Wolf-Henning Rech DF9IC mailto: Realisierung rauscharmer und frequenzstabiler Oszillatoren im...

Wolf-Henning Rech DF9IC

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mailto:

Realisierung rauscharmer und frequenzstabiler Oszillatorenim VHF-UHF-Bereich

52. UKW-Tagung Weinheim 9.2007 Wolf-Henning Rech DF9IC 2

Inhalt

Einführung

Grundlagen

Modell des Osillatorrauschens nach Leeson

VHF-Quarzoszillatoren

VHF-VCOs

Testaufbau VHF-VCO

Zusammenfassung


Einführung

Großsignalverträglickeit bei 144/432/1296 MHz primär durch Oszillatorrauschen begrenzt

Verfügbare Transceiver sind deutlich schlechter, als bei konsequenter Auslegung möglich wäre

Kompromiß zwischen Oszillatorrauschen und: Aufwand/Preis/Baugröße

Abstimmbereich (Weitband-RXe)

Leistungsaufnahme

betroffen: Transceiver + (z. T.) Transverter


Grundlagen

Deterministische und stochastische Abweichungen der Oszillatorfrequenz

Deterministisch: Temperaturdrift, Mikrofonie

Pushing (Versorgungsspannung), Pulling (Last)

Stochastisch (Rauschen): Widerstandsrauschen (Johnson-Rauschen)

Schrotrauschen (bei Halbleitern)

1/f-Effekte


Grundlagen

„Alterung“: deterministisch und stochastisch

Langsamveränderliche Abweichungen können durch eine Regelschleife (z. B. PLL) kompensiert werden, Regelbandbreite typ. Hz ... kHz

Verbleibende schnellveränderliche Anteile: Mikrofonie => stabiler mechanischer Aufbau

Pushing => Filterung der Versorgungsspannung

Pulling => Pufferung

Rauschen => ????


Grundlagen

Allan-Varianz der Frequenz:

Meßzeit ms s h

Kurzzeit-stabilität

Langzeit-stabilität


Grundlagen

Phasenrauschen/Frequenzrauschen:(f)

ff0

log (f)

log f = log (f - f0)


Grundlagen

Rauschleistung wird auf Gesamtleistung (Trägerleistung, c = carrier) bezogen und ist bandbreiteproportional

daher „dBc/Hz“Beispiele:

RX-Leistung Rauschen (2,5 kHz) Rauschen (1 Hz)

-40 dBm -100 dBc -134 dBc/Hz-20 dBm -120 dBc -154 dBc/Hz


Modell Oszillatorrauschen

D. B. Leeson 1966: erster theoretischer Ansatz

Beschreibung für rückgekoppelten Verstärker:

VerstärkerRauschzahl FVerstärkung V'

ResonatorResonanz f0

Güten Q0 und Ql

Pin Pout



Spektrale Rauschleistungsdichte

muß noch auf Verstärkereingangsleistung Pin bezogen werden

Rauschfloor +

Resonanz mit Bandbreite f

(f)

ff0

3 dB

f



Geringes Phasenrauschen bedeutet: hohe belastete Güte Ql

niedrige Transistorrauschzahl F

hohe Eingangsleistung Pin

Hohe Güte + Hohe Wirkleistung im Resonator = sehr hohe Blindleistung im Resonator

weitere Effekte wie multiplikativ wirkendes 1/f-Rauschen müssen reduziert werden

=> schmale Resonanz

=> niedriger Floor


VHF-Quarzoszillator

Quarz als Resonator (z. B. 100 MHz): Ql >= 10.000 leicht realisierbar, d. h. f =< 10 kHz

Wirkleistung im Resonator max. 1...10 mW

sehr hohe Impedanzen der Blindanteile

bei f =< 10 kHz bereits im Bereich des Floor

d.h. hohe Oszillatorleistung und kleine Rauschzahl für niedrigen Rauschfloor

insgesamt sehr gute Eigenschaften


VHF-Quarzoszillator

Mögliche Problempunkte bei Quarzoszillatoren: C0-Kompensation verwenden, da sonst keine optimale

Phasensteilheit (Verschlechterung der effektiven Güte)

Versorgungsspannung filtern, z. B. 22 Ohm / 220 µF, um Rauschmodulation per Pushing durch rauschende Spannungsregler zu vermeiden

Pufferstufe fest ankoppeln, um SNR-Verschlechterung zu vermeiden

ersten Frequenzvervielfacher mit hohem Eingangspegel betreiben (Transistor in Emitterschaltung ungünstig)


VHF-VCO

Resonatorgüte begrenzt (20...500)

daher hohe Oszillatorleistung wichtig

Abstimmbereich so klein wie möglich geringe Güteverschlechterung durch Varicaps

geringere Blindleistung an den Varicaps

Rauschen der Abstimmspannung

Mikrofonie!


VHF-VCO

Varicaps begrenzen die mögliche Oszillatorleistung!

Abhilfe: Verwendung sehr vieler Dioden in Parallelschaltung (SMD-Bauteile!)

Abstimmspannung über Drosseln (ca. 1 µH) zuführen und über passive Tiefpässe filtern

aktives Element rauscharm und niedrig verstärkend bei hoher Ausgangsleistung


Testaufbau VHF-VCO

Auswahl der Varicap nach Güte und Blindleistung


Testaufbau VHF-VCO

Resonator Stripline mit Querschnitt:

Verstärker 4 x J310 parallel - ca. 21 dBm Kompressionsleistung und 8 dB Verstärkung

elektrisch abstimmbar 2,5 MHz bei 6 ... 16 V

Alu-Gehäuse 5 mm

FR4-Leiterplatte

beidseitig Streifenleiter


Testaufbau VHF-VCO

ca. 50 x BB814(ca. 100 Varicaps)

Stripline-Resonatormit kapazitiverKopplung

Luft-Trimm-Cs

Verstärker4 x J310

RC-TiefpassVersorgungs-spannung


Testaufbau VHF-VCO

Übertragung durch Resonator und Verstärker:


Testaufbau VHF-VCO


Testaufbau VHF-VCO

PLL: rauschoptimierte Auslegung des Schleifen-filters (aktives nötig wegen hoher Spannung)

günstig dafür ist eine hohe Vergleichsfrequenz (DDS als „Teiler“):

PLL

DDS

VCOReferenz-frequenz


Zusammenfassung

Mit optimierten VCO/PLL-Systemen kann die Großsignalverträglichkeit im 2-m-Band um ca. 20 dB verbessert werden (1 kW macht dann nicht mehr QRM als 10 W jetzt)

VCO-Design: kleine Abstimmbandbreite, viele Varicaps, hohe Abstimmspannung, sehr hohe Oszillatorleistung, möglichst hohe Güte

PLL-Design: hohe Phasenvergleichsfrequenz (DDS-Teiler), niedrige Schleifengrenzfrequenz, Loopfilter mit passiver Ausgangsstufe

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