Опорный автогенератор с диэлектрическим резонатором и низким уровнем фазового шума для сантиметрового диапазона длин волн.

Актуальность темы Малошумящие опорные автогенераторы (ОАГ) применяются для формирования высокостабильного сигнала сетки рабочих частот различных радиотехнических систем (РТС) [A.V. Chenakin, Г.Н. Глазов, А.В. Горевой и др.]. В зависимости от области применения к ОАГ предъявляются различные требования по уровню фазовых шумов (ФШ). Уровень ФШ во многом определяет предельные характеристики РТС, такие как чувствительность и избирательность в аналоговых системах связи, а также вероятность ошибочного приема или неприема бита информации в цифровых системах связи. В доплеровских радиолокационных станциях ФШ влияет на точность определения объекта в пространстве и его скорость. Наиболее жесткие требования к уровню ФШ предъявляются к контрольно-измерительному оборудованию. Достижение необходимого уровня ФШ в ОАГ осуществляется на основе применения разнообразных схем построения автогенераторов. Однако в основе любого автогенератора всегда есть активный элемент (АЭ), охваченный положительной обратной связью через пассивную резонансную систему (РС), определяющую частоту генератора. Наиболее простой путь снижения ФШ в ОАГ – повышение нагруженной добротности РС и уменьшение ФШ усилителей, созданных на основе малошумящих АЭ. Для многих практических применений ОАГ важны также его габариты, уровень потребляемой мощности, наличие перестройки частоты, температурная стабильность частоты при сравнительно небольшой стоимости изделия. В сантиметровом диапазоне длин волн в качестве малогабаритной РС часто используются диэлектрические резонаторы (ДР). Уменьшению габаритов РС также способствует использование низших поперечных видов колебаний в ДР типа TE01, обеспечивающих простую электромагнитную связь с линиями передачи. Высокодобротные ДР с Qc*f>200000 (f – частота в ГГц, а Qс – собственная добротность резонатора) производятся как зарубежными, так и отечественными производителями. Если для такой высокодобротной РС использовать малошумящий усилитель (МШУ) с малой потребляемой мощностью, созданный на основе современных биполярных SiGe транзисторов с гетеропереходом, обладающих малым уровнем фликкерных шумов на низких частотах анализа, то опорные автогенераторы на ДР (ОАГДР) вполне могут конкурировать с ОАГ сантиметрового диапазона, созданными на основе коммерческих кварцевых малошумящих генераторов и умножителей частоты [A.V. Chenakin]. Такого типа ОАГ могут найти применение в качестве промежуточного источника сигнала в системах формирования стабильных частот или использоваться в цепи обратной связи синтезатора в качестве источника смещения частоты с целью уменьшения шумов делителя частоты. Применение ОАГДР возможно и во многих других областях радиотехники, требующих сниженный уровень ФШ, например, в качестве тактового генератора для АЦП и ЦАП. Для большинства применений такого рода требуется наличие у ОАГ подстройки частоты, осуществляемой механическим или электрическим образом. Серийные образцы ОАГ с ДР сантиметровых длин волн выпускают такие известные производители, как: Analog Devices, MACOM, Z-Communications, Raditec и др. У большинства серийных ОАГДР, работающих вблизи f0 ≈10 ГГц, уровень фазового шума Sφ редко достигает -115 дБн/Гц на частоте анализа F = 10 кГц от несущей. Следует отметить, что значительное повышение добротности (100000 и более) возможно только для высших видов колебаний ДР. Уникальные ОАГ, выполненные с применением лейкосапфировых диэлектрических резонаторов и работающие с применением высших видов колебаний в, так называемом, режиме «шепчущей галереи», могут за счет высоких Qc достигать весьма низких значений ФШ [E.N. Ivanov, C. McNeilage и др.]. Главным недостатком таких генераторов является их сильная зависимость резонансной частоты и добротности от температуры. Габариты, необходимость термостабилизации и сложность настройки частоты резонанса заметно ограничивает их массовое применение [А.В. Горевой]. Обычно их используют в качестве лабораторных образцов. На низких частотах анализа уровень ФШ ОАГ растет с уменьшением частоты анализа. Это связано с фликкерными источниками шума. В настоящее время нет адекватной низкочастотной (НЧ) шумовой модели СВЧ биполярного транзистора с гетеропереходом, позволяющей оптимальным образом выбрать режим работы транзистора и при необходимости ввести дополнительные обратные связи (ОС) в усилителе для компенсации вклада фликкерных источников шума в ФШ усилителя [А.В. Якимов, А.В. Клюев, М.А. Кревский]. Существует ряд теоретических работ, в которых показана возможность такого подавления. Однако практических результатов и схем авторы не приводят [А.