周波数変調されたRF LC発振器からのメインハムの除去

私は周波数変調LC発振器を構築しようとしていますが、私が試みたすべての回路は、復調後にひどい電源ハムがあります。

発振器は容量センサーによって調整されますが、この問題を解決するまで、代わりに固定コンデンサを使用しています。私はさまざまなトポロジを試しました：60〜500 MHzの異なる周波数でフランクリン、クラップ、ヴァッカニ、ハートレー。復調にSDRレシーバーを使用していますが、正常に動作し、ハムの原因にはなりません。AC電源の代わりにバッテリーを使用しても役に立ちませんでした。デカップリングに10 µFと10 nFのコンデンサを使用しています。物理的に小さなインダクタを使用することは少し助けになりましたが、ノイズはまだ許容できません。

コメントで示唆されているように、回路に電力を供給する場合と供給しない場合のすべての回路ノードをテストし、50 Hz成分はアンテナ出力にのみ現れます。

ここにいくつかのPCB図面がありますが、おそらくルーティングに間違いがありますか？

図1：Vackářトポロジ、トランジスタはBF545C

図2：フランクリントポロジ、両方のトランジスタはATF-38143

[UPD：]

要求に応じてセットアップと回路図をアップロードします。セットアップは、SDRレシーバーと、出力に一時的なアンテナとしてのワイヤを備えた発振器です。代わりに固定コンデンサC ₄を使用しているため、静電容量センサーC _varはありません。

図3a：

図3b：

図3c：

[UPD2：]

50 HzでのSNRは4.3 dBです。フランクリン発振器の最大周波数偏差は290 kHz、出力電力は7.8 dBm、受信信号レベルは-26 dBFSです。ラップトップを接地しても違いはありません。

[UPD3：]

グランドプレーンとニッケルシルバーのEMIシールドを備えた新しいボードを作成しました。1.8V LD1117レギュレータと100pFおよび390pF NP0デカップリングコンデンサを追加しましたが、それでも運はありません。ノイズ性能に大きな変化はありません。残念ながら、回路全体を入れるための鉄の箱を見つけることができませんでしたが、磁気シールドを必要としない巧妙な回路とPCB設計技術があると確信しています。たとえば、SDRレシーバーを安価な非シールドFMトランスミッターでテストしました。音量が最大になってもハム音がまったくないため、原因は間違いなく回路とPCB設計です。

ボードの写真をいくつか紹介します（フラックスについては申し訳ありませんが、削除しようとしましたが失敗しました）

図4a：

図4b：

図4c：

また、以下の回答で提案されているように、SDRレシーバーからIFを記録し、低周波数でスペクトルを生成しました。

図5a：EMIシールドなし

図5b：EMIシールド付き

[UPD4：]

今では面白いです。

C _4を増やすと（図3cを参照）、ノイズが大幅に減少します。復調された信号スペクトルを見てください（440 Hzの成分は、SNR測定のためにセンサーから記録されたテスト信号です）。

図6a：C ₄ = 1.5 pF

図6b：C ₄ = 2.7 pF

残念ながら、私はさらにテストを行うための1と10 pFの間の範囲には他のコンデンサを得なかっました（発振器はCで起動しません₄ ≥10 PF）。PCBトレースとL ₂によって選択されたACラインノイズがJ _1のゲート容量を変化させ、C ₄の値を大きくすると、これらの変化が周波数に与える影響が小さくなると思います。これは、携帯電話などの強力なノイズ源を追加することでも確認できます。図6cに大きなスパイクがあり、ノイズソースを追加すると実際に周波数が増加します。つまり、J _1のゲート容量は電圧に反比例します。私には理にかなっています。J ₁間の結合を減らす必要があるようです LCタンクまたはそれらの間にハイパスフィルタリングを追加しますが、それを行うための最良の方法が何かわかりません。

