DIPLOMOVÁ PRÁCE Tranzistorový oscilátor

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ v PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra elektromagnetického pole

DIPLOMOVÁ PRÁCE Tranzistorový oscilátor Bc. Jiří Zelený

Vedoucí práce : Prof. Ing. Karel Hoffmann, CSc. Praha, květen 2009

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE

Student :

Bc. Jiří Zelený

Název projektu :

Tranzistorový oscilátor

Zásady pro vypracování : Navrhněte a realizujte tranzistorový oscilátor na frekvenci 13,5 GHz. Při návrhu použijte dvě návrhové metody. Metodu používající pouze malosignálové s-parametry a metodu používající malosignálové s-parametry a tzv. load-pull techniku pro nastavení výstupního obvodu oscilátoru. Oba oscilátory realizujte a porovnejte z hlediska dosažitelných parametrů. Použijte tranzistory ATF 36077 nebo EPA 018A.

Vedoucí práce :

Prof. Ing. Karel Hoffmann, CSc.

Anotace Tato diplomová práce se zabývá návrhem a realizací tranzistorového oscilátoru v mikropáskové struktuře. Oscilátor se skládá z unipolárního tranzistoru, rezonátoru určujícího frekvenci a impedančního transformátoru zajišťující impedanční přizpůsobení a rozkmitání. Oscilátor je navržen nejprve z malosignálového modelu. Dále pomocí load-pull techniky získáme parametry impedance připojené na výstup tranzistoru, pro které má oscilátor nejlepší možné parametry. Návrh bude proveden v aplikaci AWR Microwave Office. Load-pul technika bude realizována s pomocí tuneru od společnosti Maury. Obě metody budou porovnány a zhodnoceny dosažené výsledky.

Annotation This thesis is a proposal and a realization of transistor oscillator in a micro stripline. The oscillator consists of a unipolar transistor, a resonator indicating frequency and a impedance transformer securing the impedance adjustment and oscillation. The oscillator is proposing firstly of a small-signal model. And then with a help of load-pull techniques we get the parameters impedance connected to the transistor output, for which the oscillator has got the best possible parameters. The proposal will be done in AWR Microwave Office application. Load-pull techniques will be done with a help of the tuner from Maury company. Both methods are going to be compared and the achieved results will be evaluated.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně a použil k tomu literaturu, kterou uvádím v seznamu přiloženém k práci. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu §60 Zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon).

Místo, datum

Podpis studenta

Poděkování Rád bych touto cestou vyjádřil své poděkování Prof. Ing. Karlu Hoffmannovi, CSc. za jeho cenné rady, trpělivost a ochotu při vedení mé diplomové práce. Samozřejmě bych také chtěl poděkovat svým rodičům za podporu při tvorbě práce.

Osnova

TRANZISTOROVÝ OSCILÁTOR

Osnova 1 Úvod

…...................................................................................................................

1.1 Existující řešení

…............................................................................................

1.2 Struktura dokumentu 1.3 Cíl práce

9 10

…....................................................................................

10

….......................................................................................................

11

2 Návrh tranzistorového oscilátoru

…...................................................................

12

2.1 Popis tranzistorového oscilátoru

….................................................................

12

2.2 Malosignálový návrh tranzistorového oscilátoru 2.2.1 Princip návrhu

….........................................

13

…....................................................................................................

15

2.2.2 Zjištění činitele stability

….....................................................................................

17

…..............................................................................................

18

2.2.4 Aktivní část

….........................................................................................................

21

2.2.5 Pasivní část

….........................................................................................................

23

2.2.3 Rezonanční obvod

2.2.6 Napájecí obvod

…...................................................................................................

2.3 Celý obvod tranzistorového oscilátoru

….........................................................

2.4 Návrh oscilátoru pomocí load-pull techniky

30

…..............................................................

34

….........................................................................................

34

…...............................................................................................................

36

3.1 Výroba oscilátoru

4.1 Výsledky měření oscilátoru navrženého malosignálovou metodou

….............

37

…............................................

41

…..................................................................

48

….................................................................................................................

50

4.2 Výsledky měření za použití load-pull techniky 4.3 Porovnání dosažených výsledků 5 Závěr

6 Literatura 7 Přílohy

27

…................................................

3 Realizace tranzistorového oscilátoru

4 Měření

25

…..........................................................................................................

52

…...............................................................................................................

53

Diplomová práce

1

Seznam příloh


Seznam příloh 1 Katalogový list substrátu CuClad 233 2 Katalogový list SMD kondenzátorů 3 Katalogový list tranzistoru ATF 36077 4 Zdůvodnění nefunkčnosti metody s užitím load-pull techniky 5 Tabulka změřených impedancí, výkonů a šířek spektrálních čar (load-pull technika) 6 Fotografická dokumentace 7 Použité programové prostředky a přístroje 8 Obsah přiloženého CD

Diplomová práce

2

Seznam použitých symbolů


Seznam použitých symbolů εef

…

efektivní permitivita

εr

…

relativní permitivita

tan(δS)

…

ztrátový činitel

σ

…

měrná vodivost

tCu

…

tloušťka pokovení mědi

w

…

šířka mikropáskového vedení

l

…

délka mikropáskového vedení

Z

…

impedance (mikropáskového vedení)

Y

…

admitance (mikropáskového vedení)

k

…

činitel stability

Q

…

činitel jakosti

αg

…

vlnová délka

vf

…

fázová rychlost

∆l

…

ekvivalentní prodloužení vedení

Cr

…

rozptylová kapacita

Sij

…

rozptylové parametry n-branu

fR

…

rezonanční frekvence

UGS

…

napětí mezi hradly gate – source

UDS

…

napětí mezi hradly drain – source

IDSS

…

saturovaný proud drainem

Diplomová práce

3

Seznam použitých zkratek


Seznam použitých zkratek AWR

…

Applied Wave Research

SMD

…

Surface Mount Device

PDF

…

Portable Document Format

SMA

…

Sub – Miniature A

UV záření

…

ultrafialové záření

ss napájení

…

stejnosměrné napájení

Diplomová práce

4

Seznam obrázků


Seznam obrázků Obrázek 2.1: Zapojení tranzistoru a) sériově b) paralelně do obvodu oscilátoru Obrázek 2.2: Popis rozměrů SMD kondenzátoru

..... 13

….................................................... 14

Obrázek 2.3: Základní části oscilátoru (převzato z [1])

…........................................... 15

Obrázek 2.4: Náhradní obvod oscilátoru z pohledu impedance pro a) sériovou b) paralelní rezonanci ....................................................................................................................... 16 Obrázek 2.5: Osa možných impedancí výstupního přizpůsobovacího obvodu Obrázek 2.6: Činitel stability tranzistoru ATF 36077 Obrázek 2.7: Mikropáskové rezonátory

…....... 17

….............................................. 18

…................................................................... 19

Obrázek 2.8: Smithův diagram vstupní impedance rezonátoru s otevřeným koncem ... 20 Obrázek 2.9: Schéma zapojení aktivní části rezonátoru Obrázek 2.10: Zavedení zpětné vazby

….......................................... 21

…..................................................................... 22

Obrázek 2.11: Rozšířený Smithův diagram impedance aktivní části

…...................... 22

Obrázek 2.12: Realizace impedančního transformátoru pomocí úseku vedení

…....... 23

Obrázek 2.13: Smithův diagram realizovaných impedancí …...................................... 24 Obrázek 2.14: Smithův diagram impedance bez transformátoru a překlopení rez. smyčky po jeho vložení

…............................................................…........................................

24

Obrázek 2.15: Schéma realizující napájecí obvod

…................................................... 25

Obrázek 2.16: Činitel odrazu napájecího obvodu

….................................................... 26

Obrázek 2.17: Výsledný motiv napájecího obvodu

…................................................. 27

Obrázek 2.18: Schéma oscilátoru vytvořené v programu AWR Microwave Office Obrázek 2.19: Vložení SMD kondenzátoru do mikropáskového vedení Obrázek 2.20: Rozměry mikropáskového vedení pro umístění tranzistoru

Diplomová práce

.... 28

…................. 29 …............. 29

5

Seznam obrázků


Obrázek 2.21: Motiv tranzistorového oscilátoru (25x25 mm) Obrázek 2.22: Měřící schéma load-pull techniky

…................................ 30

….................................................... 31

Obrázek 2.23: Motiv vytvořený metodou pomocí load-pull techniky (25x25 mm) Obrázek 2.24: Upravené schéma měření pro load-pull techniku Obrázek 2.25: Maska přípravku pro kalibraci impedance

..... 31

…............................. 32

…....................................... 32

Obrázek 2.26: Schéma měření pro přetransformování impedance tuneru na střed měřícího přípravku

.....................................................................................................................

33

Obrázek 2.27: Schéma transformace impedance z kalibrační roviny přípravku na vstup tranzistoru

…...............................................................................................................

33

Obrázek 4.1: Schéma měření a) oscilátoru , b) oscilátoru navrženého s použitím load-pull techniky …....................................................................................................................

36

Obrázek 4.2: Závislost rezonanční frekvence na zkrácení délky rezonátoru

.............. 38

Obrázek 4.3: Závislost výstupního výkonu na změně rezonanční frekvence

….........

38

..........

39

Obrázek 4.4: Spektrum signálu (malosignálový návrh pro maximální výkon)

Obrázek 4.5: Graf výstupního výkonu a změny frekvence na impedanci transformátoru 40 Obrázek 4.6: Spektrální čára oscilátoru (malosignálový návrh pro čisté spektrum)

...

40

Obrázek 4.7: Spektrum okolo 2. harmonické (malosignálový návrh pro čisté spektrum) 41 Obrázek 4.8: Smithův diagram impedancí pro oscilátor navržený použitím load-pull techniky

.......................................................................................................................

Obrázek 4.9, 4.10: Spektrum oscilátoru kolem 1.(nahoře) a 2.(dole) harmonické

42

..... 43

Obrázek 4.11: Spektrum oscilátoru kolem 1. harmonické složky

…........................... 44

Obrázek 4.12: Spektrum oscilátoru kolem 2. harmonické složky

….........................

Obrázek 4.13: Smithův diagram impedancí s vynesenou navržený oscilátor použitím load-pull techniky

Diplomová práce

45

šířkou spektrální čáry pro

…..................................................... 46

6

Seznam obrázků


Obrázek 4.14: Spektrální čára 1. harmonické frekvence oscilátoru v různých bodech (obr. 4.15)

…......................................................................................................................... 47

Obrázek 4.15: Výřez Smithova diagramu impedance s vyznačením použitých bodů .. Obrázek P.1: Měřicí schéma load-pull techniky

48

…...................................................... 54

Obrázek P.2: Smithův diagram realizovaných impedancí

…....................................... 55

Obrázek P.3: Schéma zapojení transformace impedance tuneru Obrázek P.4: Posun impedance ve Smithově diagramu

…............................. 56

…..........................................

