Eliminação do zumbido da rede elétrica dos osciladores de RF com modulação de frequência

Estou tentando construir um oscilador LC modulado em frequência, mas todos os circuitos que experimentei têm uma rede elétrica terrível depois de desmodulação.

O oscilador é ajustado pelo sensor capacitivo, mas estou usando um capacitor fixo até resolver o problema. Eu tentei diferentes topologias: Franklin, Clapp, Vackář, Hartley em diferentes frequências de 60 a 500 MHz, mas não há diferença entre elas em termos de ruído principal. Estou usando um receptor SDR para desmodulação, funciona bem e não pode ser a fonte do zumbido. Usar a bateria em vez do suprimento de CA não ajudou. Estou usando capacitores de 10 µF e 10 nF para desacoplar. O uso de indutores fisicamente menores ajudou um pouco, mas o ruído ainda é inaceitável.

Como sugerido nos comentários, testei todos os nós do circuito com e sem alimentar o circuito e o componente de 50 Hz aparece apenas na saída da antena.

Aqui estão alguns desenhos de PCB, talvez haja erros no roteamento?

Fig. 1: Topologia da Vackář, o transistor é BF545C

Fig. 2: Topologia de Franklin, ambos os transistores são ATF-38143

[UPD:]

Carregando minha configuração e esquemas, conforme solicitado. A configuração é apenas um receptor SDR e o oscilador com um pedaço de fio na saída como uma antena improvisada. O sensor capacitivo C _var está ausente, pois estou usando um capacitor fixo C ₄ .

Fig. 3a:

Fig. 3b:

Fig. 3c:

[UPD2:]

O SNR a 50 Hz é de 4,3 dB. O desvio máximo de frequência para o oscilador Franklin é de 290 kHz, a potência de saída é de 7,8 dBm, o nível de sinal recebido é de -26 dBFS. Aterrar o laptop não faz diferença.

[UPD3:]

Fiz uma prancha nova com um plano de terra e um escudo EMI de níquel prateado. Adicionei um regulador LD1117 de 1,8V e capacitores de desacoplamento de 100pF e 390pF NP0 - e ainda sem sorte. Não há mudanças significativas no desempenho do ruído. Infelizmente, não consegui encontrar uma caixa de ferro para colocar todo o circuito, mas tenho quase certeza de que existem algumas técnicas inteligentes de circuito e design de PCB que não exigem blindagem magnética. Por exemplo, testei o receptor SDR em um transmissor de FM barato e sem blindagem: não há zumbido, mesmo com o volume máximo, então o culpado é definitivamente o circuito e o design da placa de circuito impresso.

Aqui estão algumas fotos da placa (desculpe pelo fluxo, tentei removê-lo, mas falhei)

Fig. 4a:

Fig. 4b:

Fig. 4c:

Além disso, conforme sugerido na resposta abaixo, gravei um FI do meu receptor SDR e gerou seu espectro em baixas frequências.

Fig. 5a: Sem blindagem EMI

Fig. 5b: Com a blindagem EMI

[UPD4:]

Agora isso é interessante.

Aumentar C ₄ (veja a Fig. 3c) reduz significativamente o ruído. Observe os espectros de sinal desmodulados (o componente 440 Hz é um sinal de teste gravado no sensor para medição SNR):

Fig. 6a: C ₄ = 1,5 pF

Fig. 6b: C ₄ = 2,7 pF

Infelizmente, não tenho outros capacitores na faixa entre 1 e 10 pF para fazer mais testes (o oscilador não inicia com C ₄ ≥ 10 pF). Eu acho que o ruído da linha CA captado pelos traços de PCB e L ₂ altera a capacitância da porta de J ₁ , e aumentar o valor de C ₄ reduz a influência dessas mudanças na frequência. Isso também é confirmado pela adição de uma fonte de ruído forte, por exemplo, um telefone celular fazendo uma ligação. Você pode ver grandes picos na Fig. 6c e a frequência que realmente aumentar quando eu adicionar uma fonte de ruído, o que significa que a capacitância porta do J ₁ é inversamente proporcional à tensão. Faz sentido para mim. Parece que eu preciso reduzir o acoplamento entre J ₁ e tanque LC ou adicione alguma filtragem passa-alta entre eles, mas não tenho certeza qual é a melhor maneira de fazer isso.

Fig. 6c:

Gomunkul (nos comentários) e @ user287001 podem ter causado a maior parte do problema do zumbido:

Provavelmente é a sua sonda ou a antena que capta o zumbido do ar porque o capacitor é um circuito aberto para 50Hz.

