TY - THES A1 - Griebel, Wolfgang T1 - Weltraumgeeignete 5MHz Quarzoszillatoren mit maximaler Stabilität zwischen 1 und 10 Sekunden T1 - Space Qualified 5MHz Crystal Oscillators with Maximum Stability between 1 and 10 Seconds N2 - The dissertation covers the physical, design, simulation and measurement aspects of extremely high Q precision oscillators for space applications. Existing design approaches and methods are evaluated, and it is shown that only physically complete models can deliver a good agreement between theory and experiments. A prototype was built showing very good phase noise and stability. N2 - Diese Dissertation behandelt die physikalischen, Design, Simulations- und Meßprobleme die bei weltraumtauglichen Präzisionsoszillatoren mit extrem hoher Güte auftreten. Bestehende Designansätze wurden evaluiert, und es wurde gezeigt, daß nur physikalisch vollständige Modelle eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen Theorie und dem Experiment ermöglichen können. Ein Prototyp mit sehr guter Stabilität und extrem niedrigem Phasenrauschen wurde erstellt. KW - Phase Noise KW - Crystal Oscillator KW - Nonlinear KW - Design Method KW - Allen Variance KW - Phasenrauschen KW - Quarzoszillator KW - Nichtlinear KW - Entwurfsmethode KW - Allen Varianz KW - Quarzoszillator KW - Raumfahrt KW - Phasenrauschen KW - Systementwurf Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-55204 ER - TY - THES A1 - Poddar, Ajay T1 - Slow wave resonator based tunable multi‐band multi‐mode injection‐locked oscillators T1 - Multiband multimode Injection-locked Oszillatoren mit Slow-Wave Resonatoren N2 - In modern information technology, increasingly powerful electronic circuits are required for the targeted generation of complex signals with well-defined amplitudes and phases. In circuits of this type, oscillators frequently form the central element because of its phase noise and stability, which essentially determines the achievable precision in the signal generation. Further requirements are derived from the electronic definability of the signal properties and the operational behavior of the oscillators. Conventional oscillator circuit models autonomous circuits, mainly consist of a passive frequency-selective or phase-selective network and an active amplifier element, which together produce an oscillatory circuit via a suitable feedback. At first glance, the circuit topology seems to be quite simple, and can often be explained quite visibly. However, when it comes to describing in particular the very important phase noise dynamics and stability of oscillators, it very soon becomes apparent that highly complex structures are involved. A fundamental difficulty in the theoretical description arises due to the non-linear behavior of oscillators, the understanding of which is crucial for a reliable description of jitter and oscillator phase noise. The resonant condition of oscillators arises due to the fact that the noise in the oscillator circuit is always present in the system, which is amplified in a frequency-selective manner to the extent that a stable oscillation arises at most at a fixed frequency because of non-linear limitation of the amplification. The frequency selectivity arises due to the frequency selectivity or phase selectivity of the passive feedback path. The non-linear limitation of the amplification in the oscillator normally results in a very reliable control of the amplitude noise of the output oscillation. It is well understood that any particular oscillator’s phase noise could be improved by increasing the generated signal amplitude or increasing the quality factor of the resonant network. Increasing the signal level is limited by the utilized supply voltage or the break down limits of transistors and cannot be increased further to improve the phase noise. Accordingly, the remaining phase noise, which can normally be minimized via resonating circuits with pronounced phase selectivity and therefore a high quality factor resonator, is of great importance for oscillators. Traditional high Q-factor resonators (ceramic resonator, surface acoustic wave, bulk acoustic wave, dielectric resonator, YIG resonator, Whispering gallery mode