CC BY
36
Огляди
УДК 621.373.12: 621.396.61: 621.396.62
ВИКОРИСТАННЯ ПРИНЦИПУ N-push ДЛЯ ПОБУДОВИ МАЛОШУМЛЯЧИХ ТРАНЗИСТОРНИХ НВЧ ГЕНЕРАТОРІВ
Коцержинський Б. О.
У діапазоні НВЧ створення малошумлячих генераторів із достатньою вихідною потужністю у інтегральному або гібридно-інтегральному виконанні наштовхується на труднощі реалізації на кристалі схемних елементів для отримання коливальної системи (КС) генератора з високою добротністю та малошумлячих транзисторів, бо із зростанням частоти добротність КС зменшується, а шуми транзисторів збільшуються. Побудова генераторів на основі помноження частоти має суттєві недоліки: збільшення шумів пропорційно коефіцієнту помноження та зменшення вихідної потужності. Принцип N-push генераторів [1] полягає у використанні N ідентичних або синхронізованих генераторів коливань із багатим набором гармонік, які працюють на один спільний елемент , у якому одні гармоніки додаються у фазі, а інші у протилежній фазі. Спільна робота генераторів приводить до зменшення шумів у N разів [2], а отримання М гармоніки збільшує шуми у М разів. Розробка генераторів на меншу у М разів частоту дозволяє отримати простішу топологію генераторів, КС з більшою добротністю та реалізувати транзистори з меншим рівнем шумів та більшою потужністю. Зменшений також вплив навантаження на роботу ядра генератора, бо вихід генератора є віртуальним нулем для основної гармоніки.
Розробникам N-push генераторів доводиться вирішувати такі задачі: як отримати N - генераторних секцій із когерентними коливаннями та різними фазами , як збільшити коефіцієнт перетворення для М-ої гармоніки, тобто як отримати коливання із достатнім вмістом цієї гармоніки і який вибрати елемент для додавання коливань N генераторних секцій, як збільшити вихідну потужність та на яких транзисторах все це реалізувати.
Найбільшого поширення набули подвоювачі частоти. Дві взаємно синхронізовані генераторні секції Колпіттса на біполярних транзисторах з ємніснім зв’язком емітерних виводів працюють на спільне навантаження (без додаткового суматору ) і забезпечують монолітному генераторові такі параметри: частота сигналу 38 ГГц, рівень фазового шуму -89 дБн/Гц при відстроюванні частоти на 100 кГц [3].
Генератори за аналогічною схемою на польових транзисторах із зв’язаними стоками, але з використанням замість спільного навантаження кола, оптимізованого на максимум потужності на вихідній частоті (рис.1), мають такі параметри: на частоті 94(135) ГГц вихідна потужність сигналу 1(0) дБмВт, рівень фазового шуму -84 дБн/Гц при відстроюванні частоти на 1 МГц, придушення основної гармоніки 35(25) дБ, можливе перестрою-вання частоти 3(4) ГГц зі зміною вихідної потужності на 4 дБмВт [4] (у
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" 123
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Огляди
дужках параметри для 135 ГГц). Як довели попередні дослідження авторів [4], генератори із зв’язком транзисторних секцій через витоки мають більш складну топологію і розміри кристалу та меншу вихідну потужність.
Значна група генераторів фіксованої та змінної частот використовує диференціальні та балансні пе-рехрестно-зв’язані транзисторні пари із різною реалізацією взаємного зв’язку. Генератори у працях [5,6] побудовані за простою схемою (рис.2) на польових транзисторах. Спільна коливальна система створена паразитними ємностями транзисторів та багатошаровими індуктивностями. Вихідний вузол розташований у центрі індуктивності (віртуальне заземлення для основної гармоніки та відкрите коло для другої). У ньому сигнали основної гармоніки компенсують один одного завдяки 180о різниці фаз , сигнали другої гармоніки подвоюються.
Монолітний генератор [6] на частоті 30,9 ГГц забезпечує 4 дБмВт вихідної потужності при споживанні 117,5 мВт, його фазовий шум становить -102,3 дБн/Гц при відстроюванні частоти на 1 МГц, рівень основної гармоніки -30 дБ.
У генераторі [7] для створення монолітного кристалу використовуються планарні лінії, ємності і резистори та спіральні індуктивності у балансній транзисторній парі на біполярних транзисторах (рис.3). Доведено, що найкращі результати можна от римати зі зв’язком генераторних секцій через емітери у порівнянні зі зв’язками через колектори або бази. Використаний ємнісний зв’язок із додаванням відрізка лінії для забезпечення 180о фазового зсуву. Постійний струм емітера організує струмове дзеркало, живлення бази з дільника напруги. У колекторних колах використані планарні резонатори. Генератор може перестро-юватися у діапазоні 63...72 ГГц при вихідній потужності 1,8... 1,6 дБмВт, забезпечуючи фазовий шум на рівні -103 дБн/Гц при відстроюванні частоти на 1 МГц.
