Eliminazione del ronzio di rete dagli oscillatori RF LC modulati in frequenza

Sto cercando di costruire un oscillatore LC modulato in frequenza ma tutti i circuiti che ho provato hanno un terribile ronzio di rete dopo la demodultaion.

L'oscillatore è sintonizzato dal sensore capacitivo ma sto usando un condensatore fisso invece fino a quando non risolverò questo problema. Ho provato diverse topologie: Franklin, Clapp, Vackář, Hartley a frequenze diverse da 60 a 500 MHz, ma non c'è alcuna differenza tra loro in termini di ronzio di rete. Sto usando un ricevitore SDR per la demodulazione, funziona bene e non può essere la fonte del ronzio. L'uso della batteria anziché dell'alimentazione CA non ha aiutato. Sto usando condensatori da 10 µF e 10 nF per il disaccoppiamento. L'uso di induttori fisicamente più piccoli ha aiutato un po ', ma il rumore è ancora inaccettabile.

Come suggerito nei commenti, ho testato tutti i nodi del circuito con e senza alimentare il circuito e il componente 50 Hz appare solo all'uscita dell'antenna.

Ecco alcuni disegni PCB, forse ci sono errori nel routing?

Fig. 1: topologia Vackář, il transistor è BF545C

Fig. 2: Topologia di Franklin, entrambi i transistor sono ATF-38143

[UPD:]

Caricamento della mia configurazione e dei miei schemi come richiesto. L'impostazione è solo un ricevitore SDR e l'oscillatore con un pezzo di filo in uscita come antenna di fortuna. Il sensore capacitivo C _var è assente, poiché sto usando un condensatore fisso C ₄ invece.

Fig. 3a:

Fig. 3b:

Fig. 3c:

[UPD2:]

SNR a 50 Hz è 4,3 dB. La deviazione di frequenza massima per l'oscillatore Franklin è di 290 kHz, la potenza di uscita è di 7,8 dBm, il livello del segnale ricevuto è di -26 dBFS. La messa a terra del laptop non fa differenza.

[UPD3:]

Ho realizzato una nuova scheda con un piano di massa e uno scudo EMI in argento nichelato. Ho aggiunto un regolatore LD1117 da 1,8 V e condensatori di disaccoppiamento NP0 da 100pF e 390pF - e non ho ancora avuto fortuna. Non ci sono cambiamenti significativi nelle prestazioni del rumore. Sfortunatamente, non sono riuscito a trovare una scatola di ferro in cui inserire l'intero circuito, ma sono quasi sicuro che ci siano alcune tecniche intelligenti di progettazione di circuiti e PCB che non richiedono schermature magnetiche. Ad esempio, ho testato il ricevitore SDR su un trasmettitore FM non schermato economico: non c'è alcun ronzio, anche con il volume al massimo, quindi il colpevole è sicuramente il design del circuito e del PCB.

Ecco alcune foto della scheda (scusate il flusso, ho provato a rimuoverlo ma non ci sono riuscito)

Fig. 4a:

Fig. 4b:

Fig. 4c:

Inoltre, come suggerito nella risposta di seguito, ho registrato un IF dal mio ricevitore SDR e generato il suo spettro a basse frequenze.

Fig. 5a: senza schermo EMI

Fig. 5b: con schermo EMI

[UPD4:]

Questo è interessante.

L'aumento di C ₄ (vedi Fig. 3c) riduce significativamente il rumore. Guarda gli spettri di segnale demodulato (il componente 440 Hz è un segnale di prova registrato dal sensore per la misurazione SNR):

Fig. 6a: C ₄ = 1,5 pF

Fig. 6b: C ₄ = 2.7 pF

Sfortunatamente, non ho altri condensatori nell'intervallo tra 1 e 10 pF per effettuare ulteriori test (l'oscillatore non inizierà con C ₄ ≥ 10 pF). Immagino che il rumore della linea AC rilevato dalle tracce del PCB e L ₂ cambi la capacità di gate di J ₁ , e aumentando il valore di C _{4 si} riduce l'influenza di tali cambiamenti sulla frequenza. Ciò è confermato anche dall'aggiunta di una forte fonte di rumore, ad esempio un telefono cellulare che effettua una chiamata. Puoi vedere grandi picchi nella Fig. 6c e la frequenza aumenta effettivamente quando aggiungo una sorgente di rumore, il che significa che la capacità di gate di J ₁ è inversamente proporzionale alla tensione. Per me ha senso. Sembra che sia necessario ridurre l'accoppiamento tra J ₁ e serbatoio LC o aggiungere un filtro passa-alto tra di loro, ma non sono sicuro di quale sia il modo migliore per farlo.

Fig. 6c:

Gomunkul (nei commenti) e @ user287001 potrebbero aver risolto gran parte del problema del ronzio:

Probabilmente è la tua sonda o l'antenna che cattura il ronzio dall'aria perché il condensatore è un circuito aperto per 50Hz.

