Научная статья на тему 'Исследование характеристик генераторов на поверхностных акустических волнах'

Исследование характеристик генераторов на поверхностных акустических волнах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
696
164
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПАВ-ФИЛЬТРЫ / ПАВ-РЕЗОНАТОРЫ / ПАВ-ЛИНИИ ЗАДЕРЖКИ / ПАВ-ГЕНЕРАТОРЫ / SAW FILTERS / SAW DELAY LINES / SAW OSCILLATORS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Никонова Галина Сергеевна, Аржанов Валерий Андреевич

В статье проведен сравнительный анализ разработок генераторов с ПАВ-резонаторами и линиями задержки. Приведены частотные характеристики ПАВ-линии задержки с малыми потерями и характеристики одночастотного генератора.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The analysis of characteristics of SAW oscillators

In the article the comparative analysis of the development of oscillators with SAW resonators and delay lines is carried out. Frequency characteristics of low loss SAW delay lines and characteristics of a single-frequency oscillator are presented.

Текст научной работы на тему «Исследование характеристик генераторов на поверхностных акустических волнах»

УДК 621.373

Г. С. НИКОНОВА щ В. А. АРЖАНОВ И

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

В статье проведен сравнительный анализ разработок генераторов с ПАВ-резо-наторами и линиями задержки. Приведены частотные характеристики ПАВ-линии задержки с малыми потерями и характеристики одночастотного генератора. Ключевые слова: ПАВ-фильтры, ПАВ-резонаторы, ПАВ-линии задержки, ПАВ-гене-раторы.

В последнее десятилетие в России, как и в других странах мира, интенсивно ведутся разработки при-емо-передающей аппаратуры в диапазоне частот от 106 до 2-109 Гц. В радиоаппаратуре коротковолнового диапазона успешно применяются серийно выпускаемые генераторы с кварцевыми резонаторами на ОАВ, обеспечивающие кратковременную нестабильность частоты до 10-12 (без учета температурной и режимной нестабильности) [1]. Однако генераторы с кварцевыми резонаторами на ОАВ не могут применяться в качестве генераторов с широкой частотной перестройкой, а умножение частоты таких генераторов от 1 МГц до 1 ГГц увеличивает мощность шума выходного сигнала устройства на 60 дБ. Тем не менее генераторы с кварцевыми резонаторами на ОАВ, а также RC-генераторы и LC-генераторы, имеющие худшие характеристики по нестабильности частоты (10-3—10-6), применяются и в новых радиотехнических устройствах для частотного диапазона от 107 до 2-109 Гц. Однако в этом частотном диапазоне могут успешно использоваться более технологичные генераторы с устройствами на поверхностных акустических волнах (ПАВ-генераторы).

Это противоречие связано, в частности, с тем, что сравнительно успешные исследования в области акустоэлектроники поверхностных акустических волн относятся лишь к проектированию ПАВ-фильтров. В частности, разрабатываются различные методики проектирования ПАВ-фильтров, делаются попытки применения в ПАВ-фильтрах других типов акустических волн, исследуется возможность получения достаточно эффективной перестройки по частоте и полосе пропускания. Поэтому большинство разработчиков ПАВ-генераторов используют ПАВ-фильтры как покупные радиокомпоненты, не учитывая специфику работы таких фильтров, их возможные параметры, температурные, различные вторичные эффекты, которые влияют на характеристики генераторов. В немногочисленных исследованиях ПАВ-генераторов, описанных в российских публикациях, даже не анализируется возможность одномодового или многомодового режима работы генератора (в дальнейшем термин «одномодовый режим» будет означать выполнение условия баланса фаз генератора для одной частоты в полосе пропу-

скания ПАВ-фильтра, а термин «многомодовый» — для нескольких частот). В этой связи основные характеристики новых разрабатываемых генераторов с ПАВ-линиями задержки (ПАВ ЛЗ), описанные в открытых публикациях для частот 10 — 50 МГц, мало изменились в сравнении с характеристиками подобных генераторов двадцатилетней давности и соответствуют примерно следующим значениям [2]: ґ ,

Af fo.

10-8 относительная кратковремен-

ПАВ

ная нестабильность частоты 1мс;

за время измерения

—£>¥ПДВ«130 дБ/Гц относительная мощность фазовых шумов при отстройке от средней частоты генерации на 10 кГц.

