Ersatz für leistungshungrige YIG Oszillatoren - All

QUARZE/OSZILLATOREN
Preiswerte VCOs
Ersatz für leistungshungrige YIG Oszillatoren
Neuartige VCOs holen das letzte Quäntchen aus locker gekoppelten Resonatoren, um niedriges Phasenrauschen zu erzielen,
und dies zu einem Bruchteil an Kosten und Energiebedarf von YIG-Oszillatoren.
Phasenrauschen ist das Kriterium von vielen Kommunikationssystemen, und der
Parameter, den Entwickler von Oszillatoren
minimieren müssen. Systementwickler
nutzen lange schon YIG-Oszillatoren
(YIG=Yttrium-Eisen-Granat) wegen ihrer
Eigenschaften für breitbandige, rauscharme und hochfrequente Anwendungen.
Doch YIG-Oszillatoren sind auch leistungshungrig und voluminös. Die mechanische Ausführung, eine YIG-Kugel im Luftspalt eines Elektromagneten, schliesst die
Verwendung in integrierten Schaltungen
aus. Gegen Massenproduktion spricht auch
die Toleranzanforderung der Kugelanordnung im Spalt. Die Größe der Kugel und der
Spulenwicklungen für das elektromagnetische Feld begrenzen den Einsatz unterhalb der Resonanzfrequenz von etwa 2 GHz.
Weiterhin reagieren YIG-Oszillatoren empfindlich auf Temperaturänderungen,
Vibrationen, elektromagnetischen Einstrahlungen und Frequenzmodulation.
Glücklicherweise gibt es eine Alternative:
die VCOs aus der DCYR-Serie von Synergy
Microwave Corp (Vertrieb: TSS). Diese
neuen, zum Patent angemeldeten VCOs
(elektronik industrie berichtete) sind derzeit
für Frequenzen von 250 MHz bis 6 GHz
verfügbar, bei typischem gemessenen
Phasenrauschen bis – 132 dBc/Hz bei
100 kHz Trägerabstand.
Trotz ihres guten Phasenrauschen überwiegen bei YIG-Oszillatoren Drift,Mikrophonie und andere negative Effekte, die zu
nicht tolerierbaren Bitfehlerraten führen
(Lit. 1, 10). Auch die langsame Durchstimmbarkeit (im ms-Bereich) begrenzen
den Einsatz in heutigen frequenz-agilen
Systemen, in denen Frequenzwechsel im
Mikrosekundenbereich gefordert sind. Mit
der DCYR-Serie stehen nunmehr VCOs zur
˘ AUTOR
Ulrich L. Rohde, K. J. Schöpf,
Ajay K. Poddar, Synergy Microwave
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Aufbau mit lose angekoppelten, planaren Resonatoren
Aufgrund des steigenden Bedarfs an rauscharmen Quellen,
und im Hinblick auf die Grenzen
von YIG-Oszillatoren, haben die
Entwickler bei Synergy Microwave Corp. einen zum Patent
angemeldete Aufbau entwickelt, der auf mehrfachen, lose
angekoppelten planaren Resonatoren beruht (MCSW=multicoupled slow-wave). Dieser
Ansatz bietet einen mehrere
Bild 1: Blockdiagramm der zum Patent angemeldete Archi- Oktaven umfassenden Abtektur der MCSW-VCOs der DCYR-Serie von Oszillatoren.
stimmbereich und ist dennoch
verträglich mit IC-Herstellungsprozessen (Lit. 1,3). Durch dynamisch optimierte Impedanzund Kopplungsgrößen des planaren Netzwerkes erreicht man
eine gravierende Verbesserung
des Phasenrauschens.
Ein MCSW-VCO ist von Haus aus
planar und breitbandig, benötigt weniger diskrete Bauteile
und ist damit bestens geeignet
Bild 2: Die DCYR-Serie wird in Gehäusen mit 1/2-Zoll oder 3/4für kostengünstige MMIC-FerZoll geliefert.
tigung.Dadurch wird die MCSWVerfügung, die die notwendige BandbreiTechnologie zu einem viel versprechente bei gleichzeitig gutem Phasenrauschen
den Ansatz für Mikrowellen-Anwendungen
und schnellem Frequenzwechsel bieten.
wie Kommunikationssysteme, Test- und
YIG Oszillatoren erfordern viel elektrische
Messgeräte, Radar, LMDS, MMDS und so
Leistung (typisch 200 mA bei 12 V), um die
weiter.