resonator, Optoelectronic resonator, etc.) are usually 3-dimensional structures and bulky for both handheld and test-measurement equipments and does not offer integration using current foundry technology. The current and later generation wireless communication market is pushing the need for miniaturization to its limits. Printed coupled transmission line resonator is a promising alternative due to its ease of integration and compatibility with planar fabrication processes but limited by its large physical size and low quality factor, making it a challenging choice to design low phase-noise oscillators. This problem is more prominent in integrated circuits (ICs) where high degrees of thin conductor losses reduce the quality factor by orders of magnitude compared to hybrid circuit technologies. This thesis describes the design and investigation of a variation of printed resonators using Möbius slow-wave and Metamaterial structures for the applications in oscillator circuits. A novel Möbius slow-wave mode-coupled structure offers additional degrees of freedom (higher Q-factor and multi-band characteristics for a given physical size) as compared to conventional transmission line printed resonators. A design study has been carried out to optimize the phase noise performance by using the novel resonant structures (mode-coupled, slow-wave, Möbius strips, evanescent mode, negative index material-Metamaterial) in conjunction with mode locking and injection locking for improving the overall performances, beyond the limits imposed by conventional limitations. The thesis also covers a broad spectrum of research on DRO and OEO ranging from practical aspects of circuit implementation and measurement, including the modeling of optical fiber delay line used as a thermally stable high Q-factor resonator structure. This thesis is research work carried out from 2004-2014, organized in 11 chapters, theoretical and experimental results documented by a range of specific measurement results and substantiated by over 200 scientific publications over dozen patents. The Metamaterial Möbius technology discussed in this thesis can open new era in the field of imaging, sensors, cloaking, energy harvesting and energy efficient microwave circuit and system Solutions. N2 - Die moderne Informationstechnologie benötigt immer leistungsfähigere elektronische Schaltungen, um komplexe Signale in Betrag und Phase in hoher Güte generieren zu können. Ein zentrales Bauteil dieser Kommunikationssysteme sind Oszillatoren, deren Phasenrauschen und -Stabilität die erreichbare Präzision der Signalgewinnung wesentlich bestimmen. Weitere Anforderungen können aus den elektrischen Eigenschaften der Signale und dem Betriebsverhalten der Oszillatoren abgeleitet werden. Konventionelle Modelle autonomer Oszillatorschaltungen beruhen in der Regel auf einem passiven frequenz- oder phasenselektiven Netzwerk und einem aktiven Verstärker, die durch Rückkopplung zum Schwingen gebracht werden. Auf den ersten Blick erscheint dieses Konzept einfach und leicht erklärbar zu sein. Im Hinblick jedoch zum Beispiel auf die sehr wichtigen Aspekte des Phasenrauschens und der Stabilität von Oszillatoren wird schnell deutlich, wie komplex diese dynamischen in Wirklichkeit Prozesse sind. Eine grundlegende Schwierigkeit für die theoretische Untersuchung besteht darin, dass es sich um nichtlineare Vorgänge handelt, deren Verständnis für die Beschreibung von Jitter und Phasenrauschen unabdingbar ist. Das im System präsente Rauschen ist letztendlich die Ursache für das Anschwingen des Oszillators, wenn es verstärkt und frequenzselektiv rückgekoppelt wird, bis die Amplitude des Signals wegen der Nichtlinearitäten des Verstärkers begrenzt wird. Die Frequenzselektivität wird dabei durch die Frequenz- oder Phasenselektivität der Rückkopplung bestimmt. Amplitudenrauschen wird dem hingegen in der Regel durch nichtlineare Sättigung des Verstärkers begrenzt und ist gut kontrollierbar. Bekanntlich kann das Phasenrauschen eines Oszillators verbessert werden, indem entweder der Signalpegel erhöht oder die Güte des Resonanzkreises verbessert wird. Eine Erhöhung des Signalpegels findet ihre Begrenzung in der verfügbaren Versorgungsspannung