C6 pode ser um capacitor de baixa qualidade que varia de capacitância com voltagem:

• Use um bom capacitor C0G aqui (100 pf provavelmente é demais) ou um capacitor para microondas.

• Termine a antena com um resistor-terra, para reduzir o campo elétrico através do C6 induzido por aparelhos próximos de 50 Hz, luzes.

• Adicione um estágio de buffer com S12 baixo agradável entre o oscilador e a antena.

Não é outro mecanismo hum possível, um pouco menos provável ....
Este oscilador com antena pode ser considerado um receptor de conversão directa em bruto: suas oscilações servir como oscilador local do receptor. Com essas tensões de polarização DC de baixa tensão, as junções de dispositivos ativos deste oscilador podem ter variações significativas de capacitância com alterações na tensão. Onde uma junção vê o sinal transmitido (forte) e o recebido (fraco), sua tensão de polarização pode variar, dependendo da relação de fase entre os dois sinais.

Longe, algumas junções de diodos podem receber algum sinal transmitido do seu oscilador. Onde essas junções também são ativadas e desativadas ao retificar a rede elétrica de 50 Hz, elas retransmitem 50 Hz. sinal modulado de volta ao oscilador por meio de fios ou traços. Na UHF, mesmo um fio curto se torna um elemento de antena acoplada neste sistema de 2 elementos. O diodo modulado de 50 Hz pode injetar uma mudança de fase no oscilador. É caracteristicamente cheio de harmônicos, uma vez que esses diodos modulados de 50 Hz alternam de ligar para desligar rapidamente. Os harmônicos de 50 Hz do seu espectro parecem bastante fortes.
Os diodos retificadores da fonte de alimentação CC geralmente são a fonte.
Os circuitos de iluminação LED podem ser outra fonte.
A frequência de mudança de seu telefone celular também suporta essa teoria.

Você pode testar esse fenômeno com o seguinte circuito (incompleto):

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

O dipolo de meia onda é cortado para a frequência UHF do oscilador em teste. Seu diodo se conecta entre cada elemento de 1/4 de onda. Um gerador de função de 1kHz pode ser usado para ligar e desligar o diodo, em vez de um oscilador de 555 1 kHz. Quando esse circuito "mosquito" é acoplado à antena do transmissor, um receptor de monitoramento (AM PM ou FM) pode detectar o sinal de 1kHz. Afastar esse circuito "mosquito" do oscilador em teste deve reduzir a saída audível do receptor de monitoramento.

Um aspecto à parte: esse mesmo mecanismo de acoplamento às vezes está presente no radar doppler e nos alarmes de detecção de movimento. Nesse caso, a fase muda à medida que a distância do sinal refletido varia do oscilador de sinal UHF.
Você pode obter mais informações pesquisando no Google "hum sintonizável" ou hum sintonizável.

Seu esquema é impreciso no modelo físico real, portanto não funcionará conforme o esperado no seu esquema.

Por exemplo, sua tampa de 0,1uF de desacoplamento é de cerca de 20nH nas 2 derivações de 2cm e 1mm de espessura (est) e 1cm de comprimento da esteira. Enquanto isso, o seu ressonador usa 33nH, portanto, seu suprimento tem baixa impedância e, como outros sugerem, talvez seja necessário 100pF em uma pequena tampa SMD. O layout geral é muito grande sem um plano de aterramento e, portanto, possui uma área de antena de loop grande para irradiar e receber campos elétricos perdidos.

Concordo que a maior parte do seu zumbido se deve ao grande layout> 5% de um comprimento de onda para alimentação, terra e circuito do circuito. Isso faz com que seja propenso a ruídos irradiados e ruídos de terra conduzidos. O uso de um balun de RF CM ou de estrangulamento de RF CM é essencial para a sua fonte de CC separá-lo dos aterramentos CA, além de uma tampa de RF, de preferência uma tampa NPO de 100pF para a ESR mais baixa.

Sem um analisador de espectro de banda IF super estreito (<100Hz) para examinar AM vs FM, é impossível dizer quanto ruído há no seu SDR e quanto no Tx. De qualquer forma, o zumbido está principalmente no seu projeto de LCO e nos caminhos de energia / retorno de CC. Se você tivesse uma geração de RF em laboratório. , você pode validar seu SDR e um bom RF SA para validar sua fonte de ruído.

Quando fabricamos VCOs em meados dos anos 90 para a banda ISM de 928 MHz, fabricamos híbridos de cerâmica personalizados com tampas de metal personalizadas soldadas sobre o híbrido soldado a um substrato GETEK FR4 com outro plano terrestre> 60 dB CNR (taxa de portador para ruído e fase baixa) ruído para uma largura de banda de 6kHz Tx usada para leitura automatizada do medidor de 2 vias.

