CC BY
111
стабильным коэффициентом пропорциональности напряжений, вне зависимости от текущей температуры.
Т. 1. - 828 с. Т. 2. - 942 с.
Библиографический список
1. A MOS Temperature Compensation Function Generator for TCXO Using Differential MOS Multipliers. Proc. Frequency Control Symposium, 2009 Joint with the 22nd European Frequency and Time forum. IEEE International. Besanson, France 20-24 April 2009, pp 990-993.
2. Мурасов, К. В. Применение генераторов термокомпенси-рующей функции при разработке стабильных источников опорных колебаний на основе кварцевых резонаторов / К. В. Мурасов, А. В. Косых, И. В. Хоменко // Высокие технологии и фундаментальные исследования. — Санкт-Петербург, 2010. — Т. 4. — С. 217 — 221.
3. Петров, М. Н. Моделирование компонентов и элементов интегральных схем / М. Н. Петров, Г. В. Гудков. — СПб.: Лань, 2011. - 463 с.
4. Разевиг, В .Д. Система схемотехнического моделирования Micro-CAP 5 / В. Д. Резевиг. - М.: Солон, 1997. - 273 с
5. Титце, У. Полупроводниковая схемотехника / У. Титце, К. Шенк: пер. с нем. - М.: ДМК Пресс, 2008.
МУРАСОВ Константин Владимирович, ассистент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
КОСЫХ Анатолий Владимирович, доктор технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики», проректор по научной работе.
ЗАВЬЯЛОВ Сергей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики». ЛЕПЕТАЕВ Александр Николаевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 07.04.2011 г. © К. В. Мурасов, А. В. Косых, С. А. Завьялов, А. Н. Лепетаев
уда«1 373 В. А. АРЖАНОВ
Г. С. НИКОНОВА С. А. ДОБЕРШТЕЙН
Омский государственный технический университет Омский научно-исследовательский институт приборостроения
ГЕНЕРАТОРЫ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С МАЛЫМ УРОВНЕМ ШУМОВ. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
В статье рассматриваются принципы построения генераторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Приведены топологии и частотные характеристики ПАВ линий задержки. Предложены фильтровые схемы генераторов на ПАВ. Ключевые слова: ПАВ-генераторы, ПАВ-фильтры, ПАВ-линии задержки.
Существуют различные схемы построения генераторов на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [1, 2], которые условно можно разделить на два типа. Первый представляет собой фильтровую схему, состоящую из усилителя, в цепи обратной связи которого включена ПАВ-линия задержки (ЛЗ) (рис. 1). Генерация в этой схеме возникает при балансе фаз (Др=2пп) ибалансеамплитуд(ДА> 1), где Д^и ДА сдвиг фаз и коэффициент усиления по мощности в кольце автогенератора. Для второго типа используется трехточечная схема с ПАВ-резонатором, который может включаться в ветви в качестве одного из сопротивлений 7.3 или 7-к (рис. 2). В схеме общий эмиттер (общий исток) сопротивления г, и ^должны быть либо емкостными для емкостной трехточки,
либо индуктивными (индуктивная трехточка). Генерация в схеме возникает, когда г, + + = 0, а усиление по мощности больше единицы. Емкостной или индуктивный характер сопротивления резонатора обеспечивается соответствующим характером входного сопротивления ПАВ-резонатора.
Каждая схема имеет свои достоинства и недостатки. Так, более простая трехточечная схема хорошо себя зарекомендовала с высокодобротными кварцевыми резонаторами на объемных акустических волнах (ОАВ). Для ПАВ-резонаторов, у которых добротность обычно ниже, чем у резонаторов на ОАВ, требуются усилители с большим коэффициентом усиления и, как следствие, в генераторах увеличиваются шумы.