oder der Durchbruchsspannung der Transistoren. Daher kommt der Frequenzselektivität, oder Güte, des Resonators entscheidende Bedeutung zu. Traditionelle hochgütige Resonatoren wie z.B. dielektische, YIG, Whispering Gallery oder optoelektronische Resonatoren sind diskrete Bauelemente, zu unhandlich für den mobilen Einsatz und einer Integration in übliche Schaltungstechnologien nicht zugänglich. Die Mobilkommunikation hingegen verlangt nach immer weiterer Miniaturisierung. Einfach in gängige Schaltungstechnologien zu integrieren sind gekoppelte Leitungsresonatoren, die aber ebenfalls große Strukturen darstellen und nur geringe Güten realisieren lassen. Diese Schwierigkeiten verstärken sich noch, wenn Leitungsresonatoren in integrierten Schaltungen zum Einsatz kommen sollen. Aufgrund der dünnen verlustbehafteten Leitungen sind die erreichbaren Güten auf dem Chip um Größenordnungen schlechter als bei hybriden Technologien. So bleiben Resonatoren für Oszillatoren nach wie vor Gegenstand der Forschung. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze für planare Leitungsresonatoren für Oszillatoranwendungen vorgestellt und untersucht, die auf innovativen Konzepten von Slow-Wave Möbius und Metamaterial-Topologien beruhen. Die neue auf einer Möbius-Schleife basierende Topologie eines Slow-Wave moden-gekoppelten Resonators eröffnet neue Freiheitsgrade (höhere Güte und multi-band-Resonanz bei reduzierten Abmaßen) verglichen zu konventionellen planaren Leitungsresonatoren. Diese Arbeit stellt einen Ansatz vor zur Optimierung des Phasenrauschens eines Oszillators unter Verwendung neuartiger Resonatorstrukturen (basierend auf Modenkopplung, slow-wave und evaneszenten Moden, Möbius und linkshändigen Metamaterial Konzepten) verbunden mit Mode-Locking und Injection-Locking-Konzepten, der eine deutliche Verbesserung der Oszillatoreigenschaften gegenüber konventionellen Konzepten ermöglicht. Zudem wird ein breites Spektrum von Untersuchungen von DRO- und OEO-basierten Oszillatoren behandelt, vom praktischen Aspekt des Schaltungsaufbaus und der Messung bis hin zur Modellierung von optischen Verzögerungsleitungen, die als thermisch stabile Resonatoren hoher Güte einsetzbar sind. Die Arbeit behandelt Forschungsergebnisse, die in den Jahren 2004-2014 erzielt worden sind in 11 Kapiteln. Theoretische Untersuchungen wurden experimentell verifiziert. Im Zuge dieser Arbeit wurden über 200 wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht und mehr als ein Dutzend Patente angemeldet. Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz für Metameterial-Möbius-Resonatoren kann eine neue Ära in der Gebieten bildgebender Radare, der Sensorik, der Tarnkappentechnik, des Energy Harvesting und der energieeffizienten Mikrowellenschaltungen und Systeme eröffnen. KW - Oszillator KW - Resonator KW - Möbius KW - Phasenrauschen KW - Oscillator KW - Phase noise KW - Möbius KW - Resonator KW - Oszillatorschaltung KW - Resonator Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-31936 ER - TY - THES A1 - Rohde, Ulrich L. T1 - A novel approach for generating active inductors for microwave oscillators - Mathematical treatment and experimental verification of active inductors for microwave application T1 - Ein neuer Ansatz zum Entwurf aktiver Spulen für Mikrowellen-Oszillatoren - Mathematische Ableitung und experimentelle Verifikation von aktiven Spulen für Mikrowellen-Anwendungen N2 - Voltage controlled oscillators are commonly realized using varactor diodes in order to tune the resonator frequency. The drawback in practical implementation is the relatively high cost of the diodes, and the large space required for the inductors. Replacing the inductors by active tunable inductors would solve these issues and open a path for cost-effective small integrated oscillator designs. In the past, active-inductor approaches were not competitive due to the high phase noise inherent to the active inductor. This work investigates active inductor oscillators, and presents a novel approach that yields low phase-noise VCOs. The theoretical investigations are verified by measurements of demonstrator circuits. N2 - Spannungsgesteuerte Oszillatoren werden üblicherweise mithilfe von Varaktordioden