2 (параметр 1) и эквивалентной индуктивностью L1п ПАВ-фильтра. Для оценки качественных характеристик выбираем фильтр с центральной частотой £=85.38 МГц и полосой пропускания Д£= 1.4 МГц и следующими параметрами элементов контура ПАВ фильтра. Для оценки качественных характеристик выбираем ПАВ-фильтр с центральной частотой 85.38 МГц и следующими его элементами: L1п=87.65 мкГ, С1п=0.04 пФ и статической емкостью С0= 6 пФ.
При выборе номинального значения индуктивности L0 необходимо исходить из того, чтобы обеспечить достаточно большое изменение частоты при достаточно малом соотношении L0 к L1п, равном (0.04 - 0.06). В этом случае достигается оптимальная перестройка по частоте Д£ =£-£, полоса которой определяется с помощью (3).
Необходимо для оптимальной работы генератора обеспечить режим работы ключевого транзистора УТ1 с ВЧ коммутирующим напряжением около 1-2 вольт на его входе.
Для управляемого генератора с ПАВ-фильтром с приведенными выше параметрами диапазон перестройки по частоте для L0/L1п=0.05, полученный с использованием (5), приведен на рис. 2 (сплошная линия) для положительных значений иу.
Рис. 2. Перестройка по частоте и девиация основной частоты
При отрицательных значениях иу эта зависимость практически симметрична.
В этом случае обеспечивается режим работы устройства с девиацией частоты, график которой Д1д1, полученный с помощью (6), также приведен на этом рисунке (пунктирная линия).
Уровень возникающих при этом нелинейных искажений, определенный с помощью (7) и (8), описывается следующими соотношениями:
^=0.18(%2+0.09 иу4), ^=0.09- иу4.
(10) (11)
Эти зависимости приведены на рис. 3: сплошная и штриховая линии соответственно.
Рис. 3. Коэффициенты нелинейных искажений Анализ полученных результатов
Из зависимостей, приведенных на рис. 2, следует, что диапазон перестройки по частоте в пределах изменения иу= 0-0.4 составляет около 350 кГц, а линейный режим работы - до 0,3, а девиация частоты составляет 130 кГц. При этом нелинейные искажения по третьей гармонике (рис. 3) составляют около 1.5 %, а для пятой гармоники менее 0.2 %.
Кроме этого диапазон перестройки по частоте и девиацию частоты можно существенно изменять (уменьшать или увеличивать) за счет изменения номинального значения индуктивности L0 (6) управляющей индуктивности Lу3 при сохранении линейности (7) и обеспечить оптимальный режим работы.
При этом крутизна модуляционной характеристики, определяемая как отношение к амплитуде управляющего сигнала и остается практически постоянной и поэтому не возникает паразитная модуляция.
Проведенные исследования показывают, что при использовании в качестве управителя частоты СНИ с характеристикой (2) фактически нет сдвига средней генерируемой частоты, возникающего при изменении уровня управляющего сигнала при использовании в качестве управителей частоты варакторов [7]. Это обусловлено тем, что характеристика (3) СНИ является нечетной функцией. При этом уровни нелинейных искажений на нечетных гармониках формирователя [7] в оптимальном режиме и при коэффициенте нелинейности характеристики варактора, равном 0.5 (резкий переход), сопоставимы. А уровни составляющих с четными гармониками при использовании емкостных управителей выше.
Управляемые ЧМ генераторы с использованием в качестве управителя частоты СНИ являются высокочастотными, поскольку индуктивности L0 с фиксированным номиналом могут выполняться с применением ферромагнитных материалов до сотен мегагерц, а на более высоких частотах и на полосковых линиях [8]. Ограничение по использованию биполярных транзисторов в качестве ключа для реализации СНИ не столь жесткие, поскольку их переключение ВЧ сигналом происходит в моменты времени, при которых ВЧ ток, протекающий через катушку индуктивности, близок к повышению диапазона их рабочих частот, поскольку коммутационные потери в катушке L2 при переключении транзистора УТ1 высокочастотным напряжением незначительны.
Необходимо отметить, что управляемые ПАВ генераторы с применением СНИ можно реализовывать и на достаточно больших уровнях ВЧ мощностей, поскольку для этого разработаны ПАВ фильтры для эффективной работы при повышенных уровнях мощностей [9], а также катушки индуктивности с постоянным номиналом и малыми потерями вплоть до сантиметровых волн.
Заключение
Проведенные исследования показывают, что управляемые генераторы на ПАВ фильтрах при использовании в качестве управителя частоты синтезированной нелинейной индуктивности имеют более широкий диапазон перестройки, а также более низкие уровни нелинейных искажений на четных гармониках, паразитной модуляции и более высокую стабильность частоты по сравнению с генераторами, управляемыми варакторами.
В диапазоне перестройки крутизна модуляционной характеристики практически постоянна, что важно при построении ВЧ генераторов, удовлетворяющих требованиям ГОСТ.
Кроме этого в диапазонах УВЧ и нижней части СВЧ диапазона выполнение катушек с постоянной индуктивностью технически и технологически реализуемо с малыми потерями, что позволяет реализовать перестраиваемые ПАВ генераторы с более высокой стабильностью частоты.
Литература
1. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь, 1991. 264с.
2. Александров А.И. Генераторы высокочастотных колебаний. М.: Связь, 1967. 144 с.
3. А.с. 1378012 СССР, МКИ, кл. Н03 С 3/12 Управляемый напряжением генератор / М.И. Бочаров, В.С. Казаков, М.В. Клыков, О.П. Новожилов; заявл. 20.03.1986; опубл. 29.02.1989; Бюл. № 8. 3 с.; ил.