124
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Огляди
Генераторні секції по-двоювачів частоти можуть бути зв’язані для взаємної синхронізації за допомогою компланарних ліній. Вихідні сигнали секцій із 180о різницею фаз подаються на суматор. Опис таких генераторів наведений у [8].
Гібридний генератор (рис.4) використовує біполярні транзистори, колектори яких зв’язані мік-росмужковою лінією (МСЛ) .Відрізки МСЛ
приєднані до виводів баз. Вихідні сигнали секцій додаються у суматорі Віл-кінсона, оптимізованого
для роботи на вихідній частоті 58 ГГц.
При вихідній потужності 1 дБмВт фазовий шум на рівні -108 дБн/Гц при відстроюванні частоти на 1 МГц. Генератор із зв’язком між емітерами транзисторів має схожі параметри. Розрахунок генераторів був виконаний із використанням нелінійних моделей і стандартних методів комп’ютерного проектування.
Перспективна конфігурація генераторів, у яких генераторні секції підключаються до спільного резонатора. У гібридному генераторі [9] задія-
ний спільний ттті-
7.85 іТИГі
Рис. 4
Рис. 5
линний кільцевий резонатор, довжина якого дорівнює довжині хвилі основної гармоніки (рис.5).
Генераторні секції на польових транзисторах приєднуються до резонатора у точках із максимальною на-
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
125
Огляди
пругою і протилежними фазами ("port 1" i "port 2" на рис. 5, 6). У точці "port 3" (рис. 5, 6) сигнали основної і непарних гармонік суттєво зменшені, а бажана друга гармоніка збільшена. Генераторні секції працюють синхронно на однаковій частоті 8 ГГц, з однаковими амплітудами коливань та протилежними фазами, що є ідеальним для реалізації push-push генератора. Вони зв’язані із резонатором через відкриті відрізки МСЛ.
Польові транзистори працюють у нелінійному режимі для отримання більшої потужності на другій гармоніці.
Для стабілізації резонансного режиму використані замкнені відрізки МСЛ. Генератор забезпечує на частоті 16 ГГц 10 дБмВт вихідної потужності, рівень фазового шуму -103,8 дБн/Гц (відстроювання частоти—100 кГц), -121,3 дБн/Гц відстроювання частоти — 1 МГц). Досягнуті такі рівні зайвих гармонік: основної -37,5 дБ, третьої -40 дБ, четвертої -42,2 дБ. Вони обумовлені симетрією топології генератора.
За розглянутим принципом був створений гібридний генератор із виходом на четверту гармоніку (рис.7) [10]. Генераторні секції працюють на частоті 9 ГГц. Ненавантажена добротність МСЛ резонатора, довжина якого дорівнює довжині хвилі 1-ї гармоніки, — 46. У точках 1,2,3,4 тільки коли-
Рис.6 Розподіл напруги вздовж резонатора
126
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Огляди
вання 4-ї гармоніки мають однакові фази, вони об’єднуються у центрі резонатора за допомогою відрізків МСЛ. Отримані такі параметри: частота вихідного сигналу 35,8 ГГц, потужність 1,67 дБмВт , фазовий шум - 82,3 дБн/Гц (відстроювання частоти на 100 кГц) та -104 дБн/Гц (відстроювання частоти на 1 МГц), рівні гармонік: 1-ї -18 дБ , 2-ї -17,9 дБ, 3-ї -17,8 дБ, 5-ї -35,5 дБ.
Генератори з діелектричним резонатором за схемою, подібною зображеній на рис.8, мало пристосовані для монолітної реалізації у міліметровому діапазоні.
П-подібні МСЛ резонатори (hair-pin) знаходять застосування у монолітних генераторах з фіксованою та керованою напругою частотою [11,12]. Простий монолітний push-push генератор [11] використовує такий резонатор , зв’язаний із генераторними секціями МСЛ із хвилевим опором 50 Ом. У суматорі хвилевий опір МСЛ 100 Ом для основної гармоніки та 50 Ом для другої. На частоті 18 ГГц вихідна потужність сигналу -1,67 дБмВт , фазовий шум становить -90 дБн/Гц (відстроювання частоти на 100 кГц).
Вихідна потужність М-ї гармоніки push-push генератора залежить від форми коливань генераторних секцій та наявності достатньої М-ї гармоніки. У свою чергу форма коливань впливає на рівень фазового шуму генератора. Доведено, що зменшення рівня шуму у N разів у генераторі із N секціями можливе тільки при його ретельній розробці [13]. Для зменшення впливу 1/f шумів транзисторів на шуми генератора - подвоювача форма коливань генераторних секцій повинна бути симетричною з однаковими фазами гармонік. У генераторах із потроєнням частоти коливання генераторних секцій не повинні мати парних гармонік. Два подвоювачі частоти були створені із симетричною і асиметричною формами коливань на стоках транзисторів (рис.9) за допомогою відповідного вибору довжини відрізка МСЛ зворотного зв’язку. Ре-
Рис. 9
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
127
Огляди
зультати випробувань: f = 5,62 (5,77) ГГц; Pout=2,9 (1,9) дБмВт; рівні гармонік: основної -20(-19) дБ, третьої -24(-18) дБ.
