Чм-генераторы информационно-телекоммуникационных систем на резонаторах и узкополосных фильтрах на поверхностных акустических волнах

УДК 621.32

ЧМ-ГЕНЕРАТОРЫ ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА РЕЗОНАТОРАХ И УЗКОПОЛОСНЫХ ФИЛЬТРАХ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ

АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

М.И. Бочаров, А.О. Рыжов

К формирователям радиосигналов информационно-телекоммуникационных систем предъявляются высокие требования (к стабильности частоты, уровню внеполосного и шумового излучений, технологичности). Это особенно актуально для диапазонов УВЧ и СВЧ, на которых работают современные телекоммуникационные системы. Однако использование традиционного метода переноса спектра частот кварцевых генераторов, работающих на относительно низких частотах, на более высокие частоты, основанного на умножении частоты, приводит к существенному ухудшению параметров сигналов. Более перспективным является использование ЧМ- генераторов на поверхностных волнах (ПАВ).

В данной работе для базовой схемы ЧМ-генераторов на ПАВ-резонаторах при управлении частотой варакторов, работающих в барьерном режиме, разработана методика расчета основных видов нелинейных искажений, возникающих при формировании ЧМ-радиосигналов. Методика основана на расчетных соотношениях для девиации основной частоты и ее гармоник, сдвига центральной частоты, полученных с использованием статической и динамической модуляционных характеристик. Рассматриваются режимы в зависимости от изменения амплитуд напряжений, управляющего, высокочастотного сигналов и напряжения смещения, что охватывает все возможные режимы работы генераторов, используемые на практике, для варакторов с резким и сверхрезким р-п переходами. Это позволяет уже на этапе эскизного проектирования на основе справочных параметров ПАВ- резонаторов и используемых варакторов определить быстро и достаточно точно минимальные уровни нелинейных искажений.

Результаты проведенного моделирования и экспериментальных исследований свидетельствуют о достаточно высокой точности совпадения результатов расчета и эксперимента и возможности практической реализации формирователей ЧМ-сигналов с малыми нелинейными искажениями без применения корректирующих цепей и целесообразности применения предложенной методики при проведении эскизного проектирования. При этом по уровню шумового излучения и уровню выходного сигнала, создаваемого непосредственно автогенератором, исследуемый формирователь значительно превосходит параметры радиосигналов, реализуемых на основе кварцевых генераторов, что свидетельствует о перспективности его применения в системах связи и измерительных устройствах

Ключевые слова: ПАВ-резонатор, базовая схема, девиация частоты, варактор, сдвиг центральной частоты, нелинейные искажения, моделирование, экспериментальные исследования

К генераторам современных

телекоммуникационных систем предъявляются высокие Н требования по ряду технических параметров: нестабильности частоты колебаний, помехозащищенности, уровню побочного, внеполосного и шумового излучений, механической прочности, миниатюрности и технологичности.

Традиционно высокостабильные колебания генерируются кварцевыми генераторами [1]. Однако эти устройства имеют ряд существенных недостатков: низкий уровень рабочих частот, больший уровень фазовых шумов в области высоких частот, когда колебания формируются путем умножения частоты сигналов, полученных на более низких частотах [2].

Перспективным для генерирования высокостабильных колебаний и формирования ЧМ сигналов в диапазонах ультравысоких частот и СВЧ является использование генераторов, выполненных на основе ПАВ элементов: резонаторов и узкополосных фильтров, которые при работе в диапазоне указанных частот при нестабильности частоты, близкой к кварцевым генераторам,

Бочаров Михаил Иванович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, e-mail: komandor20132013@mail.ru Рыжов Антон Олегович - ВГТУ, студент, e-mail: ryzhov777@yandex.ru

позволяют получить значительно большую девиацию частоты, обеспечивают более низкий уровень шумового излучения при большем уровне выходного сигнала, недостижимом для кварцевых генераторов, имеют более широкую номенклатуру элементов, более простое ее сопряжение с другими устройствами и высокую технологичность [3].

Однако известной из литературы информации недостаточно для определения усредненных характеристик указанных устройств по известным (справочным) значениям параметров используемых ПАВ элементов, что необходимо для эффективного проведения эскизного проектирования.