• A constante dielétrica, a tangente de perda de substrato e a capacitância da blindagem desempenharam um papel importante no projeto, e eu me lembro na época de 603 tamanho 47pF NPO com RCF de 2 estágios para reduzir o ruído de fornecimento até 10 Ohms e, em seguida, utilizou um design com baixa oferta sensibilidade com fontes atuais diferentes desta. Agora, Murata produz baixos limites ESL de 100pF ou mais para cobrir esse espectro que é mais amplo que o longo.

lições a aprender

• Como calcular e medir a indutância, ESL e ESR dos fios da via e componentes passivos.
• Como validar a RF com uma SA para isolar as causas principais do ruído.
• Como descobrir como o layout crítico com opções para planos de terra, linhas de tiras, microstrip e blindagens de cobertura para minimizar a interferência usando a teoria do guia de ondas, impedâncias controladas, diafonia e sensibilidade da antena - Como medir técnicas de medição de perda de retorno e como melhorar a pureza espectral com ressonadores Q mais altos e baixo desacoplamento de suprimento Q com rejeição de CM.
• Isso é apenas um começo e a experiência é o que faz os bons engenheiros de design de RF valerem mais do que outros. (Não me considero um, mas aprendi com o melhor a saber.)

Palavras finais

Se você domina a Lei de Ohms para RF usando calculadoras para impedância de faixas, fios e capacitância de acoplamento entre linhas de cabo, você pode entender melhor como usar um Balun para aumentar a impedância de CM e atenuar com cargas de derivação enquanto controla a impedância diferencial. Isso se aplica às redes PHY de 1 GHz e aos projetos do seu oscilador, para que você possa observar projetos semelhantes para ver esses recursos e aplicar taxas de impedância e Q do ressonador para controlar o SNR resultante. Está tudo nas complexas razões de impedância, como uma versão bidimensional da lei de Ohm com impedância reativa, e então começa a parecer mais simples com os efeitos de abertura da antena. (Antena de laço direcional)

Se bobinas menores ajudarem, seu circuito provavelmente captura campos magnéticos. Eles podem ser bastante fortes perto de transformadores ou lâmpadas fluorescentes.

Seu sensor não pode estar em outro lugar que não seja na sua placa de circuito a 500 MHz. Eu acho que sente aceleração, umidade, algum gás ou pressão. Você provavelmente pode colocar seu circuito em uma caixa grossa de ferro macio que provoca um curto-circuito nos campos magnéticos externos, mesmo quando há alguns furos para a conexão necessária ao ar externo. Você precisa de um regulador de tensão local para manter os campos CA fora da tensão de operação 2VDC.

Sincronize seu osciloscópio com a rede elétrica principal e veja, é o hum estável na tela do osciloscópio. Caso contrário, o seu circuito oscila a cerca de 50Hz.

Teste também, é o seu circuito mecanicamente microfônico. Fiz um transmissor que (indesejadamente) captou vibrações bastante fracas.

Você escreveu "50Hz AC está presente apenas na saída da antena" É provavelmente a sua sonda ou a antena que capta o zumbido do ar porque o capacitor é um circuito aberto para 50Hz.

A rede elétrica hum + harmônica também pode ser filtrada do sinal desmodulado pelo software de filtragem. A filtragem é essencial, por exemplo, em testes cerebrais ou cardíacos e na limpeza dos sinais de áudio.

Teste seu receptor com outro transmissor. O próprio receptor é sem hum.

Entendo que um osciloscópio é caro (a menos que você viva nos EUA. Vi muitos escopos baratos indo para 500 MHz ou mais no ebay). Você deve obter um gerador de sinal e um milivoltímetro para essas frequências (você pode aceitar um SDR para milivolímetro, dependendo do que possui). Pelas fotos que você anexou, suspeito que o oscilador não funcione. Não é assim que um sinusóide se parece (seja 400 MHz ou 50 Hz, um sinusóide é um sinusóide). Qualquer que seja a forma que você tenha lá, é tão feia que você nem consegue nomear. Tente analisá-lo em duas etapas: primeira etapa, verifique se você pode amplificar um sinal nesse intervalo. Segundo passo: verifique o que o seu feedback sintonizado faz nesse intervalo. Sim, você precisa de um gerador de sinal para isso. Você pode usar o SDR como milivoltímetro / osciloscópio, mas precisa de um gerador de sinal. Você teve hum,