10 GHz介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了介質(zhì)振蕩器的理論和設(shè)計(jì)方法，選擇并聯(lián)反饋式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻點(diǎn)為10GHz的介質(zhì)振蕩器。為了提高振蕩器的輸出功率，同時(shí)改善相位噪聲，本文對傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用了二級放大的方式，提高了有源網(wǎng)絡(luò)的增益，降低了介質(zhì)諧振器與微帶線的耦合度，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。結(jié)果表明，本文的理論分析是正確的，設(shè)計(jì)方案是可行的。
關(guān)鍵詞：振蕩器；介質(zhì)諧振器；相位噪聲；耦合度

微波固態(tài)頻率源作為微波系統(tǒng)的核心部件，其性能的優(yōu)劣在很大程度上影響甚至決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。介質(zhì)振蕩器(DRO)由高品質(zhì)因數(shù)的介質(zhì)諧振器(DR)構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)，具有優(yōu)異的噪聲性能和較高的頻率穩(wěn)定度，體積小，成本低，在點(diǎn)頻本振源的應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢因此，對介質(zhì)振蕩器的研究具有重要而基礎(chǔ)的意義。

1 理論分析
1．1 介質(zhì)諧振器
介質(zhì)諧振器(DR)是由一小段高介電常數(shù)低損耗的介質(zhì)波導(dǎo)制成的，通常為扁圓柱形。高介電常數(shù)保證了能量大多集中于諧振器內(nèi)部，且體積比同頻率的金屬諧振腔小。介質(zhì)諧振器的主模為TE018模式，其電場從中心到邊緣逐漸減弱。由于其上下邊界不是理想磁壁，所以沿z方向的半波數(shù)不是整數(shù)，δ的數(shù)值在0到1之間。
設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)，主要關(guān)注諧振器的以下幾個(gè)參數(shù)：
1)介質(zhì)諧振器的品質(zhì)因數(shù)
介質(zhì)諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)Q0與有載品質(zhì)因數(shù)QL的關(guān)系為
QL=Q0／(1+K1+K2) (1)
其中，Q0由介質(zhì)本身決定，K1和K2分別為介質(zhì)與兩微帶線的耦合系數(shù)。QL的高低直接影響振蕩器的頻率穩(wěn)定度，所以應(yīng)盡量選擇低損耗的諧振器和襯底材料，并盡量降低介質(zhì)與微帶線的耦合度。
2)介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)
介質(zhì)諧振器的介電常數(shù)必須足夠高，才能將電磁能量儲存在諧振器的內(nèi)部，產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。但介電常數(shù)過高會導(dǎo)致諧振器體積過小，精度不易保證。因此應(yīng)根據(jù)使用頻率選擇適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)。
1．2 反饋式振蕩器
文中采用并聯(lián)反饋式的電路形式，其原理如圖1所示。穩(wěn)定振蕩的條件為
β(jω)Av(jω)=1 (2)
其中β(jω)為晶體管構(gòu)成的有源網(wǎng)絡(luò)的增益，Av(jω)為DR與微帶線耦合組成的反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)。該條件包含兩個(gè)方面，一是閉環(huán)增益等于1，二是環(huán)路相移等于0。起振時(shí)，環(huán)路增益應(yīng)大于1，隨信號幅度增大，有源網(wǎng)絡(luò)增益將逐漸降低，直到環(huán)路增益等于1，建立穩(wěn)定振蕩。

由于有源器件的非線性作用，其低頻閃爍噪聲將被調(diào)制到載波頻率附近，即1／f噪聲邊帶。因此，應(yīng)盡量選擇閃爍噪聲較低的有源器件，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，并盡可能減小電源等部分引入的低頻噪聲。

2 介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)
首先在場仿真軟件中進(jìn)行諧振網(wǎng)絡(luò)的仿真。文中采用的介質(zhì)諧振器相對介電常數(shù)約為36，品質(zhì)因數(shù)約為3 000，高度與直徑的比值約為0．5，保證了該介質(zhì)諧振器的主模為TE018模式。建立仿真模型如圖2所示，反饋網(wǎng)絡(luò)由介質(zhì)諧振器和兩根微帶線共同組成。在所需頻點(diǎn)的場結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由場結(jié)構(gòu)可知，DR與微帶線之間是磁耦合，微帶線的一端開路，耦合點(diǎn)與開路端的距離為λ／4，相當(dāng)于短路點(diǎn)，耦合最強(qiáng)。為了降低介質(zhì)諧振器與微帶線的耦合，提高諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)，文中在其與介質(zhì)基片之間加了一塊低損耗聚四氟乙烯材料的墊片，厚度約為1 mm。耦合結(jié)構(gòu)上方是由黃銅材料制成的調(diào)諧圓盤，用于調(diào)整諧振頻率。當(dāng)調(diào)諧盤下移時(shí)，相當(dāng)于短路面向諧振器靠近則諧振頻率升高，反之，當(dāng)調(diào)諧盤上移時(shí)，諧振頻率降低。仿真可以得到，上下移動(dòng)調(diào)諧圓盤，機(jī)械調(diào)諧范圍可以達(dá)到300 MHz，滿足工程需要。
該諧振網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，我們最關(guān)心的是其散射參數(shù)S21，即反饋網(wǎng)絡(luò)傳輸系數(shù)Av(jω)，仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看到，在諧振頻率處的傳輸系數(shù)模值為0．9 dB，3 dB帶寬為49 MHz。該諧振峰越陡峭，說明諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)越高。仿真完成后，可將該模型及其S參數(shù)生成一個(gè)S2P文件，作為一個(gè)器件供ADS調(diào)用。

