一種推推介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)

張獻(xiàn)武，王增雙，焦世民，表宏章

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引言

介質(zhì)振蕩器（DRO）在微波系統(tǒng)中用來(lái)產(chǎn)生載波信號(hào)或本振信號(hào)，是決定微波射頻系統(tǒng)性能的重要部分，在衛(wèi)星通信、導(dǎo)航等微波方向中均得到了廣泛應(yīng)用。推推介質(zhì)振蕩器不僅可以成倍提高振蕩器的輸出頻率還能提高振蕩器的相位噪聲和帶負(fù)載能力，所以相對(duì)于傳統(tǒng)的介質(zhì)振蕩器具有明顯優(yōu)勢(shì)[1-2]。

國(guó)內(nèi)外文章都有相關(guān)推推介質(zhì)振蕩器的報(bào)道，但是目前大多數(shù)推推介質(zhì)振蕩器，都是采用兩個(gè)獨(dú)立的晶體管，由于兩路分立器件一致性不能保證，導(dǎo)致基波抑制度差、調(diào)試難度大和相位噪聲差等問題[3]。

本文基于GaAs HBT工藝研發(fā)了一款推推DRO負(fù)阻芯片，很好的解決了電路一致性差的問題，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型微帶耦合形式的推推介質(zhì)振蕩器。

1 推推介質(zhì)振蕩器原理

推推介質(zhì)振蕩器能夠有效的提高固態(tài)微波晶體管振蕩器的使用頻率上限，同時(shí)因?yàn)橥仆平橘|(zhì)振蕩器使用的是基波諧振器，而基波諧振器的高Q特性要比諧波諧振器更容易實(shí)現(xiàn)，所以理論上推推式振蕩器比直接輸出頻率為二次諧波的振蕩器具有更好的相位噪聲。

推推介質(zhì)振蕩器一般包含三部分：共用介質(zhì)諧振器、兩路諧振負(fù)阻電路、耦合電路。推推振蕩器的基本原理圖如圖1所示。

圖1 推推振蕩器的基本原理圖

在共用介質(zhì)諧振器的作用下，兩路子諧振負(fù)阻電路振蕩在相同的頻率，相位差180°，而二次諧波相位相同。因此，通過(guò)耦合電路，因基波和奇次諧波相互差180°，故相互抵消；偶次諧波相位相同，故得到增強(qiáng)[4]。

設(shè)兩個(gè)子諧振電路輸出信號(hào)為：

通過(guò)耦合電路后得到輸出信號(hào)：

當(dāng)時(shí)，上式可得到：

通過(guò)公式（4）可以得出，基波和奇次諧波相互抵消，而偶次諧波得到增強(qiáng)。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 振蕩器芯片設(shè)計(jì)

本文基于GaAs HBT工藝，將圖1中兩路諧振負(fù)阻和耦合電路用一款推推負(fù)阻芯片進(jìn)行替代，有效的解決了現(xiàn)有推推介質(zhì)振蕩器一致性差和調(diào)試難度大燈問題。異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)具有速度快、1/f噪聲低、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、閾值電壓均勻、單電源供電、不容易被靜電燒毀、優(yōu)良的高低溫特性和抗輻照性能等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)的微波毫米波振蕩的三端器件。上述優(yōu)點(diǎn)使得HBT工藝具有其較小的尺寸和較高的工藝精度，使得其器件的一致性好，提取模型的準(zhǔn)確度較高，非常適合推推振蕩器負(fù)阻芯片的設(shè)計(jì)[5]。

當(dāng)有源晶體管提供的能量正好等于無(wú)源器件所消耗的能量時(shí)，電路就會(huì)持續(xù)振蕩。此時(shí)有源器件可以等效為一個(gè)負(fù)的電阻與一個(gè)電抗元件的串聯(lián)，負(fù)阻模型公式為：

通過(guò)圖1和負(fù)阻理論可知，推推介質(zhì)振蕩器需要兩路有源器件，構(gòu)成兩個(gè)完全相同振蕩負(fù)阻電路來(lái)提供共用介質(zhì)消耗的能量。推推負(fù)阻電路如圖2所示，電路中有兩個(gè)負(fù)阻在介質(zhì)諧振器作用下生成頻率相同，相位差180°的振蕩信號(hào)。