YIG-Pille und die Elektronik im thermischen
Bild 1 zeigt das Blochschaltbild der DCYRGleichgewicht zu halten. Diese Wärme abSerie Oszillatoren, die auf dem MCSW-Prizuführen ist oft ein Problem. YIG-Oszillazip beruhen. Diese Modellreihe ist derzeit
toren sind schwer an andere Frequenzbeim Frequenzbereich von 250 MHz bis 6 GHz
reiche anpassbar und erfordern hohen
in verschiedenen Abstimmbereichen verRe-Design-Aufwand.Weiterer Nachteil von
fügbar, alle Modelle bieten stabiles VerYIGs ist die Art der Abstimmung, diese erhalten über einen weiten Temperaturbefolgt durch Ändern des Magnetfeldes. Rareich (– 40 bis +85 °C). Als Gehäuse dienen
sche Änderungen sind schwierig zu realiquadratische 1/2 Zoll oder 3/4 Zoll Packasieren, und bei hoher Integrationsdichte
ges mit etwa 4 mm Bauhöhe (Bild 2). Damit
nicht anwendbar. Frequenzen unterhalb
benötigen diese VCOs nur einen Bruchteil
etwa 2 GHz sind ebenfalls aufgrund der
des Platzes selbst der kleinsten YIG-OszilGröße der YIG-Pille schwer realisierbar.
latoren (Würfel mit 1 Zoll Kantenlänge).
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Wie in Bild 1 skizziert, hat die durch das aktive Dreitor (FET oder Bipolar-Transistor)
gebildete aktive Impedanz,in einem MCSW
Oszillator einen negativen Realteil mit einer reellen Größe und einen Imaginärteil.
Die reelle Amplitude ist eine Funktion der
imaginären Amplitude. Die imaginäre Amplitude wird so gewählt, dass die reelle
Amplitude die Verluste des MCSW-Resonators kompensiert, ebenso sollte sie dem
Wendepunkt der Phasenkurve entsprechen, damit erzielt man verbessertes Gruppenlaufzeitverhalten. Die Modenkopplung
enthält ein Verfahren für optimale dynamische Kopplung. Dies verbessert die
dynamische Lastgüte, reduziert oder vermindert Phasenhits, verringert die Anfälligkeit für Mikrophonie und minimiert das
Phasenrauschen bei gleichzeitiger linearer
Breitbandigkeit.
Das Multi-Mode-gekoppelte Netzwerk aus
Bild 1 ist kapazitiv über Basis- und Kollektor-Anschluss angebunden. Diese Anordnung kann als high-Q-Vervielfacher gekennzeichnet werden, der letztendlich die
zeitlich gemittelte Lastgüte des planaren Resonators über den Arbeitsfrequenzbereich
verbessert. Ein zusätzliches Phasenkompensationsnetzwerk verbessert dynamisch
die Gruppenlaufzeit und sorgt für gleichmäßig niedriges Phasenrauschen. Schliesslich sorgt ein weiteres planares Ausgangsnetzwerk für gute Unterdrückung von
höheren harmonischen Komponenten.
Bild 3: Das typische Phasenrauschen des DCYR25100-5, der
für den Frequenzbereich von 250 MHz bis 1000 MHz entwickelt wurde.
Bild 4: Abstimmkennlinie des DCYR25100-12
Phasenrauschen im Griff
Wie gut funktioniert diese Anordnung
etwa in Bezug auf das Phasenrauschen?
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Bild 5: VCO Ausgangsleistung über der Ausgangsfrequenz.
Das typische Phasenrauschen
eines kommerziellen YIG-Oszillator (2…6 GHz-Bereich) beträgt
– 95 dBc/Hz bei 100 kHz Offset
vom Träger. In den letzten Jahren sind auch kommerziell verfügbare Modelle bis 500 MHz
erhältlich, auch wenn diese
schwer in den Miniaturgehäusen (1 Zoll) zu realisieren sind.
