ITMI20100314A1

ITMI20100314A1 - Oscillatore a microonde controllato in tensione a migliorato rapporto segnale/rumore

Info

Publication number: ITMI20100314A1
Application number: IT000314A
Authority: IT
Inventors: Antonio Traversa
Original assignee: Siae Microelettronica Spa
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2011-08-26
Also published as: EP2362540A1; ES2417056T3; IT1398537B1; EP2362540B1

Description

DESCRIZIONE

Forma oggetto del presente trovato un oscillatore a microonde controllato in tensione (VCO), ad elevata banda di sintonia e migliorato rapporto potenza di uscita/rumore di fase alla frequenza f0di oscillazione .

E' nota, nel settore tecnico dei circuiti elettronici di trasmissione a radiofrequenza, la realizzazione di oscillatori controllati in tensione, in breve VCO (Voltage Controller Oscillator) , con struttura cosiddetta "push-push" del componente attivo, adottata in particolare negli oscillatori realizzati in tecnologia integrata monolitica che lavorano alle frequenze delle microonde (MMIC) .

PiÃ¹ in dettaglio gli oscillatori noti realizzati secondo tale tecnologia comprendono circuiti integrati, che utilizzano di preferenza l'Arseniuro di Gallio (GaAs), noto per le sue basse perdite dielettriche alle frequenze delle microonde, come materiale per realizzare il substrato, i quali circuiti hanno struttura simmetrica e comprendono: -) un componente attivo con struttura push-push, che opera alla metÃ (f0/2) della frequenza (f0) richiesta in uscita, atto a generare la resistenza differenziale negativa e a sostenere l'oscillazione, il quale presenta in uscita, un segnale alla prevista frequenza f0;

-) due circuiti risonanti LC, ciascuno contenente almeno una capacitÃ variabile dipendente dalla tensione di sintonizzazione, collegati al componente attivo ed oscillanti in controfase a frequenza f0/2, ovvero metÃ della frequenza di uscita f0di lavoro del componente attivo;

-) un nodo centrale collegato:

ai due circuiti risonanti LC;

al circuito di regolazione della tensione variabile di sintonizzazione, che determina la detta frequenza di risonanza f0/2, dei due circuiti LC; e alla massa reale tramite un ulteriore circuito LC che, risuonando alla frequenza di f0/2, costituisce un cortocircuito verso massa alla detta frequenza. Sebbene funzionali, tali VCO noti presentano tuttavia, l'inconveniente di non ottimizzare la potenza in uscita alla frequenza f0di lavoro dell'oscillatore, e ciÃ² in quanto tutto il circuito Ã ̈ ottimizzato sulla frequenza dei due semi-circuiti risonanti alla frequenza f0/2.

Si pone pertanto il problema tecnico di realizzare un oscillatore VCO perfezionato atto a migliorare la potenza del segnale alla frequenza f0di uscita dell'oscillatore, rispetto alla tecnica nota e a paritÃ di potenza assorbita dal circuito attivo. Si richiede, inoltre, che detto miglioramento della potenza in uscita non sia contemporanea causa di un aumento del rumore di fase dell'oscillatore.

Nell'ambito di tale problema si richiede anche che la nuova soluzione risulti attuabile in modo semplice ed economico, tramite tecniche produttive standardizzate .

Tali risultati sono ottenuti secondo il presente trovato da un oscillatore a microonde realizzato secondo le caratteristiche di rivendicazione 1.

Maggiori dettagli potranno essere rilevati dalla seguente descrizione di un esempio non limitativo di attuazione di un oscillatore secondo il presente trovato effettuata con riferimento ai disegni allegati, in cui si mostra:

in figura 1 : lo schema di principio di un oscillatore VCO secondo il presente trovato attuato con tecnologia MMIC; in figura 2 il circuito equivalente del circuito di nodo centrale secondo il presente trovato ;

in figura 3 una vista prospettica di una forma di attuazione MMIC del circuito di fig. 2;

in figura 4 una vista in pianta del circuito di nodo centrale MMIC di fig.3;

in figura 5 una sezione schematica secondo il piano di traccia V-V di fig. 4;

in figura 6 il grafico della parte reale dell'ammettenza tra nodo centrale e massa di un circuito secondo tecnica nota;

in figura 7 il grafico della parte reale dell'ammettenza e della parte reale dell'impedenza tra nodo centrale e massa di un circuito secondo il presente trovato;

in figura 8a una tabella riassuntiva dei valori sperimentalmente rilevati della potenza in uscita (POUT) e del rumore di fase di un oscillatore in tecnica nota e

in figura 8b : una tabella riassuntiva dei valori sperimentalmente rilevati della potenza in uscita (POUT) e del rumore di fase di un oscillatore secondo il presente trovato.

Come rilevabile dalla fig.l lo schema generale di un oscillatore VCO 100 secondo il presente trovato comprende:

+) un componente attivo 110, attuato secondo uno schema di tipo push-push di per sÃ ̈ convenzionale, che genera la resistenza negativa del circuito risonante e presenta una uscita centrale 111 del segnale a frequenza f0e due ingressi simmetrici 112 da due circuiti LC 120;

+) due circuiti LC 120 risonanti a frequenza f0/2 costituiti da una rispettiva linea in microstriscia 121, che realizza la parte induttiva del circuito e le cui opposte estremitÃ 121a,121b sono rispettivamente collegate al rispettivo ingresso 112 del componente attivo 110 e ad un rispettivo diodo varactor 122 che realizza la parte capacitiva, variabile, del rispettivo circuito risonante e permette la sintonizzazione dei due circuiti LC 120 e quindi dell'oscillatore 100, all'interno della banda desiderata;

+)un circuito 130 di nodo centrale comprendente un nodo centrale 131 al quale sono collegati:

. i detti diodi varactor 122,

una induttanza di disaccoppiamento 140 attraverso la quale si applica la tensione di sintonizzazione (Tuning Voltage) 141 che determina il valore della capacitÃ equivalente dei due diodi 122 e quindi la frequenza di risonanza f0/2 di ciascun circuito 120;

. un circuito 150 LC di connessione del nodo 131 alla massa reale dell'oscillatore e che risuona alla frequenza f0/2 per realizzare un cortocircuito verso massa a detta frequenza.

Detto nodo centrale 131 costituisce anche la massa virtuale per i due circuiti risonanti 120, i quali, oscillando in contro-fase, mantengono costante il valore di tensione di questo punto.

Secondo il trovato il circuito di nodo centrale 130 comprende anche una seconda connessione 160 fra il nodo 131 e la massa, detta seconda connessione 160 essendo disposta in parallelo alla prima connessione 150.

Come illustrato in fig. 2 il circuito equivalente rappresentativo del circuito di nodo centrale 130 comprende

- una induttanza 151 in serie ad un condensatore 152 che realizzano la prima connessione 150 verso la massa reale dell'oscillatore

una induttanza 161 in serie ad un condensatore 162 che realizzano il secondo collegamento 160 verso la massa reale del nodo 131.

Come illustrato nelle figg da 3 a 5 una forma preferita di attuazione dell'oscillatore prevede che il circuito di nodo centrale 130 sia realizzato con tecnologia integrata MMIC (Microvawe Monolitic Integrated Circuit) secondo la quale si prevede uno strato dielettrico 166 sulle cui opposte facce sono rispettivamente realizzati:

uno strato 170 conduttivo di massa,

un condensatore 152 formato da:

una prima armatura 152a collegata alla massa 170 tramite un rispettivo foro passante 152b metallizzato,

uno strato dielettrico 152c e

una seconda armatura 152d collegata al nodo 131 tramite l'induttanza 151 realizzata in microstriscia ,

che attuano il primo collegamento 150 del nodo 131 verso massa;

un condensatore 162 formato da

una prima armatura 162a collegata alla massa 170 tramite un rispettivo foro passante 162b metallizzato,

uno strato dielettrico 162c e

una seconda armatura 162d collegata al nodo 131 tramite l'induttanza 161 realizzata in microstriscia ,

che attuano il secondo collegamento del nodo 131 verso massa in parallelo al primo.

Secondo il trovato si prevede che i valori della capacitÃ del condensatore 162 e dell'induttanza 161, in combinazione con il condensatore 152 e l'induttanza 151, siano tali da determinare nel nodo 131 un circuito di impedenza molto bassa, quanto piÃ¹ possibile simile ad un corto circuito, alla frequenza fo/2 e allo stesso tempo un circuito di impedenza molto alta, quanto piÃ¹ possibile simile ad un circuito aperto, alla frequenza f0.

A questa frequenza (f0)il nodo 131 non si trova su un nodo stazionario di oscillazione (come alla frequenza fo/2) pertanto deve mostrare un'alta impedenza verso massa per non attenuare il trasferimento di potenza verso l'uscita 111.

Come illustrato nei grafici di figg 6 e 7 rispettivamente rappresentativi della parte reale dell'ammettenza Reale (y (1,1))e della parte reale dell'impedenza Reale (z (1,1)) tra nodo centrale 131 e massa di un circuito di nodo centrale 130 secondo tecnica nota e secondo il presente trovato, l'oscillatore secondo il presente trovato evidenzia sia un picco nella parte reale dell'ammettenza (corto circuito) alla frequenza f0/2 sia un picco nella parte reale dell'impedenza (circuito aperto) in corrispondenza della frequenza fo, assente nel grafico del circuito dell'oscillatore noto nel quale Ã ̈ rilevabile il solo picco dell'ammettenza in corrispondenza della frequenza f0/2.

