Модулируемый СВЧ-генератор

В настоящее время для различной аппаратуры связи необходимы малогабаритные СВЧ­генераторы с малым уровнем фазовых шумов, относительно высокой температурной нестабильностью в широком интервале рабочих температур (ИРТ) и малым временем включения и выключения при подаче управляющего напряжения. За счёт малого времени включения/выключения возможна модуляция и, соответственно, формирование сигнала в радиопередающих устройствах связи СВЧ­диапазона.

Решению указанных выше проблем посвящена разработка аналога генераторов моделей AXGS10, AXGS20 производства компании Axtal GmbH & Co (Германия) на частоты от 500 МГц до 2 ГГц.

Для перекрытия всего диапазона частот необходимо изготовить ПАВ­резонатор на частоты от 500 до 1000 МГц. Варианты генератора с выходной частотой 1,0…2,0 ГГц реализуются за счёт схемы удвоения частоты.

Такое техническое решение позволяет использовать более низкочастотные ПАВ­резонаторы, являющиеся более технологичными и надёжными, для повышения стабильности параметров генератора.

Для получения низкого уровня фазовых шумов требуется высокая добротность (Q ≥ 8000), что реализуется в резонаторах на поверхностных поперечных волнах (Surface Transverse Waves – STW). STW­резонаторы на кварце имеют высокую скорость распространения акустической волны (V₀=5000 м/с), низкий температурный коэффициент частоты (0,05·10^–6 1/°С²), выдерживают большую мощность подводимого сигнала (до нескольких Вт). Ширина электродов и зазоров встречно­штыревого преобразователя (ВШП) составляет 2,5…1,5 мкм для рабочих частот 500…1000 МГц, что облегчает фотолитографию при изготовлении резонаторов. Всё это позволяет успешно использовать STW для создания высокочастотных резонаторов [1–3]. Однако для обеспечения высокой добротности Q требуется большое число электродов (400) в отражательных решётках (ОР). Это приводит к увеличению размеров резонаторов, особенно на частотах менее 1 ГГц. В итоге для схемы генератора разработаны STW­резонаторы с высокой добротностью и уменьшенными размерами на YX/36°+90° срезе кварца. Резонаторы выполняются по одновходовой схеме, когда встречно­штыревой преобразователь (ВШП) располагается между двумя ОР с закороченными электродами (см. рис. 1).

Ключ разрешения выхода для обеспечения быстрого включения/выключения выполнен на PIN­диодах. Различные схемы включения PIN­диодов позволяют добиться оптимальных для заданных требований запираний сигнала и вносимых потерь. Существуют четыре основных вида схем: последовательная, шунтирующая, последовательно­шунтирующая и Т­образная, использующие по одному, по два (последовательно­шунтирующая) и три PIN­диода (Т­образная).

Схема выбирается, исходя из требуемой задачи по ослаблению сигнала в выключенном состоянии и исходя из параметров PIN­диода. Формулы для расчёта приведены в [4, 5]. Результаты расчётов для выбранного PIN­диода приведены в таблице 1.

Результаты расчёта показали, что наиболее оптимальным вариантом для выполнения требований по ослаблению сигнала в выключенном состоянии является использование Т­образной схемы.

Для управления включением/выключением используется драйвер на базе n­p­n транзистора. Схема основана на рекомендациях из [6, 7]. Для увеличения скорости включения/выключения однополярное питание +5 В преобразовано в двухполярное –1,7 и +3,3 В. Смена полярности напряжения на PIN­диоде увеличивает скорость включения/выключения в 20…50 раз, что проверено при макетировании схем.

В итоге получено изделие, содержащее следующие функциональные блоки: ПАВ­резонатор, автогенератор на одном или двух транзисторах, усилитель на одном транзисторе, высокоскоростной ключ разрешения выхода. Блоки размещены в одной микросборке, изготовленной из низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (Low Temperature Co­fired Ceramics Technology, LTCC­технология). Подложка микросборки является дном корпуса генератора, на неё методом пайки устанавливается металлическая крышка, обеспечивая герметичность генератора.

Применение ПАВ­резонатора с высокой добротностью после умножения на 2 схемой автогенератора позволило получить следующие фазовые шумы (см. рис. 2).

Генераторы конструктивно исполнены в двух вариантах: в выводном корпусе DIL­14 (четыре вывода, 20,8×13,1×7,3 мм (Д×Ш×В)) для монтажа в отверстия печатной платы и безвыводном (4 контактных площадки, 20,7×13,1×5,2 мм) для монтажа на поверхность печатной платы (см. рис. 3).

Сравнение технических характеристик генераторов­аналогов с разработанным генератором приведено в таблице 2.

Время включения/выключения выхода генератора при внешнем управлении менее 50 нс позволяет использовать данные генераторы в качестве формирователя сигналов амплитудной манипуляции с технической скоростью до 2 МБод (при времени установления сигнала 1/10 посылки). 

Литература