Élimination du ronflement du secteur des oscillateurs RF LC à modulation de fréquence

J'essaie de construire un oscillateur LC modulé en fréquence, mais tous les circuits que j'ai essayés ont un bourdonnement secteur terrible après la démodultation.

L'oscillateur est réglé par un capteur capacitif, mais j'utilise un condensateur fixe à la place jusqu'à ce que je résolve ce problème. J'ai essayé différentes topologies: Franklin, Clapp, Vackář, Hartley à différentes fréquences de 60 à 500 MHz mais il n'y a pas de différence entre elles en termes de ronflement. J'utilise un récepteur SDR pour la démodulation, cela fonctionne bien et ne peut pas être la source d'un ronflement. L'utilisation de la batterie au lieu de l'alimentation CA n'a pas aidé. J'utilise des condensateurs 10 µF et 10 nF pour le découplage. L'utilisation d'inducteurs physiquement plus petits a un peu aidé, mais le bruit est toujours inacceptable.

Comme suggéré dans les commentaires, j'ai testé tous les nœuds de circuit avec et sans alimentation du circuit et le composant 50 Hz n'apparaît qu'à la sortie de l'antenne.

Voici quelques dessins PCB, peut-être qu'il y a des erreurs de routage?

Fig.1: Topologie Vackář, le transistor est BF545C

Fig. 2: topologie Franklin, les deux transistors sont ATF-38143

[UPD:]

Téléchargement de ma configuration et de mes schémas comme demandé. La configuration est juste un récepteur SDR et l'oscillateur avec un morceau de fil à la sortie comme une antenne de fortune. Le capteur capacitif C _var est absent, car j'utilise à la place un condensateur fixe C ₄ .

Fig. 3a:

Fig. 3b:

Fig. 3c:

[UPD2:]

Le SNR à 50 Hz est de 4,3 dB. La déviation de fréquence maximale pour l'oscillateur Franklin est de 290 kHz, la puissance de sortie est de 7,8 dBm, le niveau du signal reçu est de –26 dBFS. La mise à la terre de l'ordinateur portable ne fait aucune différence.

[UPD3:]

J'ai fait une nouvelle carte avec un plan de masse et un blindage EMI en nickel-argent. J'ai ajouté un régulateur 1,8 V LD1117 et des condensateurs de découplage 100pF et 390pF NP0 - et toujours pas de chance. Il n'y a aucun changement significatif dans les performances de bruit. Malheureusement, je n'ai pas trouvé de boîte de fer pour mettre tout le circuit, mais je suis presque sûr qu'il existe des techniques de conception de circuits et de circuits imprimés intelligentes qui ne nécessitent pas de blindage magnétique. Par exemple, j'ai testé le récepteur SDR sur un émetteur FM non blindé bon marché: il n'y a pas du tout de ronflement, même avec le volume maximal, donc le coupable est certainement le circuit et la conception de la carte de circuit imprimé.

Voici quelques photos du forum (désolé pour le flux, j'ai essayé de le retirer mais j'ai échoué)

Fig. 4a:

Fig. 4b:

Fig. 4c:

De plus, comme suggéré dans la réponse ci-dessous, j'ai enregistré un IF à partir de mon récepteur SDR et généré son spectre à basses fréquences.

Fig. 5a: sans blindage EMI

Fig. 5b: Avec le blindage EMI

[UPD4:]

Maintenant c'est intéressant.

L'augmentation de C ₄ (voir Fig. 3c) réduit considérablement le bruit. Regardez les spectres des signaux démodulés (la composante 440 Hz est un signal de test enregistré par le capteur pour la mesure SNR):

Fig. 6a: C ₄ = 1,5 pF

Fig. 6b: C ₄ = 2,7 pF

Malheureusement, je n'ai pas d'autres condensateurs dans la plage entre 1 et 10 pF pour faire d'autres tests (l'oscillateur ne démarre pas avec C ₄ ≥ 10 pF). J'imagine que le bruit de la ligne AC capté par les traces de PCB et L ₂ modifie la capacité de grille de J ₁ , et l'augmentation de la valeur de C ₄ réduit l'influence de ces changements sur la fréquence. Ceci est également confirmé par l'ajout d'une forte source de bruit, par exemple un téléphone portable pour passer un appel. Vous pouvez voir de grands pics sur la figure 6c et la fréquence augmente en fait lorsque j'ajoute une source de bruit, ce qui signifie que la capacité de grille de J ₁ est inversement proportionnelle à la tension. Ça a du sens pour moi. On dirait que je dois réduire le couplage entre J ₁ et LC tank ou ajouter un filtrage passe-haut entre eux, mais je ne sais pas quelle est la meilleure façon de le faire.

Fig. 6c:

Gomunkul (dans les commentaires) et @ user287001 ont peut-être résolu la plupart du problème du bourdonnement:

C'est probablement votre sonde ou l'antenne qui capte le bourdonnement de l'air parce que le condensateur est un circuit ouvert à 50 Hz.

