Eliminar el zumbido de la red de los osciladores RF LC modulados en frecuencia

Estoy tratando de construir un oscilador LC de frecuencia modulada, pero todos los circuitos que he probado tienen un zumbido terrible después de la demodulta.

El oscilador está sintonizado por un sensor capacitivo, pero estoy usando un condensador fijo en su lugar hasta que resuelva este problema. He probado diferentes topologías: Franklin, Clapp, Vackář, Hartley a diferentes frecuencias de 60 a 500 MHz, pero no hay diferencia entre ellas en términos de zumbido de red. Estoy usando un receptor SDR para la demodulación, funciona bien y no puede ser la fuente del zumbido. Usar la batería en lugar del suministro de CA no ayudó. Estoy usando condensadores de 10 µF y 10 nF para el desacoplamiento. El uso de inductores físicamente más pequeños ayudó un poco, pero el ruido sigue siendo inaceptable.

Como se sugiere en los comentarios, he probado todos los nodos del circuito con y sin alimentación del circuito y el componente de 50 Hz aparece solo en la salida de la antena.

Aquí hay algunos dibujos de PCB, ¿tal vez hay errores en el enrutamiento?

Fig. 1: topología de Vackář, el transistor es BF545C

Fig. 2: topología de Franklin, ambos transistores son ATF-38143

[UPD:]

Subiendo mi configuración y esquemas según lo solicitado. La configuración es solo un receptor SDR y el oscilador con un trozo de cable en la salida como una antena improvisada. El sensor capacitivo C _var está ausente, ya que en su lugar estoy usando un condensador fijo C ₄ .

Fig. 3a:

Fig. 3b:

Fig. 3c:

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La SNR a 50 Hz es de 4,3 dB. La desviación de frecuencia máxima para el oscilador Franklin es de 290 kHz, la potencia de salida es de 7.8 dBm, el nivel de señal recibida es de –26 dBFS. Poner a tierra la computadora portátil no hace ninguna diferencia.

[UPD3:]

Hice una nueva placa con un plano de tierra y un escudo EMI de alpaca. Agregué un regulador LD1117 de 1.8V y condensadores de desacoplamiento NP0 de 100pF y 390pF, y aún no tuve suerte. No hay cambios significativos en el rendimiento del ruido. Desafortunadamente, no pude encontrar una caja de hierro para colocar todo el circuito, pero estoy casi seguro de que hay algunos circuitos inteligentes y técnicas de diseño de PCB que no requieren blindaje magnético. Por ejemplo, probé el receptor SDR en un transmisor FM barato sin blindaje: no hay ningún zumbido, incluso con el volumen al máximo, por lo que el culpable es definitivamente el diseño del circuito y la PCB.

Aquí hay algunas fotos del tablero (perdón por el flujo, intenté eliminarlo pero fallé)

Fig. 4a:

Fig. 4b:

Fig. 4c:

Además, como se sugiere en la respuesta a continuación, grabé un IF de mi receptor SDR y generé su espectro a bajas frecuencias.

Fig. 5a: Sin el escudo EMI

Fig. 5b: con el escudo EMI

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Eso sí que es interesante.

El aumento de C ₄ (ver Fig. 3c) reduce significativamente el ruido. Observe los espectros de señal demodulados (el componente de 440 Hz es una señal de prueba registrada desde el sensor para la medición de SNR):

Fig. 6a: C ₄ = 1.5 pF

Fig. 6b: C ₄ = 2.7 pF

Desafortunadamente, no tengo otros condensadores en el rango entre 1 y 10 pF para hacer más pruebas (el oscilador no comenzará con C ₄ ≥ 10 pF). Supongo que el ruido de la línea de CA recogido por las trazas de PCB y L ₂ cambia la capacitancia de la puerta de J ₁ , y aumentar el valor de C ₄ reduce la influencia de esos cambios en la frecuencia. Esto también se confirma al agregar una fuerte fuente de ruido, por ejemplo, un teléfono celular que realiza una llamada. Puede ver picos grandes en la figura 6c y la frecuencia aumenta cuando agrego una fuente de ruido, lo que significa que la capacitancia de la puerta de J ₁ es inversamente proporcional al voltaje. Tiene sentido para mi. Parece que necesito reducir el acoplamiento entre J ₁ y el tanque LC o agregue un filtro de paso alto entre ellos, pero no estoy seguro de cuál es la mejor manera de hacerlo.

Fig. 6c:

Gomunkul (en comentarios) y @ user287001 pueden haber solucionado la mayor parte del problema del zumbido:

Probablemente sea su sonda o la antena la que capta el zumbido del aire porque el condensador es un circuito abierto para 50Hz.