56

Obrázek P.5: Zapojené pracoviště pro měření metody s použitím load-pull techniky ... 59 Obrázek P.6: Přípravek použitý pro měření impedance

….........................................

Obrázek P.7: Tranzistorový oscilátor navržený malosignálovou metodou

59

….............

60

Obrázek P.8: Tranzistorový oscilátor navržený metodou s použitím load-pull techniky

60

Diplomová práce

7

Seznam tabulek


Seznam tabulek Tabulka 2.1: Tloušťky substrátu a odpovídající šířka 5O W vedení Tabulka 2.2: Řada SMD kondenzátorů s uvedenými rozměry

….....................

14

…..............................

15

Tabulka 2.3: Šířky vedení pro dané impedance získané programem AWR Microwave Office

….....................................................................................................................

Tabulka 4.1: Zkrácení rezonančního obvodu

….........................................................

Tabulka 4.2: Změna šířky impedančního transformátoru

Diplomová práce

….......................................

23 37 39

8

1 Úvod


1 Úvod Tato práce detailně ukazuje popis návrhu tranzistorového oscilátoru. Nejprve je oscilátor navržen na frekvenci 13,5 GHz pomocí malosignálového modelu, který je implementován v programu AWR Microwave Office. Oscilátor se skládá z rezonančního obvodu, tranzistoru a výstupního obvodu. V mikropáskové struktuře je možné rezonátory vytvořit z několika typů obvodů. Nejvýhodnějším typem rezonátoru jsou dielektrické, které mají velký činitel jakosti, jsou lehce přeladitelné např. vodivou deskou umístěnou nad rezonátorem. Dalším typem je rezonátor se soustředěnými parametry tvořený úseky vedení realizující LC prvky. Pro použití v tomto případě však zvolíme mikropáskový rezonátor. Je to úsek vedení mající vhodný tvar a délku, např. polovinu nebo čtvrtinu vlnové délky. Změnu rezonanční frekvence lze provést např. zkrácením nebo prodloužením úseku vedení. Je velmi jednoduchý z hlediska zapojení do obvodu a také nám zaručí stejné chování při větším počtu realizací. Například u dielektrického rezonátoru ovlivní rezonanční frekvenci posun i o několik desetin milimetru. Všechny zmíněné rezonátory jsou popsány v [2]. Zadání práce umožňuje výběr ze dvou typů tranzistorů, ATF 36077 nebo EPA 018A. Oba tyto tranzistory jsou vhodné pro danou frekvenci. Jako výstupní přizpůsobovací obvod je vložen úsek vedení mající na dané frekvenci vhodnou impedanci, která nám celý oscilátor rozkmitá a přizpůsobí ho k zátěži. Výkon oscilátoru bude tedy záležet na impedanci výstupního obvodu a zadaná práce má za úkol porovnat vlastnosti oscilátoru při různých hodnotách této impedance. Druhá část práce vychází z předchozí úvahy malosignálového modelu, ale výstupní impedanční transformátor je určen load-pull technikou. Tato metoda spočívá v použití tuneru, který nahradí výstupní přizpůsobovací obvod, jenž dokáže nastavit libovolnou impedanci ve Smithově diagramu. Tak lze dosáhnout například maximálního výstupního výkonu, čistoty spektra nebo úzké spektrální čáry oscilátoru. Je použito zařízení a tuner od

Diplomová práce

9

1 Úvod


společnosti Maury. Této práci předcházel individuální projekt (viz [5]), který se zabýval zprovozněním zařízení a následném otestování jeho funkčnosti.

1.1 Existující řešení V dnešní době existují tři metody pro řešení obvodů pracující v nelineární oblasti. První je metoda harmonické balance. Ta nelineární obvod rozdělí na lineární a nelineární část a ty řeší odděleně frekvenční a časové oblasti. Řešení je však velmi náročné na výpočetní techniku. Druhá metoda se nazývá linearizační. Řeší nelineární obvod odděleně pro každou harmonickou složku samostatně, zmenší se tím počet nelineárních prvků. Poslední metodou je load-pull technika, kterou otestujeme v této práci. Jedná se o početně experimentální metodu, která vychází z malosignálového modelu. Vstupní a výstupní přizpůsobovací obvody jsou nahrazeny tzv. tunery, tj. zařízení, která dokáží realizovat jakoukoliv impedanci vybranou ve Smithově diagramu. Tato metoda při řešení nelineárních obvodů obsahující více harmonických frekvencí je časově i finančně velmi náročná. Pro každou harmonickou složku je nutné použít jeden tuner a jeho cena není zanedbatelná. V našem případě postačí pouze jeden tuner, protože oscilátor pracuje pouze na jedné frekvenci a obsahuje pouze jeden výstupní přizpůsobovací obvod na rozdíl od zesilovače, který obsahuje vstupní i výstupní přizpůsobovací obvod.

1.2 Struktura dokumentu Úvodní kapitola ukazuje stručný popis vytvoření oscilátoru s použitím obou zmíněných metod. Dále jsou také ukázány jiné možnosti řešení návrhu oscilátorů. Druhá kapitola je věnována principu malosignálového návrhu a popisu jednotlivých částí oscilátoru. Nejdříve jsou rozebrány jednotlivé prvky v oscilátoru jako SMD součástky, tranzistor nebo substrát a jejich užití. V druhé části je popsána load-pull technika a její aplikace v této práci.

Diplomová práce

10

1 Úvod


Třetí část popisuje postup vytváření oscilátorů od přípravy substrátu až po jednotlivé napájení součástek. Čtvrtá část aplikuje měřící metody navržené ve druhé kapitole. Změřením jednotlivých oscilátorů jsou získány parametry, které jsou následně porovnány. Závěrečná kapitola shrnuje a porovnává dosažené výsledky.

1.3 Cíl práce Cílem této práce je navrhnout a zhotovit oscilátor za použití programu AWR Microwave Office s pomocí malosignálového modelu a užitím load-pull techniky. Tyto dvě metody následně porovnáme z hlediska dosažených parametrů, například podle dosaženého výstupního výkonu, čistoty spektra nebo šířky spektrální čáry.

Diplomová práce

11



2 Návrh tranzistorového oscilátoru Následující řádky ukazují popis funkce oscilátoru, jednotlivých částí a jejich vlastností. Rovněž jsou popsány součástky a použitý substrát. Potom je po jednotlivých krocích návrhu vytvořen mikropáskový motiv oscilátoru. Poslední část obsahuje popis load-pull techniky, její realizaci a aplikaci pro návrh oscilátoru.

2.1 Popis tranzistorového oscilátoru Tranzistorový oscilátor vytváří kmity, které obsahují pouze jedinou harmonickou složku. Celý obvod je tedy naladěn na frekvenci, která se nesmí po spuštění měnit. Stabilitu má na starosti hlavně rezonanční obvod, který je jednou ze tří částí celého oscilátoru. Oscilační část může být dvojího typu, buď se sériovou nebo paralelní rezonancí. Vlastností sériové rezonance je, že pod oscilačním kmitočtem má kapacitní charakter a nad ním je induktivního charakteru. U paralelní rezonance je to právě naopak. Druhou částí je aktivní prvek, tedy tranzistor. Tyto dva prvky tvoří aktivní rezonanční obvod, který je charakteristický svou zápornou reálnou složkou impedance (resp. admitance). K rozkmitání samotného oscilátoru je zapotřebí, aby výstupní část obvodu vykazovala kladnou složku impedance. Impedanční transformátor plní úlohu přizpůsobení výstupu tranzistoru k výstupu celého obvodu, na něj navazují další obvody využívající výstupní signál. Ve sdělovací technice se používá jako propojovací impedance 50 Ω. Proto i výstup bude mít tuto hodnotu. Další funkcí impedančního transformátoru je rozkmitání oscilátoru, protože výstup aktivní části musí pracovat do určitého rozsahu impedancí. Celý oscilátor pak bude mít vlastnosti (parametry) různé při odlišných impedancích. Protože tranzistor je aktivní prvek, musí být napájen. U unipolárního tranzistoru je napájení na vstupu (gatu) v rozsahu 0 až -3 V pro tranzistor ATF 36077, výstupní (drainový) rozsah napětí je od 0 do 3 V. Napájecí obvod musí být navržen tak, aby v celém pásmu

Diplomová práce

12



od 0 Hz až např. do druhé harmonické složky neovlivňoval svou impedancí připojené obvody. Při nesprávném návrhu by tak mohl rozkmitat samotný oscilátor na nežádoucích frekvencích.

2.2 Malosignálový návrh tranzistorového oscilátoru Samotný návrh začíná správným zvolením tranzistoru. Na výběr máme ze dvou možností, tranzistory ATF 36077 nebo EPA 018A, které jsou doporučeny v zadání. Oba jsou vhodné pro kmitočet 13,5 GHz. Pro dostupnější data a informace je vybrán tranzistor ATF 36077 od firmy Agilent (katalogový list v příloze č.3). Pro tento tranzistor byla dostupná data změřená v ideálních podmínkách v laboratořích od výrobce, jež jsou součástí programu AWR Microwave Office, tak i data změřená přímo ve školní laboratoři, v podmínkách, ve kterých je tato práce vytvářena. A ta jsou dále použita pro celý návrh. Tento tranzistor může být vložen do obvodu oscilátoru dvěma způsoby. Prvním je sériové zapojení, které je obdobou T článku (obr. 2.1a). Druhým způsobem je paralelní zapojení podobné Π článku (obr. 2.1b). Jednotlivé impedance v nich mohou obsahovat jak rezonátor, tak zátěž nebo zpětnou vazbu. Unipolární tranzistor ATF 36077 obsahuje gate (vstupní), drain (výstupní) a dva source (propojení tranzistoru se zemí nebo zpětnou vazbou) vývody.