abgestimmt. Der Nachteil in der paraktischen Ausführung dieser Schaltungen liegt in den vergleichsweise hohen Kosten der Dioden und dem großen Platzbedarf der Spulen. Das Ersetzen der Spulen durch aktive Spulen würde diese zwei Probleme lösen und den Weg für eine kostengünstige kompakte Integration ebnen. Bisher wiesen Schaltungen auf der Basis aktiver Spulen jedoch ein nicht akzeptables höheres Phasenrauschen auf, das den aktiven Spulen inhärent ist. Diese Arbeit untersucht Oszillatoren auf der Basis aktiver Spulen und schlägt einen neuen Ansatz vor, der den Entwurf phasenrauscharmer Oszillatoren ermöglicht. Die theoretische Ableitung wird durch Messungen an Demonstrator-Schaltungen unterstützt. KW - Oszillator; Spule KW - Hochfrequenztechnik KW - Phasenrauschen KW - Aktive Spule KW - Oszillator KW - Hochfrequenztechnik KW - Phasenrauschen KW - VCO KW - Active inductor KW - Oscillator KW - Radio frequnecy KW - Phase noise KW - VCO Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-22963 ER - TY - THES A1 - Apte, Anisha T1 - A new analytical design method of ultra-low-noise voltage controlled VHF crystal oscillators and it’s validation T1 - Eine neue analytische Entwurfsmethode für spannungsgesteuerte UKW-Quarzoszillatoren mit extrem geringem Rauschen und ihre Validierung N2 - The design of high Q oscillators, using Crystals at lower frequencies, (and dielectric resonators at much higher frequencies), has long been considered a black art. This may be due to the fact that a systematic approach with optimized design guideline for crystal oscillators could not be found after extensive literature search. In this dissertation, after analyzing the first crystal oscillator by W.G. Cady (1921), other high performance crystal oscillators will be discussed, analyzed and calculated. A single transistor crystal oscillator design as used by HP (Hewlett Packard) in one of their designs, the HP10811A is considered in this thesis for mathematical analysis and CAD (Computer aided Design) simulation. This was also measured on state-of-the-art signal source analyzer. After validation, this design is scaled to 100MHz, the frequency of interest for this dissertation. Though most designers use a single transistor based oscillator circuit, it is not an optimized design because of limited control over key design parameters such as loop gain, dc current etc. This dissertation is an attempt to overcome the limitation due to the single transistor circuit and to give a step by step procedure, explaining the significance of a two transistor design with thorough analysis and design simulation results. This two stage transistor circuit is also not yet a best solution in terms of phase noise performance and output power, and some add-on circuitry will be needed for an optimized performance. An important contribution of this work is to show that since the voltage gain is the ratio of the collector resistor and the emitter resistor, the performance is practically independent of the VHF transistor and gives better control over various parameters of the oscillator, in order to optimize the design. A grounded-base amplifier is then introduced and added for improving the isolation and the output power. Unlike most oscillators, that take the output from the collector, a novel concept introduced by Rohde [14], is incorporated here, where the crystal is used as a filter that is then connected to the grounded base amplifier, a technique which many companies have been using. This dissertation will show that this technique increases the output power without significantly affecting the phase noise. Such a validation is needed for better understanding and as per my knowledge, has not been done so far. For the oscillator, the tuning diode sensitivity and flicker noise contribution are also taken into consideration, by calibrating the mathematics and its validation is shown. Crystal resonators of the type AT and stress-compensated (SC) cut devices will be considered as they give the best performance. The one port Colpitts type oscillator is considered first and the two port two transistor design later. Both will need a post amplifier/buffer stage. A complete step by step design procedure