Le C6 peut être un condensateur de mauvaise qualité qui fait varier la capacité avec la tension:

• Utilisez un bon condensateur C0G ici (100 pf est probablement trop) ou un condensateur pour micro-ondes.

• Terminez l'antenne avec une résistance à la terre, pour réduire le champ électrique à travers C6 induit par les appareils 50 Hz à proximité, les lumières.

• Ajoutez un étage tampon avec un joli faible S12 entre l'oscillateur et l'antenne.

Il existe un autre mécanisme de ronflement possible, un peu moins probable ...
Cet oscillateur avec antenne peut être considéré comme un récepteur de conversion directe brut: ses oscillations servent d'oscillateur local du récepteur. Avec de telles tensions de polarisation CC à basse tension, les jonctions de dispositif actives de cet oscillateur peuvent avoir des variations de capacité importantes avec des changements de tension. Lorsqu'une jonction voit à la fois un signal émis (fort) et un signal reçu (faible), sa tension de polarisation peut varier, selon la relation de phase entre les deux signaux.

Au loin, certaines jonctions de diodes peuvent recevoir un signal transmis par votre oscillateur. Lorsque ces jonctions sont également activées et désactivées lors de la rectification du réseau 50 Hz, elles retransmettent un 50 Hz. signal modulé renvoyé à l'oscillateur via des fils ou des traces. À l'UHF, même un fil court devient un élément d'antenne couplé dans ce système à 2 éléments. La diode modulée à 50 Hz peut réinjecter un changement de phase sur l'oscillateur. Il est typiquement plein d'harmoniques, car ces diodes modulées à 50 Hz commutent de marche-arrêt assez rapidement. Les harmoniques 50 Hz de votre spectre semblent assez fortes.
Les diodes de redressement d'alimentation CC sont souvent la source.
Les circuits d'éclairage LED pourraient être une autre source.
Votre fréquence de changement de téléphone portable prend également en charge cette théorie.

Vous pouvez tester ce phénomène avec le circuit (incomplet) suivant:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

Le dipôle demi-onde est coupé pour la fréquence UHF de l'oscillateur sous test. Sa diode se connecte entre chaque élément 1/4 d'onde. Un générateur de fonction à 1 kHz pourrait être utilisé pour allumer et éteindre la diode plutôt qu'un oscillateur de 555 à 1 kHz. Lorsque ce circuit "moustique" est couplé à l'antenne de l'émetteur, un récepteur de surveillance (AM PM ou FM) peut détecter le signal à 1 kHz. Éloigner ce circuit «moustique» de l'oscillateur en cours de test devrait réduire la sortie sonore du récepteur de surveillance.

Un bémol: ce même mécanisme de couplage est parfois présent dans les radars doppler, et les alarmes vol-détection de mouvement. Dans ce cas, la phase change lorsque la distance du signal réfléchissant varie par rapport à l'oscillateur de signal UHF.
Vous pouvez obtenir plus d'informations en recherchant sur Google un "bourdonnement réglable" ou un bourdonnement réglable.

Votre schéma est inexact dans le modèle physique réel, il ne fonctionnera donc pas comme prévu dans votre schéma.

Par exemple, votre capuchon de découplage de 0,1 uF est d'environ 20 nH dans les 2 fils de 2 cm et 1 mm d'épaisseur (est) et 1 cm de longueur de piste. Pendant ce temps, votre résonateur utilise 33nH, donc votre alimentation a une faible impédance et comme d'autres le suggèrent, peut-être que 100pF dans un petit capuchon SMD est nécessaire. La disposition globale est trop grande sans plan de masse et a donc une grande zone d'antenne en boucle pour rayonner et recevoir des champs électriques parasites.

Je suis d'accord que la plupart de votre bourdonnement est dû à la grande disposition> 5% d'une longueur d'onde pour l'alimentation, la terre et le circuit Cette situation est sujette au bruit rayonné et au bruit au sol conduit. L'utilisation d'un symétriseur RF CM ou d'une inductance RF CM est essentielle pour que votre alimentation CC la dissocie des masses CA en plus d'un capuchon RF, de préférence un capuchon NPO de 100pF pour le plus faible ESR.

Sans un analyseur de spectre à bande IF super étroite (<100 Hz) pour examiner AM vs FM, il est impossible de dire combien de bruit est dans votre SDR et combien est dans le Tx. Mais dans les deux cas, le bourdonnement est principalement dans votre conception LCO et vos chemins d'alimentation / retour CC. Si vous aviez un laboratoire RF gen. , alors vous pouvez valider votre SDR et une bonne RF SA pour valider votre source de bruit.

Lorsque nous avons fabriqué des VCO au milieu des années 90 pour la bande ISM de 928 MHz, nous avons fabriqué des hybrides céramiques personnalisés avec des couvercles métalliques personnalisés, soudés sur l'hybride soudé à un substrat GETEK FR4 avec un autre plan de masse> 60 dB CNR (rapport porteuse / bruit et phase basse) bruit pour une bande passante Tx de 6 kHz utilisé pour la lecture automatisée du compteur à 2 voies.