L'imposizione della condizione di circuito aperto sul nodo 131 alla frequenza f0evita che parte del segnale utile venga dissipato al nodo 131 stesso come avviene negli oscillatori realizzati secondo tecnica nota.

Dalle tabelle riportate in figg. 8a e 8b Ã ̈ possibile rilevare i risultati di prove sperimentali condotte per verificare i valori della potenza in uscita (POUT) e del rumore di fase di un oscillatore realizzato in tecnica nota (fig. 4a) e di un oscillatore realizzato secondo il presente trovato (fig. 4b).

Avendo fissato per entrambi gli oscillatori la stessa frequenza f0di lavoro e uno stesso circuito attivo di tipo push-push entrambi con uguale assorbimento di corrente (150mA), dai valori riscontrati si nota come l'oscillatore attuato secondo il presente trovato fornisca una potenza in uscita superiore di oltre 6dB rispetto a quella dell'oscillatore secondo tecnica nota.

Oltre a ciÃ² i valori riscontrati mostrano come il rumore di fase presenti un miglioramento di circa 1 dB alla frequenza di 10kHz e rimanga sostanzialmente costante alle altre frequenze.

Risulta pertanto come l'oscillatore a microonde ad ampia banda di sintonizzazione, controllato in tensione (VCO), con componente attivo a struttura push-push, attuato secondo il presente trovato, consenta, a paritÃ di corrente assorbita dal circuito attivo, un guadagno di potenza di uscita maggiore rispetto a quella che si ottiene con oscillatori realizzati in tecnica nota e mantenendo sostanzialmente inalterato il rumore di fase.

Oltre a ciÃ² l'attuazione dell'oscillatore secondo il presente trovato comporta bassi costi di produzione e non richiede l'utilizzo di tecnologie costruttive diverse da quelle utilizzate per realizzare gli oscillatori a microonde monolitici (MMIC) in tecnica nota.

BenchÃ© descritta nel contesto di alcune forme di realizzazione e di alcuni esempi preferiti di attuazione dell'invenzione si intende che l'ambito di protezione del presente brevetto sia determinato solo dalle rivendicazioni che seguono.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Oscillatore (100) a microonde controllato in tensione comprendente: +)un componente attivo (110) attuato secondo uno schema di tipo push-push che presenta una uscita (111) del segnale a frequenza f0e due ingressi simmetrici (112) a frequenza f0/2; +)due circuiti LC (120) risonanti a frequenza f0/2 e le cui opposte estremitÃ (121a,121b) sono rispettivamente collegate al relativo ingresso (112) del componente attivo (110) e ad un diodo varactor (122); +)un circuito di nodo centrale (131) comprendente un nodo centrale (131) sul quale sono collegati . i detti diodi varactor (122), . una induttanza di disaccoppiamento (140); . un primo circuito LC (150) di collegamento del nodo (131) alla massa reale dell'oscillatore e risonante alla frequenza fo/2 per realizzare un cortocircuito verso massa a detta frequenza, caratterizzato dal fatto che comprende un secondo circuito LC (160) di connessione del nodo centrale (131) a massa, disposto in parallelo al primo circuito (150), detto secondo circuito LC comprendendo un secondo condensatore (162) e una seconda induttanza (161) in serie atti a determinare un corto circuito alla frequenza f0/2 ed un circuito aperto alla frequenza f0di uscita dall'oscillatore.
2 . Dispositivo secondo rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto oscillatore Ã ̈ realizzato con tecnologia a circuiti integrati monolitici (MMIC).
3. Dispositivo secondo rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che comprende uno strato dielettrico (166) sulle cui opposte facce sono rispettivamente realizzati: uno strato (170) conduttivo di massa, un primo (152) e un secondo (162) condensatore rispettivamente formati da una prima armatura (152a,162°) collegata alla massa (170), uno strato dielettrico (152c,162c) e una seconda armatura (152d,162d) collegata al nodo (131) tramite una rispettiva induttanza (151,161) in serie i quali attuano il circuito (130) di nodo centrale comprendente il primo (150) e il secondo (160) circuito di collegamento del nodo (131) verso massa.
4. Dispositivo secondo rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che detto collegamento a massa del nodo centrale (131) tramite i due circuiti di connessione (150,160) in parallelo Ã ̈ attuato tramite fori metallizzati (152b,162b) passanti attraverso il substrato dielettrico ed elettricamente collegati alla prima armatura (151a,161a) del rispettivo primo (151) e secondo (161) condensatore.
5. Dispositivo secondo rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che dette induttanze (151,161) dei rispettivi circuiti (150,160) di collegamento a massa del nodo centrale (131) sono realizzate in microstriscia.
6. Dispositivo secondo rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che il substrato dielettrico Ã ̈ realizzato in Arseniuro di Gallio (GaAs).