C6 può essere un condensatore di scarsa qualità che varia la capacità con la tensione:

• Usa un buon condensatore C0G qui (100 pf è probabilmente troppo) o uno valutato per microonde.

• Terminare l'antenna con una resistenza a terra, per ridurre il campo elettrico attraverso C6 indotto da apparecchi a 50 Hz vicini, luci.

• Aggiungi uno stadio buffer con un bel S12 basso tra oscillatore e antenna.

V'è un altro possibile meccanismo di ronzio, un po 'meno probabile ....
Questo oscillatore con antenna può essere considerato un ricevitore a conversione diretta greggio: le sue oscillazioni servono come oscillatore locale del ricevitore. Con tali tensioni di polarizzazione CC a bassa tensione, le giunzioni del dispositivo attivo di questo oscillatore possono presentare significative variazioni di capacità con variazioni di tensione. Laddove una giunzione vede sia il segnale trasmesso (forte) sia il segnale ricevuto (debole), la sua tensione di polarizzazione può variare, a seconda della relazione di fase tra i due segnali.

Lontano, alcune giunzioni di diodi potrebbero ricevere un segnale trasmesso dal tuo oscillatore. Laddove queste giunzioni vengono anche attivate e disattivate durante la rettifica della rete a 50 Hz, ritrasmettono a 50 Hz. segnale modulato all'oscillatore tramite fili o tracce. In UHF, anche un filo corto diventa un elemento antenna accoppiato in questo sistema a 2 elementi. Il diodo modulato a 50 Hz può iniettare un cambio di fase all'oscillatore. È caratteristicamente pieno di armoniche, poiché quei diodi modulati a 50 Hz passano da on a off abbastanza rapidamente. Le armoniche a 50 Hz del tuo spettro sembrano abbastanza forti.
I diodi raddrizzatori di alimentazione CC sono spesso la fonte.
I circuiti di illuminazione a LED potrebbero essere un'altra fonte.
Anche la frequenza di spostamento del tuo cellulare supporta questa teoria.

È possibile verificare questo fenomeno con il seguente circuito (incompleto):

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Il dipolo a semionda viene tagliato per la frequenza UHF dell'oscillatore sotto test. Il suo diodo si collega tra ogni 1/4 di onda. Un generatore di funzioni 1kHz potrebbe essere usato per accendere e spegnere il diodo anziché un oscillatore a 555 1 kHz. Quando questo circuito "zanzara" è accoppiato all'antenna del trasmettitore, un ricevitore di monitoraggio (AM PM o FM) può rilevare il segnale 1kHz. Allontanare questo circuito "zanzara" dall'oscillatore sotto test dovrebbe ridurre l'uscita udibile del ricevitore di monitoraggio.

A parte: questo stesso meccanismo di accoppiamento è talvolta presente nel radar doppler e negli allarmi di furto con rilevazione di movimento. In questo caso, la fase cambia quando la distanza del segnale riflettente varia dall'oscillatore del segnale UHF.
È possibile ottenere ulteriori approfondimenti su google "ronzio sintonizzabile" o ronzio sintonizzabile.

Lo schema è impreciso nel modello fisico reale, quindi non funzionerà come previsto nello schema.

Ad esempio, il tappo di disaccoppiamento di 0,1 uF è di circa 20 nH nei 2 conduttori di 2 cm e 1 mm di spessore (est) e 1 cm di lunghezza del binario. Nel frattempo il tuo risonatore usa 33nH, quindi la tua fornitura ha scarsa impedenza e come altri suggeriscono che forse è necessario 100pF in un piccolo tappo SMD. La disposizione generale è troppo grande senza un piano di massa e quindi ha una grande area dell'antenna ad anello per irradiare e ricevere campi elettrici vaganti.

Sono d'accordo che la maggior parte del tuo ronzio è dovuta all'ampio layout> 5% di una lunghezza d'onda per alimentazione, terra e percorso del circuito. Questo rende incline al rumore irradiato e al rumore di fondo condotto. L'uso di un balun RF CM o choke RF CM è essenziale per l'alimentazione CC per disaccoppiarlo da terra AC oltre a un cappuccio RF, preferibilmente un tappo NPO da 100pF per l'ESR più basso.

Senza un analizzatore di spettro a banda IF super stretto (<100Hz) per esaminare AM vs FM, è impossibile dire quanto rumore c'è nel tuo SDR e quanto è nel Tx. Ma in ogni caso il ronzio è principalmente nel tuo design LCO e nei percorsi di alimentazione / ritorno CC. Se avessi un laboratorio RF gen. , quindi puoi convalidare il tuo SDR e una buona RF SA per convalidare la tua fonte di rumore.

Quando realizzammo VCO a metà degli anni '90 per la banda ISM a 928 MHz, realizzammo ibridi ceramici personalizzati con cuciture metalliche personalizzate saldate sull'ibrido saldato su un substrato GETEK FR4 con un altro piano di massa> 60 dB CNR (rapporto portante-rumore e bassa fase rumore per una larghezza di banda Tx a 6kHz utilizzata per la lettura automatica dei contatori a 2 vie.