C6 puede ser un condensador de baja calidad que varía la capacitancia con el voltaje:

• Use un buen condensador C0G aquí (100 pf probablemente sea demasiado) o uno clasificado para microondas.

• Termine la antena con una resistencia a tierra, para reducir el campo eléctrico a través de C6 inducido por los dispositivos cercanos de 50 Hz, luces.

• Agregue una etapa de amortiguación con un agradable bajo S12 entre el oscilador y la antena.

No es otro posible mecanismo de zumbido, algo menos probable ....
Este oscilador con la antena se puede considerar un receptor de conversión directa crudo: sus oscilaciones sirven como oscilador local del receptor. Con tales voltajes de polarización de CC de bajo voltaje, las uniones del dispositivo activo de este oscilador pueden tener variaciones significativas de capacitancia con cambios en el voltaje. Cuando una unión ve tanto la señal transmitida (fuerte) como la señal recibida (débil), su voltaje de polarización puede variar, dependiendo de la relación de fase entre las dos señales.

Lejos, algunas uniones de diodos pueden recibir alguna señal transmitida desde su oscilador. Cuando estas uniones también se encienden y apagan mientras se rectifica la red eléctrica de 50 Hz, retransmiten 50 Hz. señal modulada de vuelta al oscilador a través de cables o trazas. En UHF, incluso un cable corto se convierte en un elemento de antena acoplado en este sistema de 2 elementos. El diodo modulado de 50 Hz puede inyectar un cambio de fase en el oscilador. Está característicamente lleno de armónicos, ya que esos diodos modulados de 50 Hz cambian de encendido a apagado con bastante rapidez. Los armónicos de 50 Hz de su espectro parecen bastante fuertes.
Los diodos rectificadores de la fuente de alimentación de CC son a menudo la fuente.
Los circuitos de iluminación LED podrían ser otra fuente.
La frecuencia de desplazamiento de su teléfono celular también es compatible con esta teoría.

Puede probar este fenómeno con el siguiente circuito (incompleto):

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El dipolo de media onda se corta para la frecuencia UHF del oscilador bajo prueba. Su diodo se conecta entre cada elemento de 1/4 de onda. Se podría usar un generador de funciones de 1 kHz para encender y apagar el diodo en lugar de un oscilador de 555 1 kHz. Cuando este circuito de "mosquito" está acoplado a la antena del transmisor, un receptor de monitoreo (AM PM o FM) puede detectar la señal de 1 kHz. Alejar este circuito de "mosquito" del oscilador bajo prueba debería reducir la salida audible del receptor de monitoreo.

Un aparte: este mismo mecanismo de acoplamiento a veces está presente en el radar Doppler y en las alarmas de robo con detección de movimiento. En este caso, la fase cambia a medida que la distancia de señal reflectante varía del oscilador de señal UHF.
Puede obtener más información buscando en Google "zumbido sintonizable" o zumbido sintonizable.

Su esquema es inexacto en el modelo físico real, por lo que no funcionará como se esperaba en su esquema.

Por ejemplo, su tapa de desacoplamiento de 0.1uF es de aproximadamente 20nH en los 2 cables de 2 cm y 1 mm de espesor (est) y 1 cm de longitud de la pista. Mientras tanto, su resonador usa 33nH, por lo que su suministro tiene una baja impedancia y, como otros sugieren, tal vez se necesiten 100pF en una pequeña tapa SMD. El diseño general es demasiado grande sin un plano de tierra y, por lo tanto, tiene un área de antena de bucle grande para irradiar y recibir campos eléctricos dispersos.

Estoy de acuerdo en que la mayor parte de su zumbido se debe a la gran distribución> 5% de una longitud de onda para el suministro, la tierra y la ruta del circuito. Esto hace que sea propenso al ruido irradiado y al ruido de fondo conducido. El uso de un balun RF CM o un estrangulador RF CM es esencial para que su suministro de CC lo desacople de la tierra de CA además de una tapa de RF, preferiblemente una tapa de 100pF NPO para la ESR más baja.

Sin un analizador de espectro de banda IF súper estrecho (<100Hz) para examinar AM vs FM, es imposible saber cuánto ruido hay en su SDR y cuánto hay en el Tx. Pero de cualquier manera, el zumbido está principalmente en su diseño LCO y en las rutas de alimentación / retorno de CC. Si tuvieras un laboratorio RF gen. , entonces puede validar su SDR y una buena RF SA para validar su fuente de ruido.

Cuando hicimos VCO a mediados de los 90 para la banda ISM de 928 MHz, hicimos híbridos cerámicos personalizados con costuras metálicas personalizadas soldadas sobre el híbrido soldado a un sustrato GETEK FR4 con otro plano de tierra> 60 dB CNR (relación portadora a ruido y baja fase ruido para un ancho de banda Tx de 6 kHz utilizado para la lectura automática de medidores de 2 vías.

