Dr.-Ing. Werner Anzill und Dr.rer.nat. Oskar von Stryk

In diesem gemeinsamen Forschungsprojekt wurde eine völlig neue Methode zur Minimierung des Phasenrauschens beim rechnergestützten Entwuf von Oszillatoren (wie sie zur Signalverarbeitung, bei Mikrowellenradars, in Kommunikationssystemen oder Empfängern (TV, Radio) eingesetzt werden) entwickelt. Die Methode beruht auf der Berechnung des Phasenrauschens von Oszillatoren unter Verwendung von nichtlinearen Zeitbereichsmethoden zur Berücksichtigung der nichtlinearen Effekte von Oszillatoren. Dazu wird das Signal- und Rauschverhalten von Oszillatoren durch Systeme (nichtlinearer) Differentialgleichungen beschrieben.

Bei der Minimierung des Phasenrauschens werden die Parameter des Oszillatornetzwerkes unter Vorgabe des Resonatortyps und des aktiven Elementes so berechnet, dass das Phasenrauschen bei gegebener Schwingfrequenz und gegebener Ausgangsleistung minimal wird.

Typischerweise können so das lineare Teilnetzwerk (z. B. geometrische Daten des Layouts, Werte von passiven elektronischen Bauteilen (Kondensatoren, Induktivitäten, Widerstände)) oder Parameter des aktiven Elements des Oszillators (z. B. Parameter des Transistors) systematisch optimiert werden.

Das Problem der Optimierung dieser Parameter unter der Nebenbedingung, dass die Differentialgleichungen für das Signalverhalten erfüllt werden, führt auf ein optimales Steuerungsproblem über einem endlich-dimensionalen Steuerraum. Diese Optimierungsprobleme können durch Anwendung des Verfahrens DIRCOL (englisch) numerisch gelöst werden.

Die abgebildeten hochfrequenten Mikrowellenoszillatoren wurden am Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik der Technischen Universität München als Prototypen gefertigt gemäss den Berechnungsergebnissen. Die Messungen an den Protoypen weisen eine erhebliche Reduktion des Phasenrauschens gegenüber der Referenzausführung aus.

Ergebnisse und Photographien
Ausgangssituation: Referenzoszillator O8

Minimierung des durch das Basisbandrauschen verursachten Einseitenbandphasenrauschens: Oszillator MIN2

Im Bereich der Ablagefrequenzen bis etwa 10 kHz, wo das Einseitenbandphasenrauschen durch die 1/f-Rauschquellen hervorgerufen wird, zeigt sich eine deutliche Verbesserung des gemessenen Phasenrauschens um etwa 8 dB im Vergleich zum Referenzoszillator O8.

Minimierung des durch weisse Rauschquellen und die Basisbandrauschquelle verursachten Einseitenbandphasenrauschens: Oszillator S2

Das Einseitenbandphasenrauschen weist eine Verringerung von 11 dB im gesamten Bereich der Ablagefrequenzen auf im Vergleich zum Referenzoszillator O8.

Veröffentlichungen

Artikel

• Anzill, W.; Stryk, O. von:
  Optimum design of microwave oscillators with minimized phase noise.
  In: H. Neunzert (ed.): Progress in Industrial Mathematics at ECMI 94.
  J. Wiley & Sons Ltd and B. G. Teubner (1996) 301-306.
  (please click here for a PostScript version or a gzipped PostScript version of the paper)
• Anzill, W.; Stryk, O. von; Bulirsch, R.; Russer, P.:
  Phase noise minimization of microwave oscillators by optimal design.
  IEEE MTT-S Symposium Digest, Orlando, Florida, USA (1995) 1565-1568.
  (please click here for gif files of pages 1565, 1566, 1567, 1568)

Dissertationen

• Anzill, W.:
  Berechnung und Optimierung des Phasenrauschens von Oszillatoren.
  Dissertation (Müchen: Technische Universität, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, 1994).
• Stryk, O. von:
  Numerische Lösung optimaler Steuerungsprobleme: Diskretisierung, Parameteroptimierung und Berechnung der adjungierten Variablen.
  Dissertation (München: Technische Universitä¤t, Mathematisches Institut, 1994).
  Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 8, Nr. 441, VDI-Verlag, Düsseldorf, 158 S., 1995.