反饋網(wǎng)絡(luò)的仿真完成后，下面進(jìn)行有源網(wǎng)絡(luò)的仿真。有源網(wǎng)絡(luò)由場效應(yīng)管和偏置電路組成，文中選用的晶體管是安捷倫公司的場效應(yīng)晶體管GaAs FET 26884，該晶體管的工作頻率為2～16 GHz，當(dāng)工作點(diǎn)為漏源電壓3 V，漏源電流10 mA時(shí)，增益在6 GHz約為12 dB，在12 GHz約為6 dB。本文采用正負(fù)雙電源供電，以保證有源網(wǎng)絡(luò)的S12模值盡可能小。偏置電路采用扇形微帶接地，防止振蕩信號功率從偏置電路泄露，并防止高頻信號影響電源的穩(wěn)定性。通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)，使得有源網(wǎng)絡(luò)增益S21盡可能大，仿真結(jié)果如圖5所示，在所需頻點(diǎn)10 GHz，增益達(dá)到6．5 dB。

下面將反饋網(wǎng)絡(luò)的模型加入，對整個(gè)反饋回路進(jìn)行開環(huán)仿真，首先調(diào)整輸出匹配支節(jié)的位置和長度，使振蕩頻點(diǎn)的開環(huán)增益盡可能大，即滿足環(huán)路增益大于1的條件；然后調(diào)整與反饋網(wǎng)絡(luò)相連的微帶線長度，使得反饋回路的傳輸系數(shù)S21相位為零，即滿足環(huán)路相移為0的條件。
將環(huán)路閉合，插入ADS中的Osctest控件，由奈奎斯特判據(jù)可知，若仿真結(jié)果曲線隨頻率增大沿順時(shí)針方向環(huán)繞1+j0點(diǎn)，則電路滿足反饋式振蕩器的振蕩條件。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，電路起振的頻率和滿足奈奎斯特起振條件的頻率比較接近，但前者往往略低于后者。這是因?yàn)槟慰固囟墒菍π⌒盘枟l件下起振條件的判定，而電路起振后，隨著振蕩幅度的增大，晶體管S21模值會減小，相位會滯后。為了抵消這一變化，振蕩頻率會降低，用反饋回路減小的相位滯后抵消晶體管增加的相位滯后，這時(shí)反饋回路的傳輸系數(shù)會變小，最后達(dá)到平衡。反饋回路品質(zhì)因數(shù)越高，相位變化就越陡峭，所引起的頻率變化就越低。所以在仿真時(shí)，可以使初始的起振頻率略高于所需要的輸出頻率，這樣常常可以得到較大的輸出功率。
最后用振蕩仿真控件Oscport代替Osctest控件，用諧波平衡法仿真輸出頻率分量和相位噪聲情況。整個(gè)電路的原理圖如圖6所示，通過調(diào)節(jié)輸出端匹配支節(jié)的位置和長度，使輸出功率盡可能大。由于使用的開路匹配支節(jié)長度接近于振蕩頻率的八分之一波長，所以對二次諧波的抑制效果較好。仿真結(jié)果如圖7和圖8所示，可以看到，輸出功率達(dá)到8 dBm，相位噪聲為-112dBc／Hz@1kHz和-116dBc／Hz@10kHz。

為了增大輸出功率，同時(shí)降低相位噪聲，文中在以上傳統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用兩個(gè)晶體管串聯(lián)的方式，如圖9所示。這種方法提高了環(huán)路增益，從而提高了輸出功率。由式(2)穩(wěn)定振蕩條件可知，此時(shí)反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)可以適當(dāng)降低而不影響起振。所以介質(zhì)與微帶線的耦合度可以減小，從而提高諧振器的有載品質(zhì)因數(shù)，從而達(dá)到降低相噪的效果。

首先進(jìn)行的仍然是反饋網(wǎng)絡(luò)的仿真。為了便于進(jìn)行調(diào)試，這里采用了增加墊塊厚度的方式來降低介質(zhì)與微帶線的耦合度，墊塊厚度由1 mm增大至1．6 mm。仿真結(jié)果如圖10所示，可以看到，此時(shí)的諧振峰與圖4相比更為陡峭，其3 dB帶寬僅為33 MHz，說明該諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)更高，從而可以降低輸出相噪。

在設(shè)計(jì)有源部分時(shí)，過程與單管振蕩器基本相同，只是需要設(shè)計(jì)兩個(gè)晶體管之間的匹配電路，否則將導(dǎo)致信號在兩個(gè)晶體管之間來回反射，無法達(dá)到提高增益的效果。在仿真有源網(wǎng)絡(luò)的正向增益時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒有設(shè)計(jì)級間匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，兩個(gè)串聯(lián)晶體管的正向增益和單管的正向增益相差不大，而加入級間匹配網(wǎng)絡(luò)后，增益顯著提高，達(dá)到12 dB以上，如圖11所示。

最后使用諧波平衡法仿真輸出頻譜和相噪，結(jié)果如圖12和圖13所示，從圖中可以看到，輸出功率接近16 dBm，比單管振蕩器的功率提高了8 dB，相位噪聲為-121 dBc／Hz@1kHz和-124 dBc／Hz@10 kHz，比單管振蕩器降低了約9 dB。

3 結(jié)束語
文中在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出頻率為10 GHz的介質(zhì)振蕩器。文中對傳統(tǒng)的并聯(lián)反饋式介質(zhì)振蕩器進(jìn)行了改進(jìn)，采用兩個(gè)晶體管串聯(lián)工作的方式，達(dá)到了更高的輸出功率，同時(shí)降低了相位噪聲。這種設(shè)計(jì)方法具有較好的通用性，過程比較簡單，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。