Фазовий шум у генераторі з симетричною формою коливань на 15 дБ менше шуму генератора з асиметричною формою коливань (відстроювання частоти 100 кГц). Для генераторів із потроєнням частоти різниця становить 15-17 дБ (за теоретичними розрахунками 26 дБ).
Побудова N-push генераторів дає можливість значно покращати параметри транзисторних генераторів , освоїти весь міліметровий діапазон [14]. Багато керованих напругою генераторів створено саме за розглянутим принципом.
Література
1. Yen S., Chu T. An N-harmonic Oscillator Using An N-push Coupled Oscillator Array with Voltage-clambing Circuits//IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest.-2003.-P.1175-1179.
2. Chang H., Cao X., Mistra U., York R. Phase Noise in Coupled Oscillatotrs: Theory and Experiment // IEEE Trans. MTT.-1997.-V.45.- №5.-P. 604-614.
3. Schott M., Ruhnert H., Lenk F., Hilsenbeck J., Wurfl J. 38 GHz Push-Push GaAs-HBT MMIC Oscillator // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest .-2002.-P.839-842.
4. Kudszus S., Haydl W., Tessmann A., Bronner W., Schlectweg M. Push-Push Oscslla-tors for 94 and 140 GHz Applications Using Standard Pseudomorphic GaAs HEMTs // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest .-2001.-P.1571-1574.
5. Wang T., Liu R, Chang H., Lu L. A 22-GHz Push-Push Osdllator Using Micro-machined Inductors // IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.-2005.-V.15.-№ 12. -P.859-861.
6. Wang T., Liu R. A 30-GHz Low-Phase-Noise 0.35-pm CMOS Push-Push Oscsllator Using Micromachined Inductors // IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig. 2006. P.569-572.
7. Wanner R., Schafer H., Lachner R. A Fully Integrated 70 GHz Low Phase Noise Push-Push Oscsllator // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest .-2005.-P.1523-1526.
8. Sinnesdichler F. Hydrid Millimeter-Wave Push-Push Oscillators Using Silicon-Germanium HBTs // IEEE Trans. MTT.-2003.-V.51.- №2.-P. 422-430.
9. Xiao H., Tanaka T., Aikawa M. A Low Phase Noise Ku-Band Push-Push Osdllator Using Slot Ring Resonator // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig.-2004.-P.1333-1336.
10. Xiao H., Tanaka T., Aikawa M. A Ka-Band Quadruple-Push Oscillator // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest .-2003.-P.889-892.
11. Hyun A., Kim H., Park J., Kim J., Lee J. K-Band Hair-pin ResonatorOscillators // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Digest.-1999.-P.1-4.
12. Hwang C., Lee J., Kim J. Simple K-band MMIC VCO Utilizing a Miniaturized Hairpin Resonator and a Three-Terminal p-HEMT Varactor With Low Phase Noise and High Output Power Properties // IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. - 2003. - № 6. - P.229-231.
13. Choi J., Mortazawi A. Design of Push-Push and Triple-Push Oscillators for Reducing 1/f Noise Upconversion // IEEE Trans. MTT.-2005.-V.53.- №11.-P.3407-3413.
14. Baeyens Y. Highly Efficient Harmonically Tuned InP D-HBT Push-Push Oscillators Operating up to 287 GHz // IEEE MTT-S Int.Microw.Symp.Digiest.-2007. - P.341-344.
128
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
Огляди
Коцержинський О.Б. Використання принципу N-push для створення малошумлячих транзисторних НВЧ генераторів. Розглянуті особливості та переваги використання принципу N-push для побудови транзисторних генераторів у сантиметровому та міліметровому діапазонах довжин хвиль.
Ключові слова: мікрохвильовий генератор, фазовий шум_____________________________
Коцержинский Б.А. Использование принципа N-push для создания малошумящих транзисторных СВЧ генераторов. Рассмотрены особенности и преимущества использования принципа N-push для построения транзисторных генераторов в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн
Ключевые слова: микроволновый генератор, фазовый шум_____________________________
Kotserjinsky B.O. Using N-push principle for the microwave transistor oscillators design.
The features and advantages of the N-push microwave transistor oscillators design are discussed
Key words: microwave generator, phase noise______________________________________
Вісник Національного технічного університету України "КПІ" Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування.-2009.-№38
129
