C波段介質(zhì)振蕩器的研究與設(shè)計(jì)

馬曉琳，劉 兵，馬月紅

（軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 050003）

隨著現(xiàn)代無(wú)線通信事業(yè)的發(fā)展，移動(dòng)通信、雷達(dá)、制導(dǎo)武器和電子對(duì)抗等系統(tǒng)對(duì)本振源提出了越來(lái)越高的要求。介質(zhì)振蕩器（DRO）由于其優(yōu)異的噪聲性能、頻譜純度和穩(wěn)定度成為了一種應(yīng)用廣泛的微波毫米波頻率源。本文突破了以往對(duì)于DRO的設(shè)計(jì)，將DR部分通過(guò)理論計(jì)算，轉(zhuǎn)化為等效電路的設(shè)計(jì)方法，嘗試了首先利用三維場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)DR（介質(zhì)塊）及其與周邊微帶線的耦合空間進(jìn)行仿真計(jì)算，得到相應(yīng)參數(shù)后，再將DR模型代入ADS仿真軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并給出了5.9 GHz介質(zhì)振蕩器設(shè)計(jì)實(shí)例，其性能良好。

1 DRO振蕩器設(shè)計(jì)原理與步驟

采用源極輸出并聯(lián)反饋式電路，其有載Q值高，相位噪聲低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于精確設(shè)計(jì)，并且源極輸出雖然功率較小，但只需單電源，且負(fù)載與諧振電路間存在一定解耦，適合作接收機(jī)本振[1]，如圖1所示。該電路采用源極輸出式，DR同時(shí)耦合于微帶線的兩側(cè)，并且通常采用高增益放大器，允許DR與微帶線間耦合極松，使DR具有一個(gè)較高的有載品質(zhì)因數(shù)值，從而使振蕩器有較低的相位噪聲，這里DR相當(dāng)于一個(gè)帶阻濾波器[2]。

反饋型振蕩器其實(shí)質(zhì)是負(fù)阻型振蕩器，設(shè)計(jì)時(shí)可利用負(fù)阻原理進(jìn)行分析，將振蕩器變換為一個(gè)雙端口網(wǎng)絡(luò)[3]，如圖2所示，如果終端端口滿足了振蕩電路的平衡條件，負(fù)載端口也就自然滿足了平衡條件；反之亦然，即：

圖1 并聯(lián)反饋式DRO電路圖Fig.1 Circuit diagram of parallel-feedback type DRO

圖2 兩端口DRO振蕩器等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of two-ports DRO oscillator

因此兩端口負(fù)阻振蕩電路的設(shè)計(jì)步驟如下：

1）選擇在振蕩頻率下能夠處于非穩(wěn)定狀態(tài)的晶體管。

3）設(shè)計(jì)負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)使其能與等效單端口負(fù)阻網(wǎng)絡(luò)ZIN滿足振蕩條件，選擇合適的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)以獲得最大的功率輸出。

基于以上理論，使用ADS軟件設(shè)計(jì)和仿真負(fù)阻器件，以滿足起振條件，即>1，并且設(shè)計(jì)諧振器電路以滿足穩(wěn)定振蕩條件，即式（1）和式（2）。最后將負(fù)阻器件和諧振電路這兩部分電路合并，用諧波平衡法對(duì)整個(gè)電路的性能在ADS中進(jìn)行仿真。

2 介質(zhì)諧振器（DR）的建模

介質(zhì)諧振器是由一小段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的圓形、矩形或環(huán)形低損耗高介電常數(shù)且高Q的、對(duì)溫度變化穩(wěn)定的介質(zhì)波導(dǎo)制成的，介質(zhì)諧振器的諧振頻率主要取決于它的幾何尺寸及其周?chē)h(huán)境。使用時(shí)，常將它置于波導(dǎo)內(nèi)或微帶線基片上。孤立的介質(zhì)諧振器諧振頻率（單位為GHz）由式（3）給出。

式中，a為諧振器半徑（mm），H 為高度（mm）。 當(dāng) 0.5<<2，30<εr<50 時(shí)，式（3）的精度約為 2%。

為了進(jìn)行振蕩器的設(shè)計(jì)，需要用S參數(shù)來(lái)描述DR的特性，在諧振頻率附件，微帶線與圓柱諧振器之間的電場(chǎng)耦合可以等效為一個(gè)并聯(lián)RLC電路。在本設(shè)計(jì)中我們利用仿真軟件HFSS精確計(jì)算DR以及其與微帶線耦合的空間的三維場(chǎng)，并可以提取模型得到s2p文件[3]，此s2p文件則代表了介質(zhì)反饋網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)模型，將此文件代入ADS軟件進(jìn)行電路優(yōu)化設(shè)計(jì)和非線性分析，這種方法代替了近似電路仿真，從而使振蕩器的設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確。利用HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)的DR仿真模型如圖3所示，其仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)的DR仿真模型Fig.3 Simulation model of DR by HFSS

在實(shí)際選取介質(zhì)諧振器時(shí)應(yīng)考慮到生產(chǎn)廠家具體模具的尺寸，從而選取合適的尺寸。本設(shè)計(jì)介質(zhì)諧振器尺寸為：圓柱形介質(zhì)塊，D=9.02 mm，H=5.00 mm，h=10.20 mm，εr=36，其中D為介質(zhì)塊半徑，H為其高度，h為介質(zhì)塊頂部到諧振腔的距離。一般情況，腔體的寬度為3～5倍的介質(zhì)直徑、高度為2～3倍介質(zhì)的高度時(shí)，可以保證DRO可靠起振[4]。對(duì)于介質(zhì)諧振器的諧振頻率通常應(yīng)比所要設(shè)計(jì)的頻率低50～100 MHz，在應(yīng)用時(shí)，如果諧振頻率偏低則可以輕微磨介質(zhì)諧振器的高度，如果諧振頻率偏高則必須由生產(chǎn)廠家來(lái)調(diào)整。