• La constante diélectrique, la tangente de perte de substrat et la capacité de blindage ont toutes joué un rôle dans la conception et je me souviens qu'à l'époque 603 taille 47pF NPO avec 2 étages RC LPF ont été utilisés pour réduire le bruit d'alimentation pour descendre à 10 Ohms puis utilisé une conception avec une alimentation faible sensibilité aux sources de courant contrairement à celle-ci. Maintenant, Murata fabrique des plafonds ESL bas de 100pF ou plus pour couvrir ce spectre qui sont plus larges que longs.

leçons à apprendre

• Comment calculer et mesurer l'inductance, l'ESL et l'ESR des fils de pistes et des composants passifs.
• Comment valider RF avec un SA pour isoler les causes profondes du bruit.
• Comment découvrir comment la disposition critique avec des options pour les plans de sol, la stripline, les microrubans et les blindages de couverture pour minimiser les interférences en utilisant la théorie des guides d'ondes, les impédances contrôlées, la diaphonie et la sensibilité de l'antenne - Comment mesurer les techniques de mesure de la perte de retour et comment améliorer la pureté spectrale avec des résonateurs Q plus élevés et découplage de l'alimentation Q faible avec rejet CM.
• Ce n'est qu'un début et l'expertise est ce qui fait que les bons ingénieurs en conception RF valent plus que les autres. (Je ne me considère pas comme tel, mais j'ai appris des meilleurs à savoir.)

Les derniers mots

Si vous maîtrisez la loi d'Ohms pour les RF en utilisant des calculatrices pour l'impédance des pistes, des fils et de la capacité de couplage entre la ligne de séparation, vous pouvez mieux comprendre comment utiliser un Balun pour augmenter l'impédance CM puis atténuer avec des charges de shunt tout en contrôlant l'impédance différentielle. Cela s'applique aux réseaux PHY 1 GHz ainsi qu'à vos conceptions d'oscillateur afin que vous puissiez observer des conceptions similaires pour voir ces fonctionnalités et appliquer des rapports d'impédance et le Q du résonateur pour contrôler le SNR résultant. Tout est dans les rapports d'impédance complexes comme une version bidimensionnelle de la loi d'Ohm avec une impédance réactive, puis cela commence à paraître plus simple avec des effets d'ouverture d'antenne. (Antenne à boucle directionnelle)

Si de plus petites bobines aident, votre circuit attrape probablement des champs magnétiques. Ils peuvent être assez solides à proximité de transformateurs ou de lampes fluorescentes.

Votre capteur ne peut pas être ailleurs que dans votre carte de circuit imprimé à 500 MHz. Je suppose qu'il détecte l'accélération, l'humidité, du gaz ou de la pression. Vous pouvez probablement placer votre circuit dans une boîte en fer doux épais qui court-circuite les champs magnétiques externes même lorsque vous avez des trous pour la connexion nécessaire à l'air extérieur. Vous avez besoin d'un régulateur de tension local pour maintenir les champs CA hors de la tension de fonctionnement de 2 V CC.

Synchronisez votre oscilloscope sur le secteur et voyez, est le bourdonnement stable dans l'écran de l'oscilloscope. Si ce n'est pas le cas, votre circuit oscille lui-même à environ 50 Hz.

Testez également, votre circuit est mécaniquement microphonique. J'ai fabriqué un émetteur qui (involontairement) a capté des vibrations assez faibles.

Vous avez écrit "50Hz AC est présent uniquement à la sortie de l'antenne" C'est probablement votre sonde ou l'antenne qui capte le bourdonnement de l'air car le condensateur est un circuit ouvert pour 50Hz.

Le bourdonnement du secteur + les harmoniques peuvent également être filtrés du signal démodulé par un logiciel de filtrage. Le filtrage est essentiel par exemple dans les tests cérébraux ou cardiaques et le nettoyage des signaux audio.

Testez votre récepteur avec un autre émetteur. Le récepteur lui-même est-il sans ronflement.

Je comprends qu'un oscilloscope coûte cher (sauf si vous vivez aux États-Unis. J'ai vu beaucoup de portées bon marché allant à 500 MHz ou plus sur ebay). Vous devriez obtenir un générateur de signaux et un milivoltmètre pour ces fréquences (vous pourriez être d'accord avec un SDR pour milivolmètre, selon ce que vous avez). D'après les photos que vous avez jointes, je soupçonne que l'oscillateur ne fonctionne pas du tout. Ce n'est pas ce à quoi ressemble une sinusoïde (que ce soit 400 MHz ou 50 Hz, une sinusoïde est une sinusoïde). Quelle que soit la forme que vous avez obtenue, elle est si moche que vous ne pouvez même pas la nommer. Essayez de l'analyser en deux étapes: première étape, assurez-vous que vous pouvez amplifier un signal dans cette plage. Deuxième étape: vérifiez ce que fait votre rétroaction réglée dans cette plage. Oui, vous avez besoin d'un générateur de signaux pour cela. Vous pouvez utiliser le SDR comme milivoltmètre / oscilloscope, mais vous avez besoin d'un générateur de signal. Si tu avais eu un bourdonnement,