Так, проведенный в [4] теоретический анализ типовых схем генераторов на ПАВ не позволяет определить при заданном значении девиации частоты уровень нелинейных искажений для конкретных параметров ПАВ резонаторов и характеристик варакторов. В другом случае технические характеристики широкого круга промышленно выпускаемых устройств на ПАВ элементах широко представлены [5], однако их характеристики не связаны с конкретными параметрами и режимами работы их компонентов.

Для современных телекоммуникационных систем важным показателем является уровень нелинейных искажений, уровней шумового и побочного излучений.

Для выявления оптимальных режимов работы формирователей ЧМ колебаний необходимо определить оптимальные характеристики базовых схем генераторов. Так при реализации генераторов на основе одновходовых ПАВ резонаторов предпочтение имеют одноконтурные

автогенераторы (АГ) с емкостной обратной связью, схемы которых практически полностью совпадают с аналогичными схемами кварцевых генераторов [3].

При этом для большей стабильности частоты, которая определяется добротностью резонатора, следует также обеспечить наименьшее шунтирование ПАВ резонатора транзистором. Для этого необходимо использовать включение резонатора между базой и коллектором транзисторов [1] и обеспечить возбуждение генератора на частоте, близкой к частоте последовательного резонанса его колебательной системы. При этом наибольшую управляемость по частоте достигается в схеме с заземленным коллектором по ВЧ.

Следует отметить, что при формировании ЧМ сигнала важное значение имеют управители частоты, в качестве которых во многих случаях используются варакторы, работающие в барьерном режиме с резким и сверхрезким р-п-переходами.

Управление частотой с использованием варакторов имеет и недостатки [6]: высокий уровень нелинейных искажений и значительный сдвиг центральной частоты, что приводит к уменьшению помехозащищенности телекоммуникационных систем.

Для уменьшения нелинейных искажений используются различные методы [8]. Однако они требуют дополнительной доработки и не всегда дают желаемых результатов. Что касается сдвига центральной частоты, то для его уменьшения также используются различные методы, напр. [9].

Для оценки основных характеристик ЧМ генератора используется устройство, схема которого приведена на рис. 1 [1], выполненное на биполярном транзисторе с заземлённым коллектором по ВЧ, позволяющую реализовать наибольшую

перестройку по частоте и максимальную девиацию частоты.

Рис. 1. Принципиальная схема генератора

Однако предложенная в этой работе методика определения нелинейных искажений имеет

небольшую неточность, поскольку их оценка осуществляется по максимальному отклонению статической модуляционной характеристики (СМХ) от линейной зависимости, однако она не позволяет учесть амплитуду каждой составляющей спектра выходного сигнала. Кроме этого, приведенные аналитические выражения являются сложными, что неудобно для их практического применения.

Перспективным является метод определения нелинейных искажений, основанный на определении амплитуд гармоник выходного сигнала с использованием коэффициентов ряда Фурье по заданной вольтфарадной характеристике (ВФХ) управляющего элемента [6]. Это позволяет достаточно точно и просто достичь требуемых результатов, но полученные по этой методике результаты носят частный характер и не дают общей картины изменения нелинейных искажений от амплитуды управляющего сигнала и напряжения смещения. Для этого целесообразно выбрать варакторы, выпускаемые промышленностью [7] и выявить возможности реализации на их основе качественных характеристик (нелинейных искажений) в схемах базовых устройств.

При использовании ПАВ резонаторов и узкополосных фильтров, добротность и волновое сопротивление которых на порядок и более превышают аналогичные параметры генераторной части схемы, оптимальное значение ёмкости Суо варактора УБ1 в 5-10 раз меньше эквивалентной ёмкости контура, состоящей из С1, С2 и С3 (рис.1). Это позволяет пренебречь влиянием параметров элементов генераторной части схемы и существенно упростить расчетные соотношения.

Для получения расчетных соотношений используем следующую аппроксимацию ВФХ варактора [6]

Су — Су0

-Е- У

<Р

<рк-и

где Су0 - ёмкость варактора при напряжении смещения Ес; (рк - контактная разность потенциалов (0,5 ... 0,7 В); у - коэффициент нелинейности ВФХ: у = 0,5 - резкий р-п-переход, у = 1-сверхрезкий р-п-переход.

