intTypePromotion=1
ADSENSE

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

Chia sẻ: Wang Ziyi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

16
lượt xem
1
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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!

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Thiết kế và chế tạo bộ dao động VCO băng S rộng một Octave

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

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2