Для фильтровой схемы можно использовать обычные ПАВ-ЛЗ с малой добротностью, согласующими элементами и специальными топологиями, обеспечивающими одномодовый (одночастотный) режим, что, однако, приводит к усложнению схемы [1]. Однако, если для АЗ использовать современные ПАВ-фильтры с малыми потерями (кольцевые структуры и двухпреобразовательные резонаторные фильтры), то схема генератора существенно упрощается и позволяет реализовать малошумящие, с малым потреблением одномодовые генераторы на ПАВ.
Кольцевой фильтр (рис. 3) состоит из входного и выходного двунаправленных встречно-штыревых преобразователей (ВШП), размещенных в параллельных акустических каналах, и двух отражательных многополосковых ответвителей (ОМПО), обеспечивающих передачу ПАВ между этими каналами [3,4].
Фильтры не требуют согласующих элементов, поскольку обеспечивают заданные активные импедансы 50 — 200 Ом в полосе пропускания за счет самосогласования, когда статическая емкость ВШП компенсируется реактивной проводимостью излучения ПАВ. Фильтры обеспечивают очень малые вносимые потери (около 1 дБ) с фазовым набегом ± 180° в относительной полосе пропускания 1,5 — 5% на срезах УХ/128°, УХ/64°, УХ/4Г1л1\1Ь03 [4]. На рис. 4 приведена измеренная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) кольцевого фильтра в тракте 50 Ом на срезе УХ/128° ШЧЬОэ в относительной полосе пропускания Д//% = 1 >5% с центральной частотойf0 = 157 МГц. Фильтр имеет вносимые потери около 1 дБ, ФЧХ, близкую к линейной в полосе пропускания, с крутизной около 90°/МГц.
В двухпреобразовательной резонаторной структуре акустическая энергия, излученная входным ВШП, локализуется выходным ВШП в пространстве (резонансной полости) между двумя отражательными решетками (ОР) [5, 6] (рис. 5, 6). Фильтры также не требуют согласующих элементов за счет самосогла-
сования и в трактах 75 — 100 Ом обеспечивают малые вносимые потери 1 — 2 дБ, с фазовым набегом ± 180° в относительной полосе пропускания 2 — 6 % на срезах УХ/42° иТаОэ, УХ/64° и УХ/41° иЫЬОэ [6] . На рис. 6 приведена АЧХ и ФЧХ двухпреобразова-тельного резонаторного фильтра на срезе УХ/42° 1ЛТа03в относительной полосе пропускания Д/У/0 = = 2% с центральной частотой /0 — 247 МГц. Фильтр имеет вносимые потери около 2 дБ, ФЧХ, близкую к линейной в полосе пропускания, с крутизной около 35°/МГц.
Известно, что для одномодового режима в ПАВ-генераторах с ЛЗ рабочая длина ЛЗ (расстояние Ь между ВШП) должна быть не меньше длины узкополосного (полосозадающего) преобразователя [ 1 ]. Тогда соседние возможные частоты генерации попадут на нули АЧХ ВШП. Как показывают расчеты, в кольцевых (рис. 3) и резонаторных (рис. 5) структурах с малыми потерями это условие легко выполняется и переходит в другую формулировку: рабочая длина ЛЗ Ь всегда меньше длины Ц ОМПО или ОР. В этом случае ОМПО и ОР— полосозадающие элементы, а их полоса пропускания всегда уже полосы пропускания входного и выходного ВШП за счет большего числа пар электродов. Тогда одночастотный режим в генераторе будет выполняться при условии
1/т>Д/
где г—величина запаздывания в ЛЗ;
Д/ = /0 / Ы— полоса пропускания ОМПО или ОР;
N — число пар электродов ОМПО или ОР.