for an optimized 100MHz crystal oscillator is then presented. For completeness, CAD Simulation and Experimental results are provided for 10 MHz, 128 MHz and 155 MHz VCO circuits. N2 - Die Entwicklung von Oszillatoren mit Resonatoren hoher Güte unter Verwendung von Schwingquarzen für niedrigeren Frequenzen (ebenso wie von dielektrischen Resonatoren bei viel höheren Frequenzen) wurde lange Zeit als schwarze Kunst angesehen. Dies kann daran liegen, dass ein systematischer Ansatz mit optimierter Entwurfsrichtlinien für ersten Quarz-Oszillators trotz umfangreicher Literaturrecherche nicht gefunden werden konnte. In dieser Dissertation werden nach der Analyse des ersten bekannten Quarz-Oszillators von W. G. Cady (1921) andere Hochleistung Quarz-Oszillators diskutiert, analysiert und berechnet. Der HP10811A ist ein Einzeltransistor-Quarz-Oszillator, wie von HP (Hewlett Packard) in einem ihrer Designs verwendet. In dieser Arbeit wird die die Schaltung mathematisch und mithilfe von Computer Aided Design Simulation (CAD) analysiert . Die Schaltung wurde auch mit einem Signalquellenanalysator nach dem neuesten Stand der Technik gemessen. Nach der Bestätigung der Daten wird dieses Design auf 100 MHz skaliert, die Frequenz, die für diese Dissertation von Interesse ist. Obwohl die meisten Entwickler eine Oszillatorschaltung auf Einzeltransistorbasis verwenden, handelt es sich nicht um ein optimiertes Design, da die Kontrolle über wichtige Designparameter wie Schleifenverstärkung, Gleichstrom usw. begrenzt ist. Diese Dissertation präsentiert einen Ansatz, die Einschränkung aufgrund der Einzeltransistorschaltung zu überwinden und zeigt eine schrittweise Vorgehensweise, in der die Bedeutung eines Zwei-Transistor-Entwurfs mit gründlichen Analyse- und Entwurfssimulationsergebnissen erläutert wird. Diese zweistufige Transistorschaltung ist jedoch noch nicht die optimale Lösung hinsichtlich des Phasenrauschens und der Ausgangsleistung, und für eine optimierte Leistung wird eine zusätzliche Schaltungen benötigt. Ein wichtiger Beitrag dieser Arbeit ist es zu zeigen, dass das Oszillator-Design durch eine Schaltungstopologie optimiert werden kann, bei der die Schleifen-Spannungsverstärkung durch das Verhältnis des Kollektorwiderstands zum Emitterwiderstand festgelegt ist. Dadurch werden die die Schaltung bestimmenden Parameter praktisch unabhängig vom VHF-Transistor, was eine bessere Kontrolle der Parameter des Oszillators ermöglicht. In der mathematischen Analyse des Oszillator werden auch die Empfindlichkeit der Abstimmdiode und der Beitrag des Flicker-Rauschens berücksichtigt und die Genauigkeit der Schaltungsberechnung verifiziert. Quarz-Resonatoren mit AT Schnitt und stressskompensierte (SC) Schnitte werden als die beste Lösung angesehen. Der Oszillator vom Colpitts-Typ mit einem “Tor” wird zuerst betrachtet und der Transistor mit zwei “Toren” später. Beide benötigen eine Nachverstärker- bzw. Pufferstufe. Anschließend wird ein vollständiges schrittweises Entwurfsverfahren für einen optimierten 100-MHz-Quarzoszillator vorgestellt. Der Vollständigkeit halber werden CAD-Simulations- und Versuchsergebnisse für 10-MHz-, 128-MHz- und 155-MHz-VCO-Schaltungen bereitgestellt. Abschließend wird ein Nachverstärker in Basisschaltung eingeführt, um die Isolation und die Ausgangsleistung zu verbessern. Im Gegensatz zu den meisten Oszillatoren, die den Ausgang vom Kollektor beziehen, wird hier ein innovatives Konzept von Rohde [14] benutzt, bei dem der Quarzresonator als Filter und Resonator verwendet wird, bevor es durch den Nachverstärker ausgekoppelt wird. Diese Technik wurde inzwischen von vielen Herstellern übernommen. Diese Dissertation zeigt, dass diese Schaltungstechnik die Ausgangsleistung erhöht, ohne das Phasenrauschen wesentlich zu beeinflussen. Dieser Nachweis ist zum besseren Verständnis erforderlich und wurde meines Wissens bisher noch nicht erbracht. KW - Quartz crystal KW - Crystal oscillator KW - Phase noise KW - Reference source KW - Voltage controlled KW - Quarzkristall KW - Kristalloszillator KW - Phasenrauschen KW - Referenzquelle KW - Spannungsgesteuert KW - Quarzoszillator KW - UKW KW - CAD Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-51386 ER -