С использованием разложения функции (1) в степенной ряд в виде полинома пятой степени по методике [10] для варакторов с резким р-п-переходом и при воздействии управляющего напряжения

и = Ес + ир соб 2пР1 + Щ соб 2л/0С,

где ир£ - амплитуда и частота управляющего сигнала соответственно; и^, /0 - амплитуда и несущая частота ВЧ сигнала, приложенного к варактору, девиация основной частот определяется выражением

^ = 0,25^- иу + ±иуз+_!!_иу51

где С1 - динамическая ёмкость пьезорезонатора; Д -частота последовательного резонанса

пьезорезонатора (паспортная величина); Чу =

и/(<рк - Ес).

Наряду с девиацией основной частоты (3), образуются и побочные продукты преобразования спектра, создающие два нежелательных вида искажений: смещение центральной частоты ЛЛ>' идевиации частоты по второй Л^2, третьей ^/тз, четвёртой Аи пятой гармоникам.

Сдвиг центральной частоты определяется соотношением

сгЛ

Л/о' = -0,25^- 0,125V +7777^

иуо

По полученным соотношениям для девиации частоты находятся выражения и для коэффициентов нелинейных искажений по гармоникам. При этом коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике, определяется по формуле

15

= 0Д25иу + —V-

Коэффициент нелинейных искажений третьей гармонике определяется выражением

по

л 32

75 3072

Ну4

Коэффициент нелинейных искажений четвёртой гармонике определяется по формуле

по

15

1536 ^У '

Коэффициент нелинейных искажений пятой гармонике определяется выражением

15

К' =

6144

Уу'

по

Статическая модуляционная характеристика (СМХ), определяемая через ВФХ (1) и как разность между текущим значением частоты и ее средним значением на интервале перестройки

&Г = г- /ср'

где^р' = 1/27Г Скэ- среднее значение частоты атоколебаний; Ь1-индуктивность контура

автогенератора; Сйэ - эквивалентная ёмкость контура автогенератора, состоящего из ёмкостей конденсаторов С1, С2, С3 (рис.1) и ёмкости варактора УБ1 Суо с ВФХ (1).

Для варактора с резким р-п-переходом СМХ (9) представлена на рис. 2 для начального смещения Ес = -6 В.

Рис. 2. СМХ: 1 -у = 0,5; 2 - у= 1

Девиация основной частоты Л/т', полученная для ПАВ резонатора с параметрами [11]: Д = 303,825 МГц, = 0,0021 пФ, ^=127.021 мкГ,С0 = 2,3 пФ, представлена на рис.3 (зависимости: 1 - у = 0,5; 2 -у = 1).

Рис. 3. Девиации основной частоты

Сдвиги центральной частоты представлены на рис. 4.

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 Рис. 4. Сдвиги центральной частоты

Коэффициенты нелинейных искажений К2, ^представлены на рис. 5. 20-

15

10

5?

2у

1

0,1

0,2

Рис. 5. Коэффициенты нелинейных искажений

Значения коэффициентов нелинейных искажений К[, полученные при Ыу= 0,3 составляют соответственно, что во многих случаях их величиной можно пренебречь.

Значения коэффициентов нелинейности по второй и третьей гармоникам представлены на рис. 5 (1 - коэффициент К2, 2 - коэффициент К2).

Для выявления влияния нелинейности ВФХ на качественные показатели, целесообразно рассмотреть и случай применения варактора со сверхрезким переходом (у = 1). В этом случае девиация основной частоты определяется выражением.

àfmi=£ff- «y + 0.75V+nV

Коэффициент нелинейных искажений по второй гармонике

КЦ= OÏUy + ^Uy*.

Коэффициент искажений по третьей гармонике

КЦ= 0.5V+^V-

Коэффициент искажений по четвёртой гармонике

КЦ = 0,125ity3.

Коэффициент искажений по пятой гармонике

Для наглядности коэффициенты нелинейных искажений по второй и третьей гармоникам приведены на рис. 6 (1 - коэффициент 2 -коэффициент К'ь).

