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

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Präsentation zum Thema: "Wolf-Henning Rech DF9IC mailto: Realisierung rauscharmer und frequenzstabiler Oszillatoren im VHF-UHF-Bereich."—  Präsentation transkript:

1 Wolf-Henning Rech DF9IC mailto: Realisierung rauscharmer und frequenzstabiler Oszillatoren im VHF-UHF-Bereich

2 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC2 Inhalt zEinführung zGrundlagen zModell des Osillatorrauschens nach Leeson zVHF-Quarzoszillatoren zVHF-VCOs zTestaufbau VHF-VCO zZusammenfassung

3 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC3 Einführung zGroßsignalverträglickeit bei 144/432/1296 MHz primär durch Oszillatorrauschen begrenzt zVerfügbare Transceiver sind deutlich schlechter, als bei konsequenter Auslegung möglich wäre zKompromiß zwischen Oszillatorrauschen und: yAufwand/Preis/Baugröße yAbstimmbereich (Weitband-RXe) yLeistungsaufnahme zbetroffen: Transceiver + (z. T.) Transverter

4 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC4 Grundlagen zDeterministische und stochastische Abweichungen der Oszillatorfrequenz zDeterministisch: yTemperaturdrift, Mikrofonie yPushing (Versorgungsspannung), Pulling (Last) zStochastisch (Rauschen): yWiderstandsrauschen (Johnson-Rauschen) ySchrotrauschen (bei Halbleitern) y1/f-Effekte

5 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC5 Grundlagen zAlterung: deterministisch und stochastisch zLangsamveränderliche Abweichungen können durch eine Regelschleife (z. B. PLL) kompensiert werden, Regelbandbreite typ. Hz... kHz zVerbleibende schnellveränderliche Anteile: yMikrofonie => stabiler mechanischer Aufbau yPushing => Filterung der Versorgungsspannung yPulling => Pufferung yRauschen => ????

6 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC6 Grundlagen zAllan-Varianz der Frequenz:

7 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC7 Grundlagen zPhasenrauschen/Frequenzrauschen:

8 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC8 Grundlagen zRauschleistung wird auf Gesamtleistung (Trägerleistung, c = carrier) bezogen und ist bandbreiteproportional zdaher dBc/Hz zBeispiele: RX-LeistungRauschen (2,5 kHz)Rauschen (1 Hz) -40 dBm -100 dBc -134 dBc/Hz -20 dBm -120 dBc -154 dBc/Hz

9 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC9 Modell Oszillatorrauschen zD. B. Leeson 1966: erster theoretischer Ansatz zBeschreibung für rückgekoppelten Verstärker:

10 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC10 Modell Oszillatorrauschen zSpektrale Rauschleistungsdichte muß noch auf Verstärkereingangsleistung P in bezogen werden zRauschfloor + Resonanz mit Bandbreite f 3 dB f

11 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC11 Modell Oszillatorrauschen zGeringes Phasenrauschen bedeutet: yhohe belastete Güte Q l yniedrige Transistorrauschzahl F yhohe Eingangsleistung P in zHohe Güte + Hohe Wirkleistung im Resonator = sehr hohe Blindleistung im Resonator zweitere Effekte wie multiplikativ wirkendes 1/f- Rauschen müssen reduziert werden => schmale Resonanz => niedriger Floor

12 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC12 VHF-Quarzoszillator zQuarz als Resonator (z. B. 100 MHz): Q l >= leicht realisierbar, d. h. f =< 10 kHz yWirkleistung im Resonator max mW ysehr hohe Impedanzen der Blindanteile bei f =< 10 kHz bereits im Bereich des Floor zd.h. hohe Oszillatorleistung und kleine Rauschzahl für niedrigen Rauschfloor zinsgesamt sehr gute Eigenschaften

13 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC13 VHF-Quarzoszillator zMögliche Problempunkte bei Quarzoszillatoren: yC 0 -Kompensation verwenden, da sonst keine optimale Phasensteilheit (Verschlechterung der effektiven Güte) yVersorgungsspannung filtern, z. B. 22 Ohm / 220 µF, um Rauschmodulation per Pushing durch rauschende Spannungsregler zu vermeiden yPufferstufe fest ankoppeln, um SNR-Verschlechterung zu vermeiden yersten Frequenzvervielfacher mit hohem Eingangspegel betreiben (Transistor in Emitterschaltung ungünstig)

14 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC14 VHF-VCO zResonatorgüte begrenzt ( ) zdaher hohe Oszillatorleistung wichtig zAbstimmbereich so klein wie möglich ygeringe Güteverschlechterung durch Varicaps ygeringere Blindleistung an den Varicaps yRauschen der Abstimmspannung zMikrofonie!

15 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC15 VHF-VCO zVaricaps begrenzen die mögliche Oszillatorleistung! zAbhilfe: Verwendung sehr vieler Dioden in Parallelschaltung (SMD-Bauteile!) zAbstimmspannung über Drosseln (ca. 1 µH) zuführen und über passive Tiefpässe filtern zaktives Element rauscharm und niedrig verstärkend bei hoher Ausgangsleistung

16 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC16 Testaufbau VHF-VCO zAuswahl der Varicap nach Güte und Blindleistung

17 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC17 Testaufbau VHF-VCO zResonator Stripline mit Querschnitt: zVerstärker 4 x J310 parallel - ca. 21 dBm Kompressionsleistung und 8 dB Verstärkung zelektrisch abstimmbar 2,5 MHz bei V Alu-Gehäuse 5 mm FR4-Leiterplatte beidseitig Streifenleiter

18 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC18 Testaufbau VHF-VCO ca. 50 x BB814 (ca. 100 Varicaps) Stripline- Resonator mit kapazitiver Kopplung Luft-Trimm-Cs Verstärker 4 x J310 RC-Tiefpass Versorgungs- spannung

19 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC19 Testaufbau VHF-VCO zÜbertragung durch Resonator und Verstärker:

20 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC20 Testaufbau VHF-VCO

21 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC21 Testaufbau VHF-VCO zPLL: rauschoptimierte Auslegung des Schleifen- filters (aktives nötig wegen hoher Spannung) zgünstig dafür ist eine hohe Vergleichsfrequenz (DDS als Teiler): PLL DDS VCO Referenz- frequenz

22 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC22 Zusammenfassung zMit 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) zVCO-Design: kleine Abstimmbandbreite, viele Varicaps, hohe Abstimmspannung, sehr hohe Oszillatorleistung, möglichst hohe Güte zPLL-Design: hohe Phasenvergleichsfrequenz (DDS-Teiler), niedrige Schleifengrenzfrequenz, Loopfilter mit passiver Ausgangsstufe


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