طراحی یک نوسان‌ساز کنترل‌شونده با ولتاژ دارای قابلیت ایجاد دو باند فرکانسی مجزا با استفاده از فناوری مایکرواستریپ

فاطمه شیری ¹ (دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر- واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران) مسعود دوستی ² (دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر- واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران)
فرزین شماع ³ (گروه مهندسی برق- واحد کرمانشاه، دانشگاه آزاد اسلامی، کرمانشاه، ایران)

تاریخ ارسال : 1402/02/04 تاریخ تایید : 1402/05/19

کلید واژه: نویز فاز, تحلیل مونت‌کارلو, رزوناتور تی شکل, فیلتر میانگذر دوبانده, نوسانساز کنترلشونده با ولتاژ,

چکیده مقاله :

در این مقاله، از فیلتر میان‌گذر دو‌بانده میکرواستریپ برای طراحی یک نوسان‌ساز با نویز فاز پایین استفاده شده است. نوسان‌ساز طراحی شده ساخته و آزمایش شده است. این فیلتر که می‌تواند فرکانس را تثبیت کند، در حلقه فیدبکی نوسان‌ساز با نویز فاز کم پیاده‌سازی شده است. نویز فاز با طراحی نوسان‌ساز در پیک تاخیر گروه فیلتر میان‌گذر بصورت چشم‌گیری کاهش یافته است. علاوه بر این، نوسان‌ساز طراحی شده را می‌توان به یک نوسان‌ساز کنترل‌شونده با ولتاژ تغییر ساختار داد، به این‌صورت که یک ورکتور به یک تشدید‌کننده T شکل فیلتر میان‌گذر دو‌بانده متصل می شود. فرکانس‌های مرکزی 95/1 و 45/5 گیگاهرتز برای این نوسان‌ساز به دست آمده است. این فرکانس‌ها بصورت مجزا و غیر‌همزمان می‌باشند. در فرکانس مرکزی 95/1 گیگاهرتز، نویز فاز 12/173- dBc/Hz در فرکانس آفست 1 مگاهرتز اندازه‌گیری شده است. کاربرد دقیق این باند‌های فرکانسی در شبکه‌های رادیویی UMTS و WiMAX می‌باشد. علاوه بر این، فرکانس نوسان‌ساز کنترل‌شونده با ولتاژ طراحی شده را می‌توان در محدوده 05/2-84/1 گیگاهرتز تنظیم کرد، که در آن نویز فاز اندازه‌گیری شده در فرکانس آفست 1 مگاهرتز از 122- به 5/146- dBc/Hz افزایش می‌یابد. در این مقاله تحلیل مونت کارلو نیز انجام شده است که با تلرانس 5 درصد تمامی استاب‌ها با احتمال بیش از 84 درصد جواب قطعی حاصل شده است.

چکیده انگلیسی :

In this paper, a microstrip dual-band bandpass filter (DB-BPF) is used to design a low phase-noise oscillator. The designed oscillator is fabricated and tested. This filter, which can stabilize frequency, is then implemented in the feedback loop of the low phase-noise oscillator. The phase noise can be largely reduced since the frequency of oscillation is designed at group delay of the edge of the passband. Moreover, the designed oscillator can be restructured to a voltage-controlled oscillator (VCO) when a varactor is connected to a T-shaped resonator of the BPF. The center frequencies of 1.95 and 5.45 GHz are obtained for this oscillator. At the center frequency of 1.95 GHz, a phase noise of -177.1 dBc/Hz is measured at 1 MHz offset. The exact application of these frequency bands is in UMTS and WiMAX radio networks. Additionally, the frequency of the designed VCO can be tuned in the range of 1.84-2.05 GHz within which the measured phase noise at 1 MHz offset increases from -122 to -146.5 dBc/Hz. In this article, Monte Carlo analysis has also been done, and with a tolerance of 5% of all stubs, we have reached a definitive answer with a probability of more than 84%. 

منابع و مأخذ:

[1] Z. Cai, Y. Yang, X. Zhiyou, D. Lu, Y. Liu, "Ultralow phase-noise different oscillator using quarter stepped-impedance resonator ", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 53. no. 12, pp. 806-809, Dec. 2019 (doi: 10.1109/LMWC. 2019.2946308).

[2] S. Askari, M. Sanaee, "Design and analysis of differential ring voltage controlled oscillator for wide tuning range and low power applications", International Journal of Circuit Theory and application, vol. 47, no. 2, pp. 204-216, Dec. 2018 (doi: 10.1002/cta. 2582).

[3] J. Xu, F. Xiao, Y. Cao, "Low phase noise L-band oscillators based on novel general chebyshev bandpass filters", International Journal of Circuit Theory and application, vol. 48, Issue. 1, pp. 72-83, Dec. 2020 (doi: 10.1002/cta. 2718).