Из приведённых на рис. 3 и рис. 5 зависимостей следует, что для варактора с у = 0,5 при К-2 = 1 % девиация частоты Af^ =6,1 кГц, а 5-т

4-

^ 3

ж

- 2 У

10

Û 0,1 0,2 ин

Рис. 6. Коэффициенты нелинейных искажений

при К2 = 5 % Afml' =30,4 кГц. Для варактора с у = 1 при заданных нелинейных искажениях девиация частоты составил^/m! =4.3кГц и =15,2 кГц соответственно.

С целью выявления работоспособности исследуемого формирователя ЧМ сигналов и возможности его реализации проводилось схемотехническое моделирование с применением САПР Microwave Office. Исследовались СМХ, девиация основной частоты и другие параметры. При этом, уровень нелинейных искажений не

превышал -25 дБ, уровень фазовых шумов, измеренный при отстройке от основной частоты на Af=1 кГц, составил -98 дБ/Гц, а режимная нестабильность частоты при изменении напряжения питания на +/- 5 % составила 1,3 10-5.

Выводы

Проведенные моделирование и

экспериментальные исследования ЧМ генераторов на ПАВ резонаторах и узкополосных фильтрах показали возможность получения ЧМ колебаний с малыми нелинейными искажениями и высокой спектральной чистотой выходного сигнала в диапазоне УВЧ без применения цепей коррекции модуляционных характеристик. При этом для управления частотой использовались варакторы с резким и сверхрезким p-n переходами.

Предложенная в работе методика определения нелинейных искажений и полученные результаты могут использоваться на этапе эскизного проектирования при разработке узкополосных информационно-телекоммуникационных систем и измерительных устройств.

Литература

1. Альтшуллер Г.Б. Кварцевые генераторы: справочное пособие /Г.Б. Альтшуллер, Н.Н. Елфимов, В.Г. Шакулин. - М.: Радио и связь, 1984. - 232с.

2. Интегральные пьезоэлектрические устройства фильтрации обработки сигналов: справ. пособие /В.В. Дмитриев, В.Б. Акламбеков, Е.Г. Бронникова и др.; под ред. Б.Ф. Высоцкого, В.В. Дмитриева.-М.: Радио и связь, 1985. -276 с.

3. Рыжков А.В. Синтезаторы частот в технике радиосвязи/А.В. Рыжков, В.Н. Попов. - М.: Радио и связь, 1991. - 264 с.

4. Дворников А.А. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах/А.А. Дворников, В.И. Огурцов, Г.М. Уткин .-М.: Радио и связь, 1983. - 236 с.

5. Петухов В.К. Фильтры, линии задержки и автогенераторы на поверхностных акустических волнах/В.К. Петухов, И.Г. Мальтер, О.П. Павловский/Радиотехника. 2006. -№3.-С.72-76.

6. Радиопередающие устройства /В.В. Шахгильдян,

B.Б. Козырев, А.А. Ляховкин и др.; под ред. В.В. Шахгильдяна.- М.: Радио и связь, 2003. - 560 с.

7. Савченко М.П. Параметры эквивалентной схемы и аппроксимация характеристик УКВ варикапов /М.П. Савченко, Т.А. Королинская//Радиотехника. 1985. -№11.-

C.24-27.

8. Соколинский В.Г. Частотные и фазовые модуляторы и манипуляторы/В.Г. Соколинский, В.Г. Шейкман. - М.: Радио и связь, 1983.- 192 с.

9. Пат. 2295825 РФ. Частотно-модулированный генератор /М.И. Бочаров // -2007. Бюл. -№ 8. - С. 7.

10. Бронштейн И.Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов/ И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. - М.: Наука,1980. - 651 с.

11.Сайт https://www.angstrem.ru

Воронежский государственный технический университет

FM GENERATORS OF INFORMATION-TELECOMMUNICATION SYSTEMS APPLIED TO RESONATORS AND NARROW FILTERS ON SURFACE ACOUSTIC WAVES

M.I. Bocharov1, A.O. Ryzhov2

'Ph.D, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: komandor20132013@mail.ru 2Student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: ryzhov777@yandex.ru

High demands are imposed nowadays on the frequency stability, the level of out-of-band and noise emissions, and manufacturability on the formers of radio signals in information-telecommunication systems. This is especially true for the UHF and microwave bands on which modern telecommunication systems operate. However, using the traditional method of transferring the frequency spectrum of quartz oscillators operates at relatively low frequencies to higher frequencies based on frequency multiplication results in a significant deterioration in the signal parameters. More promising is the use of FM generators applied surface waves (surfactants).