• La costante dielettrica, la tangente di perdita del substrato e la capacità di schermatura hanno tutti avuto un ruolo nella progettazione e ricordo che all'epoca 603 NPO 47pF con LPF a 2 stadi RC erano usati per ridurre il rumore di alimentazione fino a 10 Ohm, quindi hanno usato un design con bassa fornitura sensibilità con le fonti attuali a differenza di questa. Ora Murata produce limiti ESL bassi di almeno 100 pF per coprire questo spettro più ampio che lungo.

lezioni da imparare

• Come calcolare e misurare induttanza, ESL ed ESR di fili di binari e componenti passivi.
• Come convalidare la RF con una SA per isolare le cause alla radice del rumore.
• Come scoprire come layout critico con opzioni per piani di massa, stripline, microstrip e scudi di copertura per minimizzare le interferenze usando la teoria delle guide d'onda, impedenze controllate, diafonia e sensibilità dell'antenna - Come misurare le tecniche di misurazione della perdita di ritorno e come migliorare la purezza spettrale con risonatori Q più alti e basso disaccoppiamento dell'alimentazione Q con rifiuto CM.
• Questo è solo un inizio e la competenza è ciò che rende gli ingegneri di progettazione RF di valore più di altri. (Non mi considero uno, ma ho imparato dai migliori a saperlo.)

Parole finali

Se si padroneggia la legge di Ohm per RF utilizzando i calcolatori per l'impedenza di tracce, fili e capacità di accoppiamento tra stripline, è possibile capire meglio come utilizzare un balun per aumentare l'impedenza CM, quindi attenuare con carichi shunt controllando l'impedenza differenziale. Questo vale per le reti PHY da 1 GHz e per i progetti dell'oscillatore in modo da poter osservare progetti simili per vedere queste caratteristiche e applicare rapporti di impedenza e Q del risonatore per controllare il SNR risultante. È tutto nei complessi rapporti di impedenza come una versione bidimensionale della legge di Ohm con impedenza reattiva, quindi inizia a sembrare più semplice con gli effetti di apertura dell'antenna. (Antenna ad anello direzionale)

Se le bobine più piccole aiutano, il tuo circuito probabilmente cattura campi magnetici. Possono essere abbastanza forti vicino a trasformatori o lampade fluorescenti.

Il sensore non può trovarsi altrove che nel circuito stampato a 500 MHz. Immagino che rilevi accelerazione, umidità, gas o pressione. Probabilmente puoi mettere il tuo circuito in una spessa scatola di ferro morbido che cortocircuita i magneti esterni anche quando hanno alcuni fori per la connessione necessaria all'aria esterna. È necessario un regolatore di tensione locale per mantenere i campi CA fuori dalla tensione operativa di 2 V CC.

Sincronizza l'oscilloscopio con la corrente alternata e vedi, è il ronzio stabile nella schermata dell'oscilloscopio. In caso contrario, il circuito oscilla da solo a circa 50Hz.

Prova anche, il tuo circuito è meccanicamente microfonico. Ho realizzato un trasmettitore che (involontariamente) ha raccolto vibrazioni piuttosto deboli.

Hai scritto "50Hz AC è presente solo all'uscita dell'antenna" È probabilmente la tua sonda o l'antenna che cattura il ronzio dall'aria perché il condensatore è un circuito aperto per 50Hz.

Le armoniche di rete + possono anche essere filtrate dal segnale demodulato mediante il software di filtraggio. Il filtraggio è essenziale, ad esempio, negli esami del cervello o del cuore e nella pulizia dei segnali audio.

Metti alla prova il tuo ricevitore con un altro trasmettitore. Il ricevitore stesso è privo di ronzii.

Capisco che un oscilloscopio è costoso (a meno che tu non viva negli Stati Uniti. Ho visto molti oscilloscopi economici che vanno a 500 MHz o giù di lì su eBay). Dovresti ottenere un generatore di segnale e un milivoltmetro per quelle frequenze (potresti essere d'accordo con un SDR per il milivolmetro, a seconda di ciò che hai). Dalle immagini che hai allegato sospetto che l'oscillatore non funzioni affatto. Non è quello che sembra una sinusoide (che sia 400MHz o 50Hz, una sinusoide è una sinusoide). Qualunque forma tu abbia ottenuto lì è così brutta che non puoi nemmeno nominarla. Prova ad analizzarlo in due passaggi: primo passo, assicurati di poter amplificare un segnale in quell'intervallo. Secondo passo: controlla cosa fa il tuo feedback sintonizzato in quell'intervallo. Sì, è necessario un generatore di segnale per questo. È possibile utilizzare l'SDR come milivoltmeter / scope, ma è necessario un generatore di segnale. Avevi avuto il ronzio,