1. Trang chủ
  2. » Kỹ Thuật - Công Nghệ

Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave

5 4 0

Đang tải... (xem toàn văn)

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Định dạng
Số trang 5
Dung lượng 609,41 KB

Nội dung

Bài viết này trình bày phương pháp thiết kế và chế tạo một bộ dao động điều khiển điện áp bằng phương pháp phản xạ, hoạt động ở băng S có độ rộng một octave-2GHz đến 4GHz. Mạch sử dụng transistor BJT cấu hình cực base chung nối trực tiếp xuống đất để tạo nguồn điện trở âm, kết hợp với diode biến dung giữ vai trò như bộ cộng hưởng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Thảo QuốcGia Gia2015 2015về Điện Điện Tử, Truyền Thông Thông Tin Tin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc Tử, Truyền ThôngvàvàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) Thit K Ch To B Dao ðng VCO Băng S Rng Mt Octave Nguyn Tn Nhân B Môn Vô Tuyn, Khoa Vin Thông II, Hc Vin Cơng Ngh Bưu Chính Vin Thơng s Tp H Chí Minh Email: tannhan2000@yahoo.com Abstract—Bài vit trình bày phương pháp thit k ch to mt b dao ñng ñiu khin ñin áp bng phương pháp phn x, hot đng  băng S có đ rng mt octave2GHz ñn 4GHz Mch s dng transistor BJT cu hình cc base chung ni trc tip xung đt đ to ngun ñin tr âm, kt hp vi diode bin dung gi vai trò b cng hưng Ngun cung cp 12 Volts 5Volts, mc nm khong 14,5 dBm ñn 17,5 dBm nhiu pha 60dBc/Hz cách sóng mang 10kHz Power supply Resonator  I Active device GII THIU Matching net ΓR Các b dao ñng VCO mt b phn không th thiu máy ño, ña h thng thông tin vô tuyn máy phân tích ph, phân tích mng vơ hưng, phân tích mng vector, máy thu phát đa băng… Thách thc ln nht ñi vi k sư thit k b dao ñng ñ sch pha ñưc ñánh giá bng ñ nhiu pha nht b dao đng VCO có di tn hot đng rng, thưng hai ch tiêu ngưc Trưc ñây thit b truyn thng ñ ñt ñưc mc tiêu trên, nhà sn xut thưng dùng dao ñng YIG – Yttrium Iron Garnet – mt loi vt liu st t đc bit, khó ch to, kích thưc ln nên giá thành rt cao dù chúng có đ tuyn tính tt ΓIn Hình Mơ hình mch dao đng đin tr âm II THIT K Mơ hình dao đng phn x gm có thành phn trình bày Hình 1, khi cp ngun, phn t tích cc đ to ngun ñin tr âm, b cng hưng xác lp tn s dao ñng ca mch mng phi hp tr kháng ngõ Nhm ñt ñưc di tn trên, mi phép tính phi đưc thc hin ti tn s gia di: f = × = 2.828 MHz Trong trình bày phương pháp thit k ch to mt b dao đng VCO có di tn rng mt octave nhm khc phc yêu cu vi vt liu, linh kin thơng dng, kích thưc nh ñc bit giá thành r ð mch dao ñng khi ñng ñưc phi tha ñiu kin sau [3], [4]: Dao ñng phn x thc cht dao ñng s dng ngun ñin tr âm to t linh kin tích cc đ bù li suy hao ca b cng hưng đưc trình bày nhiu tp chí chuyên ngành; ñc bit Silver J P [1] Phương pháp thit k tn dng đc tính khơng n đnh ti ưu vn có ca linh kin tích cc đưc chn ti tn s thit k; ñng thi s dng cu hình cc base chung trc tip ni đt đ nâng phm cht n ñnh nhit ca mch Mch có vài hn ch phi dùng ngun đơi, nhiu pha đ tuyn tính thp, nhiên d dàng khc phc hn ch đưc trình bày phn kt lun Γ*R × Γ In ≥ 1, (1) * R đó, Γ h s phn x liên hip phc ca b cng hưng Γ In h s phn x ngõ vào ca phn t tích cc;  S11 Nói cách khác, ta có th vit li phương trình (1) sau: Γ*R ≥ 1 = , Γ In S11 (2) Mch đưc xây dng tham s S tín hiu nh ca linh kin, nhiên s dng phn mm AWR [2], nên có th s dng phương pháp cân bng hài đ mơ phng tuyn tính phi tuyn hay biên ñ S11 S22 phi ln h s n ñnh K phi nh ñơn v, ñng thi ñ mch d khi ñng ti thiu biên ñ S11 ≥ 1, [5] Phn cịn li ca báo đưc t chc sau: phn II, miêu t phương pháp thit k Trong phn III, thc hin thc nghim ño th Cui cùng, kt lun ca báo đưc trình bày phn IV Mc đích to dao đng làm cho linh kin tích cc hot ñng min bt n ñnh ca chúng Như vy phi xét hot ñng ca linh kin  cu hình đưc chn có tha mãn hay khơng, nu khơng, phi kt hp vi linh kin th ñng bên 102 ISBN: 978-604-67-0635-9 102 Thảo QuốcGia Gia2015 2015về vềĐiện Điện Tử, Tử,Truyền Truyền Thông Thông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc vàCông CôngNghệ Nghệ Thông (ECIT 2015) B. Phân tích phi tuyn Phân tích tuyn tính ch cho bit hot ñng gn ñúng ca mch dao ñng, ñ bit xác ph ngõ ra, h s nhiu pha cn phân tích mơ hình phi tuyn bng phương pháp cân bng hài ðu tiên dùng phn mm AWR ñ xác ñnh ñim phân cc cho transistor Hình Các đin tr = R1 140  , R = 120  kt hp vi ngun ñ ñưa linh kin vào vùng bt n đnh bng cách phân tích ma trn tham s S tín hiu nh ca Trong thit k này, transistor 2SC4226 [6] ca CEL – California Eastern Laboratories  đưc s dng làm phn t tích cc đ to ñin tr âm,b cng hưng dùng hai diode bin dung BB833 [7] ca Infineon ni ñu lưng dùng ñiu khin tn s VCO A. Phân tích tuyn tính T bng tham s S ca transistor  ñim phân cc Vc = 10 (V), I c = 30 (mA); t xây dng cu hình BC cho transistor s dng AWR mơ phng tuyn tính ta nhn ñưc kt qu cho tham s S11 , S22 h s  đnh K Hình Trong ta thy = S11 1.535 > , S22 1.483 > K = = −0, 6733 < có giá tr gn ti ưu ti tn s 2,828GHz Như vy phn t tích cc s dao đng nu vào cc E ca mt b cng hưng thích hp ngõ kt cui R= 50  [1] L VC = 12 V VE = −5 V , gii hn dịng to đin th VCE ≈ 10 V I C = 29,8 mA Vì Γ R ≈ 1∠ − 82, 08 nên b cng hưng phi có tính thun dung kháng ñ cng hưng vi ñin cm ngõ vào ca linh kin tích cc; giá tr dung kháng xác đnh Smith chart 51, 76  Giá tr t ñin tương ng: C= 1.4 K() (R) Linear RES ID=R1 R=140 Ohm E -0.7 0.6 OSCAPROBE ID=X1 Fstart=1 GHz Fend=5 GHz Fsteps=200 Vsteps=30 CAP ID=C5 C=1.09 pF -1 Frequency (GHz) Hình 2a Biên đ S11 , S22 K Power output (dBm) 2.828 GHz -97.56 Deg Ang(S(1,1)) (Deg) Linear DB(|Pharm(PORT_1)|)[*,*] (dBm) OSC 2.828 GHz 16.92 dBm 15 5.656 GHz 8.683 dBm 10 8.484 GHz -5.515 dBm -5 Ang(S(2,2)) (Deg) Linear -200 VIA1P ID=V4 D=0.8 mm H=0.75 mm T=0.017 mm RHO=1 MSUB Er=4.6 H=0.75 mm T=0.017 mm Rho=1 Tand=0.025 ErNom=4.6 Name=SUB1 Spectrum 20 -100 A 25 2.828 GHz 82.08 Deg 100 Hình Mch dao đng tn s xác đnh 2.828 MHz S Ang 200 PORT P=1 Z=50 Ohm CAP ID=C1 C=100 pF VIA1P ID=V5 D=0.8 mm H=0.75 mm T=0.017 mm RHO=1 CAP ID=C3 C=100 pF RES ID=R2 R=120 Ohm SUBCKT ID=S3 NET="NE85630/CEL" -0.4 0.8 CAP ID=C2 C=330 pF IND ID=L2 L=47 nH IND ID=L1 L=47 nH -0.1 2.828 GHz -0.6733 DCVS ID=V1 V=12 V B CAP ID=C4 C=1 pF 0.2 |S(2,2)| (L) Linear 2.828 GHz 1.483 1.2 0.5 |S(1,1)| (L) Linear 2.828 GHz 1.535 DCVS ID=V2 V=5 V C S parameter (3) = 1, 09 ( pF ) Vì S11∠82.08 nên t (2) đơn gin ñt mt phn t cng hưng ñ có h s phn x Γ R ≈ 1∠ − 82, 08 vào cc E transistor mch s dao đng 1.6 1 = 2π × f × X C 2π × 2828 × 106 × 51, 76 11.31 GHz -7.677 dBm -10 Frequency (GHz) 10 Frequency (GHz) Hình 4a Ph ngõ b dao đng Hình 2b Pha tương ng ca S11 S22 103 103 14 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Cơng