Obrázek 2.1: Zapojení tranzistoru a) sériově b) paralelně do obvodu oscilátoru

Diplomová práce

13



Potřebujeme také zvolit vhodný substrát. Na frekvenci 13,5 GHz lze použít substrát CuClad 233LX, jehož dielektrická konstanta je εr = 2,33 [-], ztrátový činitel má hodnotu tan(δS) = 0,0013 [-]. Tento substrát je pokoven vrstvou mědi o tloušťce tCu = 17 µm. Katalogový list je v příloze č.1. Jediný volitelný parametr u substrátu je tloušťka dielektrika. Lze vybrat z odstupňované řady, která je vidět v následující tabulce 2.1, v níž je vypočtena šířka 50 Ω mikropáskového vedení pomocí programu TXLine, ten je součástí aplikace AWR Microwave Office. Použit bude substrát o tloušťce dielektrika h = 0,508 mm s šířkou 50 Ω vedení w50 = 1,48 mm.

h [mm]

0,203

0,254

0,508

0,762

1,016

1,524

2,032

w50 [mm]

0,570

0,720

1,480

2,260

3,090

4,890

6,890

Tabulka 2.1: Tloušťky substrátu a odpovídající šířka 5O Ω vedení

V oscilátoru se nacházejí také součástky realizující pasivní prvky jako je kondenzátor. U těchto typů obvodů se používají SMD součástky, jejichž rozměry jsou mnohem menší než s vlnová délka (viz [2]). Vývody těchto obvodů jsou velmi malé, protože jakýkoliv delší spoj jako vývod již představuje parazitní prvky degradující vlastnosti celého obvodu. SMD součástky se vyrábějí v následujících řadách s uvedenými rozměry podle tabulky 2.2 (obr. 2.2). V této práci jsou použity kondenzátory s kódovým označením 0603 (typ 10) od firmy Samsung. Katalogový list kondenzátorů je v příloze č.2.

Obrázek 2.2: Popis rozměrů SMD kondenzátoru

Diplomová práce

14



Typ

Kód

l [mm]

w [mm]

B [mm]

t [mm]

10

0603

1,6 ± 0,15

0,8 ± 0,15

0,3 ± 0,2

0,8 ± 0,1

21

0805

2,0 ± 0,2

1,25 ± 0,2

0,4 ± 0,2

1,25 max

31

1206

3,2 ± 0,2

1,6 ± 0,2

0,4 ± 0,2

1,45 max

Tabulka 2.2: Řada SMD kondenzátorů s uvedenými rozměry

2.2.1 Princip návrhu Tranzistorový oscilátor se skládá ze tří základních částí (viz obr. 2.3). První dvě části jsou rezonanční obvod a tranzistor tvořící dohromady aktivní rezonanční obvod. Třetí je pasivní impedanční transformátor vytvářející výstupní přizpůsobovací obvod (převzato z [1]).

Obrázek 2.3: Základní části oscilátoru (převzato z [1])

Dostáváme se k postupu, jak navrhnout samotný oscilátor a jeho jednotlivé části. Obrázek 2.3 v řezu rovinou a –

a´ lze překreslit z pohledu impedance následujícím

schématem pro sériovou rezonanci oscilátoru (obr. 2.4a), pro paralelní (obr. 2.4b). Rozdíl mezi nimi je ten, že vstupní impedance rezonátoru je pro sériovou rezonanci rovna 0 Ω, u paralelní ∞ Ω. Tyto dvě hodnoty představují zkrat nebo otevřený konec .

Diplomová práce

15



Obrázek 2.4: Náhradní obvod oscilátoru z pohledu impedance pro a) sériovou b) paralelní rezonanci (převzato z [1])

U sériové rezonance při stabilních oscilacích oscilátoru platí následující podmínka Zvýst + ZL = 0 ,

(2.1)

proto musí impedance splňovat podmínku RL = – Rvýst

(2.2)

XL = – Xvýst .

(2.3)

a reaktance

Pro paralelní rezonance jsou nahrazeny impedance admitancemi a platí obdobné vztahy (viz [1]). Dále však budeme uvažovat pouze sériovou rezonanci. Při splnění této podmínky by však oscilátor nemusel vždy spolehlivě naběhnout. Splníme-li podmínku, že záporná složka reálné impedance bude o malou část větší než kladná, bude oscilátor stabilně startovat (viz [1]). Znamená to tedy, že rozsah impedancí realizovaných impedančním transformátorem bude shora omezen výstupní impedancí rezonančního aktivního obvodu ZL <|Zvýst|. Pro návrh použijeme vztahy založené na malosignálových parametrech tranzistoru, které udávají pouze přibližný odhad pro nastavení impedance, abychom získali buďto maximální výkon nebo čisté spektrum.

Diplomová práce

16



Přibližnou hodnotu pro maximální výkon vypočteme ze vzorce

∣Rvýst∣

R L=

3

.

(2.4)

Čisté spektrum lze získat splněním podmínky 5 R L  ∣R výst∣ . 6

(2.5)

Pro představu lze předchozí vztahy zakreslit do osy na obrázku 2.5.

Obrázek 2.5: Osa možných impedancí výstupního přizpůsobovacího obvodu

V [1] je uvedeno, že pokud v oscilátoru bude složka záporné reálné impedance o hodně větší než kladná, bude se tak výkon oscilátoru blížit maximálním hodnotám, ale budou vznikat vyšší harmonické složky. Pokud však bude záporná složka jen o málo větší (podmínka oscilací), vznikne tak spektrum s potlačenými vyššími harmonickými, rovněž ale poklesne výstupní výkon oscilátoru.

2.2.2 Zjištění činitele stability Aby oscilátor pracoval správně, musí být alespoň na dané frekvenci nestabilní. To určuje činitel stability k , pokud je větší než 1, tranzistor je stabilní (viz [1]). V tomto případě se musí zavést zpětná vazba např. vložením mikropásku mezi source tranzistoru a zemní rovinu. V druhém případě, když k < 1, je tranzistor potenciálně nestabilní a může tedy oscilovat na dané frekvenci. Tento parametr může být vypočten podle [1] nebo pomocí softwaru AWR Mikrowave Office. V případě tranzistoru ATF 36077 můžeme činitel stability vypočtený již zmíněným programem vidět na obrázku 2.6. Činitel stability je menší než 1 v pásmu od 13 do 17,6 GHz, proto nemusí být zavedena zpětná vazba na kmitočtu 13,5 GHz.

Diplomová práce

17



Obrázek 2.6: Činitel stability tranzistoru ATF 36077

2.2.3 Rezonanční obvod Druhým krokem je návrh rezonátoru, jež může být realizován několika způsoby. Nejdůležitějším parametrem rezonátorů je činitel jakosti Q. Ten určuje šířku spektrální čáry. U oscilátorů požadujeme, aby byla co nejtenčí, což zajišťuje vysoký činitel jakosti. Největší činitel jakosti mají dielektrické rezonátory, jejichž hodnota se pohybuje v řádech 104 až 105. Jiným typem je rezonátor se soustředěnými parametry. Dosahuje hodnot činitele jakosti mezi 101 a 102. Jsou to úseky vedení realizující z mikrovlnných součástek filtr (rezonátor). Posledním typem je rezonátor tvořený úsekem vedení různého tvaru, jeho činitel jakosti je v řádu 102 až 103 . Délka těchto úseků je svázána s vlnovou délkou λg na dané frekvenci. Podle tvaru a zapojení do obvodu rozlišujeme následující mikropáskové rezonátory. Obdélníkový rezonátor (obr. 2.7a) osciluje na daném kmitočtu vypočteného z délky l, šířky w a z parametrů použitého substrátu. Dalším typem je diskový rezonátor (obr. 2.7b), jehož kmitočet je dán poloměrem a druhem substrátu. Totéž platí i pro prstencový rezonátor (obr. 2.7c), avšak pro výpočet se používá vnitřní a vnější poloměr. Poslední je tvořený

Diplomová práce

18



z úseků vedení (obr. 2.7d). Jeho délka je polovina nebo čtvrtina vlnové délky na dané frekvenci a impedance (šířka) vedení odpovídá 50 Ω. Vedení je na konci zakončené zkratem nebo otevřeným koncem podle druhu rezonance. Všechny typy jsou popsány v [1] a vkládají se do vedení symetrickým, nesymetrickým nebo absorpčním zapojením.

Obrázek 2.7: Mikropáskové rezonátory a) obdélníkový , b) diskový , c) prstencový , d) z úseku vedení

Při výběru z těchto rezonátorů musíme zohlednit několik požadavků, aby bylo možné oba vytvořené oscilátory porovnat za stejných podmínek. Základním požadavkem je snadné přenastavení rezonančního kmitočtu a dalším je podobný činitel jakosti, z důvodu porovnání šířky spektrální čáry a čistoty frekvenčního pásma. Oba tyto pro nás důležité požadavky nejvíce splňuje poslední zmíněný rezonátor vytvořený z úseku vedení. Možné jsou dvě realizace sériové rezonance (viz kap. 2.2.1). Vedení o délce λ/4 zakončené otevřeným koncem nebo vedení dlouhé λ/2 zakončené zkratem, který je realizován prokovenou dírou. Aby bylo možné měnit rezonanční kmitočet délkou rezonátoru, musíme vybrat rezonátor s otevřeným koncem, jehož kmitočet směrem na vyšší frekvence lze měnit zkrácením délky rezonančního vedení. Samotný návrh lze provést pomocí programu AWR Microwave Office nebo vypočtením ze vzorců uvedených v [2]. Navržení v programu je velmi jednoduché. Jedná se o úsek vedení zakončený otevřeným koncem. Pro případ rezonátoru s rozměry w50 = 1,48 mm a lR = λ/4 = 3,685 mm je výsledný průběh impedance ve Smithově diagramu na obrázku 2.8.

Diplomová práce

19



Obrázek 2.8: Smithův diagram vstupní impedance rezonátoru s otevřeným koncem

Rozměry rezonátoru lze také vypočítat z [2]. Jeho šířka w50 je shodná s předchozí simulací. Délka je určena z rovnice l R=

c 0  

w ef

arctg

 1 n−1 g0 . 0 C r Z V 2

(2.6)

Nejprve se musí vypočítat efektivní permitivita, která je dána vztahem  ef =

 r1  r−1  −1 t /h 1  − r =1,93 , 2 2  112 h/w 4,6  w /h

(2.7)

c =2,16.10 11 mm /s . ef

(2.8)

dále fázová rychlost z vf=

Nyní ještě vypočteme ekvivalentní prodloužení vedení podle  l R =0,412 h

Diplomová práce

r 0,3 w/h0,264 =0,23 mm r −0,258 w/ h0,8

(2.9)

20



a předposledním krokem se získá rozptylová kapacita z Cr=

l R =21,3 fF . v f ZV

(2.10)

Nakonec lze z 2.6 vypočítat délku vedení lR = 3,22 mm. Všechny uvedené vzorce udávají platnost pro hodnotu poměru w/h ≥ 1 , w /h=2,91 .

