radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2024-27-1-33-47radioelectronics-838Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESСинтез блоков электронной перестройки частоты для узкополосных сверхмалошумящих генераторов с резонаторами на поверхностных акустических волнахSynthesis of Electronic Frequency Tuning Units for Narrowband Ultra-Low Noise Oscillators with Surface Acoustic Waves ResonatorsЛойкоВ. А.LoikoV. A.

Лойко Виталий Анатольевич – инженер по специальности "Радиотехника" (Саратовский государственный технический университет им. Ю. А. Гагарина, 2013), аспирант кафедры формирования и обработки радиосигналов; начальник отдела

ООО "Радиокомп", пр. Волгоградский, д. 42, Москва, 109316

Vitaliy A. Loiko, Engineer in "Radio Engineering" (Saratov State Technical University n. a. Yu. A. Gagarin, 2013), Postgraduate of the Department of Formation and Processing of Radio Signa; Head of the Department 

 

Radiocomp LLC, 42, Volgogradsky Ave., Moscow 109316

Lvitalika@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6507-6573СафинА. Р.SafinA. R.

Сафин Ансар Ризаевич – доктор физико-математических наук (2023), доцент, старший научный сотрудник; профессор кафедры формирования и обработки радиосигналов; начальник отдела 

Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, ул. Моховая, д.11, к.7, Москва, 125009

Ansar R. Safin, Dr Sci. (Phys.-Math.) (2023), Associate Professor, Senior Researcher; Professor of the Department of Radio Signal Generation and Processing; Head of the Department 

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics RAS, 11, Mokhovaya St., Moscow 125009

   

arsafin@gmail.comБобурковА. А.BoburkovA. A.

Бобурков Александр Андреевич – студент кафедры формирования и обработки радиосигналов; инженер

ООО "Радиокомп", пр. Волгоградский, д. 42, Москва, 109316

Alexander A. Boburkov, Student of the Department of Radio Signal Generation and Processing; Engineer of the Generators Department

Radiocomp LLC, 42, Volgogradsky Ave., Moscow 109316

   

aleksandrboburkov@gmail.comООО "Радиокомп"; Национальный исследовательский университет "МЭИ"РоссияNational Research University "MPEI"; "Radiocomp"Russian FederationООО "Радиокомп"; Национальный исследовательский университет "МЭИ"; Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАНРоссияKotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics RAS; National Research University "MPEI"; "Radiocomp"Russian Federation2024290220242713347Copyright © Лойко В.А., Сафин А.Р., Бобурков А.А., 20242024Лойко В.А., Сафин А.Р., Бобурков А.А.Loiko V.A., Safin A.R., Boburkov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/838Введение

Введение. Современные радиотехнические системы предъявляют жесткие требования к стабильности частоты источников СВЧ-колебаний (СВЧ-генераторов), входящих в их состав. Однако СВЧ-генераторы (на диэлектрических резонаторах или резонаторах на поверхностных акустических волнах), несмотря на низкие уровни спектральной плотности мощности частотных флуктуаций формируемых сигналов, не обладают необходимой стабильностью частоты, требуемой для большинства прецизионных применений (измерители фазового шума, авиационные радиолокаторы, сверхмалошумящие синтезаторы частоты). Повысить стабильность частоты таких генераторов возможно, например, посредством системы фазовой автоматической подстройки частоты, однако для ее реализации, как правило, в состав СВЧ-генератора должен входить блок электронной перестройки частоты. Введение в состав СВЧ-генератора такого блока может приводить к ухудшению других его электрических характеристик, например спектральной плотности мощности частотных флуктуаций формируемых сигналов.

Цель работы

Цель работы. Разработка методики синтеза блоков электронной перестройки частоты с требуемым диапазоном изменения вносимого фазового сдвига и минимальными собственными потерями мощности для узкополосных СВЧ-генераторов с резонаторами на поверхностных акустических волнах.

