Ταλαντωτής υψηλών συχνοτήτων για εφαρμογές ευρείας ζώνης

• Main Author: Παπαδόπουλος, Αντώνιος
• Other Authors: Papadopoulos, Antoniοs
• Language: Greek
• Published: 2020
• Subjects: Ταλαντωτές υψηλών συχνοτήτων; Ταλαντωτές ραδιοσυχνοτήτων; High frequency oscillators; Radio frequency oscillators

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως σκοπό τη σχεδίαση τη προσομοίωση και εν τέλη τη κατασκευή ενός ταλαντωτή ελεγχόμενο από τάση με εύρος συντονισμού από 4GHz μέχρι 6 GHz που πρόκειται να χρησιμοποιηθεί σε τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές. Οι απαιτήσεις για το παρόν σύστημα σχεδιασμού τέθηκαν για τη χρήση του ταλαντωτή σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα τύπου SDR(Soft Defined Radio). Πιο συγκεκριμένα ο θόρυβος φάσης σε όλο το φάσμα του ταλαντωτή θα πρέπει να είναι μικρότερος από -100dBc/Hz σε δεδομένη μετατόπιση συχνότητας 1MHz από τη συχνότητα συντονισμού και η ισχύς εξόδου μεγαλύτερη από 0dBm σε όλο το φάσμα. Κάθε συσκευή που λειτουργεί σε τόσο υψηλές συχνότητες χρειάζεται να αποζευχθεί από το τη συσκευή τροφοδοσίας της, προκείμενου να μην υπάρχει διαφυγή σήματος υψηλής συχνότητας προς αυτή. Για αυτό το λόγο ενδιάμεσα στο ταλαντωτή και το τροφοδοτικό παρεμβλήθηκε ένα χαμηλοδιαβατό φίλτρο που δεν επιτρέπει τη ροή σήματος υψηλής συχνότητας προς το τροφοδοτικό, κρατάει μικρή τη κυμάτωση της τάσης στη συσκευή και δημιουργεί χαμηλή εμπέδηση προς τη γη(>-45dB) στις συχνότητες λειτουργίας του κυκλώματος(4-6GHz). Όσον αφορά το ταλαντωτή, για να επιτευχθούν οι παραπάνω απαιτήσεις καταφύγαμε στη τοπολογία αρμονικού ταλαντωτή διασταυρωμένου ζεύγους(Cross Coupled) που χρησιμοποιείται ευρέως σε υψηλές συχνότητες λειτουργίας, ειδικότερα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα(IC). Χρησιμοποιώντας διόδους μεταβλητής χωρητικότητας(Varactors) επιτεύχθηκε η συντονισμός του κυκλώματος σε όλο το απαιτούμενο φάσμα συχνοτήτων. Έπειτα χρησιμοποιήθηκε ένας ενισχυτής ρεύματος(Emmiter Follower) στην έξοδο του ταλαντωτή προκειμένου να μπορεί το κύκλωμα να οδηγήσει το φορτίο αποδοτικά. Μετά τον ενισχυτή ρεύματος, επειδή η κυματομορφή εξόδου απέκλινε από την ημιτονική χρειάστηκε να προσδεθεί ένα ζωνοπερατό φίλτρο το οποίο διατηρεί το αρμονικό περιεχόμενο μόνο στην απαιτούμενη μπάντα συχνοτήτων(4-6GHz) αποκόπτοντας τις υπόλοιπες συχνότητες. Ωστόσο, η κυματομορφή στην έξοδο του φίλτρου είναι διαφορική, για να μπορεί να τροφοδοτήσει ένα φορτίο με γειωμένο το ένα άκρο χρειάστηκε να μεσολαβήσει ένας μετασχηματιστής αναμεσά στο φίλτρο και το φορτίο που μετατρέπει τη διαφορική έξοδο του φίλτρου(ισορροπημένη) σε έξοδο με αναφορά ως προς τη γη (μη ισορροπημένη). Εφόσον το κύκλωμα τηρούσε τις απαιτήσεις ισχύος εξόδου, θορύβου φάσης και εύρος συντονισμού , στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε μια προσομοίωση με τα χάλκινα κομμάτια(pads) στα οποία θα ενώνονταν κάθε ηλεκτρονικό στοιχείο(πυκνωτές, τρανζίστορ κ.λπ.) με τη πλακέτα, για να διαπιστωθεί το ποσό της επίδρασης τους στη λειτουργία του κυκλώματος. Η επίδρασή τους ήταν μικρή, οπότε η διαδικασία σχεδίασης συνεχίστηκε με τη σχεδίαση πλακέτας και την ηλεκτρομαγνητική προσομοίωσή αυτής. Στη συνέχεια, συνδέθηκαν όλα τα ηλεκτρονικά στοιχεία στο ηλεκτρομαγνητικό μοντέλο της πλακέτας συμπεριλαμβάνοντας όλα τα παρασιτικά στοιχεία τους λόγω της συσκευασίας στην οποία περικλείονται, ώστε τα αποτελέσματα τα οποία θα εξαχθούν να βρίσκονται όσο το δυνατόν πιο κοντά στη πραγματική συμπεριφορά του κυκλώματος. Εν τέλει τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που εξήχθησαν παρουσιάζουν ένα εύρος συντονισμού από 4GHz μέχρι 5.9GHz για τάση ελέγχου από 0 μέχρι 28V, με ισχύ εξόδου σε όλο το φάσμα μεγαλύτερη από 0dBm ,θόρυβο φάσης περίπου -110 dBc κατά μέσο όρο σε όλο το φάσμα συχνοτήτων, μέγιστη απόκλιση από τη γραμμική ρύθμιση συχνοτήτων περίπου ίση με 600MHz και ευαισθησία του ταλαντωτή ΚVCO σχεδόν ίση με 70. Επίσης η έξοδος του ταλαντωτή είναι προσαρμοσμένη σε φορτίο 50 Ω με συντελεστή ανάκλασης στο φορτίο κατά μέσο ορό ίσο με -15dB, δημιουργώντας με αυτό το τρόπο συνθήκες μέγιστης απόδοσης ισχύος στο φορτίο. Τέλος σχεδιάστηκε ένα μεταλλικό κουτί στο οποίο πρόκειται να εγκλειστεί η πλακέτα για να θωρακισθεί από τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία του περιβάλλοντος.