Использование таких фильтров на ПАВ с малыми потерями и необходимым фазовым сдвигом в цепи обратной связи, позволяет реализовать одномодовые малошумящие генераторы без дополнительных элементов согласования, поскольку требуется меньшее усиление усилителя в цепи обратной связи. На кольцевых фильтрах предпочтительно создавать ПАВ-генераторы в диапазоне до 400 МГц (в этом диапазоне
ПАВ-ЛЗ (фильтр)
-У]
БК
буферный каскад
электронный фазовращатель Рис. 1. Генератор с ПАВ-ЛЗ
I
ПАВ-Zз "Ч™ резонатор
"X
5
г2
Рис. 2. Генератор с ПАВ-резонатором
ВШП
\
Вх.
\ \ /
ОМПО /
Ь/2
/ \ / \ / \ / \
Вых.
Рнс. 3. Кольцевой ПАВ-фильтр
dB
-3" V Mi asl:M :r3 1 57. 033 : MHz
-1.21 idB
Г \
/ S
N
/ \
/ 1
/
J \
1 i
Start 155.300 MHz ►2:Transm1ss1 on
-30 -135
45. 0®/
Stop 153.000 MHz Ref 0.00° С
ME as2: M ir6 1 5В. 14: 1 MHz
КЧ-5 •
à
MERS 2 4KR MHz
5: 155.БЗ S3.342°
Б> 158. 14 -174.5Г
flct ive Marker Off
Prior Menu
Start 155.300 MHz Stop 153.000 MHz
Рис. 4. АЧХ и ФЧХ кольцевого ПАВ-фильтра
вшп
Чих4,
Ц
Рис. 5. Резонаторный ПАВ-фильтр
J>1 : Transmission
Start 243.000 MHz ►2:Transmission
Phase
Stop 251.000 MHz Ref 0.00- С Rctlve
Marker Off
Мб as2: Ml сгб 2 49. 471 i MHz
\J ib - 107. 01 1°
э
Prior Menu
Start 243.000 MHz Stop 251.000 MHz
Рис. 6. АЧХ и ФЧХ резонаторного ПАВ-фильтра
фильтры имеют малые габариты и технологически не сложно реализовать ВШП и ОМПО с разным шагом электродов [4]). В диапазоне 100 —2500 МГц целесообразно применять резонаторные фильтры, в которых используются электроды с примерно одинаковым шагом и шириной в ВШП и ОР, что дает возможность их реализации на высоких частотах [5]. Кроме того, используя электронный фазовращатель в цепи обратной связи усилителя (рис. 1), можно подстраивать или перестраивать такой генератор в пределах полосы пропускания фильтра. При этом возможная перестройка генератора определяется крутизной ФЧХ фильтра, которая обратно пропорциональна его относительной полосе пропускания
Л/У/0. Для кольцевых и резонаторных фильтров А/7/0 зависит от среза иЫЬ03 и 1лТа03.
Теоретические и экспериментальные исследования ПАВ-генераторов по фильтровой схеме можно проводить по известной методике на основе анализа АЧХ и ФЧХ разомкнутой петли автогенератора [2]. Критериями генерации на центральной частоте/0 являются усиление по мощности в разомкнутой петле не менее единицы (ДА> 1) и сдвиг фаз кратный 360° (А<р= п-360°, где п = 0; ± 1; ±2). При этом целесообразно использовать представление ПАВ-структур, фазовращателя и усилителя через Б-параметры (рис. 7), так как современные измерительные приборы — анализаторы цепей — дают
л
S® S(3)
[S'i d)
Sil' S121 S21 S22
Рис. 7. Эквивалентная схема разомкнутой цепи генератора с ПАВ-ЛЗ
измеренные данные по АЧХ и ФЧХ именно в формате S-параметров. На рис. 7 S1'1, S'2', S'3' — S- матрицы ПАВ-фильтра (ПАВ-ЛЗ), фазовращателя и усилителя соответственно.