Материалы и методы

Материалы и методы. Синтез блоков электронной перестройки частоты проводится численно-аналитическим методом с применением системы математических расчетов MATLAB (лицензия № 906991). Критический анализ полученных результатов проводится сравнительным методом.

Результаты

Результаты. В статье представлена методика синтеза блоков электронной перестройки частоты с требуемым диапазоном изменения вносимого фазового сдвига при сохранении минимальных вносимых потерь, позволяющая учесть собственные паразитные параметры варикапа. Даны рекомендации по правильному выбору варикапов. Проведен сравнительный анализ расчетных и практических результатов. Практическая реализация блока электронной перестройки частоты проведена на базе ООО "Радиокомп" в 2023 г.

Заключение

Заключение. Представленная методика синтеза блоков электронной перестройки частоты является универсальной и может быть использована не только для синтеза блоков электронной перестройки частоты различных узкополосных СВЧ-генераторов, использующих в качестве частотозадающего элемента двухпортовые резонаторы, но и для синтеза узкополосных СВЧ-фазовращателей.

Introduction

Introduction. Modern radio engineering systems impose strict requirements on the stability of the frequency of microwave oscillation sources (microwave generators) included in their composition. However, microwave oscillators (on dielectric resonators or resonators on surface acoustic waves), despite the low levels of power spectral density of frequency fluctuations of the generated signals, fail to exhibit the frequency stability required for most precision applications (phase noise meters, aircraft radars, ultra-low-noise frequency synthesizers). It is possible to increase the frequency stability of such oscillators, e.g., by using of a phase-locked loop system; however, for its implementation, as a rule, an electronic frequency tuning unit should be included in the microwave oscillator. The introduction of such a unit into the microwave oscillator can lead to degradation of its other electrical characteristics, e.g., the power spectral density of frequency fluctuations of the generated signals.

Aim

Aim. Development of a method for synthesizing electronic frequency tuning blocks with the required range of introduced phase shift and minimal intrinsic power loss for narrow-band microwave oscillators with resonators based on surface acoustic waves.

Materials and methods

Materials and methods. The synthesis of electronic frequency tuning blocks is carried out by a numerical-analytical method using the MATLAB (academic license no. 906991) environment. The obtained results are analyzed by a comparative method.

Results

Results. The paper presents a methodology for synthesizing electronic frequency tuning blocks with the required range of changes in the introduced phase shift while maintaining minimal insertion losses, which makes it possible to consider the intrinsic parasitic parameters of the varactor. Recommendations on the correct choice of varactors are given. A comparative analysis of calculated and practical results is carried out. The electronic frequency tuning unit was implemented on the basis of "Radiocomp" in 2023.

Conclusion

Conclusion. The presented methodology for synthesizing electronic frequency tuning blocks is versatile and can be used not only for the synthesis of electronic frequency tuning blocks of various narrow-band microwave oscillators using twoport resonators as a frequency-setting element, but also for the synthesis of narrow-band microwave phase shifters. 