(2.11)

2.2.4 Aktivní část Aktivní část oscilátoru obsahuje rezonátor, který je připojen na gate tranzistoru ATF 36077. Na drain tranzistoru bude umístěna pasivní část, impedanční transformátor. Principiální schéma je vidět na obrázku 2.1. Aby jeho hodnota měla pouze reálnou složku impedance, je výstupní impedance aktivní části transformována po 50 Ω vedení pouze na reálnou osu. Schéma zapojení je zobrazeno na obrázku 2.9. Abychom měli jistotu, že se tranzistor rozkmitá, je zavedena zpětná sériová vazba o délce lVZ = 0,4 mm do source vývodu (viz obr. 2.10). Maximální délka této zpětné vazby může být λ/10. Šířka je dána vývody tranzistoru (viz příloha č.3).

Obrázek 2.9: Schéma zapojení aktivní části rezonátoru

Diplomová práce

21



Obrázek 2.10: Zavedení zpětné vazby

Simulací tohoto zapojení je získán následující rozšířený Smithův diagram (obr. 2.11). Rezonátor připojený na gate má šířku odpovídající 50 Ω a délku lR = 3,33 mm. Výstupní impedance aktivního rezonátoru Zvýst = -12,2 Ω .

Obrázek 2.11: Rozšířený Smithův diagram impedance aktivní části

Diplomová práce

22



2.2.5 Pasivní část Po získání výstupní impedance už nyní můžeme navrhnout výstupní přizpůsobovací obvod, který nám celý oscilátor na dané frekvenci rozkmitá a přizpůsobí k 50 Ω výstupu. V kapitole 2.2.1 jsou uvedeny vzorce, kterými lze vypočíst dané impedance. Pro maximální výkon podle vzorce (2.4) je vypočtena impedance transformátoru RL

dB

= 4,1 Ω

a RL sp = 10,2 Ω pro čisté spektrum podle (2.5). Tuto impedanci lze realizovat na požadovaném kmitočtu 13,5 GHz úsekem vedení podle následujícího obrázku 2.12 dlouhé čtvrt vlny, lL = λ/4 = 3,8 mm.

Obrázek 2.12: Realizace impedančního transformátoru pomocí úseku vedení

Šířku vedení je možno získat výpočtem podle [2] nebo simulací v programu AWR Microwave Office. Ten zjistí impedanci, kterou vytváří úsek vedení o rozměrech lL a wL. Na obrázku 2.13 jsou zobrazeny v diagramu zrealizované impedance pro dané šířky mikropásku uvedené v tabulce 2.3.

Impedance RL[Ω]

4,1

10,2

Šířka vedení wL [mm]

7,3

4,2

Tabulka 2.3: Šířky vedení pro dané impedance získané programem AWR Microwave Office

Diplomová práce

23



Obrázek 2.13: Smithův diagram realizovaných impedancí

U tohoto druhu vedení platí, že s rostoucí impedancí se šířka pásku zmenšuje. Proto je impedanční transformátor navržen na impedanci RL

dB

= 4,1 Ω, té odpovídá šířka pásku

w = 7,3 mm. Po změření bude šířka transformátoru zmenšována odříznutím na okrajích a impedance se tedy bude zvyšovat až k druhé hodnotě RL sp = 10,2 Ω, které odpovídá šířka pásku w = 4,2 mm. Za tuto impedanci bude na 50 Ω mikropáskové vedení připojen napájecí obvod (kap. 2.2.6), který bude napájet drain tranzistoru. Na následujícím obrázku 2.14 lze vidět překlopení rezonanční smyčky rezonátoru po připojení výstupního přizpůsobovacího obvodu..

Obrázek 2.14: Smithův diagram impedance bez transformátoru a překlopení rez. smyčky po jeho vložení

Diplomová práce

24



2.2.6 Napájecí obvod Tranzistor, jako aktivní prvek, musí být napájen. Na gate a drain tranzistoru je přivedeno ss napětí napájecím obvodem. Ten však nesmí ovlivnit funkci obvodů, k nimž je připojen. Na následujícím obrázku 2.15 vidíme obvod z mikropáskového vedení, který tuto funkci realizuje. Napájecí obvod je vytvořen pomocí čtvrtvlnného vysokoimpedančního vedení, to je připojeno jedním koncem do místa zvoleného pro vstup napájení a druhým na nízkoimpedanční vedení o vhodné velikosti. Tato malá impedance realizuje zkrat pro střídavé frekvence, který se po čtvrtvlnném vedení přetransformuje na otevřený konec, tedy velmi vysokou impedanci. Pro ss napájení však představuje průchozí vedení. Ke vstupu nízké impedance je také přivedeno ss napájení přes vedení s vysokou impedancí, jež je také čtvrt vlny dlouhé. Na přívodu napájení je umístěn proti zemi kondenzátor o hodnotě 100 nF pro vstupní napájecí obvod tranzistoru, na výstupu stačí použít 10 nF. Tento kondenzátor kompenzuje malé výchylky v napájecím zdroji a je také zkratem pro střídavé frekvence, které mohou vycházet ze zdroje.

Obrázek 2.15: Schéma realizující napájecí obvod

Diplomová práce

25



Schéma též obsahuje obvod realizující proměnnou impedanci jako vedení přivádějící napájení ze zdroje do oscilátoru. Při změnách možných hodnot připojených vedení nesmí být ovlivňována výstupní impedance tohoto obvodu. Ve schématu lze ještě vidět obvody popisující diskontinuity mezi různými druhy vedení. Upravují ideální mikropáskové přechody na parametry blížící se reálnému přechodu. Jedná se například o vedení, které má různé šířky nebo které spojuje i několik mikropáskových vedení. Charakterizují také tvar mikropásku, jako v tomto případě část kruhové výseče. Na následujícím Smithově diagramu (obr. 2.16) můžeme vidět rovinu činitele odrazu realizovaného obvodu ve frekvenčním pásmu 0,1 až 20 GHz. Od činitele odrazu požadujeme, aby se přibližoval co nejvíce hodnotě 1. V následujícím Smithově diagramu je minimální hodnota činitele odrazu 1 > S22min > 0,96.

Obrázek 2.16: Činitel odrazu napájecího obvodu

Diplomová práce

26



Na posledním obrázku 2.17 je zobrazen motiv mikropáskového vedení, na kterém můžeme vidět všechny již zmíněné části. Vedle přívodního vedení je umístěn paralelně mikropásek s naznačeným otvorem pro umístění prokovené díry. Mezi tyto dva mikropásky bude vložen kondenzátor s označením 0603 o velikosti 100 nF. Plochy pro kontaktování přívodních kabelů napájení mají rozměry 2 x 5 mm a vzdálenost mezi nimi je dána rozměrem SMD kondenzátoru (obr. 2.19). Tento napájecí obvod bude připojen na rezonátor a výstupní část oscilátoru, z nich bude napájen gate a drain tranzistoru.

Obrázek 2.17: Výsledný motiv napájecího obvodu

2.3 Celý obvod tranzistorového oscilátoru Nyní spojíme dosavadní navržené části obvodu do jednoho tranzistorového oscilátoru. Schéma vytvořené v programu AWR Microwave Office vidíme na obrázku 2.18. Toto schéma obsahuje rezonanční část (kap. 2.2.3), na kterou je navázáno napájení pro vstup (gate) tranzistoru přes napájecí obvod (kap. 2.2.6) a také následuje vstupní část tranzistoru. Na source výstupy je zavedena zpětná vazba pomocí mikropásků (kap. 2.2.4), jejichž druhý konec je spojen se zemí pomocí prokovené díry. Na výstup (drain) tranzistoru navazuje 50 Ω vedení transformující impedanci na čistě reálnou složku. Na konci vedení je připojen výstupní impedanční transformátor (kap. 2.2.5), jehož hodnota impedance je reálná ZL dB. Následuje 50 Ω vedení, kde je do série vložen kondenzátor o hodnotě 10 nF. Na konci tohoto vedení se bude nacházet výstup oscilátoru, kde bude připojen přítlačný SMA konektor. K tomuto vedení bude připojen za kondenzátor obvod napájející výstup (drain) tranzistoru (kap. 2.2.5).

Diplomová práce

27



Obrázek 2.18: Schéma oscilátoru vytvořené v programu AWR Microwave Office

Celé zapojení je provedeno na substrátu o velikosti 25 x 25 mm, osazeno SMD součástkami typu 0603 a tranzistorem ATF 36077. Jako substrát je tedy použit CuClad 233 o tloušťce h = 0,508 mm (kap. 2.2). SMD kondenzátor s kódovým označením 0603 má rozměry uvedené v tabulce 2.2 (resp. obr. 2.2). Jeho šířka w = 0,8 mm udává minimální šířku pásku (obr. 2.19a) a vzdálenost kontaktů l – 2B = 1 mm odpovídá velikosti štěrbiny pro usazení do mikropáskového vedení (obr. 2.19).

Diplomová práce

28



Obrázek 2.19: Vložení SMD kondenzátoru do mikropáskového vedení

Rozměry tranzistoru ATF 36077 jsou získány z katalogového listu (příloha č.3). Vzdálenost protilehlých výstupů (gate-drain, source-source) je vždy 1,75 mm. Mezera mezi dvěma mikropásky je tedy D = 1,8 mm (obr. 2.20a). Nejmenší šířka mikropásků na vstupu a výstupu tranzistoru (obr. 2.20b) odpovídá šířce jeho vývodů, tj. tG,D = 0,51 mm. Pro použité 50 Ω vedení je šířka w50 = 1,48 mm. Šířka vývodů u sourců udává také minimální šířku mikropásků, která je tS = 1,02 mm. Kvůli lepšímu usazení a použití prokovených děr o průměru 1,2 mm je zvolena šířka pásku wS = 1,25 mm.

Obrázek 2.20: Rozměry mikropáskového vedení pro umístění tranzistoru a) pohled z boku na řez rovinou gate – drain (source – source) b) pohled shora

Diplomová práce

29



Výsledný motiv mikropáskového vedení je na obrázku 2.21.

