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Wolf-Henning Rech DF9IC mailto:

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1 Wolf-Henning Rech DF9IC http://www.df9ic.de mailto:
Realisierung rauscharmer und frequenzstabiler Oszillatoren im VHF-UHF-Bereich Wolf-Henning Rech DF9IC mailto:

2 Wolf-Henning Rech DF9IC
Inhalt Einführung Grundlagen Modell des Osillatorrauschens nach Leeson VHF-Quarzoszillatoren VHF-VCOs Testaufbau VHF-VCO Zusammenfassung 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

3 Wolf-Henning Rech DF9IC
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 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

4 Wolf-Henning Rech DF9IC
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 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

5 Wolf-Henning Rech DF9IC
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 => ???? 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

6 Wolf-Henning Rech DF9IC
Grundlagen Allan-Varianz der Frequenz: 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

7 Wolf-Henning Rech DF9IC
Grundlagen Phasenrauschen/Frequenzrauschen: 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

8 Wolf-Henning Rech DF9IC
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) dBm dBc dBc/Hz -20 dBm dBc dBc/Hz 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

9 Modell Oszillatorrauschen
D. B. Leeson 1966: erster theoretischer Ansatz Beschreibung für rückgekoppelten Verstärker: 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

10 Modell Oszillatorrauschen
Spektrale Rauschleistungsdichte muß noch auf Verstärkereingangsleistung Pin bezogen werden Rauschfloor + Resonanz mit Bandbreite Df 3 dB Df 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

11 Modell Oszillatorrauschen
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 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

12 Wolf-Henning Rech DF9IC
VHF-Quarzoszillator Quarz als Resonator (z. B. 100 MHz): Ql >= leicht realisierbar, d. h. Df =< 10 kHz Wirkleistung im Resonator max mW sehr hohe Impedanzen der Blindanteile bei Df =< 10 kHz bereits im Bereich des Floor d.h. hohe Oszillatorleistung und kleine Rauschzahl für niedrigen Rauschfloor insgesamt sehr gute Eigenschaften 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

13 Wolf-Henning Rech DF9IC
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) 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

14 Wolf-Henning Rech DF9IC
VHF-VCO Resonatorgüte begrenzt ( ) daher hohe Oszillatorleistung wichtig Abstimmbereich so klein wie möglich geringe Güteverschlechterung durch Varicaps geringere Blindleistung an den Varicaps Rauschen der Abstimmspannung Mikrofonie! 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

15 Wolf-Henning Rech DF9IC
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 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

16 Wolf-Henning Rech DF9IC
Testaufbau VHF-VCO Auswahl der Varicap nach Güte und Blindleistung 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

17 Wolf-Henning Rech DF9IC
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 V FR4-Leiterplatte beidseitig Streifenleiter Alu-Gehäuse 5 mm 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

18 Wolf-Henning Rech DF9IC
Testaufbau VHF-VCO Luft-Trimm-Cs Stripline- Resonator mit kapazitiver Kopplung Verstärker 4 x J310 RC-Tiefpass Versorgungs- spannung ca. 50 x BB814 (ca. 100 Varicaps) 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

19 Wolf-Henning Rech DF9IC
Testaufbau VHF-VCO Übertragung durch Resonator und Verstärker: 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

20 Wolf-Henning Rech DF9IC
Testaufbau VHF-VCO 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

21 Wolf-Henning Rech DF9IC
Testaufbau VHF-VCO PLL: rauschoptimierte Auslegung des Schleifen- filters (aktives nötig wegen hoher Spannung) günstig dafür ist eine hohe Vergleichsfrequenz (DDS als „Teiler“): Referenz- frequenz PLL VCO DDS 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC

22 Wolf-Henning Rech DF9IC
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 52. UKW-Tagung Weinheim Wolf-Henning Rech DF9IC


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