В заключение следует отметить, что на сегодняшний день ведущие мировые фирмы VECTRON (США), RFM (США), ТЕМЕХ (Франция), MURATA (Япония) [7— 10] строят генераторы на ПАВ, в том числе и управляемые напряжением, именно по фильтровой схеме (рис. 1) и получают достаточно высокие параметры. В диапазоне частот 125 МГц — 2,5 ГГц такие ПАВ-генераторы обеспечивают общую стабильность частоты от ±50-10" до ± 100-10" и фазовые шумы: — 100 дБ/Гц при отстройке 1 кГц; — 130 дБ/Гц при отстройке 10 кГц; — 150 дБ/Гц при отстройке 100 кГц. При этом размеры генераторов ле-жат в пределах от 25x12x6 мм до 5x7,5x2,5 мм.
Библиографический список
1. Зеленка, И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных Н поверхностных акустических волнах / И. Зеленка // Материалы, технология, конструкция, применение. — СПб. : Изд-во Мир, 1990. - С. 548.
2. Stehr, U. Design and Optimization of a Low Cost SAW Stabilized Fixed Frequency Oscillator / U. Stehr, B. Adler, H. Kostner // Proc. 9lh EFTF. - 1995. - P. 480-483.
3. Pollock W. Low-Loss SAW Filter Using Single-Fhase IDTs and no External Tuning / W. Pollock, J. Schofield, R. F. Milson, R. J. Murray, I. Flinn// Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. - 1983. - P.87-92.
4. Доберштейн, С. А Кольцевые фильтры на ПАВ с потерями 1 дБ / С. А Доберштейн, В. А. Малюхов // Техника радиосвязи. — 1995. - Вып. 2. - С. 143-149.
5. Morita, Т. Wideband Low Loss Double Mode SAW Filters / T. Morita, Y. Watanabe, M. Tanaka, Y. Nakazawa // Proc. IEEE Ultrasonics Symposium. - 1992. — P. 95-104.
6. Doberstein, S. A. High Frequency and High Selectivity Balanced Front-End SAW Modules for Handheld Transceivers / S. A Doberstein//Proc. IEEE Ultrasonics Symposium - 2007. - P. 1665- 1668.
7. Каталог изделий фирмы VECTRON. - URL: http:// www.vectron.com (дата обращения: 24.09.2010).
8. Каталог изделий фирмы RFM. — URL: http://www.rfm.com (дата обращения: 24.09.2010).
9. Каталог изделий фирмы ТЕМЕХ. - URL: http://www.temex.com (дата обращения: 24.09.2010).
10. Каталог изделий фирмы MURATA — URL: http://www.mu-rata.com (дата обращения: 24.09.2010).
АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидаттехнических наук, доцент кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» Омского государственного технического университета (ОмГГУ). НИКОНОВА Галина Сергеевна, аспирантка кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ.
ДОБЕРШТЕЙН Сергей Александрович, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник федерального государственного унитарного предприятия «Омский научно-исследовательский институт приборостроения».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 01.04.2011 г. © В. А. Аржанов, Г. С. Никонова, С. А. Доберштейн
Книжная полка
Основы построения систем и сетей передачи информации: учебное пособие: учебно-справочное пособие / В. В. Ломовицкий [и др.]. - М.: Горячая линия-Телеком, 2005. - 382 с. - ISBN 5-93517-201-1.
Систематизированы сведения по вопросам построения современных систем и сетей передачи информации. Приведены основные положения и рассмотрены перспективы развития систем восстановления и управления единой сети электросвязи Российской Федерации, особенности построения первичных и вторичных сетей связи, цифровой сети с интеграцией служб. Рассмотрены основные подходы и методы оценки эффективности функционирования телекоммуникационных сетей общего пользования. Книга базируется как на уже достаточно известных сведениях и подходах к построению систем и сетей передачи информации, так и содержит оригинальный материал по особенностям построения систем связи с повышенной устойчивостью к внешним воздействиям. Для студентов, обучающихся по направлению 654400 — «Телекоммуникации», может быть полезна специалистам, занимающимся эксплуатацией средств связи.
