S波段負(fù)阻振蕩器的設(shè)計(jì)

陳營(yíng)營(yíng)，馬 偉

(西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所 神舟學(xué)院，陜西 西安 710000)

S波段負(fù)阻振蕩器的設(shè)計(jì)

陳營(yíng)營(yíng)，馬 偉

(西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所 神舟學(xué)院，陜西 西安 710000)

振蕩器是通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著重要影響。文中介紹了利用負(fù)阻原理設(shè)計(jì)2.425GHz振蕩器的方法。根據(jù)負(fù)阻原理，使用Agilent公司的ADS軟件，采用S參數(shù)仿真和諧波分析方法，對(duì)振器振蕩器進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真結(jié)果加工了振蕩器，并用頻譜儀對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和分析。測(cè)得相位噪聲為-122 dBc/Hz@100 kHz，諧波抑制為23.6 dB，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

振蕩器；負(fù)阻；諧波平衡；相位噪聲；諧波抑制

振蕩器是頻率源的關(guān)鍵部件，其性能對(duì)整個(gè)頻率源的性能有著重要影響[1-2]。 隨著通信和微波技術(shù)的發(fā)展，對(duì)頻率源的性能要求也越來(lái)越高。因此，設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的振蕩器必要的。由于振蕩器的非線性特性，振蕩器的設(shè)計(jì)難以找到較精確的模型來(lái)分析，從而加大了振蕩器的設(shè)計(jì)難度。本文根據(jù)負(fù)阻原理，利用諧波平衡法設(shè)計(jì)振蕩器，并對(duì)振蕩器的輸出頻譜、非線性噪聲進(jìn)行了分析。

1 負(fù)阻原理

微波振蕩器是通過(guò)諧振電路與微波半導(dǎo)體器件的相互作用，將直流功率轉(zhuǎn)換成射頻功率的裝置。按工作原理可分為反饋式振蕩器與負(fù)阻式振蕩器兩大類[3]。負(fù)阻振蕩器，主要由確定頻率的無(wú)源正阻諧振電路(耗能部分)和有源負(fù)阻電路(供能部分)構(gòu)成。單端口負(fù)阻振蕩器的工作原理如圖1所示。圖中，ZL=RL+XL是負(fù)載阻抗(R代表電阻，X代表電抗)。RL對(duì)應(yīng)耗能部分，即RL>0。Zin=Rin+Xin是有源電路的輸入阻抗，對(duì)應(yīng)供能部分。

根據(jù)基爾霍夫(Kirchhoff)電壓定律

(Zin+ZL)I=0

(1)

振蕩器在諧振頻率點(diǎn)附近存在有限非零電流I，那么有Zin+ZL=0。將此方程的實(shí)部和虛部分開，則可以得到振蕩條件

Rin+RL=0

(2)

Xin+XL=0

(3)

圖1 負(fù)阻振蕩器原理框圖

由于RL>0，故RIN<0?？紤]到有源器件的非線性特性，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，為取得振蕩器的最大功率輸出，通常取Rin=-3RL，式(3)決定了諧振頻率[4]。

2 電路結(jié)構(gòu)

2.1 直流偏置網(wǎng)絡(luò)

偏置網(wǎng)絡(luò)用于設(shè)置晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)，靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇對(duì)振蕩器的輸出功率和相位噪聲有著重要影響[5]。根據(jù)0 dBm的輸出功率要求以及應(yīng)盡可能降低相噪，確定直流工作點(diǎn)為IC=18 mA，VCE=4.5 V。

雙極晶體管的偏置網(wǎng)絡(luò)有無(wú)源網(wǎng)絡(luò)和有源網(wǎng)絡(luò)兩大類型。為達(dá)到小型化的目的，選用無(wú)源偏置網(wǎng)絡(luò)[6]。根據(jù)選定的靜態(tài)工作點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算并借助ADS軟件的優(yōu)化，最終得到直流偏置網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。其中，R1和R2為基極分壓電阻，R3為集電極電阻，R4為射極反饋電阻。IC=18.5 mA，VCE=4.6 V。結(jié)合工程實(shí)際中的標(biāo)準(zhǔn)電阻值，確定4個(gè)電阻的阻值分別為R1=3 900 Ω，R2=3 300 Ω，R3=100 Ω，R4=300 Ω。