Und dennoch benötigen diese
kleinen Ausführungen 100…200
Milliampere elektrische Energie.
Bild 3 zeigt die Phasenrauschkurven eines Oszillators von
250 MHz bis 1000 MHz, Modell
DCYR25100-5. Das typische gemessene Phasenrauschen beträgt hier – 130 dBc/Hz bei
100 kHz Trägerabstand. Der Oszillator ist mit etwa 20 mm Länge und Breite immer noch
kompakter als die kleinsten YIGOszillatoren, benötigt nur rund
35 mA bei 5 Volt und 0 bis 28Volt
Abstimmspannung für den gesamten Bereich. Als Ausgangsleistung bietet das Modell
+ 3 dBm über den gesamten Frequenzbereich bei 20 dB Unterdrückung der Harmonischen.
Bei der Ausgangsleistung können die YIG-Oszillatoren noch
punkten, allerdings liegt die Unterdrückung von harmonischen
Beiträgen oft nur bei 10 db oder
weniger.
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Eine Variante,das Model DCYR25100-12 ( 3/4
Zoll, 35 mA bei +12 V DC, 0-28V Abstimmspannung) bietet typische gemessene –
134 dBc/Hz Phasenrauschen bei 100 kHz
Trägerabstand. Bilder 4, 5 und 6 zeigen Abstimmkennlinie,Ausgangsleistung und Harmonischenunterdrückung für dieses Modell.
DCYR-Oszillatoren arbeiten auf der Grundfrequenz (keine Vervielfachung!) und ist
dadurch weniger anfällig für Phasenjitter
und Phasensprünge. Das Funktionsprinzip macht Anpassung an kundenspezifische
Frequenzbereiche relativ leicht. Einige
Modelle sind in Tabelle 1 aufgelistet (z.Teil
in Vorbereitung):
Man erkennt, dass für sehr hohe Frequenzen YIG Oszillatoren trotz der Nachteile (Leistungsbedarf) Vorteile bieten können. Bei Frequenzen im Bereich von
200…6000 MHz dagegen bietet die DCYRund DCYS-Serie eine kostengünstige Alternative. Und für kommende Technologien wie UWB stehen jetzt frequenzagile
VCOs zur Verfügung.
(sb)
Bild 6: Unterdrückung der doppelten Harmonischen (2 x Fout) als Funktion der Ausgangsfrequenz.
Modell
Frequenzbereich
Phasenrauschen
Ausgangsleistung
Gehäuse
DCYR 100200
1000-2000 MHz
– 128 dBc/Hz@100 kHz
>+3 dBm (35 mA/12 V)
0,75 x 0,75 in.
DCYS 120200-12
1200-2000 MHz
– 125 dBc/Hz@100 kHz
>+3 dBm (35 mA/12 V)
0,5 x 0,5 in.
DCYS 300600-5
3000-6000 MHz
– 105 dBc/Hz@100 kHz
>+3 dBm (45 mA/5 V)
0,75 x 0,75 in.
DCYS 200400-5
2000-4000 MHz
– 113 dBc/Hz@100 kHz
>+3 dBm (45 mA/5 V)
0,5 x 0,5 in.
DCYS 250500-5
2500-5000 MHz
– 105 dBc/Hz@100 kHz
>+3 dBm (45 mA/5 V)
0,5 x 0,5 in.
DCYS 300600-5
3000-6000 MHz
– 102 dBc/Hz@100 kHz
>+3 dBm (45 mA/5 V)
0,5 x 0,5 in.
Tabelle 1: Wesentliche technische Daten der DCYR-Oszillatoren von Synergie (Vertrieb:TSS)
Quellenangaben:
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4. U.L.Rohde,A.K.Poddar,and Juergen Schoepf,
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5. U.L. Rohde, K.J. Schoepf, and A.K. Poddar,
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36
cations: Theory and Optimization, Wiley,
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12. U.L. Rohde, and A.K. Poddar, "CostEffective, PowerEfficient and Configurable YIG
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Microwave ConferenceGeMiC 2006,
28-30 March 2006, Germany.
˘
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422ei1206
www.elektronik-industrie.de
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