4. Бочаров М.И., Новожилов О.П. Усилитель мощности частотно-модулированных колебаний на основе мощного автогенератора с фазовой автоподстройкой частоты // Радиотехника. 2008. № 2. С. 100-104.
5. Бочаров М.И. Амплитудный модулятор на синтезированной нелинейной индуктивности // Вестник Воронеж. гос. техн. ун-та. Сер. Радиоэлектроника и системы связи. 2001. Вып.4.1. С. 27-29.
6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1980. 651 с.
7. Бочаров М.И., Рыжов А.О. ЧМ-генераторы информационно-телекоммуникационных систем на резонаторах и узкополосных фильтрах на поверхностных акустических волнах//Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т.13. №2. С.75-79.
8. Радиопередающие устройства/М.В. Балакирев, Ю.С. Вохмяков, А.В. Журиков и др.; под ред. О.А. Челнокова. М.: Радио и связь, 1982. 257 с.
9. Синицына Т.В., Прапорщиков В.В., Багдасарян А.С. Резонаторные фильтры для систем связи // Крыни-ка-2004 «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии»: материалы четырнадцатой междунар. конф. Украина, 2007. С. 472-473.
Поступила 30.08.2020; принята к публикации 22.10.2020
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 Володько Александр Владиславович - канд. техн. наук, доцент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14); Международный институт компьютерных технологий (394026, г. Воронеж, ул. Солнечная, д. 29 б), тел. +7(473)221-00-69, e-mail: zavlabvgtu@mail.ru
CONTROLLED GENERATORS ON SAW FILTERS AND OF SYNTHESIZED NONLINEAR
INDUCTANCE
M.I. Bocharov1, A.V. Volod'ko1,2
Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia international Institute of Computer Technology, Voronezh, Russia
Abstract: we investigated qualitative characteristics of the single-stage FM generators made on a single-stage amplifier according to the scheme with a common collector and a narrow-band filter on surface acoustic waves (SAW) using synthesized nonlinear inductance (SNI) as a frequency controller. We obtained the calculated ratios for base frequency deviation, level of nonlinear distortions for third and fifth harmonics and slope of modulation characteristic, which is practically constant both during generator tuning by frequency and change of level of modulating signal. As a result, during modulation, the level of parasitic amplitude modulation does not increase, which provides a high purity of the spectrum of the generated FM radio signal. We carried out an analysis of the obtained technical characteristics, which showed that the FM signal generator under the control of the SNI voltage practically does not create a central frequency shift, which leads to a decrease in frequency stability during modulation. We found that when the main frequency deviates about 90 kHz, the non-linear distortion coefficient for the third and fifth harmonics is less than 1% and 0.1%, respectively. This is comparable to the level of non-linear distortion of the FM generator, in which varactors with a sharp law of changing the voltfarade characteristic are used as a frequency controller, which provides the minimum possible non-linear distortion when modulating generators using varactors and the almost complete absence of these distortions on even harmonics
Key words: SAW filter, synthesized nonlinear inductance, frequency deviation, odd harmonics, nonlinear distortions, slope of modulation characteristic
References
1. Ryzhkov A.V., Popov V.N. "Frequency synthesizers in the radio communication technique" ("Sintezatory chastot v tekhnike radiosvyazi"), Moscow, Radio I svyaz', 1991, 264 p.
2. Aleksandrov A.I. "Generators of high-frequency oscillations" ("Generatory vysokochastotnykh kolebaniy"), Moscow, Svyaz', 1967, 144 p.
3. Bocharov M.I., Kazakov V.S., Klykov M.V., Novozhilov O.P. "Voltage controlled generator" ("Upravlyaemyy napryazheniem generator"), author's certificate 1378012 of the USSR, MKI, kl. Н03 C 3/12, 20.03.1986; publ. 29.02.1989; bul. no. 8, 3 p.
4. Bocharov M.I., Novozhilov O.P. "Power amplifier of frequency-modulated oscillations based on a powerful auto-generator with phase automatic frequency adjustment", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2008, no. 2, pp.100-104.
5. Bocharov M.I. "Amplitude modulator on synthesized nonlinear inductance", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2001, vol. 4, no. 1, pp.27-29.
6. Bronstein I.N., Semendyaev K.A. "Handbook of mathematics for engineers and students of Higher Institutions" ("Spravoch-nik po matematike dlya inzhenerov i uchashchikhsya vtuzov"), Moscow, Nauka, 1980, 651 p.
7. Bocharov M.I., Ryzhov A.O. "FM generators of information and telecommunication systems on resonators and narrow-band filters on surface acoustic waves", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2017, vol. 13, no. 2, pp.75-79.
8. Balakirev M.V., Vokhmyakov Yu.S., Zhurikov A.V. et al., ed. Chelnokov O.A. "Radio-transmitting devices" ("Radiop-eredayushchie ustroystva"), Moscow, Radio I svyaz', 1982, 257 p.
9. Sinitsyna T.V., Praporshchikov V.V., Bagdasaryan A.S. "Resonator filters for communication systems", Proc. of the Fourteenth Int. Conf.: Krynik-2004 Microwave Technology and Telecommunication Technologies (Krynika-2004 «SVCH tekhnika i tele-kommunikatsionnye tekhnologii»: materialy chetyrnadtsatoy mezhdunar. konf.), Ukraine, 2007, pp. 472-473.
Submitted 30.08.2020; revised 22.10.2020 Information about the authors
Mikhail I. Bocharov, Cand. Sc. (Technial), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), tel.: +7-960-131-32-68, e-mail komandor20132013@mail.ru
Aleksandr V. Volod'ko, Cand. Sc. (Technial), Associate Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia); International Institute of Computer Technology (29 b Solnechnaya st., Voronezh 394026, Russia), tel. +7 (473)221-00-69, e-mail: zavlabvgtu@mail.ru
