CC BY
266
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
УДК 621.373.5.001.5 д. н. ЛЯШУК
С. д. ЗДВЬЯЛОВ
Омский государственный технический университет
ГЕНЕРДТОР НД ПОВЕРХНОСТНЫХ ДКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНДХ С ШИРОКОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ПО ЧДСТОТЕ__________________________________________________
В статье проанализированы варианты построения ВЧ генераторов с использованием различных структур на поверхностно-акустических волнах (ПДВ) — резонаторов ПДВ, линий задержки (ЛЗ) ПДВ, проанализирована возможность реализации на их основе генераторов, управляемых напряжением (ПДВ ГУН). При этом одними из главных критериев при анализе ПДВ ГУНов является реализуемый диапазон перестройки по частоте, а также простота и технологичность схемного решения. Предложено техническое решение построения ГУНа на ПДВ фильтре.
Ключевые слова: поверхностно-акустическая волна; ПДВ; генератор; резонатор; фильтр; генератор, управляемый напряжением.
1. Введение
Известно применение ПАВ структур для создания эффективных генераторов, пригодных для применения в радиолокационной, связной, измерительной аппаратуре, а также для создания ударостойких ВЧ источников опорных колебаний [1, 2]. Достоинствами генераторов на ПАВ являются малые габариты, малая масса и то, что частота их колебаний без умножения лежит в диапазоне от десятков МГц до нескольких ГГц. ПАВ генераторы различаются по частоте, форме и уровню выходного сигнала, по кратковременной, долговременной и температурной нестабильности частоты, чувствительности к внешним воздействиям, массогабаритным показателям, энергопотреблению и др. Функциональным свойством генераторов является возможность управления частотой генератора, что позволяет реализовывать класс частотно-модулированных генераторов или осуществлять температурную компенсацию генератора.
2. Постановка задачи
Целью данной статьи является анализ построения генераторов на ПАВ структурах и реализация ПАВ ГУНа на основе ПАВ фильтра с широким диапазоном перестройки по частоте при сохранении стабильности и спектральной чистоты выходного колебания.
3. Генераторы на ПАВ элементах
Генераторы с элементами на ПАВ могут быть реализованы в трех вариантах [3]. В зависимости от способа взаимодействия элементов на ПАВ с активным элементом генераторы можно разделить на: генераторы с линией задержки на ПАВ, включенной в обратную связь; генераторы с резонатором на ПАВ в виде четырехполюсника (резонансным фильтром) в цепи положительной обратной связи; генераторы с резонатором на ПАВ в виде двухполюсника (аналогично схемам генераторов с пьезоэлектрическим
резонатором на объемных волнах — с кварцевым резонатором).
В генераторах с линией задержки на ПАВ используется принцип рециркуляции, основанный на использовании линии задержки на ПАВ в цепи обратной связи генератора, в которой обеспечивается усиление, достаточное для компенсации акустических потерь [4]. Для генераторов с линией задержки на ПАВ характерно то, что в качестве линии задержки используют ПАВ фильтр, вследствие необходимости обеспечения условий генерации, то есть выполнения условий баланса фаз и баланса амплитуд только на одной частоте (режим одномодового колебания), при этом параметры фильтра выбираются таким образом, чтобы его передаточная функция была равна нулю на нежелательных частотах.
Недостатком подобных схем [4] является их сложность. Как правило, кроме ПАВ фильтра в качестве линии задержки схема должна содержать согласующие четырехполюсники, широкополосные усилители, частотно-избирательные цепи, обеспечивающие модовую селекцию. Элементы согласования и селекции при этом выполняются либо на пассивных компонентах, либо с использованием избирательных усилителей.
Известные схемы генераторов с линией задержки на ПАВ [4] содержат, как правило, не менее двух транзисторов, обеспечивающих компенсацию потерь в линии задержки и согласующих элементах. Примерами подобной реализации генераторов являются патенты Ш № 4799029 Н03В 5/30, Ш № 4760352 Н03В 5/24, Ш № 4011526 Н03В 5/04, Би № 1256654 А1 Н03Н9/00, Яи № 2052888 С1 Н03В5/32.
Для осуществления возможности широкой перестройки частоты в генераторах с линией задержки на ПАВ в кольцо генерации необходимо дополнительно вводить внешний фазовращатель, обеспечивающий фазовый сдвиг до 80...90 градусов, что является достаточным дестабилизирующим фактором для получения высокой стабильности генерируемой частоты. Возможность однозначной (без перескоков)
перестройки частоты при этом, кроме введения управляемого фазовращателя в схему генератора, обеспечивается путем выбора ширины полосы пропускания ПАВ фильтра и линейностью его фазовой характеристики.