Nghệ Thơng Tin (ECIT 2015) Vì mơ hình ca diode bin dung thc hin  tn s thp, nên ñin cm ký sinh ca dây ni t chip diode ñn chân hàn linh kin LS = 2, nH , ñt ni tip vi ñin cm ngõ vào phn t tích cc 2,9 nH kt hp vi đin cm l xun thơng [8] Do đó, đin cm tồn phn ca mch vào Phase_noise 10 Phase noise [dBc/Hz] -20 -40 L∑ = 2,9 nH + 2, nH + 0, nH = 5, 3nH 0.01 MHz -59.38 dB -60 Giá tr t cng hưng s là: 0,59 pF tương ng vi ñin th phân cc cho hai diode 14,94 V -80 Mch cng hưng, phn t tích cc kt hp vi b mơ phng cân bng hài AWR to VCO hồn chnh đưc trình bày Hình (xem đu trang k tip) Hình cho kt qu mơ phng di tn b dao đng theo ñin th ñiu khin -100 -120 0001 001 01 Frequency 1 Kt qu Hình cho thy tn s ngõ thay ñi t 1.921 MHz ñn 4.045 MHz ñin th ñiu khin bin ñi tương ng t 6V ñn 35V Quan h tương ñi tuyn tính vi KVCO ≈ 70 MHz/V Hình 4b Nhiu pha Sau ni t đin có giá tr 1,09 pF vào cc E mô phng Kt qu Hình ph tn ngõ nhiu pha ca b dao ñng Mc ñin ngõ ti thành phn bn 16,92dBm, hài bc hai 8, 683dBm , hài bc ba −5,515dBm nhiu pha 59,38 dBc t v trí lch sóng mang 10 KHz 35 V 4.045 GHz Frequency (GHz) 1 = ω 2C (2π f ) × C = (2π × 2828 ×106 ) ×1, 09 × 10−12 V TUNE Trong phn tip theo, ta tính tốn dao đng VCO có tn s kim sốt bng diode bin dung T mch dao ñng tn s c ñnh, ñin cm ngõ vào tương ñương: = L 14.94 V 2.828 GHz 6V 1.921 GHz (4) OSC_FREQ()[*,X] (GHz) OSC ≈ 2,9 ( nH ) Như vy, bây gi nu thay th t đin có giá tr xác ñnh bng diode bin dung ta s ñưc mt b dao đng có tn s kim sốt bng đin th VCO ðng thi đ ci thin đ tuyn tính gim ñin th ñiu khin; ta s dng cp diode bin dung BB833 ni –lưng ñu lưng cho b cng hưng Trên hình Hình kt qu mơ phng ñin dung ca chúng theo ñin áp ñiu khin 16 Volts (V) 26 III THC NGHIM VÀ ðO TH Capacitance (pF) 14.94 V 0.5865 pF 6V 1.367 pF 0 10 20 Voltage (V) 30 35 Hình Tn s ngõ b dao ñng VCO theo ñin áp ñiu khin Linear Cv vs Voltage (5) 40 Hình Mch dao đng VCO thc t Hình ðin dung theo đin áp ca hai diode BB833 ni –back to back 104 104 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) DCVS ID=V2 V=5 V CAP ID=C4 C= pF DCVS ID=V1 V=12 V IND ID=L1 L=47 nH IND ID=L2 L=47 nH RES ID=R1 R=140 Ohm RES ID=R2 R=120 Ohm CAP ID=C1 C=100 pF 100 RES ID=R3 R=1 Ohm PORT P=1 Z=50 Ohm C E SUBCKT ID=S3 NET="NE85630/CEL" B SUBCKT ID=S2 NET="BB833" CAP ID=C3 C=100 pF CAP ID=C2 C=330 pF RES ID=R4 R=10000 Ohm 200 200 DCVSS ID=V3 VStart=14.94 V VStop=14.94 V VStep=0 V A OSCAPROBE ID=X1 Fstart=1 GHz Fend=5 GHz Fsteps=200 Vsteps=30 SUBCKT ID=S1 NET="BB833" CAP ID=C5 C=330 pF MSUB Er=4.6 H=0.75 mm T=0.017 mm Rho=1 Tand=0.025 ErNom=4.6 Name=SUB1 VIA1P ID=V4 D= 0.8 mm H= 0.75 mm T= 0.017 mm RHO=1 100 VIA1P ID=V5 D= 0.8 mm H=0.75 mm T= 0.017 mm RHO=1 Hình Mch dao ñng VCO rng mt Octve Bng 1: So sánh ch tiêu, kt qu mô phng thc nghim b dao đng Tham s Ch tiêu Mơ phng Thc nghim ðơn v ðin th ngun VC VE VCONT 12 ± 0,5 5 ± 0,5 (635) ± 0,5 12 5 635 12 ± 0,5 5 ± 0,5 (635) ± 0,5 Volts Dịng ngun 30 29,8 30,3 mA Di tn 24 Cơng sut ngõ 16 16,92 13,4 dBm Nhiu pha 10KHz 60 59,38 46,4 dBc/Hz Hài 30 25,6 x dBc 1,921 – 4,045 105 105 1,860 – 3,980 GHz HộiHội Thảo Quốc Gia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thông (ECIT 2015) Thảo Quốc Gia 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) Mch dao ñng VCO ñưc thc hin bng phn mm Sprint layout nn FR4 