C波段DRO的設(shè)計(jì)

莊緒德

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

頻率源廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈、雷達(dá)以及通信系統(tǒng)中。其中介質(zhì)振蕩器（DRO）因其功耗小、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、抗振性能好，且具有較低的相位噪聲和較高的溫度穩(wěn)定性，是頻率源中應(yīng)用最為廣泛的一種。

DRO中較為常用的兩種電路形式為并聯(lián)反饋式和反射式，相對于并聯(lián)反饋式電路，反射式具有設(shè)計(jì)簡單、調(diào)試容易等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種振蕩頻率為5.XX GHz的DRO，采用場效應(yīng)管的共源極接法，并在基極串聯(lián)特定長度的微帶線與介質(zhì)耦合，組成反射式電路結(jié)構(gòu)。

2 介質(zhì)諧振器

介質(zhì)諧振器（DR）的材料對其性能有著決定性的影響[1]。衡量其性能的指標(biāo)主要有3個：Q值、頻率溫度系數(shù)τf和介電常數(shù)εr。為達(dá)到高的Q值，要求介質(zhì)諧振器材料對微波必須有低的介質(zhì)損耗；為使振蕩器不受環(huán)境溫度的影響，維持穩(wěn)定的振蕩頻率，要求介質(zhì)諧振器有合適的頻率溫度系數(shù)；為使電磁能量盡可能地集中在諧振器中，應(yīng)使諧振器材料的介電常數(shù)盡可能高，只有滿足了上述3種條件的材料才適合用作振蕩電路中的諧振器。

本文使用圓柱型DR，其諧振頻率的估算公式為：

式中D是DR的半徑（mm），L是DR的高度（mm），εr是相對介電常數(shù)。利用該式，在滿足0.5＜D/L＜2和30＜εr＜50的情況下其計(jì)算精度可達(dá)2%。且只要選取L/D小于0.7或D/L大于1.4就可以保證諧振器的最低次模為TE10δ模[2]。

3 反射式振蕩器理論

反射式DRO的電路結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，這種DRO由選頻網(wǎng)絡(luò)、有源網(wǎng)絡(luò)及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)組成，此處選頻網(wǎng)絡(luò)由DR耦合單微帶線來完成，對來自三極管的特定頻率進(jìn)行反射。

圖1 反射式DRO的電路結(jié)構(gòu)原理圖

圖1中B-B’處等效電路如圖2所示。

圖2 介質(zhì)與微帶線的耦合等效電路

其中Rr、Lr、Cr是介質(zhì)諧振器的等效參數(shù)，Lm等效諧振器與微帶線的磁耦合。由圖2可得在B-B’處的反射系數(shù)：

式中β為耦合系數(shù)，Q0為DR無載品質(zhì)因數(shù)，f0為DR無載諧振頻率，f為工作頻率。

式中 θ=2πL1/λg，λg為微帶內(nèi)波長。

再考慮到由參考面A-A’處向三極管看入的輸入反射系數(shù)：

則DRO應(yīng)滿足下列穩(wěn)定振蕩條件

綜合式（2）、式（3）、式（4）、式（5）并分解成實(shí)部和虛部后可得：

此式即DRO穩(wěn)定振蕩的幅相條件。

4 DRO的設(shè)計(jì)過程及結(jié)果

反射式振蕩器從起振到建立穩(wěn)定振蕩的過程是一個非線性過程，不利于精確設(shè)計(jì)，但它本質(zhì)上是一個負(fù)阻型振蕩器，設(shè)計(jì)時(shí)可以使用負(fù)阻理論進(jìn)行分析。文中使用的DR為中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所生產(chǎn)，其介電常數(shù)為37±1，Q值大于4 000，溫度系數(shù)（3±1）×10-6℃-1，直徑為10.1 mm，高度為4.1 mm。具體設(shè)計(jì)過程如下。

4.1 電路結(jié)構(gòu)選擇

本文為反射式DRO，為獲得較大的輸出功率，選用共源極電路結(jié)構(gòu)，通過源極串聯(lián)一段微帶開路線的方式來提供容性正反饋以增大有源器件的負(fù)阻，從而滿足振蕩條件。

4.2 小型化設(shè)計(jì)