Критичность частоты подобного генератора к воздействию внешних цепей и фазовращателя зависит от крутизны и величины фазового набега в ПАВ фильтре, что определяет выбор между стабильностью частоты генератора и его способностью к модуляции или перестройке [5]. Для достижения стабильности по частоте акустический фазовый сдвиг ПАВ фильтра должен преобладать над фазовыми сдвигами в цепи обратной связи и во всех реактивных элементах генератора.
Структура генераторов с резонатором на ПАВ в виде четырехполюсника в цепи положительной обратной связи принципиально не отличается от генераторов с ПАВ линией задержки в цепи обратной связи. Разница состоит в том, что в составе генераторов ПАВ фильтр используется не в качестве линии задержки, а в качестве двухвходового резонатора ПАВ [3]. При этом отличия в схемотехнике генераторов определяются конструктивной разницей ПАВ линии задержки и ПАВ резонатора, определяющей параметры цепи обратной связи, такие как вносимое затухание (у ПАВ резонаторов оно меньше, чем у ПАВ линий задержки) и величина емкости встречноштыревых преобразователей (у ПАВ резонаторов она меньше).
Известно, что конструктивно резонатор ПАВ представляет собой пьезозвукопровод, на концах которого располагаются две обычно одинаковые отражающие решетки [6]. Решетки действуют как распределенные отражатели, между которыми образуется резонансная полость. Энергия колебаний подводится и выводится из резонансной полости встречно-штыревыми преобразователями, которых может быть один или два (одновходовый или двухвходовый ПАВ резонатор). В отличие от фильтра или линии задержки на ПАВ, где избирательные свойства определяются частотными характеристиками преобразователей, в ПАВ резонаторе преобразователи выполняют лишь роль устройств связи с резонансной полостью. Частотные свойства ПАВ резонатора определяются частотной зависимостью коэффициента отражения решеток, а также избирательными свойствами самой резонансной полости, что в общем случае определяет соответствие свойств эквивалентной электрической схемы замещения ПАВ резонатора вблизи частоты последовательного резонанса типичной характеристике параллельного колебательного контура второго рода.
Вследствие того, что резонансный промежуток ПАВ резонатора меньше, чем у ПАВ линии задержки, то свойство узкополосности, присущее ПАВ резонаторам, и определяет характерный для ПАВ генераторов с одновходовым резонатором на ПАВ в виде двухполюсника недостаток — малую перестройку частоты генератора, порядка ±400 ppm (parts per million) (US № 6239664 B1). Наиболее простые известные схемы генераторов с использованием одновходовых ПАВ резонаторов выполнены, как правило, по схеме трехточечного генератора, в которых ПАВ резонатор выполняет роль индуктивности [6].
3. Решение поставленной задачи
В качестве прототипа для решения поставленной задачи было взято техническое решение, описанное
в патенте иБ № 6674334 В1 Н03В 5/12 (рис. 1). Построение генератора, который выполнен по схеме емкостной трехточки с одновходовым ПАВ резонатором в качестве двухполюсника, интересно тем, что введенный авторами патента вход управления активностью генератора можно использовать как вход управления выходной частотой генератора. Существенным недостатком его, однако, является ограничение величины перестройки выходной частоты, что позволяет использовать вход управления только, например, в качестве корректирующего номинал выходной частоты генератора.
Задача расширения диапазона перестройки генератора на ПАВ структуре достигается тем, что в состав генератора, были введены ПАВ фильтр и П-контур, как четырехполюсники, причем входные клеммы ПАВ фильтра включены между базой транзистора и общей шиной источника, а выходные клеммы ПАВ фильтра подключены между общей шиной и входом П-контура.
Сущность технического решения поясняется рис. 2, 3, на которых приведены эквивалентная схема генератора при его двухполюсном представлении и принципиальная схема предлагаемого генератора на ПАВ фильтре.