Transistor 2SC4226 đóng v SOT343, diode bin dung BB833 đóng v SOD323, cun cn cao tn RFC t ñin dáng kích thưc 0805 Hình trình bày bo mch thc hin cui kt hp mch suy hao 10dB, lc thơng thp có tn s ct f cut −off = 4,5GHz mch MMIC ERA6, mc đích cách ly ti bo ñm mc khong 40 mW Kt qu đo th di tn thp mt so vi thit k 1860 MHz − 3980 MHz Trên Hình 10, mc đin ngõ ti tn s 2.828 MHz 13, dBm , vi suy hao 25dB , nhiu pha 46, dBc/Hz ti v trí lch vi sóng mang 10 ( kHz ) Các giá tri thp so vi giá tr mơ phng Hình 10a Nhiu pha ca mch dao ñng tương ng 3,52 dB 13dB Bng (xem trang trưc) cho kt qu thc t ño ñưc so vi ch tiêu kỳ vng kt qu mơ phng I KT LUN Tin trình thit k thc hin mch dao ñng VCO băng tn S rng mt octave đưc trình bày kt qu đt thc nghim ñưc: Di tn 1860 MHz − 3980 MHz tương ng vi ñin áp ñiu khin thay ñi t ( V ) − 35 ( V ) , mc RF ngõ 13, ( dBm ) nhiu pha 46, ( dBc/Hz ) So vi mc tiêu đ ra, kt qu đo đt thc t có di tn thp kt qu mô phng 4% ñin cm, ñin dung ký sinh ca ñim hàn chân linh kin khơng đưc đưa vào mơ hình Mc RF ngõ thp giá tr mô phng 3,5dB s dng vt liu nn FR4 có suy hao tương ñi ln δ = 0, 025 ; cui cùng, diode bin dung có h s phm cht thp R = 3,  nên nhiu pha thp s 13dB so vi kt qu mô phng ð khc phc ngun đơi ta có th dùng mt chip ñi ñin ñ to ñin áp 5V t ngun 12V dùng ngun đin áp qt đưc sa dng bù s phi tuyn ca tn s VCO theo đin áp điu khin nhm có đ tuyn tính u cu Tóm li, kt qu xác có th đt nu có đưc vt liu, linh kin phù hp mơ hình đưc xây dng đy đ Hình 10b Nhiu pha ca mch dao ñng [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Hình Ph ngõ 106 106 TÀI LIU THAM KHO Silver J P Reflection Oscillator Design Tutorial, www.rfic.co.uk, E mail: John@rfic.co.uk Cornelis J Kikkert, RF Electronics Design and Simulation, James Cook University, Townsville, Queenland, Australia, 2013 Guillermo Gonzaler, Microwave transistor amplifiers Analysis and design, 2nd Edition, Pretice Hall, Inc., Upper Saddle River, New Jersey, United State of America, 1984 David M Pozar, Microwave Engineering, 2nd Edition, John Wiley & Sons, Inc., New york, United State of America,1998 Sebnem Seckin Ugurlu “Dielectric resonator oscillator design and realization at 4,25GHz” ELECO 7th 2011 International Conference on Electrical and Electronics Engineerng, pp 185188 14 December, Bursa, Turkey, 2011 NEC’s NPN Silicon High Frequency Transistor, NE856 Series California Eastern Laboratories, 2005 Silicon Tuning Diodes, Edition 20110615 Published by Infineon Technologies, AG 81726 Munich, Germany Rowan Gilmore, Les Besser, Practical RF Circuit Design for Modern Wireless Systems, Artech House, Inc., 685 Canton Street, Norwood, MA 02062, paper 373374, volume I, 2003 ... Kikkert, RF Electronics Design and Simulation, James Cook University, Townsville, Queenland, Australia, 2013 Guillermo Gonzaler, Microwave transistor amplifiers Analysis and design, 2nd Edition,... ID =S3 NET="NE85630/CEL" B SUBCKT ID =S2 NET="BB833" CAP ID=C3 C=100 pF CAP ID=C2 C=330 pF RES ID=R4 R=10000 Ohm 200 200 DCVSS ID=V3 VStart=14.94 V VStop=14.94 V VStep=0 V A OSCAPROBE ID=X1 Fstart=1... 2011 NEC? ?s NPN Silicon High Frequency Transistor, NE856 Series California Eastern Laboratories, 2005 Silicon Tuning Diodes, Edition 20110615 Published by Infineon Technologies, AG 81726 Munich,