У разработанных и серийно выпускаемых зарубежных ПАВ-генераторов с резонаторами для частот генерации выше 100 МГц, где удается получить эквивалентную добротность резонатора 103 — 2-104 при приемлемых размерах пьезоподложки, достигнутые характеристики несколько лучше — за счет более высокой добротности частотно-избирательного устройства. В частности, фирма Micro Networks выпускает ПАВ-генераторы (например, модель PLO-800—100) на частоты от 100 МГц до 2 ГГц с малыми шумами и с возможностью электронной перестройки частоты в небольших пределах. Типовые характеристики таких генераторов в указанном частотном диапазоне следующие:

дБ/Гц при отстройке более

10 кГц

3^(130-135)

'и'

*(10

-8

10

что все же хуже по-

ПАВ

добных характеристик опорных генераторов с кварцевыми резонаторами на ОАВ для нижней границы рассматриваемого частотного диапазона. Характеристики таких генераторов лучше характеристик генераторов с кварцевыми резонаторами на ОАВ лишь на частотах выше 500 МГц, где удается получить более высокую добротность резонаторов.

Для улучшения характеристик опорных и управляемых ПАВ-генераторов в диапазоне 107 — 2-109 Гц необходимо решить следующие задачи:

1.Определить предельные эквивалентные добротности ПАВ ЛЗ и ПАВ-резонаторов в данном частотном диапазоне при приемлемых размерах

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

пьезоподложек. Оценить возможность применения конкретных ПАВ-фильтров (линий задержки и резонаторов) в различных частотных интервалах рассматриваемого частотного диапазона с максимальной эквивалентной добротностью.

2.Проанализировать вносимые потери в ПАВ ЛЗ и ПАВ-резонаторах при различных топологиях преобразователей.

3.Разработать ПАВ ЛЗ, имеющие минимальные вносимые потери и обеспечивающие при этом устойчивый одномодовый режим работы генератора.

4.Разработать модель и методику анализа стабильности частоты ПАВ-генераторов, учитывающую влияние эквивалентной добротности и вносимых потерь ПАВ-фильтра. Исследовать практические схемы генераторов.

В данной статье приводится обзор некоторых авторских исследований ПАВ-генераторов для частотного диапазона 10-400 МГц, в которых решались перечисленные выше задачи.

1.В диапазоне частот 10 — 400 МГц для пьезоподложки с габаритами не более10х15х1 мм определены предельные значения добротности ПАВ ЛЗ (ОЛЗ) и ПАВ-резонаторов (0РЕЗ) — из условия эквивалентности ПАВ-структуры избирательному контуру. Изменения фазочастотной характеристики (АТ) ПАВ ЛЗ вблизи резонансной частоты определяются выражением:

АТ=т(ю+Аю)—т(ю—Аю)=2Ают,

(1)

а для избирательного контура подобные изменения АТ равны

АЧ<» 20 (Ш° + АЮ)-20 (Ю° ~ АЮ) » 40^ ■

ю0

Отсюда получаем

ю0

“о

0лз=0,5(о0т=100—4000

0ЛЗ=0,5ю0т(р)=10—10000.

(2)

(3)

(4)

ФМТр/(1—Р).

(5)

Меньшие значения добротности в (3,4) соответствуют частоте 10 МГц, а большие — частоте 400 МГц при т=3 мкс. На частоте 300 МГц расчетные значения добротности линии задержки и резонатора примерно одинаковы (0=3000).

2.Для упрощенной нелинейной модели генератора, при условии 0>10, проведен анализ кратковременной нестабильности частоты генератора с

ПАВ-устройствами (ПАВ ЛЗ и ПАВ резонаторами) по приближенным выражениям [2]

(—)к—“ /0 20э

(6)

R3

4" т

R5

и вых

Рис. 1. ПАВ-генератор по схеме Батлера

1

(—)«- „ 2

/о к-(Оэ)2

(7)

Здесь т — постоянное время задержки ПАВ-устройства (время задержи между ВШП или между ВШП и отражательной структурой);

р — коэффициент отражения отражательных структур резонатора, зависящий от возможности их эффективного выполнения на разных частотах;

т(р) — эквивалентное время задержки резонатора, в первом приближении пропорциональное коэффициенту отражения отражательных структур:

где 0'Э — эквивалентная добротность ПАВ-устройства с учетом влияния внешних цепей, АТ — флуктуации ФЧХ ПАВ-устройства; к — коэффициент, учитывающий мощность полезного сигнала, частоту анализа, температуру.

Для конкретной схемной реализации генератора (общая база — общий коллектор) (рис. 1), при мощности полезного сигнала 0,2 мВт и для частоты анализа, соответствующей їа=1кГц, к&100.