Генератор на ПАВ фильтре работает следующим образом. В момент включения питания в генераторе выполняются условия самовозбуждения, которые удобно представить, рассматривая генератор в виде параллельного соединения двухполюсников (рис. 2) [7]: активного двухполюсника (входные клеммы активного двухполюсника — база транзистора и общий провод), выполненного на усилителе по схеме с общим коллектором с фазирующими конденсаторами, причем его входное сопротивление является отрицательным (активным) и емкостным (— Яас1 и Хас1 на рис. 2), и пассивного двухполюсника (клеммы пассивного двухполюсника — входные клеммы ПАВ фильтра со стороны активной части генератора), причем входное сопротивление ПАВ фильтра в полосе пропускания, как пассивного двухполюсника, имеет характер сопротивления потерь и индуктивности. Необходимо отметить, хотя ПАВ фильтр в схеме генератора используется как четырехполюсник (входные клеммы ПАВ фильтра нагружены на активную часть генератора, а его выходные клеммы — на П-контур), с точки зрения подключения его к активной части генератора он может рассматриваться двухполюсником с активным Яра8 и пассивным Хра8 сопротивлениями потерь (рис. 2).
Условием самовозбуждения является превышение величины отрицательного сопротивления активного двухполюсника над величиной сопротивления потерь в пассивном двухполюснике, причем генерирование колебаний осуществимо только на частоте, где равны и комплексно сопряжены реактивные части входного сопротивления активного и пассивного двухполюсников. С увеличением амплитуды генерируемых колебаний происходит ее дальнейшее ограничение, и как следствие — уменьшение значения эффективного отрицательного сопротивления активного двухполюсника до значения, при котором величина отрицательного сопротивления активного двухполюсника и сопротивления потерь пассивного двухполюсника становятся равны: |Яасі| = |Яра8|, Хас1= —Хра8.
Наступает так называемый баланс энергий, соответствующий стационарному режиму генерации, при котором энергия, выработанная за период колебания в активном двухполюснике, полностью компенсирует потери за тот же период колебания в пассивном двух-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011
Рис. 1
Рис. З
полюснике, что эквивалентно классическим условиям генерирования колебаний на основе условий баланса фаз и амплитуд.
Перестройка по частоте генератора осуществляется путем изменения величины реактивной части входного сопротивления пассивного двухполюсника (ПАВ фильтра 1), для чего выходные клеммы ПАВ фильтра 1, уже как четырехполюсника, нагружены на регулируемый П-контур 2. При изменении управляющего напряжения на входе управления частотой генератора (рис. 2) меняется емкость варикапа 3, и, соответственно, входное сопротивление П-контура
2, что в свою очередь меняет сопротивление нагрузки ПАВ фильтра 1 как четырехполюсника со стороны П-контура 2. Так как ПАВ-фильтр 1 как четырехполюсник в полосе пропускания является трансформатором сопротивления, то изменяется и его входное сопротивление, уже как двухполюсника, подключенного параллельно активной части генератора (активному двухполюснику).
Так как генерируемая частота определяется частотой, на которой выполняется условие равенства нулю суммы реактивностей входного сопротивления активного и пассивного двухполюсников, а также тем, что реактивная составляющая входного сопротивления активного двухполюсника при изменении частоты генерации остается емкостной, то величина перестройки частоты генератора на ПАВ фильтре определяется способностью реактивной части входного сопротивления пассивного двухполюсника изменяться в широких пределах, сохраняя при этом индуктивный характер. Это достигается действием напряжения на входе управления частотой генератора на изменение величины емкости варикапа 3 в П-конту-ре 2, обладающего, как известно, способностью к трансформации сопротивления в широких пределах, и, соответственно, на изменение в широких пределах входного сопротивления П-контура 2, нагруженного на клеммы ПАВ фильтра 1 как четырехполюсника
и, следовательно, на изменение входного сопротивления ПАВ фильтра 1 со стороны активной части генератора как двухполюсника. Сопротивление 4 в схеме выполняет функцию элемента, развязывающего вход
управления частотой от высокочастотной составляющей на варикапе 3. Выходной сигнал генератора через буферный усилитель 5 выдается внешним потребителям.
Генератор на ПАВ фильтре был реализован с использованием кольцевых ПАВ-фильтров с малыми потерями, имеющими линейную фазовую характеристику с шириной ±180° в полосе пропускания по уровню — 3 дБ на кристалле LiNbO3 среза YX/49° с центральной частотой полосы пропускания 178 МГц. На рис. 4, 5 показаны характеристика фазового шума предложенного генератора (рис. 4), графики зависимостей изменения крутизны управления частотой генератора и изменения выходной частоты генератора от управляющего напряжения (рис. 5, кривые 1 и 2 соответственно). Практически реализованный диапазон частот перестройки генератора на ПАВ фильтре при изменении напряжения на входе управления от 0 до 4 В составил 2,2 МГц (±6000 ppm при центральной частоте 178 МГц) (рис. 4), а значение фазового шума при отстройке 10 кГц — минус 122 дБ/Гц.