圖2 直流偏置網(wǎng)絡(luò)圖

2.2 負(fù)阻電路結(jié)構(gòu)

雙極晶體管BJT一般采用共基極和共發(fā)射極組態(tài)[7]，在頻率較低處選用共基極組態(tài)，當(dāng)頻率達(dá)到射頻高端時(shí)，選用共發(fā)射極組態(tài)更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的振蕩。本文2.425 GHz單頻腔體諧振器的設(shè)計(jì)采用共基極的電路形式，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 電路整體結(jié)構(gòu)

C1為基極接地電容。射極電容C2為加載電容，諧振器通過(guò)C2加載到負(fù)阻電路。C2決定了負(fù)阻電路和諧振器之間的耦合度。C2越小，耦合度越小，諧振器的負(fù)載Q值越高，相噪越好，但是輸出功率降低，并且振蕩器在某些情況下難以起振。L1為基極正反饋電感，它決定了負(fù)阻的形成。射極電感L2作為射頻隔離使射極電路呈高阻抗，以保證大部分的能量通過(guò)C2被傳送到諧振器而不是被R1消耗[8]。集電極電容C5可以將直流通量接地，還具有輸出匹配的作用，C4為輸出電容。扇形微帶線具有隔離射頻通路防止射頻信號(hào)進(jìn)入直流通路的作用[9]。

3 振蕩器的仿真設(shè)計(jì)3.1 小信號(hào)仿真

當(dāng)電路處于不穩(wěn)定狀態(tài)，即K<1時(shí)，電路可能產(chǎn)生振蕩[10]?？梢酝ㄟ^(guò)“Stabfact”控件來(lái)測(cè)量K值。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)mag(S(1,1))>1.2時(shí)，電路不穩(wěn)定。通過(guò)調(diào)整射頻電路中各分立器件的值，使電路滿足以上要求。測(cè)得Stabfact=-0.863<1，mag(S(1,1))=13.9，說(shuō)明1端口產(chǎn)生較大能量反射。此時(shí)，通過(guò)“Zin”控件測(cè)得電路的輸入輸出阻抗

Zin=(-53.508+j6.581)ΩZout=(-48.344-j10.379)Ε

輸入輸出端均產(chǎn)生較大負(fù)阻，但輸入輸出阻抗的虛部不為零且有較大差距，說(shuō)明輸入輸出端口的匹配狀況并不好。經(jīng)過(guò)調(diào)整C2，C4，C5以及L2，對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，得到較理想的結(jié)果，如圖5所示。

圖4 優(yōu)化后的的參數(shù)

由圖4可知，在諧振頻率附近，穩(wěn)定性系數(shù)為0.144， mag(S(1,1))=686，輸入輸出阻抗

Zin=(-50.127-j0.072)Ω,Zout=(-50.471-j0.209)Ω

輸入輸出端都能產(chǎn)生較大負(fù)阻且虛部接近為0，說(shuō)明電路達(dá)到了較好的匹配狀態(tài)。

3.2 大信號(hào)仿真

3.2.1 瞬時(shí)仿真

瞬時(shí)仿真的結(jié)果是振蕩器的瞬時(shí)輸出，即在某個(gè)時(shí)間段的輸出波形，從輸出波形可以判斷出振蕩器是否能產(chǎn)生波形以及輸出波的振幅。對(duì)波形進(jìn)行傅里葉分析，可以得到這段波形的頻譜圖，從而得到振蕩器的大概的振蕩頻率[11]。