振蕩器頻率處于C波段，該波段的電尺寸較大，因此導(dǎo)致振蕩器的體積也較大，為獲得較小的外形尺寸，采取了以下措施：

（1）選用合適的電路基片。在此我們選用厚0.5 mm的氧化鋁陶瓷基片，介電常數(shù)為9.6，該基片在所需頻率的電長度與所選DR的尺寸較為匹配，且偏置電路中的電阻可通過薄膜工藝直接制作到氧化鋁陶瓷基片上，進(jìn)一步縮小電路尺寸。

（2）選用合適的振蕩管及功率放大器。通過對比，選用日本三菱公司的MGF1801B作為振蕩器的有源器件，它是一款中功率GaAs FET，輸出功率適中，無需另加放大電路即可滿足要求。

（3）在偏置電路設(shè)計(jì)及輸出匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮、合理布局，使其在滿足電性能的基礎(chǔ)上占用較小的空間。

以上各種措施保證了DRO具有較小的尺寸。

4.3 偏置電路設(shè)計(jì)

采用單電源供電的偏置結(jié)構(gòu)，結(jié)合MGF1801B管子參數(shù)，可以確定偏置電路中電阻阻值，電路中采用1/4波長的高低阻抗線來隔離高頻分量，提高其穩(wěn)定性。

4.4 匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)非常重要，它關(guān)系到振蕩器輸出功率，若失配嚴(yán)重也會影響振蕩器的穩(wěn)定性。一般情況下振蕩器負(fù)載固定為50 Ω電阻，根據(jù)功率輸出最大原則，負(fù)載阻抗和輸出端等效阻抗應(yīng)滿足以下關(guān)系[3]：

另外，該DRO輸出端采用單定向耦合器，增加了一個支路輸出。調(diào)試過程中通過調(diào)整DR與振蕩管柵極微帶線的耦合距離及耦合度即可得到穩(wěn)定的信號輸出，通過調(diào)整DR的高度即可獲得所需頻率。

圖3為DRO實(shí)物照片，由實(shí)物圖可見該方案電路簡單，僅有1個FET、一個DR及幾個電阻、電容，且其尺寸較小，體積僅為20 mm×30 mm×12 mm。

圖3 DRO實(shí)物

使用羅德·施瓦茨的FSU型頻譜分析儀對所制作DRO的輸出信號進(jìn)行了測試，結(jié)果見圖4。其偏離載頻10 kHz的單邊帶相位噪聲約為-106 dBc/Hz，振蕩器的其余電性能指標(biāo)測試的結(jié)果為：輸出頻率為5.XX GHz，主路輸出功率為18.7 dBm，耦合支路輸出功率為8.6 dBm。

5 結(jié)束語

本文對反射式振蕩器進(jìn)行了分析，簡要介紹其設(shè)計(jì)過程，并著重進(jìn)行了小型化設(shè)計(jì)。由于諧振器離腔體壁距離太小容易感生較大的表面電流，會極大地降低電路的Q值，而諧振頻率為C波段的諧振器又具有較大的尺寸，如何在狹小的金屬腔內(nèi)避免因空間太小造成電路狀態(tài)的下降是個難題。文中使用了常用的諧振器、電路基片及元器件，在有限的空間內(nèi)合理布局，使振蕩器具有了較小的外形尺寸，在工藝實(shí)現(xiàn)過程中為避免金屬殼體與電路基片的熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致基片開裂，在基片下增加了柯伐襯底作為過渡，以提高其溫度適應(yīng)性。

圖4 DRO頻譜圖

另外，選取更高介電常數(shù)的諧振器和電路基片可以進(jìn)一步減小振蕩器的尺寸；選取具有較低噪聲系數(shù)及閃爍噪聲的器件、具有較高無載品質(zhì)因數(shù)Q0的DR可進(jìn)一步降低振蕩器的相噪，需要注意的是調(diào)試時(shí)DR與微帶線耦合過緊也容易導(dǎo)致DRO相噪惡化。

[1] 費(fèi)元春. 微波固態(tài)頻率源——理論·設(shè)計(jì)·應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1994.

[2] 顧其諍. 介質(zhì)諧振微波電路[M]. 北京：人民郵電出版社，1986.

[3] 曲燕霞，唐宗熙，張彪. C波段介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)[J]. 電訊技術(shù)，2007.