4. Выводы
Проведенный анализ вариантов построения генераторов на ПАВ структурах, а также экспериментальное исследование генератора на ПАВ фильтре [8] показали, что использование ПАВ фильтра с малыми вносимыми потерями (потерями, определяемыми при включении фильтра в его типовой схеме включения) и линейной фазовой характеристикой в полосе пропускания позволяет создавать генераторы, управляемые напряжением с перестройкой по частоте, большей, чем у возможных аналогов (по сравнению с ПАВ ГУНами на ПАВ резонаторах реализуемая перестройка может быть больше на порядок). При этом полученное схемное решение отличается простотой ввиду наличия одного активного элемента в схеме генератора. Рекомендуется использовать полученные результаты в производственной деятельности НИИ электронного приборостроения г. Омска.
Библиографический список
1. О конструктивных и технологических аспектах создания ударостойких задающих генераторов [Текст] / С. А Завьялов [и др.] // Вестник академии военных наук. — 2010. — № 3 (32). - С. 223-229.
2. Мэттьюз, Г. Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет, технология, применение) [Текст] / Г. Мэттьюз і пер. с англ. — М. і Радио и связь, 1981. — 472 с.
3. Зеленка, И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах і Материалы, технология, конструкция, применение [Текст] / И. Зеленка і пер. с чешск. — М. і Мир, 1990. — 584 с.
4. Малов, В. В. Пьезорезонансные датчики [Текст] / В. В. Ма-лов — 2-е изд., перераб. и доп. — М. і Энергоатомиздат, 1989. — 272 с.
RScS FSUP Signal Source Analyzer LOCKED
S ettings Residual Noise [T 1 ] Ph ase Detector +20 dB
Signal Frequency: 177.899017 MHz IntPHN (100,0 „ 10,0 M) -58.0 dBc
Signal Level: -3.92 dBm Residual PM 0.102®
PLL Mo de Harmonic 1 Residual FM 880.145 Hz
DUT Tuned Internal Phase Det RMS Jitter 1.5955 ps
Phase Noise [dBc/Hz] RFAtten 10 dBm-Top -50 d6c/Hz
10 kHz 100 kHz
Frequ ency Offset
— .00 Vi iiiil ; LoopBW \ Sp >ur owe I
— -90 1 , i
4. 4 ■V 100 T 110 f 120 I 130 f 140 |
— -11 — -12 — -13 — -14 — -15
Рис. 4
R8tS FSUP Signal Source Analyzer
S ettings Res alfe
Tuning Voltage Frequency Sensitivity Level Current
Vmin 0.00 V 176,428 MHz 616.51 kHz/V -3.85 dBm 7.74 mA
V current 2.00 V 177,897 MHz 709.94 kHz/V -3.93 dBm 7.74 mA
Утак 4.00 V 178,638 MHz 81.14 kHz/V -3.89 dBm 7.74 mA
Tuning Characteristics
Frequency Sensitivity
Top 179 MHz________________________________________________________________________________________________________1 MHz/V
x / 4
1 2х
O.OV 1.0 V/div 4.0 V
Tuning Voltage
Рис. 5
5. Двуполостная ПАВ-микросборка ГУНа для мобильных радиостанций диапазона частот 146-174 МГц [Текст] / С. А До-берштейн [и др.] // Техника радиосвязи : научно-технический сборник. — 2000. — вып. 5. — С. 52 — 60.
6. Дворников, А. А. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах [Текст] / А. А Дворников, В. И. Огурцов, Г. М Уткин. —М. : Радио и связь, 1983. — 136 с.
7. Завьялов, С. А. Метод моделирования генераторов, управляемых напряжением [Текст] / С. А. Завьялов, А Н. Лепетаев, А И. Собинов // Омский научный вестник. — 2006. — Вып. 6 (41). - С. 143-147.
8. Пат. 98301 и1 Российская Федерация, МПК Н 03 Н 9/00 (2006.01). Генератор ПАВ [Текст] / Завьялов С. А., Ляшук А. Н. ; заявитель и патентообладатель Омский государственный тех-
нический университет. — № 2010114993/09 ; заявл. 14.04.2010 ; опубл. 10.10.2010, Бюл. № 28. — 2 с. : ил.
ЛЯШУК Алексей Николаевич, инженер НИЧ, кафедра «Радиотехнические устройства и системы диагностики» .
Адрес для переписки : e-mail : [email protected]. ЗАВЬЯЛОВ Сергей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: e-mail : [email protected]
Статья поступила в редакцию 06.05.2011 г.
©А. Н. Ляшук, С. А. Завьялов
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