Ngày đăng: 28/04/2022, 09:42

HÌNH ẢNH LIÊN QUAN

Hình 1. Mô hình mch dao ñng ñin tr âm. - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
Hình 1. Mô hình mch dao ñng ñin tr âm (Trang 1)
V= (V), Ic =30 (mA); t ñó chúng ta xây dng cu hình - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
c =30 (mA); t ñó chúng ta xây dng cu hình (Trang 2)
Hình 2b. Pha tương ng ca S11 và S2 2. - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
Hình 2b. Pha tương ng ca S11 và S2 2 (Trang 2)
như trên Hình 2. Trong ñó ta thy S11 = 1.53 51 &gt; , - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
nh ư trên Hình 2. Trong ñó ta thy S11 = 1.53 51 &gt; , (Trang 2)
Hình 2a. Biên ñ S1 1, S22 và K. - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
Hình 2a. Biên ñ S1 1, S22 và K (Trang 2)
Hình 3. Mch dao ñng tn s xác ñnh 2.828 MHz. - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
Hình 3. Mch dao ñng tn s xác ñnh 2.828 MHz (Trang 2)
Hình 4b. Nhiu pha. - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
Hình 4b. Nhiu pha (Trang 3)
Hình 5. ðin dung theo ñin áp ca hai diode BB833 ni –back to back.  - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
Hình 5. ðin dung theo ñin áp ca hai diode BB833 ni –back to back. (Trang 3)
Hình 7. Tn s ngõ ra b dao ñng VCO theo ñin áp ñiu khin. - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
Hình 7. Tn s ngõ ra b dao ñng VCO theo ñin áp ñiu khin (Trang 3)
Kt qu trên Hình 7 cho thy tn s ngõ ra thay ñi t 1.921 MHz ñn 4.045 MHz  khi ñin th ñiu khin bin ñi tương  ng  t  6V  ñn  35V - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
t qu trên Hình 7 cho thy tn s ngõ ra thay ñi t 1.921 MHz ñn 4.045 MHz khi ñin th ñiu khin bin ñi tương ng t 6V ñn 35V (Trang 3)
Vì mô hình ca diode bin dung thc hin  tn s thp, nên các ñin cm ký sinh ca dây ni t chip diode ñn chân hàn  linh kin L S=2,2 nH, ñt ni tip vi ñin cm ngõ vào phn  t tích cc 2,9 nH kt hp vi ñin cm l xuyên thông [8] - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
m ô hình ca diode bin dung thc hin  tn s thp, nên các ñin cm ký sinh ca dây ni t chip diode ñn chân hàn linh kin L S=2,2 nH, ñt ni tip vi ñin cm ngõ vào phn t tích cc 2,9 nH kt hp vi ñin cm l xuyên thông [8] (Trang 3)
Hình 6. Mch dao ñng VCO rng mt Octve. - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
Hình 6. Mch dao ñng VCO rng mt Octve (Trang 4)
ID=V2 V=5 V - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
2 V=5 V (Trang 4)
Hình 10a. Nhiu pha ca mch dao ñng. - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
Hình 10a. Nhiu pha ca mch dao ñng (Trang 5)
1860MHz 3980MHz −. Trên Hình 9 và 10, mc ñin ngõ ra - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
1860 MHz 3980MHz −. Trên Hình 9 và 10, mc ñin ngõ ra (Trang 5)
Hình 9. Ph ngõ ra. - Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave
Hình 9. Ph ngõ ra (Trang 5)

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w