[4] S.J. Cho, N.Y. Kim, "A novel spiral meander spurline resonator and its implementation to a low-phase noise oscillator", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 53, no. 11, pp. 2258-2262, July 2011 (doi: 10.1002/mop. 26286).

[5] C.H. Tseng, C.L. Chang, "Design of low phase-noise microwave oscillators and wideband VCO based on mirostrip combline bandpass filters", IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. 60. no. 10, pp. 3151-61, Oct. 2012 (doi: 10.1109/TMTT. 2012.2210441).

[6] Z. Yang, J. Dong, B. Luo, T. Yang, Y. Lia, "Low phase noise concurrent dual-band oscillator using compact diplexer", Microwave and Wireless Components Letters, vol. 25. no. 10, pp. 672-674, Sept. 2015 (doi: 10.1109/LMWC. 2015.2463217).

[7] M. Hamidkhani, F. Mohajeri, "A low phase noise microwave oscillator based on a high Q SIW cavity CSRR band-pass filter", Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol. 30. no. 16, pp. 2077-2078, Sept. 2016 (doi: 10.1080/09205071.2016.1231088).

[8] H. Zhang, W. Kang, W. Wu, "Low phase-noise oscillator based on SIW bandpass filter implementing at the Qsc-peak frequency", Journal of Electromagnetic Waves and Applications, vol. 33. no. 3, pp. 296-303, Nov. 2018 (doi: 10.1080/09205071.2018.1549512).

[9] W. Xiang, Z. Xiao-Wei, "An X-band push-push oscillator with parallel feedback configuration designed by microstrip balanced bandpass filter", International Journal of RF Computer-Aided Engineering, vol. 29, no. 7, pp. 124-139, May 2019 (doi: 10.1002/mmce. 21663).

[10] S.J. Maleki, M. Dousti, "A compact dual-band bandpass filter using microstrip meander loop and square loop resonators",  IEICE Electronics Express, Vol. 9, no. 16, pp. 1342-1348, May 2012 (doi: 10.1587/elex. 9.1342).

[11] M. R. Zobeyri, A. Eskandari, "Design and fabrication of novel single- and dual-band bandpass filters with modern zero-degree feed structure for wireless communications", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 9, no. 16, pp. 47-61, May 2018 (dor: 20.1001.1.23223871.1397.9.33.5.4)

[12] M. Moradian, S. Nasri, M. Tayarani, "Unequal wilkinson power divider using asymmetric microstrip parallel coupled lines", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 36, no. 9, pp. 13-27, Jan. 2013 (doi: 10.2528/PIERC12110203).

[13] F. Shiri, M. Dousti, F. shama, "Designing a compact microstrip dual-band filter with two t-shaped resonators and suitable frequency selectivity", Journal of Circuits, Systems, and Computers, vol. 31. no. 14, Article Number: 2250247, July 2022 (doi: 10.1142/S0218126622502474).

[14] F. Shiri, M. Dousti, F. Shama, "Design and simulation of a dual-band oscillator based on microstrip bandpass filter", Proceeding of the NCEEIS, pp. 1-5, Najafabad, Iran, May/June 2022.

[15] C.L. Chang, C.H. Tseng, "Design of low phase-noise oscillators and Voltage-Controlled Oscillator using microstrip trisection bandpass filter", IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 21, no. 11, pp. 622-624, Oct. 2011 (doi: 10.1109/LMWC. 2011.2168199).

[16] L. Zhipeng, H. Hongyun, L. Yongzhi, B. Jingfu, "Low phase noise Ku-band push–push oscillator based on compact spiral-resonator array", Microwave and Optical Technology Letters, vol. 57, no. 7, pp. 1683-1686, April 2015 (doi: 10.1002/mop. 29142).

[17]  M. Asyaei, E. Ebrahimi, "A low-phase noise injection-locked quadrature voltage-controlled oscillator", Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 71. no. 2, pp. 319–325, May 2012 (doi: 10.1007/s10­470-0­11-9779-2).

[18] S.S. Marganeh, M. Dousti, M. Dolatshahi, B. Ghalamkari, "A novel dual-band tunable notch filter with controllable center frequencies and bandwidths", International Journal of Electronics and Communications, vol. 88, pp. 70-77, May 2018 (doi: 10.1016/j. aeue. 2018.02.018).

[19] S.S. Marganeh, M. Dousti, M. Dolatshahi, B. Ghalamkari, "A dual-mode bandpass filter for GSM, UMTS, WiFi, and WiMAX standards applications", International Journal of Circuit Theory and application, vol. 47, no. 4. pp. 561-571, Feb 2019 (doi: 10.1002/cta. 2607).

[20] M. Asyaei, E. Ebrahimi, "A low-phase noise injection-locked quadrature voltage-controlled oscillator", Analog Integrated Circuits and Signal Processing, vol. 71. no. 2, pp. 319–325, May 2012 (doi: 10.100­7/s10­47­0-011-9779-2).