Rechnergestützter Entwurf von hochfrequenten Oszillatoren mit minimiertem Phasenrauschen

Dr.-Ing. Werner Anzill und Dr.rer.nat. Oskar von Stryk

In diesem gemeinsamen Forschungsprojekt wurde eine völlig neue Methode zur Minimierung des Phasenrauschens beim rechnergestützten Entwuf von Oszillatoren (wie sie zur Signalverarbeitung, bei Mikrowellenradars, in Kommunikationssystemen oder Empfängern (TV, Radio) eingesetzt werden) entwickelt. Die Methode beruht auf der Berechnung des Phasenrauschens von Oszillatoren unter Verwendung von nichtlinearen Zeitbereichsmethoden zur Berücksichtigung der nichtlinearen Effekte von Oszillatoren. Dazu wird das Signal- und Rauschverhalten von Oszillatoren durch Systeme (nichtlinearer) Differentialgleichungen beschrieben.

Bei der Minimierung des Phasenrauschens werden die Parameter des Oszillatornetzwerkes unter Vorgabe des Resonatortyps und des aktiven Elementes so berechnet, daß das Phasenrauschen bei gegebener Schwingfrequenz und gegebener Ausgangsleistung minimal wird.

Typischerweise können so das lineare Teilnetzwerk (z. B. geometrische Daten des Layouts, Werte von passiven elektronischen Bauteilen (Kondensatoren, Induktivitäten, Widerstände)) oder Parameter des aktiven Elements des Oszillators (z. B. Parameter des Transistors) systematisch optimiert werden.

Das Problem der Optimierung dieser Parameter unter der Nebenbedingung, daß die Differentialgleichungen für das Signalverhalten erfüllt werden, führt auf ein optimales Steuerungsproblem über einem endlich-dimensionalen Steuerraum. Diese Optimierungsprobleme können durch Anwendung des Verfahrens DIRCOL (englisch) numerisch gelöst werden.

Die abgebildeten hochfrequenten Mikrowellenoszillatoren wurden am Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik der Technischen Universität München als Prototypen gefertigt gemäß den Berechnungsergebnissen. Die Messungen an den Protoypen weisen eine erhebliche Reduktion des Phasenrauschens gegenüber der Referenzausführung aus.

Ergebnisse und Photographien

Ausgangssituation: Referenzoszillator O8

  • Gesamter Oszillator O8 (Größenvergleich)
  • Vergrößerung des interessanten Teils des Layouts von O8

Minimierung des durch das Basisbandrauschen verursachten Einseitenbandphasenrauschens: Oszillator MIN2

Im Bereich der Ablagefrequenzen bis etwa 10 kHz, wo das Einseitenbandphasenrauschen durch die 1/f-Rauschquellen hervorgerufen wird, zeigt sich eine deutliche Verbesserung des gemessenen Phasenrauschens um etwa 8 dB im Vergleich zum Referenzoszillator O8.

  • Gesamter Oszillator MIN2 (Größenvergleich)
  • Vergrößerung des interessanten Teils des Layouts von MIN2

Minimierung des durch weiße Rauschquellen und die Basisbandrauschquelle verursachten Einseitenbandphasenrauschens: Oszillator S2

Das Einseitenbandphasenrauschen weist eine Verringerung von 11 dB im gesamten Bereich der Ablagefrequenzen auf im Vergleich zum Referenzoszillator O8.

  • Vergrößerung des interessanten Teils des Layouts von S2
  • Gesamter Oszillator S2 (Größenvergleich)

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