Obrázek 2.21: Motiv tranzistorového oscilátoru (25x25 mm)

2.4 Návrh oscilátoru pomocí load-pull techniky Load-pull technika u lineárních zařízení není obvykle třeba, protože výkon při velkém zatížení lze odvodit z malosignálových s-parametrů, které u nelineárního tranzistoru ve velkosignálovém režimu odvodit nelze. Metoda vychází z předchozího malosignálového návrhu oscilátoru, ale výstupní přizpůsobovací obvod je vynechán a nahrazen tunerem vytvářejícím různé impedance. Pomocí těchto impedancí zjistíme oblast, v níž oscilátor kmitá. Pro různé impedance bude jeho chování odlišné. Předchozí metoda pouze odhaduje, jakou hodnotu má mít výstupní přizpůsobovací obvod např. pro maximální výkon nebo pro čistotu výstupního spektra. Z této hodnoty následně vyjdeme a doladíme přesně impedanci pro dosažení lepších parametrů. Tato metoda je založena na principu nahrazení impedančního transformátoru tunerem, který mění svou impedanci, tedy činitel odrazu. Je popsána například v [1],[3],[4] a schéma měření je vidět na obrázku 2.22. Impedance připojeného tuneru se pouze přetransformuje přes úsek vedení o známé délce na vstup tranzistoru nebo do referenční roviny. Tuto impedanci lze navrhnout ze získaných hodnot a zrealizovat tak oscilátor s požadovanými parametry.

Diplomová práce

30



Obrázek 2.22: Měřící schéma load-pull techniky

Podle principu metody je vytvořena následující maska motivu mikropáskového vedení (obr. 2.23).

Obrázek 2.23: Motiv vytvořený metodou pomocí loadpull techniky (25x25 mm)

Zapojení oscilátoru podle schématu měření (obr. 2.22) však po realizaci nefungovalo pravděpodobně z důvodů špatné transformace impedance tuneru přes výstupní konektory oscilátoru (více v příloze č.4). Po úpravě měřícího postupu je schéma měření změněno následovně (obr. 2.24). Vzniká ale problém s určením impedance, kterou vidí tranzistor. Vznikají totiž odrazy od jednotlivých impedancí. Nejprve se signál odrazí od impedančního transformátoru, následně

Diplomová práce

31



se část po průchodu znovu odrazí od tuneru k tranzistoru. Tato vlastnost zapojení je požadována, ale nastává situace, kdy se odražený signál od tuneru znovu odráží na impedančním transformátoru a vzniká tak velmi těžko definovaný činitel odrazu tedy impedance.

Obrázek 2.24: Upravené schéma měření pro load-pull techniku

Za tímto účelem byl vytvořen přípravek pro kalibraci, jehož rozměry jsou 50 x 25 mm (obr. 2.25). Impedance je transformována z referenční roviny tuneru na vstup tranzistoru. Impedanci určíme změřením činitele odrazu od přípravku a jeho transformováním po 50 Ω vedení.

Obrázek 2.25: Maska přípravku pro kalibraci impedance

Postup pro určení požadované impedance je následující. Nejprve zapojíme měření podle obrázku 2.24. Nastavením různých impedancí na tuneru získáme hodnoty, pro něž má daný oscilátor požadované vlastnosti. Dále přepojíme schéma měření podle obrázku 2.26. Přípravek je upevněn do speciálního držáku, jehož referenční rovina je zkalibrována na střed

Diplomová práce

32



substrátu (25 mm od obou konců). Na tuneru nastavíme impedanci získanou z předchozího měření. Vektorovým analyzátorem změříme činitel odrazu od přípravku a tuneru, který lze již snadno přepočítat na impedanci.

Obrázek 2.26: Schéma měření pro přetransformování impedance tuneru na střed měřícího přípravku

Výsledná hodnota, kterou potřebuje vidět tranzistor, se již pouze přetransformuje ze středu přípravku na rovinu vstupu tranzistoru. Tato transformace se například provede v programu AWR Microwave Office podle obrázku 2.27.

Obrázek 2.27: Schéma transformace impedance z kalibrační roviny přípravku na vstup tranzistoru

Než vlna přejde z roviny výstupu tranzistoru do roviny kalibrace, je utlumena mikropáskovým vedením, a proto má délka transformačního vedení zápornou hodnotu, aby byl tento jev kompenzován. Výsledná hodnota už odpovídá impedanci, kterou je třeba připojit na výstup tranzistoru podle kapitoly 2.2.5, aby

oscilátor pracoval s danými

parametry.

Diplomová práce

33



3 Realizace tranzistorového oscilátoru Tato kapitola ukazuje postup vytvoření oscilátorů a pomocného přípravku. Popisuje realizaci od úpravy substrátu až po usazení jednotlivých součástek. Postup je shodný u všech realizovaných obvodů, je pouze použit jiný mikropáskový motiv, resp. součástky.

3.1 Výroba oscilátoru V předcházející kapitole jsme díky návrhu získali masky jednotlivých realizovaných oscilátorů (obr. 2.21 a 2.23) a přípravku (obr. 2.25), které samozřejmě zohledňují zapojení SMD součástek a tranzistoru. Před zpracováním substrátu je nutné na destičce začistit okraje po řezání a odstranit nečistoty a mastnotu. Z jedné strany je nanesen fotorezist, který se nechá 24 hodin zaschnout. Z masky vytisknuté do souboru PDF je vytvořen osvit (průsvitná fólie s motivem) přiložený potištěnou stranou na fotorezist podle značek (motiv je zrcadlově převrácený) a přilepený lepící páskou. Následně je osvícen UV zářením po dobu asi 3 – 4 minut. Poté je nutné odstranit fotorezist z osvícených míst. To se provede hydroxidem sodným (NAOH). Viditelný motiv se zkontroluje pod mikroskopem a provede se korekce případných nedostatků. Použitelný motiv, z druhé strany překrytý lepící páskou (ochrana zemní plochy před odleptáním), se umístí do lázně chloridu železitého (FeCl3). Ten odstraní měď ze substrátu v místě, které není pokryto fotorezistem, korekčním fixem nebo izolační páskou. Následně se fotorezist pokrývající měď odstraní acetonem. Nejprve se do substrátu s vytvořeným motivem vyvrtají otvory pro uložení prokovených děr. Průměr prokovených děr je 1,2 mm, proto se začíná vrtat vrtákem od průměru 0,5 mm, dále je pak postupným zvětšováním napočtvrté vyvrtán otvor o požadovaných rozměrech. Vložená prokovená díra, která je stejně dlouhá jako výška substrátu h, je nejprve zapájena z pohledu zemní roviny, následně i z pohledu motivu. Prokovené díry nalézající se pod vývody tranzistoru se musejí opatrně odškrábat až na rovinu měděného mikropásku.

Diplomová práce

34



Dalším krokem je připájení SMD součástek do mikropáskového motivu. Nejdříve se kontaktní plochy pocínují pomocí kalafuny, která slouží pro lepší navázání cínu a mědi. Pak umístíme součástku na předem určené místo a malou kapičkou cínu připájíme postupně oba kontakty. Malá vrstvička cínu je také nanesena na motiv, kde mají být umístěny kontakty tranzistoru. Odstraněním této vrstvičky až na měď dojde k dobrému spojení při kontaktování tranzistoru pomocí roztoku obsahujícího stříbro. Ještě zbývá připájet vývody vodičů na předurčené plochy pro vstup napájení. Na závěr přilepíme tranzistor do mikropáskového motivu. Na místo kontaktu tranzistoru s mikropáskem je nanesena malá vrstva roztoku obsahujícího velmi malé kousky stříbra. Po rychlém usazení tranzistoru roztok po několika minutách vyschne. Tento kontakt je odolný proti malým otřesům, ale při menším dotyku se může tranzistor uvolnit a je nutné kontaktní místa očistit a znovu tranzistor přilepit. Zhotovený oscilátor nebo přípravek je před měřením umístěn na laboratorní držák, na nějž bude také přišroubován přítlačný SMA konektor. V příloze č.6 jsou přiložené fotografie vyrobených oscilátorů a přípravku určeného pro kalibraci impedance v metodě s použitím load-pull techniky.

Diplomová práce

35

4 Měření


4 Měření Realizované tranzistorové oscilátory jsou testovány a měřeny podle následujícího schématu (obr. 4.1). Pracovní bod u všech oscilátorů je IDSS, což znamená, že tranzistor je plně otevřen a generuje maximální výkon. Podle katalogových hodnot (viz příloha č.3) je maximální napětí UDS max = 3,5 V a proud řízený napětím UGS je IDSS = 45 mA. Drainové napětí je tedy nastaveno na maximální hodnotu UDS

max

a proud drainem je nastaven na

hodnotu blížící se IDSS.

Obrázek 4.1: Schéma měření a) oscilátoru , b) oscilátoru navrženého s použitím load-pull techniky

Měření podle schématu (obr. 4.1a) je určeno pro oscilátor, který již sám osciluje s předem vypočtenými nebo upravenými hodnotami impedančního transformátoru. K oscilátoru je připojeno napájení, které ho zapnutím a nastavením příslušných hodnot napětí a proudu rozkmitá. Na jeho výstup je kabelem nebo spojkou připojen spektrální analyzátor sloužící jako 50 Ω zátěž, ten samozřejmě také zobrazí frekvenční pásmo v daném rozsahu. V zapojení (obr. 4.1b) je na výstup oscilátoru připojen tuner ovládaný počítačem, jehož výstup je napojen na vstup spektrálního analyzátoru. Toto zapojení je použito v metodě používající load-pull techniku.

Diplomová práce

36

4 Měření


V následujícím textu budou použity odkazy na obrázek 4.15, ve kterém jsou naznačeny důležité body ve Smithově diagramu impedancí, jejich hodnota a parametry jsou zobrazeny v tabulce (příloha č.5) na řádcích označených čísly (1) – (6).

4.1 Výsledky měření oscilátoru navrženého malosignálovou metodou Výsledky návrhu malosignálového režimu jsou změřeny podle obrázku 4.1a. Pracovní bod je nastaven na IDSS, tedy na maximální výstupní výkon bez poškození tranzistoru. Po připojení spektrálního analyzátoru a napájení, které po zapnutí a nastavení pracovního bodu IDSS rozkmitá oscilátor na rezonančním kmitočtu fR = 11,82 GHz. Délka rezonančního vedení je navržena z dat tranzistoru získaných od výrobce *, tj, lR = 3,63 mm. Pro data tranzistoru získaná měřením ve školních laboratořích odpovídá po zkrácení kmitočet fR = 12,18 GHz. Délka razonátoru je nyní lR = 3,33 mm. Podle [1] se změřený rezonanční kmitočet může lišit maximálně o 10%

oproti vypočtenému. Maximální odchylka pro

kmitočet 13,5 GHz je 1,35 GHz, tedy je fR oscilátor

po

MIN

= 12,15 GHz. Hlavním důvodem je, že

zapnutí pracuje ve velkosignálovém režimu,

ale návrh

odpovídá

malosignálovému. Doladění rezonátoru se provede jeho zkrácením. V následující tabulce 4.1 lze vidět, jak se mění frekvence a výkon oscilátoru s délkou rezonátoru. Na obrázku 4.2 je zobrazen průběh rezonanční frekvence při změně délky rezonátoru a na obrázku 4.3 je změna výstupního výkonu na frekvenci.