генераторповерхностные акустические волныспектральная плотность мощности частотных флуктуацийперестройка частотыфазовый сдвигoscillatorsurface acoustic wavespower spectral density of frequency fluctuationsfrequency tuningphase shiftРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FFWZ-2022-0015). Благодарности. Авторы выражают признательность инженеру ООО "Радиокомп" Добровольскому А. А. за конструктивную критику по результатам ознакомления с методикой синтеза блоков электронной перестройки частоты и активное участие в обсуждении полученных результатов.The work was carried out according to the state order of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (subject no. FFWZ-2022-0015). Acknowledgments. The authors express their gratitude to A. A. Dobrovolsky, the leading engineer of "Radiocomp", for constructive criticism based on the results of acquaintance with the methodology of synthesis of electronic frequency tuning blocks and active participation in the discussion of the obtained results.ReferencesАвтогенераторы на поверхностных акустических волнах (обзор) / В. А. Лойко, А. А. Добровольский, В. Н. Кочемасов, А. Р. Сафин // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25, № 3. С. 6– 21. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-3-6-21Loiko V. A., Dobrovolsky A. A., Kochemasov V. N., Safin A. R. Self-Oscillators Based on Surface Acoustic Waves (A Review). Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2022, vol. 25, no. 3, pp. 6–21. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-3-6-21Tatopoulos X. Compact Ultra-low Noise SAW Oscillator with reduced g-sensitivity for Radar applications // Intern. Radar Conf. Lille, France, 13–17 Oct. 2014. Piscataway: IEEE, 2014. P. 1–3. doi: 10.1109/RADAR.2014.7060383Tatopoulos X. Compact Ultra-low Noise SAW Oscillator with Reduced G-Sensitivity for Radar Applications. Intern. Radar Conf. Lille, France, 13–17 Oct. 2014. Piscataway, IEEE, 2014, pp. 1–3. doi: 10.1109/RADAR.2014.7060383Everard J. A Review of Low Noise Oscillator. Theory and Design // Proc. of Intern. Frequency Control Symp. Piscataway: IEEE, 1997. P. 909–918. doi: 10.1109/FREQ.1997.639208Everard J. A Review of Low Noise Oscillator. Theory and Design. Proc. of Intern. Frequency Control Symp. Piscataway, IEEE, 1997, pp. 909–918. doi: 10.1109/FREQ.1997.639208Driscoll M. Low noise, microwave signal generation using bulk and surface acoustic wave resonators // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 1988. Vol. 35, № 3. P. 426–434. doi: 10.1109/FREQ.1988.27627Driscoll M. Low Noise, Microwave Signal Generation Using Bulk and Surface Acoustic Wave Resonators. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 1988, vol. 35, no. 3, pp. 426– 434. doi: 10.1109/FREQ.1988.27627Parker T. E., Montress G. K. Precision SurfaceAcoustic-Wave (SAW) Oscillators // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 1988. Vol. 35, № 3. P. 342–364. doi: 10.1109/58.20455Parker T. E., Montress G. K. Precision SurfaceAcoustic-Wave (SAW) Oscillators. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 1988, vol. 35, no. 3, pp. 342–364. doi: 10.1109/58.204555Parker T. E., Andres D. K. Designing smaller SAW oscillators for low vibration sensitivity // Proc. of IEEE 48th Annual Symp. on Frequency Control. Boston, MA, USA, June 1994. IEEE, 1994. P. 352–358. doi: 10.1109/FREQ.1994.398312Parker T. E., Andres D. K. Designing Smaller SAW Oscillators for Low Vibration Sensitivity. Proc. of IEEE 48th Annual Symp. on Frequency Control. Boston, MA, USA, June 1994. IEEE, 1994, pp. 352–358. doi: 10.1109/FREQ.1994.398312Bipin Kumar Das, Prakash Kumar. Tailoring of specifications for random vibration testing of military airborne equipment’s from measurement // IJRET: Intern. J. of Research in Engineering and Technology. 2015. Vol. 4, iss. 12. P. 293–299.Bipin Kumar Das, Prakash Kumar. Tailoring of Specifications for Random Vibration Testing of Military Airborne Equipment’s from Measurement. IJRET: Intern. J. of Research in Engineering and Technology. 