In this paper, a basic method for calculating the main types of nonlinear distortions that occur during the formation of FM radio signals is developed for the basic scheme of FM oscillators on SAW resonators for controlling the frequency of varactors operating in the barrier mode. The technique is based on the calculated ratios for the deviation of the fundamental frequency and its harmonics, the shift of the central frequency obtained using the static and dynamic modulation characteristics. Regimes are considered depending on the variation of the voltage amplitudes, control, high-frequency signals and bias voltage, which covers all possible modes of operation of the generators used in practice for varactors with sharp and super-sharp p-n junctions. This allows us to determine quickly and accurately the minimum levels of nonlinear distortions at the stage of preliminary design, based on the reference parameters of SAW resonators and used varactors.

The results of the carried out simulation and experimental studies indicate a sufficiently high accuracy of the coincidence of the calculation results and the experiment and the possibility of practical realization of the FM signal generators with small nonlinear distortions without the use of corrective circuits and the expediency of using the proposed technique in the sketch design. At the same time, by the level of noise radiation and the level of the output signal created directly by the self-oscillator, the investigated shaper significantly exceeds the parameters of the radio signals realized on the basis of quartz generators, which indicates the promise of its application in communication systems and measuring devices

Key words: SAW resonator, basic scheme, frequency deviation, varactor, central frequency shift, nonlinear distortions, modeling, experimental studies

References

1. Altshuller G.B., Elfimov N.N., Shakulin V.G., "Handbook on Quartz oscillators " ("Kvarcevye generatory: spravochnoe posobie"), M.: Radio and Communication (1984): 232 p.

2. Dmityev V.V., Aklambekov V.B., Bronnikova E.G., "Handbook on integrated piezoelectric filtering devices for signal processing" ("Integralnye pezoelectricheskie ustroystva filtrachii obrabotki signalov: spravochnoe posobie"), M.: Radio and Communication (1985): 276.

3. Ryzhkov A.V., Popov V.N., "Frequency synthesizers in radio communication" ("Sintezatory chastot v tehnike radiosvyazi M.: Radio and communication"), M.: Radio and Communication (1991): 264.

4. Dvornikov A.A., Ogurchov V.I., Utkin G.M., "Stable generators with filters on surface acoustic waves" ("Stabilnye generatory sfiltrami napoverhnostnyh akusticheskih volnah"), M.: Radio and Communication (1983): 236.

5. Petuhov V.K., Malter I.G., Pavlovsky O.P., "Delay line filters and automatic oscillators on surface acoustic waves" ("Filtry, linii zaderzhek I avtogeneratory na poverhnostnyh akusticheskih volnah"), M.: Radio Engineering 3 (2006): 72-76.

6. Shakhildya V.V., Kozyrev V.B., Lyahovkin A. A., "Radio-transmitting devices" ("Radioperedauzhie ustroystva"), M.: Radio and Communication (2003): 560.

7. Savchenko M.P., Korolinskaya T.A., "Parameters of the equivalent circuit and approximation of the characteristics ofLW varicaps" (" Parametry ekvivalentnoy skhemy i approksimachii harakteristik UKV varikapov") M.: Radio Engineering 11 (1985): 24-27.

8. Sokolinsky V.G., Sheykman V.G., "Frequencyphase modulators and manipulators" ("Chastotnie ifazovye modulyatory Imanupulyatory"), M.: Radio and Communication (1983): 192 .

9. Bocharov M.I., "Frequency modulated generator" ("Chastotno-modulirovanny generator"), 8 (2007): 7.

10. Bronshtein I.N., Semendyaev K.A., "Mathematics Handbook for Engineers and Graduates" "Spravochnik po matematike dlya inzhenerov I uchashihsya vuzov, " M.: Science .-1980.- 651.

11. Web-site https://www. angstrem. ru