3,5 3,3 Dé lka re zonátoru [mm] 3,63 11,82 12,05 12,18 Fre kve nce [GHz]

12,5

Výstupní výkon [dBm] 6,52

5,89

6,36

6,21

3,1

3

2,9

2,8

2,75

12,78 13,15

13,4

13,5

6,18

6,8

7,01

6,49

Tabulka 4.1: Zkrácení rezonančního obvodu _____________________________ *

Výsledný oscilátor byl nejdříve navržen a realizován podle změřených dat od výrobce. Získáním dat naměřených ve školní laboratoři simulací musela být provedena korekce. Došlo však pouze ke zkrácení délky rezonátoru z 3,63 mm na 3,33 mm.

Diplomová práce

37

4 Měření


Rezonanční frekvence [GHz]

13,5

13

12,5

12

11,5 3,65

3,5

3,35

3,2

3,05

2,9

2,75

Délka rezonátoru [mm]

Obrázek 4.2: Závislost rezonanční frekvence na zkrácení délky rezonátoru

Výstupní výkon [dBm]

7 6,8 6,6 6,4 6,2 6 5,8 11,8

12,2

12,6

13

13,4

Rezonanční frekvence [GHz]

Obrázek 4.3: Závislost výstupního výkonu na změně rezonanční frekvence

Celkem byl rezonátor zkrácen o 0,58 mm na lR = 2,75 mm. Při této hodnotě vykazuje maximální výstupní výkon (obr. 4.3), protože celý obvod oscilátoru je na tuto frekvenci naladěn. Nyní je impedanční transformátor široký wL = 7,3 mm a má impedanci RL dB = 4,1 Ω. Tato hodnota odpovídá maximálnímu výstupnímu výkonu z navržené malosignálové metody. V následujícím grafu (obr. 4.4) je zobrazeno spektrum signálu. Výstupní výkon oscilátoru je 6,9 dBm a druhá harmonická má hodnotu výkonu –15 dBm.

Diplomová práce

38

4 Měření


Obrázek 4.4: Spektrum signálu (malosignálový návrh pro maximální výkon)

Dalším krokem měření je úprava šířky impedančního transformátoru. Změnou jeho šířky dojde ke změně impedance a výstupního výkonu. Pro jednotlivé impedance jsou zobrazeny parametry v následující tabulce 4.2.

7,3 Šířka trafa [mm] 13,5 Fre kve nce [GHz] Výstupní výkon [dBm] 6,9 Impe dance [Ω } 4,4

6,5 13,6 6,23 5,34

5,5

4,5 4,2 13,58 13,55 13,5 5,19 5,83 5,21 7,06 9,8 10,95

Tabulka 4.2: Změna šířky impedančního transformátoru

Impedance se postupně mění až na hodnotu pro čisté spektrum. Výstupní výkon klesá až na hodnotu 5,2 dBm a frekvence oscilátoru se při změně impedance mění maximálně o 100 MHz. V závěru se však vrací k původní hodnotě 13,5 GHz (viz obr. 4.5).

Diplomová práce

39

4 Měření


7,5

13,6 13,59 13,58 13,57

6,5

13,56 6

13,55 13,54

5,5

13,53

Frekvence [GHz]

Výstupní výkon [dBm]

7

13,52

5

13,51 4,5

13,5 4

5

6

Výstupní v ýkon [dBm]

7

8

Frekv ence [GHz]

9

10

11

Impedance [Ω]

Obrázek 4.5: Graf výstupního výkonu a změny frekvence na impedanci transformátoru

Nyní je nastavena impedance na výstupu tranzistoru na teoreticky nejčistší spektrum. Poloha impedance ve Smithově diagramu odpovídá bodu (1) na obrázku 4.15. Na následujícím obrázku 4.6 je ukázáno spektrum okolo rezonanční frekvence.

Obrázek 4.6: Spektrální čára oscilátoru (malosignálový návrh pro čisté spektrum)

Diplomová práce

40

4 Měření


Druhá harmonická je zobrazena na dalším obrázku 4.7, její výkon je –17,4 dBm. Výkon první harmonické je 5,21 dBm, odstup těchto harmonických je tedy 22,6 dB.

Obrázek 4.7: Spektrum okolo 2. harmonické (malosignálový návrh pro čisté spektrum)

4.2 Výsledky měření za použití load-pull techniky Druhou částí práce je získat pomocí load-pull techniky parametry oscilátoru například pro největší výstupní výkon. Pracovní bod je shodný jako v kapitole 4.1, aby bylo možné porovnat výsledky za stejných podmínek. Měření parametrů oscilátoru v různých bodech vychází ze schématu (obr.2.24) a jednotlivé impedance bodů získáme ze zapojení (obr. 2.26) s použitím přípravku (obr. 2.25). S pomocí [5] je zmapována oblast impedancí pro frekvenci 13,5 GHz a odpovídající výkon jednotlivých harmonických je zakreslen do Smithova diagramu (obr. 4.8). V příloze č.5 jsou v tabulce jednotlivé získané impedance a odpovídající výstupní výkon jednotlivých harmonických. V této tabulce je také impedance přepočtena z referenční roviny nacházející se uprostřed přípravku na výstup tranzistoru programem AWR Microwave Office (obr. 2.27).

Diplomová práce

41

4 Měření


Obrázek 4.8: Smithův diagram impedancí pro oscilátor navržený použitím load-pull techniky a) výkon 1. harmonické , b) výkon 2.harmonické

Ze získané mapy impedancí pro frekvenci 13,5 GHz jsou vybrány dva body odpovídající nejvyššímu výstupnímu výkonu a nejvíce potlačené 2. harmonické s ohledem na výstupní výkon. Největší výstupní výkon je pro hodnotu impedance výstupního přizpůsobovacího obvodu (označený číslem (2) v příloze č.5) ZL dB TUN = 9,38 + 17,17j [Ω] a jeho hodnota je 8,86 dBm. Tento bod (2) je vyznačen ve Smithově diagramu na obrázku 4.15. Výkon 2. harmonické je -12,8 dBm. Výstupní spektrum okolo první a druhé harmonické je na obrázcích 4.9 a 4.10.

Diplomová práce

42

4 Měření


Obrázek 4.9, 4.10: Spektrum oscilátoru kolem 1.(nahoře) a 2.(dole) harmonické (návrh pomocí load-pull techniky pro maximální výkon)

Diplomová práce

43

4 Měření


Dalším bodem Smithova diagramu je impedance pro nejvíce potlačenou 2. harmonickou složku vzhledem k výkonu 1. harmonické složky. Je označen v příloze č.5 číslem (3) a jeho impedance je ZL dB sp = 4,67 + 23,95j [Ω]. Νa následujícím obrázku 4.11 je výstupní spektrum oscilátoru. Poloha impedance ve Smithově diagramu odpovídá bodu (3) na obrázku 4.15.

Obrázek 4.11: Spektrum oscilátoru kolem 1. harmonické složky (návrh pomocí load-pull techniky pro největší potlačení 2. harmonické složky)

2. harmonická složka má výkon -17 dBm a je oproti 1. harmonické potlačena o 24,5 dB. Její spektrální čáru lze vidět na následujícím obrázku 4.12.

Diplomová práce

44

4 Měření


Obrázek 4.12: Spektrum oscilátoru kolem 2. harmonické složky (návrh pomocí load-pull techniky pro největší potlačení 2. harmonické složky)

V předchozí části byl hlavními sledovanými parametry výkon první a druhé harmonické oscilátoru. Z těchto parametrů byla určena mapa bodů impedancí různých hodnot výkonů (obr. 4.8). Tato část sleduje šířku spektrální čáry první harmonické udávanou v dBc/Hz při šířce RBW = 100 kHz. Do Smithova diagramu (obr. 4.13) je vynesena mapa impedancí s jednotlivými šířkami spektrálních čar. Jednotlivé parametry bodů jsou v příloze č.5.

Diplomová práce

45

4 Měření


Obrázek 4.13: Smithův diagram impedancí s vynesenou šířkou spektrální čáry pro navržený oscilátor použitím load-pull techniky

Porovnáním Smithova diagramu s vyznačenou šířkou spektrální čáry (obr. 4.13) a výkonem na 1. harmonické (obr. 4.8a) lze zjistit, že s rostoucím výkonem 1. harmonické frekvence klesá šířka spektrální čáry z -70 až na -60 dBc/Hz @100 kHz. Na následujícím obrázku 4.14 je pro vybrané body ze Smithova diagramu impedancí zobrazeno spektrum 1. harmonické, z něhož lze odečíst šířku spektrální čáry. Vlivem kmitání spektrální čáry nebylo možno zachytit maximální výkon pomocí ukazatele (markeru).

Diplomová práce

46

4 Měření


Obrázek 4.14: Spektrální čára 1. harmonické frekvence oscilátoru v různých bodech (obr. 4.15) a) šířka spektrální čáry v bodě (4) (vlevo nahoře) , b) šířka spektrální čáry v bodě (5) (vpravo nahoře) , c) šířka spektrální čáry v bodě (6) (vlevo dole) , d) šířka spektrální čáry v bodě (1) (vpravo dole) (návrh pomocí load-pull techniky)

Diplomová práce

47

4 Měření


Jednotlivé popsané a zobrazené body ze Smithova diagramu impedancí použité v předcházejícím postupu jsou vyznačeny na obrázku 4.15. Body jsou vybrány kvůli parametrům, ve kterých dosahovaly mezních nebo požadovaných hodnot. Impedance daných bodů jsou v tabulce (příloha č.5) označeny čísly (1) – (6).

Obrázek 4.15: Výřez Smithova diagramu impedance s vyznačením použitých bodů

4.3 Porovnání dosažených výsledků Po zrealizaci tranzistorového oscilátoru bylo nutné nejdříve zkrátit rezonanční obvod. Pomocí programu AWR Microwave Office byla délka samotného rezonančního obvodu navržena na hodnotu lR = 3,685 mm. Návrhem aktivního rezonátoru se délka zmenšila na 3,33 mm. Pomocí vzorců uvedených v [2] byla jeho délka vypočtena na lR = 3,22 mm. Oscilátor byl doladěn zkrácením délky rezonátoru na hodnotu lR = 2,75 mm a následně začal kmitat na dané frekvenci s výkonem 6,9 dBm. Nejblíže ke skutečné hodnotě byla tedy vypočtená délka rezonátoru pomocí [2]. V následujícím kroku byla měněna šířka impedančního transformátoru, jeho impedance. V grafu (obr. 4.6) je vidět pozvolné klesání výstupního výkonu se zvětšováním impedance.