В. Плутешко]. Поэтому одним из наиболее известных методов снижения уровня фликкерных шумов активных элементов остается параллельное включение транзисторов [А.В. Плутешко]. Но на практике такое включение применяется достаточно редко из-за сложности подбора идентичных транзисторов и увеличения потребляемой мощности. Использование современных систем автоматизированного проектирования (САПР) позволяет уменьшить время разработки и финансовые затраты на проектирования ОАГ. Причем в сантиметровом диапазоне длин волн, в связи с соизмеримыми значениями размеров элементов и длины волны, для расчета линейных цепей предпочтительнее использовать программы электромагнитного моделирования типа Ansys HFSS, CST MICROWAVE STUDIO и др., позволяющие учесть также и взаимную паразитную связь между отдельными элементами схемы. Для расчета усилителей на основе нелинейных элементов следует использовать разработанные и проверенные производителем spice-модели транзисторов, включающие шумовые модели. Расчет нелинейных характеристик усилителя следует производить в частотной области, например, с помощью программ гармонического баланса, входящей в AWR Microwave Office, ADS и др. СВЧ САПР. Этот метод позволяет на основе процедуры линеаризации учесть воздействие шумовых источников на гармоники сигнала в установившемся режиме работы и, соответственно, рассчитать их амплитудные, фазовые и т.п. флуктуации. Приводимые в литературе пути проектирования ОАГДР основаны как на использовании численных методов расчета (в основном для РС), так и на математических моделях активных элементов. Свойства АЭ описываются либо эквивалентными схемными представлениями, либо в терминах матриц рассеяния [С.В. Савелькаев, Н.В. Заржецкая], либо на основе метода гармонического баланса, но в большинстве случаев без рассмотрения конкретной модели транзистора [Романюк В.А.]. Отсутствие конкретной модели АЭ, во-первых, не позволяет смоделировать конкретный ОАГ и определить оптимальные параметры схемы, минимизирующие его ФШ. Во-вторых, это не позволяет произвести сравнение результатов моделирования с экспериментальными результатами и выявить как недостатки методов моделирования отдельных узлов, так и несовершенство модели АЭ. В нашем случае это особенно важно для шумовой модели транзистора. Следует отметить, что в настоящее время многие фирмы выпускают малошумящие усилители в виде монолитных интегральных схем (МИС). Однако методика расчета ФШ ОАГ в области фликкерных шумов на основе таких МИС не разработана. Это значительно затрудняет оценку ФШ ОАГ, использующих такие усилители и часто требует проведения дополнительных экспериментальных исследований. Таким образом, ОАГ, построенные на высокодобротных ДР и малошумящих, в области фликкерных частот, усилителях, представляют практический интерес. Исследование путей разработки таких опорных генераторов очень важно в связи с введением ограничений на поставку в Россию различных электронных устройств и систем.
Объектом исследования в диссертационной работе являются малошумящие опорные автогенераторы на диэлектрическом резонаторе сантиметрового диапазона длин волн, использующие в качестве активного элемента как разработанный транзисторный усилитель на HBT, так и монолитные интегральные микросхемы МШУ.
Предметом исследования являются способы построения опорных автогенераторов с низким уровнем ФШ на диэлектрическом резонаторе и их экспериментальные исследования.
Целью настоящей работы является уменьшение уровня фазового шума полупроводникового автогенератора сантиметрового диапазона на отечественном высокодобротном диэлектрическом резонаторе.
Достижение указанной цели требует решения следующих задач: 1.Разработка методики проектирование автогенератора сантиметрового диапазона на диэлектрическом резонаторе при использовании САПР. 2.Разработка модели и конструкции высокодобротной резонансной системы опорного генератора на основе диэлектрического резонатора. 3.Создание модели и топологии малошумящего опорного автогенератора сантиметрового диапазона в гибридном исполнении на основе разработанной модели малошумящего усилителя на биполярных SiGe – транзисторах с гетеропереходом, имеющих spice – модель с источниками фликкерного шума. 4.Разработка опытных образцов опорных автогенераторов и их экспериментальное исследование, в том числе в составе однопетлевой системы ФАПЧ. 5.Усовершенствование методики проектирования автогенераторов сантиметрового диапазона для оценки уровня их фазовых шумов при использовании в качестве активного элемента монолитных интегральных схем МШУ и экспериментальное исследование таких автогенераторов.