2015, vol. 4, iss. 12, pp. 293–299.Leeson D. B. A Simple Model of Feedback Oscillator Noise Spectrum // IEEE Proc. 1966. Vol. 54, № 2. P. 329–332. doi: 10.1109/PROC.1966.4682Leeson D. B. A Simple Model of Feedback Oscillator Noise Spectrum. IEEE Proc. 1966, vol. 54, no. 2, pp. 329–332. doi: 10.1109/PROC.1966.4682Parzen B. Clarification and a Generalized Restatement of Leeson’s Oscillator Noise Model // Proc. of the 42nd Annual Frequency Control Symp., Baltimore, USA, 01–03 June 1988. IEEE, 1998. P. 348–351. doi: 10.1109/FREQ.1988.27623Parzen B. Clarification and a Generalized Restatement of Leeson’s Oscillator Noise Model. Proc. of the 42nd Annual Frequency Control Symp., Baltimore, USA, 01–03 June 1988. IEEE, 1998, pp. 348–351. doi: 10.1109/FREQ.1988.27623Quendo C., Rius E., Person C. Narrow bandpass filters using dual-behavior resonators based on stepped-impedance stubs and different length stubs // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004. Vol. 52, iss. 3. P. 1034–1044. doi: 10.1109/TMTT.2004.823582Quendo C., Rius E., Person C. Narrow Bandpass Filters Using Dual-Behavior Resonators Based on Stepped-Impedance Stubs and Different Length Stubs. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004, vol. 52, iss. 3, pp. 1034–1044. doi: 10.1109/TMTT.2004.823582Самуилов А. А., Черкашин М. В., Бабак Л. И. Методика "визуального" проектирования цепей на сосредоточенных элементах для широкополосного согласования двух комплексных нагрузок // Докл. Томского гос. университета систем управления и радиоэлектроники. 2013. № 2 (28). С. 30–39.Samuilov A. A., Cherkashin M. V., Babak L. I. "Visual" Design Technique for Networks on Lumped Elements Providing Broadband Matching of Two Complex Impedances. Reports of the Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics. 2013, no. 2(28), pp. 30–39.Montress G. K., Parker T. E., Andres D. Review of SAW Oscillator Performance // Proc. of IEEE Ultrasonics Symp. 1994. Vol. 1. P. 43–54. doi: 10.1109/ULTSYM.1994.401550Montress G. K., Parker T. E., Andres D. Review of SAW Oscillator Performance. Proc. of IEEE Ultrasonics Symp. 1994, vol. 1, pp. 43–54. doi: 10.1109/ULTSYM.1994.401550Chomiki M. SAW Oscillators Fly on Airborne Ra- dars // Microwaves and RF. 2010. Vol. 49, № 6. P. 23–25.Chomiki M. SAW Oscillators Fly on Airborne Radars. Microwaves and RF. 2010, vol. 49, no. 6, pp. 23–25.Perfect Matching of Reactive Loads Through Complex Frequencies: from Circuital Analysis to Experiments / A. V. Marini, D. Ramaccia, A. Toscano, F. Bilotti // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2022. Vol. 70, iss. 10. P. 9641–9651. doi: 10.1109/TAP.2022.3177571Marini A. V., Ramaccia D., Toscano A., Bilotti F. Perfect Matching of Reactive Loads Through Complex Frequencies: from Circuital Analysis to Experiments. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2022, vol. 70, iss. 10, pp. 9641–9651. doi: 10.1109/TAP.2022.3177571Galantai A. The theory of Newton’s method // J. of Computational and Applied Mathematics. 2000. Vol. 125. P. 25–44. doi: 10.1016/S0377-0427(00)00435-0Galantai A. The Theory of Newton’s Method. J. of Computational and Applied Mathematics. 2000, vol. 125, pp. 25–44. doi: 10.1016/S0377-0427(00)00435-0Модель варикапа для разработки сверхширокополосных перестраиваемых генераторов СВЧ / В. М. Малышев, Ю. А. Матвеев, А. Б. Никитин, А. В. Худяков // Науч.-техн. ведомости СанктПетербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2014. № 2 (193). С. 55–60.Malyshev V. M., Matveev Yu. A., Nikitin A. B., Khudyakov A. V. Varactor Diode Model Used to Design Wideband Microwave Voltage-Controlled Oscillators. Scientific and Technical Bull. of St Petersburg Polytechnic University J. Physics and Mathematics. 2014, no. 2 (193), pp. 55–60.Skyworks Solutions, Inc. URL: https://www.skyworksinc.com/-/media/SkyWorks/Documents/Products/101-200/SMV1405_1430_Series_200068W.pdf (дата обращения 10.05.2023)Skyworks Solutions, Inc. Available at: https://www.skyworksinc.com/-/media/SkyWorks/Documents/Products/101-200/SMV1405_1430_Series_200068W.pdf (accessed 10.05.2023)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.