図6c：

Gomunkul（コメント）と@ user287001は、ハム問題のほとんどを解決している可能性があります。

コンデンサーは50Hzの開回路であるため、おそらくあなたのプローブまたはアンテナが空気からハムをキャッチします。

C6は、電圧によって静電容量が変化する低品質のコンデンサです。

• ここで適切なC0Gコンデンサ（100 pfが多すぎる可能性が高い）またはマイクロ波用の定格のコンデンサを使用してください。

• アースへの抵抗でアンテナを終端し、近くの50 Hzの電化製品、ライトから誘導されるC6の電界を低減します。

• 発振器とアンテナの間に素敵な低S12のバッファーステージを追加します。

ハムのメカニズムには別の可能性がありますが、やや劣ります。...
アンテナを備えたこの発振器は、粗雑な直接変換受信機と見なすことができます。その発振は受信機の局部発振器として機能します。このような低電圧のDCバイアス電圧では、この発振器のアクティブデバイスジャンクションには、電圧の変化に伴う大幅な容量変動があります。ジャンクションが送信信号（強い）と受信信号（弱い）の両方を見る場合、そのバイアス電圧は、2つの信号間の位相関係に応じて変化します。

遠くでは、一部のダイオード接合部が発振器から送信信号を受信する場合があります。50 Hzの主電源を整流しているときにこれらのジャンクションもオン/オフされる場合、50 Hzを再送信します。ワイヤまたはトレースを介して変調信号を発振器に戻します。UHFでは、この2要素システムでは、短いワイヤでも結合アンテナ要素になります。50 Hz変調ダイオードは、発振器に位相変化を戻す場合があります。これらの50 Hz変調ダイオードは、オンからオフにかなり急速に切り替わるため、特徴的に高調波でいっぱいです。スペクトルの50 Hz高調波は非常に強いようです。
多くの場合、DC電源の整流ダイオードがソースです。
LED照明回路は別のソースになる可能性があります。
携帯電話のシフト周波数もこの理論をサポートしています。

次の（不完全な）回路でこの現象をテストできます。

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

半波ダイポールは、被試験発振器のUHF周波数に対してカットされます。そのダイオードは、各1/4波長素子間を接続します。555 1 kHzオシレーターではなく、1 kHzファンクションジェネレーターを使用してダイオードをオン/オフできます。この「蚊」回路が送信機のアンテナに結合されると、監視受信機（AM PMまたはFM）が1kHzの信号を検出する場合があります。この「蚊」回路を被試験発振器から遠ざけると、モニタリングレシーバーの可聴出力が減少します。

余談：この同じ結合メカニズムは、ドップラーレーダーやモーション検知盗難アラームに時々存在します。この場合、反射信号距離がUHF信号発振器から変化すると、位相が変化します。
「調整可能なハム」または調整可能なハムをグーグル検索することで、より多くの洞察を得ることができます。

実際の物理モデルでは回路図が不正確であるため、回路図で期待どおりに機能しません。

たとえば、デカップリング0.1uFキャップは、2cmおよび1mmの厚さ（推定）および1cmのトラック長の2本のリードで約20nHです。一方、共振器は33nHを使用するため、電源のインピーダンスが低く、他の人が示唆するように、おそらく小さなSMDキャップで100pFが必要です。全体のレイアウトは、グランドプレーンがないと大きすぎるため、浮遊電界を放射および受信するためのループアンテナ領域が大きくなります。

ハムの大部分は、電源、グランド、および回路ループパスの波長の5％を超える大きなレイアウトによるものであることに同意します。これにより、放射ノイズと伝導性グランドノイズが発生しやすくなります。RFコンデンサバランまたはRF CMチョークを使用することは、DCサプライがAC接地からデカップリングするために不可欠であり、RFキャップに加えて、ESRを最小にする100pF NPOキャップが必要です。

AM対FMを調べるための超狭帯域IFスペクトルアナライザー（<100Hz）がなければ、SDRのノイズの量とTxのノイズの量を知ることはできません。しかし、いずれにしても、ハムは主にLCO設計とDC電源/リターンパスにあります。ラボのRF世代がある場合。、SDRと適切なRF SAを検証して、ノイズ源を検証できます。

90年代半ばに928 MHz ISMバンド用にVCOを作成したとき、カスタムメタルハイブリッドシームをGETEK FR4基板にはんだ付けしたハイブリッド上にカスタムセラミックハイブリッドを作成し、別のグランドプレーン> 60 dB CNR（搬送波対雑音比および低位相）ではんだ付けしました自動2ウェイメーター読み取りに使用される6kHz Tx帯域幅のノイズ。