圖5 瞬時(shí)仿真輸出波形及其頻譜分析

在電路中添加“Transient”仿真控件，去掉“Term1”，換成諧振器，去掉“Term2”，在輸出端口接50 Ω電阻作為輸出負(fù)載，對(duì)電路進(jìn)行瞬時(shí)仿真。瞬時(shí)仿真結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)可以看出，振蕩器輸出波形的上下邊緣較為整齊，輸出電壓較穩(wěn)定； 通過(guò)對(duì)m1、m2兩點(diǎn)間的波形進(jìn)行傅里葉分析得到圖5(b)，振蕩頻率約為2.238 GHz。

雖然瞬時(shí)仿真可以得到振蕩器的輸出波形和振蕩頻率，但是振蕩器的相位噪聲很難從瞬時(shí)仿真中看出。

3.2.2 諧波平衡仿真分析

諧波平衡(Homnic Balance，HB)法是研究非線性電路的非線性特性和系統(tǒng)失真的仿真分析法。在諧波平衡仿真器中，非線性系統(tǒng)用時(shí)域描述，線性系統(tǒng)用頻域描述，然后將時(shí)域和頻域通過(guò)傅立葉分析結(jié)合起來(lái)[12]。它將電路狀態(tài)變量近似寫出傅立葉級(jí)數(shù)展開的形式，通常展開項(xiàng)必須取的足夠大，以保證高次諧波對(duì)于模擬結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。

對(duì)振蕩器而言，采用諧波平衡分析的目的就是進(jìn)行大信號(hào)的非線性模擬。通過(guò)它可以模擬振蕩器電路的噪聲分析，確定諧波成分及諧波功率[13]。經(jīng)過(guò)優(yōu)化調(diào)諧，最終得到仿真結(jié)果如圖6所示。

由仿真結(jié)果可知，基波頻率為2.447 GHz，基波輸出功率為7.928 dBm，最大諧波輸出功率為-13.817 dBm，諧波抑制約為21.7 dBc，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。調(diào)頻噪聲為-154.254 dBc/Hz@10 kHz；相位噪聲為-155.425 dBc/Hz@10 kHz。

圖6 諧波平衡仿真結(jié)果

由于電感比電容有更高的電阻性損耗[14]，所以在此類電路中通常避免使用電感。電路對(duì)電感值變化較敏感，實(shí)際應(yīng)用中的分立電感值難以滿足電路需求，所以本文用微帶線代替電感。分立器件之間的聯(lián)接也用微帶線，而微帶線具有阻抗變換的作用，微帶線的引入必然會(huì)改變?cè)斎胼敵龆说淖杩怪?，所以，在借助?jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到這一點(diǎn)。

引入微帶線的過(guò)程，雖然理論上非常簡(jiǎn)單，但由于多處用到微帶線，電路中的變量較多，且考慮到實(shí)際加工對(duì)微帶線加工長(zhǎng)度的規(guī)定，變量的變化范圍應(yīng)符合要求，加上電路比較敏感，其仿真過(guò)程較為復(fù)雜。

4 實(shí)物加工及測(cè)量結(jié)果

實(shí)物加工采用羅杰斯4350基板，由中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第56研究所加工。用Agilent E3649A頻譜儀進(jìn)行相位噪聲、諧波頻率及輸出功率的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 相位噪聲的測(cè)量

圖8 諧波功率的測(cè)量

ADS原理圖仿真是在完全理想的狀態(tài)下進(jìn)行的計(jì)算，沒(méi)有考慮到各種干擾因素和加工精度，實(shí)物加工的測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的差距。

實(shí)測(cè)振蕩器的中心頻率為2.498 GHz，略高于設(shè)計(jì)要求的頻率2.425 GHz，這與諧振器的加工精度有關(guān)。所用諧振器的頻帶特別窄，其諧振頻率決定了振蕩器的振蕩頻率。仿真所用諧振器的S2P文件是從廠家官網(wǎng)下載的數(shù)據(jù)，其中心頻率為2.425 GHz，低于實(shí)際使用的諧振器頻率。