В соответствии с выражением (7) рассчитанная кратковременная нестабильность частоты генератора с ПАВ ЛЗ составляет

(—)я5-10~10 — при 0=4000, на частоте 400 МГц,

*0

М с

(—)«10 — при 0=100, на частоте 10 МГц.

А)

На частоте 300 МГц кратковременная нестабильность частоты генератора с ПАВ-резонатором аналогична нестабильности частоты генератора с ПАВ ЛЗ. На частотах ниже 100 МГц при указанных выше размерах пьезоподложки резонатор с отражательными решетками и достаточно хорошими характеристиками выполнить невозможно. Поэтому для частот ниже 200 — 300 МГц целесообразно разрабатывать и применять ПАВ-генераторы только с линиями задержки.

3.При рассмотренном выше приближенном анализе кратковременной нестабильности частоты генераторов приняты следующие допущения: коэффициенты передачи ПАВ-устройств по мощности приняты равными единице; характеристика избирательной цепи автогенератора не учитывается в оценке кратковременной нестабильности частоты; баланс амплитуд автоматически выполняется для всех анализируемых частот генераторов; сопротивления преобразователей ПАВ-устройств согласованы с сопротивлениями внешних цепей по условию передачи максимальной мощности, которая близка к условию согласования по шумам.

Однако в типовых схемах ПАВ-генераторов (например, рис. 1) при применении обычных ПАВ ЛЗ с двунаправленными преобразователями, даже при согласовании линий задержки по мощности с помощью внешних цепей, потери мощности могут составлять более 6—12 дБ. Такие потери мощности определяются двунаправленностью излучения обычных двунаправленных встречно-штыревых преобразователей. В итоге, потери мощности в ПАВ-устройствах уменьшают амплитуду сигнала генератора (отношение сигнал/шум), а также из-за случайного характера изменений коэффици-

+

-2,639 Е+00 -1.264Е+01 -2,264Е+01 -3,264Е+01 -4,264Е+01 -5,264Е+01 -6,264Е+01 -7,264Е+01 -6,264Е+01 -9,264Е+01

6,97Е+07 6,98Е+07 6,99Е+07 7,00Е+07 7,01 Е+07 7,02Е+07 7,03Е+07

Frequency (Hz)

Рис. 2. Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-фильтра

► 1 : Тransmission Phase 45.0°/ Ref 0.00° С FORMRT

2: Off ”

Log Mag

□ e 1 ay

Phase

Po 1 ar

More

Format.

Center 70.010 MHz Span О.1OO MHz

Рис. 3. ФЧХ ПАВ-фильтра

ентов передачи отдельных узлов автогенератора увеличивают мощность амплитудных и фазовых шумов. Поэтому кратковременная нестабильность частоты реального ПАВ-генератора хуже в сравнении с расчетами по выражению (7).

Необходимо учесть, что при применении ПАВ ЛЗ с двумя встречно-штыревыми преобразователями относительная полоса пропускания ЛЗ по первым нулям амплитудно-частотной характеристики обратно пропорциональна числу пар электродов узкополосного преобразователя

(8)

/0 ЛГ'

где N — число пар электродов узкополосного преобразователя; — абсолютная полоса пропускания узкополосного преобразователя по первым нулям амплитудно-частотной характеристики. Поэтому при включении ПАВ ЛЗ в кольцо автогенератора условия баланса фаз могут выполняться для значительного количества частот в полосе пропускания, а устойчивый одночастотный режим без дополнительных внешних избирательных устройств обеспечивается при условии

->2Д/ПП, (9)

X

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где т — величина запаздывания в ЛЗ.

Выполнение этого условия накладывает ограничения на возможность увеличения времени запаздывания и эквивалентной добротности ПАВ ЛЗ и, как следствие, на возможность повышения стабильности частоты ПАВ-генератора. Реализация одночастотных (одномодовых) режимов работы ПАВ-генераторов с ЛЗ ранее рассматривалась в [2, 3]. В частности, в [3] для решения подобных задач предложена ПАВ ЛЗ с расстроенными по частоте ВШП, что привело, к сожалению, к увеличению потерь.

