Realisierung rauscharmer und frequenzstabiler Oszillatoren im VHF-UHF-Bereich

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

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

3. 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 Wolf-Henning Rech DF9IC

4. 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 Wolf-Henning Rech DF9IC

5. 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 => ???? Wolf-Henning Rech DF9IC

6. Grundlagen • Allan-Varianz der Frequenz: Wolf-Henning Rech DF9IC

7. Grundlagen • Phasenrauschen/Frequenzrauschen: Wolf-Henning Rech DF9IC

8. 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) -40 dBm -100 dBc -134 dBc/Hz -20 dBm -120 dBc -154 dBc/Hz Wolf-Henning Rech DF9IC

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

10. Modell Oszillatorrauschen • Spektrale Rauschleistungsdichtemuß noch auf Verstärkereingangsleistung Pin bezogen werden • Rauschfloor + • Resonanz mit Bandbreite Df 3 dB Df 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 Wolf-Henning Rech DF9IC

12. VHF-Quarzoszillator • Quarz als Resonator (z. B. 100 MHz): • Ql >= 10.000 leicht realisierbar, d. h. Df =< 10 kHz • Wirkleistung im Resonator max. 1...10 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 Wolf-Henning Rech DF9IC

13. 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) Wolf-Henning Rech DF9IC

14. VHF-VCO • Resonatorgüte begrenzt (20...500) • daher hohe Oszillatorleistung wichtig • Abstimmbereich so klein wie möglich • geringe Güteverschlechterung durch Varicaps • geringere Blindleistung an den Varicaps • Rauschen der Abstimmspannung • Mikrofonie! Wolf-Henning Rech DF9IC

15. 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 Wolf-Henning Rech DF9IC

16. Testaufbau VHF-VCO • Auswahl der Varicap nach Güte und Blindleistung Wolf-Henning Rech DF9IC

17. 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 6 ... 16 V FR4-Leiterplattebeidseitig Streifenleiter Alu-Gehäuse 5 mm Wolf-Henning Rech DF9IC

18. Testaufbau VHF-VCO Luft-Trimm-Cs Stripline-Resonator mit kapazitiver Kopplung Verstärker4 x J310 RC-Tiefpass Versorgungs-spannung ca. 50 x BB814 (ca. 100 Varicaps) Wolf-Henning Rech DF9IC

19. Testaufbau VHF-VCO • Übertragung durch Resonator und Verstärker: Wolf-Henning Rech DF9IC

20. Testaufbau VHF-VCO Wolf-Henning Rech DF9IC

21. 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 Wolf-Henning Rech DF9IC

22. 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 Wolf-Henning Rech DF9IC