Nuevas técnicas de simulación y optimización de circuitos osciladores y lazos de enganche en fase de microondas

Resumen

El objetivo de este trabajo es el desarrollo de técnicas para la simulación y optimización del diseño de circuitos osciladores y lazos de enganche en fase de microondas. La intención de estas técnicas es que puedan ser utilizadas por el diseñador para optimizar las prestaciones de este tipo de circuitos durante la etapa de diseño. Por este motivo, se ha intentado que en todo momento las técnicas puedan ser utilizadas en combinación con un programa comercial de simulación de circuitos de microondas. En el caso de los circuitos osciladores, inicialmente se han optimizado sus prestaciones cuando se utilizan como osciladores controlados por tensión. De esta forma, se han desarrollado una serie de técnicas que, en combinación con simulaciones en un programa comercial, permiten la linealización y extensión de la característica tensión-frecuencia. Mediante una técnica de control de estabilidad, se ha optimizado la respuesta dinámica del oscilador ante entradas variantes en el tiempo. En concreto, se ha aumentado la rapidez de respuesta eliminando transitorios lentos oscilantes que distorsionan la señal de salida deseada. Esta técnica se ha aplicado al caso particular de osciladores controlados por tensión utilizados para generar señales chirp, como puede ser en radares Frequency Modulated Continuos Wave (FMCW). Se ha analizado también el fenómeno del �injection-pulling�, en el que una señal interferente desplaza la frecuencia de oscilación. Para ello, se ha desarrollado una formulación tipo transitorio de envolvente cuyos coeficientes pueden ser identificados mediante simulaciones de balance armónico en un simulador comercial. La técnica permite incrementar la robustez del circuito oscilador ante estas señales interferentes. Dados los problemas observados en el simulador comercial para simular la característica de ruido de fase en osciladores con estructuras acopladas, se ha desarrollado una técnica de simulación de ruido de fase que solventa estos problemas. La técnica obtiene la característica de ruido de fase a través de simulaciones de transitorio de envolvente en combinación con el uso de generadores auxiliares. Estas simulaciones pueden realizarse sin problemas usando un simulador comercial. Los resultados de todas las técnicas han sido corroborados mediante medidas en varios tipos de osciladores de microondas. Finalmente, se ha realizado un estudio preliminar para combinar el uso de series de Volterra con la técnica de transitorio de envolvente para la simulación de la respuesta transitoria de los osciladores. En el caso de los lazos de enganche en fase, se ha desarrollado un programa propio que realiza un análisis no lineal de lazos acoplados o �Coupled Phase-Locked Loops� (CPLL). Estos sistemas son utilizados en aplicaciones tales como en control de apuntamiento de antenas �phased-array�. El programa, basado en una formulación tempo-frecuencial del sistema, permite la obtención de los rangos de operación del CPLL mediante una caracterización no lineal de los elementos que componen el lazo. Se delimitan los rangos de histéresis, y se analiza la variación de estos rangos en función de los parámetros del sistema. Se analiza la estabilidad de las soluciones estacionarias, teniendo en cuenta parámetros tales como el retardo del lazo. Mediante el control de la estabilidad y un análisis de tipo transitorio de envolvente, se optimiza la rapidez del sistema en el seguimiento de entradas moduladas. Finalmente, se analiza el ruido de fase, separando la perturbación en fase en distintas componentes. Esta separación permite clarificar el efecto del ruido en el control de apuntamiento de un array de antenas. Las predicciones de las técnicas han sido validadas mediante medidas en un sistema CPLL a 2 GHz.