本振蕩器沒(méi)有加鎖相環(huán)，振蕩頻率會(huì)發(fā)生抖動(dòng)[15]，難以測(cè)量偏離中心頻率10 kHz處的相位噪聲，所以只測(cè)量了100 kHz處的相位噪聲，測(cè)量結(jié)果為-122 dBc/Hz@100 kHz?；üβ蕿?.06 dBm，二次諧波的功率為-20 dBm，諧波抑制達(dá)23.6 dB，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

振蕩器是通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著重要的影響。因?yàn)檎袷幤骼昧擞性雌骷姆蔷€性特性，其仿真模型的選擇尤為重要。振蕩器工作時(shí)有源器件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所以振蕩器是非常敏感的。設(shè)計(jì)出較穩(wěn)定的電路結(jié)構(gòu)是必要的，在仿真時(shí)應(yīng)考慮到各極之間的電磁干擾，還要將實(shí)際加工中引入的寄生參量等效到電路中去，這需要一定的工程積累。

[1] John C,Grebenkemper,和新陽(yáng),雷穎蓓.本振相位噪聲及其對(duì)接收機(jī)性能的影響[J].空間電子技術(shù),2009(1):4-13.

[2] 張旭.相位噪聲對(duì)測(cè)控通信系統(tǒng)數(shù)傳性能的影響[J].空間電子技術(shù),2014(1):55-58.

[3] 王子宇.射頻電路設(shè)計(jì)-理論與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[4] 唐學(xué)鋒.低相位噪聲寬帶LC壓控振蕩器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015(11):54-57.

[5] 王穎,馬偉.8.5GHz雙極型晶體管振蕩器的設(shè)計(jì)[J].空間電子技術(shù),2008(4):64-66,97.

[6] 陳君濤.基于SFCR新型介質(zhì)的X波段壓控振蕩器的研究[C].西安:全國(guó)微波毫米波會(huì)議論文集,2009.

[7] 張海挺.4GHz低相噪微波介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)與研究[D].南京:南京郵電大學(xué),2012.

[8] 王紅梅,溫艷兵,王毅剛.C波段高穩(wěn)定陶瓷諧振振蕩器的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,22(3):101-103.

[9] 王培培,田立卿,劉德喜.一種L波段陶瓷振蕩器的設(shè)計(jì)[J].遙測(cè)遙控,2012(4):46-49.

[10] 蔣澤民,閆述.低相噪4.9GHz微帶振蕩器[J].無(wú)線通信技術(shù),2015(4):55-59.

[11] 李鵬亮,馬偉.Ka波段單片壓控振蕩器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014(13):77-80.

[12] 崔本亮.負(fù)阻元件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)[J].電子世界,2014(16):462-463.

[13] 李彪,潘安,李家強(qiáng),等.S波段簡(jiǎn)易壓控振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代雷達(dá),2015(4):65-68,72.

[14] 周文駿,張雪峰,陳建新.具有深度二次諧波抑制的低相位噪聲射頻振蕩器[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2015(4):477-482.

[15] 莊緒德.C波段DRO的設(shè)計(jì)[J].電子與封裝,2015(9):33-35.

Design of S Band Negative Resistance Oscillator

CHEN Yingying , MA Wei

(Shenzhou Collage,CAST-Xi’an Institute of Space Radio Technology,Xi’an 710000,China)

This paper introduced the method of designing a 2.425 GHz oscillator by the principle of negative resistance. Based on the principle, with the help of the ADS software of Agilent company, using theSparameter simulation and harmonic balance analysis method, we designed the oscillator. We processed the oscillator according to the simulation results, moreover, we measured and analyzed it with spectrum analyzer. Phase noise less than -122 dBc/Hz@100 kHz,harmonic suppression more than 23.6 dB.

oscillator;negative resistance;harmonic balance;phase noise;harmonic suppression

2016- 05- 07

陳營(yíng)營(yíng)(1989-)，女，碩士研究生。研究方向：空間微波技術(shù)。馬偉(1960-)，男，研究員，碩士生導(dǎo)師。研究方向：衛(wèi)星通信及應(yīng)用系統(tǒng)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.003

TN751

A

1007-7820(2017)04-011-05