Научная новизна 1. Определены параметры модели высокодобротной резонансной системы с торцевым возбуждением и минимальными габаритами, при которых значения нагруженной добротности и потерь в резонансной системе обеспечивают наименьший уровень фазового шума при ее использовании в составе опорного автогенератора. 2. Методика проектирования автогенератора на диэлектрическом резонаторе сантиметрового диапазона с использованиями САПР, которая позволяет получить низкий уровень фазовых шумов в разрабатываемом автогенераторе. 3. Определен частотный диапазон применимости стандартной spice-модели с одним источником фликкерного шума при оценке уровня фазового шума автогенератора и расширение этого диапазона в область низких частот за счет дополнения модели источниками шума в базе транзистора. 4. Разработана и исследована схема опорного автогенератора на отечественном диэлектрическом резонаторе и малошумящем усилителе на SiGe транзисторах, позволяющая достигнуть уровень фазового шума менее -125 дБн/Гц на частоте анализа 10 кГц. 5. Модель источника низкочастотного фазового шума усилителя, регулируемого входной мощностью, которая позволила создать методику для оценки уровня фазовых шумов опорных автогенераторов на основе монолитных интегральных схем малошумящих усилителей.
Теоретическая значимость 1. Определены основные параметры экранирующей камеры, нагруженной добротности и степени связи резонансной системы с активной частью схемы на основе использования электромагнитной модели резонансной системы. 2. Создана методика определения уровня фазовых шумов опорного автогенератора по измеренным флуктуационным характеристикам активного элемента. 3. Дополнена низкочастотными источниками шума модель транзистора, что позволяет получить сопоставимые с экспериментом уровни фазового шума автогенератора на ближних частотах анализа. 4. На основе электромагнитного анализа разработана модель опорного автогенератора, с помощью которой достигнут низкий уровень фазового шума.
Практическая значимость 1. Создана методика оценки уровня фазовых шумов опорных автогенераторов на основе монолитных интегральных схем малошумящих усилителей, позволяющая сократить затраты времени и средств на их разработку. 2. Использование разработанного автогенератора в составе петли фазовой автоподстройки частоты позволяет уменьшить уровни фазовых шумов во фликкерной области частот анализа и улучшить долговременную частотную стабильность. 3. Достигнут низкий уровень фазовых шумов автогенераторов, позволяющих повысить стабильность устройств генерирования и формирования сигналов. 4. Построены опорные автогенераторы на диэлектрическом резонаторе с уровнем фазовых шумов менее -125 дБн/Гц на частоте анализа 10 кГц от несущей 10 ГГц, что меньше, чем у лучших зарубежных серийных образцов типа HMC-с200.
Методология диссертационного исследования Следующие методы и подходы использовались при проведении исследования: 1. В схемотехническом моделировании опорного автогенератора применялись методы анализа линейных и нелинейных электрических цепей (для линейных цепей – метод волновых матриц, для нелинейных цепей – метод гармонического баланса, для исследования шумовых характеристик – метод возмущения установившегося стационарного режима, так называемый метод «нелинейных шумов»). 2. Электромагнитное моделирование выполнялось с использованием современных САПР, в основе которых лежат методы моментов и конечных элементов. 3. При экспериментальных исследованиях использовалась сертифицированная измерительная аппаратура, позволяющая производить сравнение теоретических и экспериментальных результатов с известной степенью точности.
Положения, выносимые на защиту 1. Построенная электромагнитная модель компактной резонансной системы с механической и электрической перестройками частоты на основе отечественного высокодобротного диэлектрического резонатора позволяет получить нагруженную добротность более 7000 при собственной добротности резонатора 20000. 2. Дополнение spice-модели биполярного транзистора с гетеропереходом источниками НЧ шумов в базовой области позволяет получить близкие к экспериментальным значения спектральной плотности мощности ФШ ОАГ на частотах анализа менее 10 кГц. 3. Созданная модель опорного автогенератора сантиметрового диапазона длин волн позволяет построить малогабаритный опорный автогенератор на диэлектрическом резонаторе с уровнем фазовых шумов менее -125 дБн/Гц на частоте анализа 10 кГц, что меньше чем у серийных образцов. 4. Разработанная методика определения низкочастотных шумов опорных автогенераторов по измеренным ФШ усилителей на монолитных интегральных схемах позволяет оценить уровень фазового шума на этапе проектирования автогенераторов с точностью до ±3 дБ.
Достоверность результатов диссертационного исследования обеспечивается использованием при моделировании ОАГ широко применяемых в инженерной и научной практике САПР типа AWR Design, Ansys HFSS, а также моделей SMD-компонентов и spiceмоделей активных элементов известных фирм производителей. Результаты моделирования подтверждены данными экспериментальных исследований, которые проведены с использованием стандартных методов измерений регулярных и флуктуационных характеристик исследуемых устройств на сертифицированной измерительной аппаратуре. Результаты исследований не противоречат известным данным о снижении ФШ автогенераторов с ростом добротности резонансной системы и уменьшением ФШ усилителей.