Diplomová práce

48

4 Měření


Konečná hodnota výstupního výkonu byla 5,2 dBm. V druhá části je implementován návrh pomocí load-pull techniky (kap. 4.2). Po výrobě oscilátoru bez impedančního transformátoru byl substrát s motivem osazen tranzistorem, který byl použit v předchozí metodě. Bohužel, takto zrealizovaná metoda s použitím load-pull techniky nerozkmitala oscilátor (více příloha č.4), proto bylo měřící schéma pozměněno a použit byl předchozí tranzistorový oscilátor navržený malosignálovou metodou (kap. 2.2). Ten po opětovném osazení měl výstupní výkon větší o 2 dB, tedy 7,2 dBm. Toto zvýšení výstupního výkonu bylo způsobeno jiným usazením tranzistoru. Po zapojení oscilátoru do upraveného load-pull měření byla získána mapa impedancí ve Smithově diagramu se zakreslenými výkony 1. a 2. harmonické. Výstupní výkon se pro oscilátor na dané frekvenci měnil z minimální hodnoty 0 dBm u okraje diagramu až na hodnotu 8,8 dBm odpovídající impedanci nacházející se nejblíže ke středu. Výkon 2. harmonické byl nejvíce potlačen u okraje Smithova diagramu na -19 dBm a přibližováním impedance směrem ke středu se výkon zvětšoval až na hodnotu -12,8 dBm, kde impedance odpovídala i největšímu výkonu 1. harmonické. Potlačení první a druhé harmonické bylo v rozsahu 20 až 25 dB. Potlačení o 20 dB se nacházelo u okraje Smithova diagramu a směrem ke středu (zvýšenému výkonu 1. harmonické) se úroveň přiblížila až k hodnotě 25 dB. Posledním měřením bylo zmapování Smithova diagramu impedancí z hlediska šířky spektrální čáry. Mapa bodů impedancí je shodná s měřením výkonu 1. a 2. harmonické v předchozí části. Rozsah šířky spektrální čáry se měnil z -60 na -70 dBc/Hz @100 kHz. U okraje diagramu byla spektrální čára nejtenčí (-70 dBc/Hz @100 kHz), postupně se přibližováním

ke

středu

Smithova

diagramu

rozšiřovala

až

na

hodnotu

-60 dBc/Hz @100 kHz.

Diplomová práce

49

5 Závěr


5 Závěr Úkolem této práce bylo vytvořit tranzistorový oscilátor v mikropáskové struktuře pomocí malosignálového návrhu a následně ho porovnat s návrhem pomocí load-pull techniky. Tato metoda používá tuner, který přelaďuje impedanci připojenou na výstup tranzistoru a tím se mění parametry výstupního signálu oscilátoru. Nejdůležitějším parametrem u oscilátorů je výstupní výkon, u něhož požadujeme největší možnou hodnotu. Dalšími parametry jsou čistota spektra (potlačení 2. harmonické složky) nebo šířka spektrální čáry. V první části práce byl realizován oscilátor na dané frekvenci, jehož výstupní výkon byl 6,5 dBm. U tohoto oscilátoru nejprve musela být přeladěna frekvence zkrácením rezonančního obvodu. Důvod přeladění je uveden v [1]. Návrh vychází z malosignálových parametrů, ale oscilátor funguje vždy ve velkosignálovém režimu, a proto se liší navržená a změřená rezonanční frekvence maximálně však o 10%. Ve druhé části byla navržena metoda s použitím load-pull techniky. Po osazení mikropáskového motivu byl přilepen tranzistor použitý v předešlém oscilátoru navrženém pomocí malosignálové metody. Protože oscilátor nenastartoval ani pro jednu z realizovaných hodnot impedancí tuneru ani po několikanásobném překontrolování oscilátoru a postupu měření, byla pozměněna metoda měření. V té byl použit oscilátor vytvořený předchozí metodou.

Výsledná

impedance

byla

měněna

v

okolí

impedance

výstupního

přizpůsobovacího obvodu tohoto oscilátoru. Všechny impedance nastavené na tuneru musely být přeměřeny pomocí vytvořeného přípravku a následně přetransformovány do vstupní roviny tranzistoru. Ze získané mapy impedancí ve Smithově diagramu lze konstatovat, že naměřené výsledky se neshodují s teoretickými předpoklady (viz kap. 2.2.1). Ty uvádějí, že maximální výstupní výkon pro hodnotu impedance se nachází u okraje Smithova diagramu (vztah 2.4) a čisté spektrum je pro hodnoty blížící se ke středu (vztah 2.5). Bylo však naměřeno, že maximální výstupní výkon (8,8 dBm) se nachází směrem ke středu Smithova diagramu

Diplomová práce

50

5 Závěr


a nejvíce potlačená 2. harmonická (-19 dBm) se nachází u okraje. Tento poznatek vyžaduje hlubší prozkoumání přesahující rámec této práce. Dalším zjištěnou skutečností je, že odstup výkonu 1. a 2. harmonické se zvětšuje s výstupním výkonem oscilátoru z 20 na 25 dB. Proměřena byla také šířka spektrální čáry 1. harmonické v jednotlivých bodech. Ta se zvětšovala se zvyšovaným výstupním výkonem oscilátoru. Hodnoty se pohybovaly v rozsahu od -60 do -70 dBc/Hz @100 kHz. Úkol této práce byl tedy splněn. Byl realizován tranzistorový oscilátor pomocí malosignálového modelu a jeho úpravou byl získán oscilátor užitý v load-pull technice. U jednotlivých tranzistorových oscilátorů byly změřeny a porovnány jednotlivé dosažené parametry. Další možné zkoumání tohoto problému by mohlo přinést lepší zmapování impedance ve větším rozsahu a přinést ještě lepší dosažené parametry. V této práci byla impedance ve Smithově diagramu popsána pouze v oblasti, která oscilátor rozladila maximálně o 20 MHz. Je možné dosáhnout lepších výsledků, avšak oscilátor může být rozladěn až o 200 MHz. Tato hodnota by následně musela být doladěna úpravou rezonátoru. Výstupní zisk by tak mohl být zvýšen ještě o 1 až 1,5 dB. Další možné zkoumání je ve zvýšení impedance transformátoru k hodnotě 50 Ω (např. 30 Ω). Důležité je také ověření získaných vlastností oscilátoru, protože výsledky se neshodují teoretickými předpoklady. Mohlo by se vycházet z této práce, bylo by možné upravit například postup měření nebo jiné zapojení oscilátoru.

Diplomová práce

51

6 Literatura


6 Literatura [1] HOFFMANN, K., HUDEC, P.; SOKOL, V.: Aktivní mikrovlnné obvody. Skriptum Praha : ČVUT FEL, 2004. [2] HOFFMANN, K.: Planární mikrovlnné obvody. Skriptum Praha : ČVUT FEL, 2003. [3] SIMPSON, G.,MAJERUS, M.: Measurement of large signal device input impedance during load pull. Ontario, California, 1997. [4] MAURY MICROWAVE: Theory of load and source pull measurement. Ontario, California, 1999. [5] ZELENÝ, J.: Mikrovlnné tunery. Individuální projekt, Praha: ČVUT FEL, 2009. Katedra elektromagnetického pole. Vedoucí práce prof. Ing. Karel Hoffmann, CSc.

Diplomová práce

52

7 Přílohy


7 Přílohy 1 Katalogový list substrátu CuClad 233LX je přiložen na CD v souboru „CuClad.pdf“ 2 Katalogový list SMD kondenzátorů * je přiložen na CD v souboru „Capacitors.pdf“ 3 Katalogový list tranzistoru ATF 36077 je přiložen na CD v souboru „ATF-36077.pdf“

___________________ *

Pro použitý typ SMD kondenzátoru od firmy Samsung nebyl nalezen katalogový list, proto je na CD uložen katalogový list od firmy Philips. Použité informace v této práci se týkají pouze rozměrů součástek, které jsou u většiny výrobců standardní pro daný typ.

Diplomová práce

53

7 Přílohy


4 Zdůvodnění nefunkčnosti metody s užitím load-pull techniky Princip této metody je uveden v úvodu kapitoly 2.4. Měření je zapojeno podle následujícího obrázku P.1. Po uvedení celého pracoviště do provozu a nastavení pracovního bodu tranzistoru oscilátor i po několika kontrolách nefungoval. Na tuneru byly nastavené všechny možné impedance, při nichž by měl oscilátor začít kmitat.

Obrázek P.1: Měřicí schéma load-pull techniky

Jedním z možných důvodů, proč oscilátor nefungoval, by mohlo být špatné zapojení (propojení) součástek. Celý mikropáskový motiv i se zapojenými součástkami byl zkontrolován pod mikroskopem a funkčnost jednotlivých součástek (SMD kondenzátorů) a propojovacích zařízení (prokovených děr) byla zkontrolována multimetrem. Celé zapojení bylo ověřeno a potvrzena správná funkčnost. Jedinou nezkontrolovatelnou částí je funkce prokovené díry zvláště u vývodu source pro vysoké frekvence. Dalším důvodem by mohl být vadný nebo špatně usazený tranzistor. Ten byl však v dalším kroku vyloučen. Usazení bylo zkontrolováno pod mikroskopem a funkce napájecího obvodu byla ověřena zdrojem použitým při měření. Usazení bylo několikrát opakovaně provedeno. Tranzistor byl následně vložen zpět do funkčního oscilátoru, kde znovu kmital.

Diplomová práce

54

7 Přílohy


Posledním z důvodů by mohla být špatná transformace impedance tuneru přes výstupní SMA konektory oscilátoru. Impedance tuneru ve Smithově diagramu by se tak přetransformovala do oblasti kolem středu diagramu. A impedance tak realizované se možná nacházejí v oblasti, která již oscilátor nerozkmitá. Smithův diagram ukazující tento problém je na obrázku P.2.