圖4 HFSS仿真軟件設(shè)計(jì)的DR仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of DR by HFSS

3 DRO仿真電路設(shè)計(jì)

3.1 靜態(tài)偏置電路

在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，必須選擇合適的場(chǎng)效應(yīng)管并給其提供合適的直流偏置。在ADS元件庫(kù)中找到各器件模型，利用直流仿真器確定場(chǎng)效應(yīng)管的配置電路[5]。

3.2 負(fù)阻電路

在設(shè)計(jì)偏置電路之后，將場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)建為一個(gè)漏極容性反饋電路。負(fù)阻部件是通過(guò)DR同時(shí)與柵極和漏極的兩根微帶線進(jìn)行耦合，對(duì)GaAs FET進(jìn)行漏極電容性反饋實(shí)現(xiàn)的。仿真電路采用單電源設(shè)置FET的Vds和Id。在漏極加入負(fù)阻器件使FET產(chǎn)生負(fù)阻，可以通過(guò)晶體管的柵極的反射系數(shù)幅度來(lái)確定，使 S（1，1）的幅值大于 1，通常要大于 1.2，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管的源極輸出端接50 Ω的負(fù)載阻抗。加入反饋網(wǎng)絡(luò)后，晶體管滿足了不穩(wěn)定條件，然后通過(guò)其不穩(wěn)定區(qū)域來(lái)設(shè)計(jì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，至此負(fù)阻部件的設(shè)計(jì)完成。

3.3 完整電路

將介質(zhì)諧振器與負(fù)阻部件通過(guò)OSC_PORT相連接便構(gòu)成了振蕩器的完整電路，在所期望的振蕩頻率上以下兩個(gè)條件同時(shí)需要得到滿足：

1）存在剩余負(fù)阻；

2）總電抗為零。

剩余負(fù)阻是振蕩器建立振蕩器的需要，當(dāng)負(fù)載獲得振蕩電路最大功率輸出時(shí)，負(fù)載實(shí)部阻抗應(yīng)為負(fù)阻器件實(shí)部阻抗的三分之一。在仿真過(guò)程中，使用ADS中的S參數(shù)仿真器得到電路的輸入阻抗。在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還需要調(diào)整介質(zhì)諧振器與振蕩場(chǎng)效應(yīng)管的正確位置。給部件建立模型時(shí)必須注意它們的寄生參數(shù)會(huì)使得最終的振蕩器特性的寄生響應(yīng)增加，例如3次諧波對(duì)最終振蕩電路的影響，然而通過(guò)精細(xì)設(shè)計(jì)這些網(wǎng)絡(luò)與部件的參數(shù)，最終振蕩電路的性能不會(huì)受到很大的影響[6]。

利用ADS軟件的諧波平衡分析方法，可以得到以下的仿真結(jié)果：在5.9 GHz的頻率上，其輸出功率超過(guò)9 dBm，相位噪聲為-125 dBc/Hz＠10 kHz，-145 dBc/Hz＠100 kHz。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

在本設(shè)計(jì)中，基板板材介電常數(shù)9.6，F(xiàn)ET選擇采用三菱公司的場(chǎng)效應(yīng)管MGF1801進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)偏置使其工作在Vds=6 V，Id=100 mA的工作點(diǎn)上。不加介質(zhì)塊時(shí)，應(yīng)不產(chǎn)生振蕩或者振蕩頻率遠(yuǎn)離所需振蕩頻率；加上介質(zhì)塊后，蓋上諧振腔蓋板后，調(diào)節(jié)螺桿，如果螺桿向下旋進(jìn)時(shí)頻率增加，則說(shuō)明介質(zhì)塊的諧振頻率牽引住了電路的自激頻率，此時(shí)可以調(diào)整到所需振蕩頻率，如果螺桿向下旋進(jìn)時(shí)頻率減小或時(shí)增時(shí)減，則說(shuō)明介質(zhì)塊的諧振頻率沒(méi)有牽引住電路的自激頻率，應(yīng)調(diào)整介質(zhì)塊的位置；當(dāng)調(diào)至所需頻率后，再看頻率是否穩(wěn)定，此時(shí)振蕩頻率應(yīng)在所需頻率處有小范圍地上下浮動(dòng)。通過(guò)調(diào)試可以得到以下的測(cè)試結(jié)果：圖5所示為并聯(lián)反饋型結(jié)構(gòu)DRO的實(shí)物圖，圖6所示為DRO的輸出功率測(cè)試結(jié)果和100 kHz時(shí)的相位噪聲測(cè)試結(jié)果。在5.9 GHz的頻率上，其輸出功率超過(guò)10 dBm，相位噪聲為-100 dBc/Hz＠10 kHz，-124 dBc/Hz＠100 kHz，頻率穩(wěn)定度為 8.4×10-6。

圖5 并聯(lián)反饋型結(jié)構(gòu)DRO實(shí)物圖Fig.5 Material DRO of parallel-feedback type

圖6 輸出功率、100 kHz時(shí)相位噪聲Fig.6 Output power and phase noise at 100 kHz

5 結(jié)束語(yǔ)

在負(fù)阻原理的基礎(chǔ)上，利用HFSS和ADS軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款頻率為5.9 GHz的介質(zhì)振蕩器，其性能良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。與傳統(tǒng)的等效電路設(shè)計(jì)方法相比，該方法更為快捷、簡(jiǎn)單，該形式的振蕩器簡(jiǎn)單、便于調(diào)試，對(duì)于雷達(dá)接收機(jī)本振的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

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