В последние годы разработаны полосовые ПАВ-фильтры для преселекторов и трактов промежуточной частоты (ПЧ) сигнала с новой топологией встречно-штыревых преобразователей и с существенно улучшенными характеристиками [4]. Их основные достоинства следующие:

—достаточно эффективное согласование с внешними электрическими цепями без дополнительных согласующих индуктивностей;

—возможность трансформации резистивных сопротивлений преобразователей от входных клемм к выходным;

—минимизация вносимых потерь в полосе пропускания (менее 1дБ) за счет применения различных кольцевых преобразователей;

—получение ослабления в полосе задерживания до 60 — 65 дБ при однокаскадном фильтре;

—возможность разработки топологий для получения одномодового режима и, как следствие, для

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

333

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (113) 2012

*

обеспечения гарантированного одночастотного режима работы генератора.

На рис. 2, 3 приведены частотные характеристики такой ПАВ ЛЗ на среднюю частоту 70, 00 МГц.

Исследования одночастотного генератора с ПАВ ЛЗ по фильтровой схеме Батлера (рис. 1) в целом подтвердили возможность получения приемлемых для практического применения характеристик. Достигнута кратковременная нестабильность частоты генератора 10-9 (без учета температурной нестабильности), а диапазон плавной перестройки частоты внешними электронными фазовращателями составляет до 25% полосы пропускания ПАВ ЛЗ.

Проведенные исследования ПАВ-генераторов дают обнадеживающие результаты и подтверждают целесообразность специального топологического проектирования ПАВ-фильтров для высокостабильных акустоэлектронных генераторов.

Библиографический список

1. Манасевич, В. Синтезаторы частот: Теория и проектирование / В. Манасевич. — М. : Связь, 1979. — 382 с.

2. Никонова, Г. С. Оценка кратковременной нестабильности частоты генератора на поверхностных акустических волнах. Одночастотный режим работы / Г. С. Никонова, И. В. Никонов // Техника радиосвязи. — 2010. — Вып. 15. — С. 100 - 106.

3. Никонов, И. В. Одномодовая линия задержки с двумя расстроенными по частоте преобразователями / И. В. Никонов // Вопросы теории и практического использования поверхностно-акустических волн : межведомствен. сб. — М. : Изд-во МЭИ, 1982. - № 2. - С. 134 -137.

4. Доберштейн, С. А. Высокоизбирательные самосогласованные фильтры на ПАВ с малыми потерями на различных срезах ниобата лития / С. А. Доберштейн, В. А. Малюхов, К. А. Николаенко // Радиоэлектроника. — 1991. — № 1. — С. 87 — 91.

АРЖАНОВ Валерий Андреевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики». НИКОНОВА Галина Сергеевна, аспирантка кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 06.03.2012 г.

© В. А. Аржанов, Г. С. Никонова

УДК б21.3.049.75 М. Е. ОСИНКИНА

Омский государственный технический университет

ПРИМЕНЕНИЕ SADT-ТЕХНОЛОГИИ В КОНСТРУИРОВАНИИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

В данной статье рассмотрен современный подход к вопросу проектирования печатной платы. Проанализированы особенности конструирования печатной платы и возможности их производства, используется метод их проектирования, базирующийся на принципах SADT-методологии.

Ключевые слова: печатная плата, SADT-методология, тепловой расчет, ЭМС, топология, компоненты.

Современные многослойные печатные платы составляют две трети мирового производства печатных плат в ценовом исчислении, хотя в количественном выражении уступают одно- и двухсторонним платам. К многослойным платам предъявляют высокие требования, в том числе и для трассировки.

Существует множество программ для трассировки печатных плат, но большинство из них не выполняют полностью разводку цепей. У некоторых программ существует ограничение на использование определенного количества цепей. Также при конструировании встречаются технологические ограничения, например, выход за границы трассировки печатной платы или трассировка в зоне крепежа. Некоторые трассировщики «запрограммированы» на обеспечение 100% разводки и поэтому на платах могут быть очень длинные цепи, проложенные по всем возможным слоям печатной платы и включа-

ющие множество переходных отверстий для ветвления цепей по слоям. Из сказанного следует, что для приемлемой разводки печатной платы, удовлетворяющей технологическим и схемотехническим требованиям, следует в непростых ситуациях технологических ограничений прибегать к ручной разводке. Подчеркнем, что современные печатные платы отличаются сложностью обширной элементной базой и большим количеством цепей, поэтому разводку ведут в автоматизированном режиме программой для трассировки печатных плат, а все критические моменты прорабатывают вручную. Этими моментами являются элементы в сложном корпусе с большим количеством дифференциальных пар или микрополосковых линий передачи, которые следует просчитывать.

В современных печатных платах применяют быстродействующие полупроводниковые приборы и

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.