• 誘電率、基板損失正接、およびシールドキャパシタンスはすべて設計で役割を果たしました。当時は、603のサイズの47pF NPOと2ステージRC LPFを使用して電源ノイズを低減し、10Ωに下げた後、低電源の設計を使用しましたこれとは異なり、電流源との感度。現在、ムラタは100pF以上の低ESLキ​​ャップを作成して、このスペクトルをカバーしています。

学ぶべき教訓

• トラックワイヤと受動部品のインダクタンス、ESL、ESRを計算および測定する方法。
• SAでRFを検証して、ノイズの根本原因を特定する方法。
• 導波路理論、制御インピーダンス、クロストーク、アンテナ感度を使用して干渉を最小限に抑えるためのグランドプレーン、ストリップライン、マイクロストリップ、カバーシールドのオプションを備えた重要なレイアウトの発見方法CM除去による低Q電源デカップリング。
• これはほんの始まりに過ぎず、優れたRF設計エンジニアを他よりも価値あるものにするのは専門知識です。（私は自分を1つとは考えていませんが、知る限りのことから学びました。）

最後の言葉

線路、ワイヤ、およびストリップライン間の結合容量のインピーダンスの計算機を使用してRFのオームの法則を習得すると、バランを使用してCMインピーダンスを上げ、差動インピーダンスを制御しながらシャント負荷で減衰する方法を理解できます。これは、1GHz PHYネットワークとオシレータデザインに適用されるため、同様のデザインを観察してこれらの機能を確認し、インピーダンス比と共振器のQを適用して結果のSNRを制御できます。それはすべて、リアクタンスインピーダンスを使用したオームの法則の2次元バージョンのような複雑なインピーダンス比にあり、アンテナの開口効果によってよりシンプルに見え始めます。（指向性ループアンテナ）

小さいコイルが役立つ場合、あなたの回路はおそらく磁場をキャッチします。それらは、変圧器や蛍光灯の近くで非常に強いことがあります。

センサーは、500MHzの回路基板以外には配置できません。加速度、湿度、ガスまたは圧力を感知すると思います。回路を厚い軟鉄の箱に入れて、外部空気への必要な接続用の穴があっても外部の磁気フィールドを短絡させることができます。ACフィールドを2VDCの動作電圧に近づけないようにするために、ローカル電圧レギュレーターが必要です。

スコープをAC電源に同期すると、スコープ画面でハムが安定していることがわかります。そうでない場合、回路は約50Hzで発振します。

また、回路は機械的にマイクロフォニックです。私は非常に弱い振動を（不必要に）選んだ送信機を作りました。

「50Hz ACはアンテナ出力にのみ存在します」と書いたのは、コンデンサが50Hzの開回路であるため、おそらくプローブまたはアンテナが空気からハムをキャッチするためです。

メインハム+ハーモニクスは、フィルタリングソフトウェアによって復調信号から除外することもできます。フィルタリングは、たとえば脳や心臓のテストやオーディオ信号のクリーニングなどに不可欠です。

別の送信機で受信機をテストします。受信機自体はハムフリーですか。

オシロスコープは高価だと理解しています（米国に住んでいない限り。ebayで500 MHz程度の安価なスコープがたくさん見られます）。これらの周波数用の信号発生器とミリボルトメータを入手する必要があります（使用しているものによっては、ミリボルメータ用のSDRで問題ない場合があります）。あなたが添付した写真から、私は発振器がまったく機能しないと思います。それは正弦波のようには見えません（400MHzでも50Hzでも、正弦波は正弦波です）。あなたがそこに着いたどんな形でも、あなたはそれを名付けることさえできないほどsoいです。2つのステップで分析してみてください。最初のステップでは、その範囲の信号を増幅できることを確認してください。2番目のステップ：その範囲で調整されたフィードバックが何をするかを確認します。はい、そのための信号発生器が必要です。SDRをミリボルトメータ/スコープとして使用することもできますが、信号発生器が必要です。ハムがあったら