Obrázek P.2: Smithův diagram realizovaných impedancí a) impedance realizované tunerem , b) impedance po transformaci

Popis a simulace tohoto problému je provedena v programu AWR Microwave Office. Tuner je připojen k tranzistoru 50 Ω mikropáskovým vedením o délce 11,5 mm s napojením napájecího obvodu. Na něj navazuje přechod na koaxiální vedení o velikosti 2 mm. Tento přechod je modelován jako koaxiální vedení se vzduchovým dielektrikem. Na něj navazuje spojka male-male s teflonovým dielektrikem. Délka tohoto přechodu je 7,5 mm. V posledním konektoru typu female-female je shodné dielektrikum, délka je však 16,5 mm.

Diplomová práce

55

7 Přílohy


V následujícím obrázku P.3 jsou schémata, jejichž odsimulované výsledky jsou zobrazeny na obrázku P.4. Na schématu (obr. P.3a) je obvod realizující transformaci impedance tuneru, přes vstupní konektory, kondenzátor a impedanční transformátor na vstup tranzistoru. Tuner je nastaven na hodnotu 50 Ω a je zakončen bezodrazově. Tato transformovaná impedance odpovídá (Z1 = 5,56+21,63j [Ω]) bodu (1) na obrázku 4.15. Obrázek P.3b představuje transformaci impedance tuneru přes vstupní konektory a 5O Ω vedení na vstup tranzistoru.

Obrázek P.3: Schéma zapojení transformace impedance tuneru a) zapojení s tunerem, konektory, přechodem, kondenzátorem a impedančním transformátorem b) zapojení s tunerem, konektory, přechodem a 50 Ω vedením

Nejprve jsou ztráty v konektorů nastaveny na ideální hodnotu 0 dB a impedance tuneru je nastavena na ZTuner = 5,44+24,6j [Ω], aby realizovala

hodnotu impedance ZT. Dále

nastavíme ztrátu v konektorech a přechodu na celkovou hodnotu 1 dB. Ztransformované se na Smithově diagramu posune směrem ke středu (obr. P.4). Impedanci směrem do oblasti funkčnosti oscilátoru lze posunout navrženou metodou v druhé části kapitoly 2.4.

Diplomová práce

Obrázek P.4: Posun impedance ve Smithově diagramu

56

7 Přílohy


5 Tabulka změřených impedancí, výkonů a šířek spektrálních čar (load-pull technika) Změřená Re imp. [Ω] 2,7 2,9 3,1 3,4 (4) 3,7 4 4,5 5 2,9 3,1 3,3 3,6 3,8 4,2 4,7 5,2 6 3,5 3,7 4 4,3 (5) 4,8 5,4 6 6,8 3,8 4,1 4,5 4,9 5,4 6,1 7 8 5 5,5 6,1 6,9 7,9 9 5,5 (6) 6,1 6,8

Změřená Im imp. [Ω] -31,8 -32,2 -32,7 -33,2 -33,8 -34,4 -35,1 -35,8 -31,1 -31,5 -31,9 -32,4 -32,9 -33,5 -34,1 -34,7 -35,5 -31,2 -31,6 -32,1 -32,5 -33,1 -33,6 -34,2 -34,8 -30,9 -31,3 -31,7 -32,2 -32,7 -33,2 -33,7 -34,1 -31,3 -31,8 -32,2 -32,6 -32,9 -33,2 -30,9 -31,2 -31,5

Diplomová práce

Re imp transf. Im imp transf. Výkon 1h. [Ω] [Ω] [dBm] 1,76 17 -1,1 1,89 16,75 -0,6 2 16,3 -0,05 2,21 15,94 0,65 2,4 15,46 1,23 2,58 15 1,96 2,89 14,44 2,48 3,18 13,9 3,12 1,95 17,62 0,04 2,01 17,3 0,44 2,22 16,96 0,86 2,42 16,54 1,41 2,54 16,14 1,96 2,8 15,56 2,6 3,12 15,16 3,34 3,43 14,67 3,85 3,92 14 4,65 2,43 17,5 1,57 2,56 17,17 1,99 2,76 16,75 2,45 2,96 16,41 2,9 3,29 15,9 3,52 3,69 15,46 4,13 4,07 14,95 4,65 4,58 14,42 5,32 2,7 17,72 2,76 2,91 17,37 3,12 3,19 17,02 3,55 3,45 16,58 3,75 3,79 16,14 4,31 4,26 15,68 4,9 4,87 15,19 5,35 5,54 14,75 5,75 3,63 17,28 3,34 3,97 16,83 4,83 4,41 16,45 5,32 4,95 16,03 4,8 5,66 15,66 5,53 6,42 15,25 6,48 4,07 17,55 4,6 4,52 17,23 5,05 5,03 16,9 5,44

Výkon 2h. Šířka sp.čáry [dBm] [dBc/Hz] -19,7 -70 -19,5 -70 -19,6 -70 -19,4 -70 -19 -70 -19,1 -70 -18,7 -70 -18,5 -70 -19,2 -68 -18,6 -68 -18,2 -66 -18,1 -65 -18,2 -65 -18 -65 -17,8 -65 -17,8 -65 -17,3 -65 -17,8 -65 -17,4 -65 -17,3 -64 -17,2 -64 -17 -63 -17,1 -64 -17,1 -64 -16,8 -64 -17,1 -64 -16,8 -64 -16,5 -63 -16,5 -63 -16,4 -63 -16,2 -62 -16,3 -62 -16,1 -62 -16 -62 -15,9 -62 -15,9 -62 -15,8 -62 -15,3 -62 -15,4 -62 -15,3 -62 -15,3 -62 -15,1 -62

57

7 Přílohy Změřená Re imp. [Ω] 7,7 8,7 10 11,4 5,9 6,5 7,3 8,3 9,4 10,6 (2) 11,7 6,2 7 7,8 8,8 9,7 10,6 11,2 5,9 6,5 7,2 8,1 8,9 9,7 10 10 6,7 7,4 8,1 8,7 9 8,7 8,2 7,4 6,7 6 (3) 5,1 6,7 7,3 7,9 8 7,6 7 6,6 7,1 7,1 6,6 (1) 6,4

TRANZISTOROVÝ OSCILÁTOR Změřená Im imp. [Ω] -31,8 -31,9 -31,8 -31,3 -30,3 -30,6 -30,8 -30,8 -30,6 -30,1 -29,2 -29,7 -29,8 -29,8 -29,6 -29,1 -28,2 -27 -28,8 -29 -29 -28,8 -28,4 -27,5 -26,4 -25,2 -28,2 -28,1 -27,7 -27 -26 -25 -24,2 -23,7 -23,6 -23,7 -23,8 -27,5 -27,2 -26,6 -25,7 -24,9 -24,4 -26,8 -26,3 -25,5 -25 -26

Diplomová práce

Re imp transf. Im imp transf. Výkon 1h. [Ω] [Ω] [dBm] 5,68 16,52 6,05 6,43 16,28 6,72 7,44 16,1 7,46 8,61 16,16 8,25 4,23 18,02 5,11 4,92 17,66 5,56 5,53 17,37 5,9 6,32 17,2 7 7,23 17,15 7,61 8,28 17,27 8,37 9,38 17,17 8,86 4,8 18,44 6,02 5,45 18,23 6,42 6,1 18,1 6,69 6,95 18,07 7,3 7,8 18,28 7,88 8,75 18,8 8,34 9,58 19,65 8,71 4,68 19,23 6,33 5,16 18,98 6,72 5,75 18,86 7,03 6,54 18,87 6,66 7,29 19 7,24 8,17 19,62 7,88 8,71 20,5 8,31 9,03 21,56 8,65 5,46 19,63 6,33 6,07 19,6 6,66 6,75 19,8 7 7,42 20,28 7,52 7,92 21,1 8,04 7,89 22,08 8,4 7,61 22,95 8,52 6,96 23,62 8,49 6,29 23,86 8,25 5,58 23,9 8,13 4,67 23,95 8,01 5,57 20,23 7 6,15 20,39 7,4 6,8 20,81 7,64 7,08 21,6 7,91 6,89 22,42 8,07 6,42 23,02 8,04 5,6 20,87 7,2 6,14 21,23 7,7 6,3 21,97 7,88 5,92 22,53 7,79 5,56 21,63 7,27

Výkon 2h. Šířka sp.čáry [dBm] [dBc/Hz] -15,1 -62 -15,3 -61 -15,2 -61 -15,3 -61 -15,7 -63 -15,7 -63 -14,8 -62 -14,9 -62 -15,34 -61 -15,22 -61 -15,22 -61 -14,9 -62 -15 -62 -14,7 -61 -14,9 -61 -14,8 -60 -14,9 -60 -15,1 -60 -14,8 -61 -14,6 -61 -14,5 -61 -14,7 -61 -14,8 -62 -14,8 -62 -14,9 -62 -15,1 -62 -14,8 -62 -14,6 -62 -14,4 -62 -14,5 -62 -14,5 -62 -14,8 -62 -15,2 -62 -16 -62 -16,8 -61 -17,5 -61 -18,5 -61 -14,4 -62 -14,2 -62 -14,3 -62 -14,6 -63 -15,4 -63 -16,6 -63 -14,4 -62 -14,5 -62 -15,2 -63 -15,8 -63 -14,9 -63

58

7 Přílohy


6 Fotografická dokumentace

Obrázek P.5: Zapojené pracoviště pro měření metody s použitím load-pull techniky

Obrázek P.6: Přípravek použitý pro měření impedance (návrh pomocí load-pull techniky)

Diplomová práce

59

7 Přílohy


Obrázek P.7: Tranzistorový oscilátor navržený malosignálovou metodou

Obrázek P.8: Tranzistorový oscilátor navržený metodou s použitím load-pull techniky

Diplomová práce

60

7 Přílohy


7 Použité programové prostředky a přístroje AWR Microwave Office 7.03

Tuner Maury Microwave - Automated Tuner system (frekvenční rozsah 4 – 20 GHz) Vektorový analyzátor Agilent Technologies - E8364A (frekvenční rozsah 45 MHz – 50 GHz) Spektrální analyzátor ROHDE&SCHWARZ - FSP (frekvenční rozsah 9 kHz – 30 GHz)

Diplomová práce

61

7 Přílohy


8 Obsah přiloženého CD Diplomová práce v elektronické podobě – soubor „zelenj5_2009dipl.pdf“ Data simulací z programu AWR Microwave Office – složka „AWR Microwave Office“ Masky vytvořených oscilátorů a přípravků – složka „Masky“ Data použitých změřených součástek a tranzistoru – složka „Data součástek“ Přílohy č.1,2,3 v elektronické podobě – složka „Přílohy“ Literatura [3],[4] v elektronické podobě – složka „Literatura“

Diplomová práce

62

DIPLOMOVÁ PRÁCE Tranzistorový oscilátor

Recommend Documents