• La constante dieléctrica, la tangente de pérdida de sustrato y la capacitancia de blindaje jugaron un papel importante en el diseño y recuerdo que en ese momento se usaron 603 tamaño 47pF NPO con 2 etapas RC LPF para reducir el ruido de suministro para llegar a 10 ohmios y luego usé un diseño con bajo suministro sensibilidad con fuentes actuales a diferencia de esta. Ahora Murata produce límites bajos de ESL de 100pF o más para cubrir este espectro que son más anchos que largos.

lecciones para aprender

• Cómo calcular y medir la inductancia, ESL y ESR de cables de vía y componentes pasivos.
• Cómo validar RF con un SA para aislar las causas raíz del ruido.
• Cómo descubrir qué tan crítico es el diseño con opciones para planos de tierra, líneas de franjas, microstrips y escudos de cobertura para minimizar la interferencia usando la teoría de la guía de onda, impedancias controladas, diafonía y sensibilidad de la antena: cómo medir las técnicas de medición de pérdida de retorno y cómo mejorar la pureza espectral con resonadores Q más altos y desacoplamiento de suministro Q bajo con rechazo de CM.
• Esto es solo un comienzo y la experiencia es lo que hace que los buenos ingenieros de diseño de RF valgan más que otros. (No me considero uno, pero he aprendido de los mejores para saber).

Ultimas palabras

Si domina la Ley de Ohms para RF utilizando calculadoras para la impedancia de pistas, cables y capacitancia de acoplamiento entre la línea de banda, puede entender mejor cómo usar un Balun para aumentar la impedancia CM y luego atenuar con cargas de derivación mientras controla la impedancia diferencial. Esto se aplica a las redes PHY de 1 GHz, así como a los diseños de sus osciladores para que pueda observar diseños similares para ver estas características y aplicar relaciones de impedancia y Q del resonador para controlar la SNR resultante. Todo está en las relaciones de impedancia complejas como una versión bidimensional de la ley de Ohm con impedancia reactiva, luego comienza a parecer más simple con efectos de apertura de antena. (Antena de bucle direccional)

Si las bobinas más pequeñas ayudan, su circuito probablemente atrapa campos magnéticos. Pueden ser bastante fuertes cerca de transformadores o lámparas fluorescentes.

Su sensor no puede estar en otro lugar que no sea su placa de circuito a 500MHz. Supongo que siente aceleración, humedad, algo de gas o presión. Probablemente pueda colocar su circuito en una caja gruesa de hierro blando que cortocircuite las aletas magnéticas externas incluso cuando tenga algunos agujeros para la conexión necesaria al aire exterior. Necesita un regulador de voltaje local para mantener los campos de CA fuera del voltaje de funcionamiento de 2 V CC.

Sincronice su osciloscopio a la red eléctrica de CA y vea, es el zumbido estable en la pantalla de osciloscopio Si no es así, su circuito oscila a unos 50Hz.

Prueba también, es tu circuito mecánicamente microfónico. He hecho un transmisor que (no deseado) recogió vibraciones bastante débiles.

Usted escribió "50Hz AC está presente solo en la salida de la antena" Probablemente sea su sonda o la antena la que capta el zumbido del aire porque el condensador es un circuito abierto para 50Hz.

El zumbido de la red + armónicos también se puede filtrar de la señal demodulada mediante un software de filtrado. El filtrado es esencial, por ejemplo, en pruebas cerebrales o cardíacas y en la limpieza de las señales de audio.

Prueba tu receptor con otro transmisor. ¿El receptor está libre de zumbidos?

Entiendo que un osciloscopio es costoso (a menos que usted viva en los EE. UU. He visto muchos alcances baratos que van a 500 MHz más o menos en eBay). Debería obtener un generador de señal y un milivoltímetro para esas frecuencias (puede estar bien con un SDR para milivolímetro, dependiendo de lo que tenga). Por las imágenes que adjuntaste, sospecho que el oscilador no funciona en absoluto. Así no es como se ve una sinusoide (ya sea 400MHz o 50Hz, una sinusoide es una sinusoide). Cualquier forma que tengas allí es tan fea que ni siquiera puedes nombrarla. Intente analizarlo en dos pasos: primer paso, asegúrese de poder amplificar una señal en ese rango. Segundo paso: verifique qué hace su feedback sintonizado en ese rango. Sí, necesitas un generador de señal para eso. Puede usar el SDR como milivoltímetro / alcance, pero necesita un generador de señal. Si hubieras tenido zumbido