圖2 推推負(fù)阻芯片電路

推推負(fù)阻電路采用三極管基極調(diào)諧形式，通過(guò)調(diào)諧發(fā)射極到地電容來(lái)調(diào)諧負(fù)阻范圍，最后通過(guò)兩路發(fā)射極耦合輸出。利用電路仿真軟件，通過(guò)改變電路各個(gè)器件的參數(shù)，負(fù)阻可以覆蓋不同的頻率范圍，本文設(shè)計(jì)的負(fù)阻實(shí)部覆蓋8～12.5GHz，可以滿足推推DRO在輸出頻率16～25GHz范圍內(nèi)的振蕩條件。芯片照片如圖3所示。

圖3 推推介質(zhì)振蕩器負(fù)阻芯片

2.2 新型微帶耦合電路設(shè)計(jì)

一般推推介質(zhì)振蕩器中的公用介質(zhì)諧振器耦合的兩條微帶是相互平行的（圖1），但是在實(shí)際工程應(yīng)用中不同頻率的介質(zhì)半徑不同，平行微帶耦合形式不利于調(diào)節(jié)不同半徑介質(zhì)與微帶的距離和耦合程度，而且平行微帶耦合形式也不利于微帶與集成推推負(fù)阻芯片的連接。

本文選用反射型介質(zhì)振蕩電路又稱為串聯(lián)反饋型介質(zhì)振蕩器，是指介質(zhì)諧振器與一根微帶耦合，作為帶阻濾波器接入振蕩管，將諧振頻率點(diǎn)的信號(hào)反射回振蕩管，其余信號(hào)通過(guò)匹配負(fù)載傳輸?shù)降匾酝瓿蛇x頻振蕩的電路形式。本文在平行微帶基礎(chǔ)上，將兩條微帶向相對(duì)的方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，將介質(zhì)左右移動(dòng)可以很方便的調(diào)節(jié)介質(zhì)和微帶的耦合度。

圖4 新型微帶耦合結(jié)構(gòu)示意圖

為了確定微帶旋轉(zhuǎn)的角度和方案的可行性，利用電磁仿真軟件對(duì)新型微帶進(jìn)行仿真，電場(chǎng)圖如圖5所示，可以看出新型結(jié)構(gòu)中的兩條微帶的電場(chǎng)方向是相反的，滿足推推振蕩要求。

考慮電場(chǎng)強(qiáng)度和介質(zhì)的大小最終確認(rèn)旋轉(zhuǎn)角度為30°。圖5中兩條微帶線一端接波端口，另一端接匹配負(fù)載，最終目的是得到兩個(gè)波端口的S參數(shù)，帶到電路內(nèi)進(jìn)行整體仿真設(shè)計(jì)。

圖5 電場(chǎng)仿真圖

2.3 整體仿真

本文將圖5通過(guò)電磁仿真的生成S2P文件,導(dǎo)入到電路仿真軟件中和推推負(fù)阻芯片電路進(jìn)行整體仿真。

通過(guò)仿真得到振蕩器的輸出特性，輸出頻率是22GHz，1/2次諧波抑制大于30dB，相位噪聲是-101.7dBc/Hz@10KHz。推推介質(zhì)振蕩器仿真相位噪聲如圖6所示。

圖6 仿真相位噪聲

目前推推介質(zhì)振蕩器都是采用FET振蕩管，廠家一般不提供大信號(hào)仿真模型，僅能進(jìn)行小信號(hào)的S參數(shù)仿真，這樣導(dǎo)致仿真準(zhǔn)確性較低，且調(diào)試工作量大，一次成功率低，不適合進(jìn)行批量產(chǎn)品的生產(chǎn)。本文基于GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)了一系列推推負(fù)阻芯片，與介質(zhì)諧振器模型聯(lián)合仿真，可以很方便的進(jìn)行推推介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)。

3 測(cè)試結(jié)果

本文基于厚膜工藝完成微帶耦合電路基片的制作，介質(zhì)為陶瓷介質(zhì)，最后基于混合集成電路工藝完成新型推推介質(zhì)振蕩器的整體裝配，最終產(chǎn)品體積為36mm×25mm×12.8mm，產(chǎn)品照片如圖7所示。

圖7 推推介質(zhì)振蕩器產(chǎn)品照片

對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為：工作電壓+5V，電流100mA，在調(diào)諧電壓0～12V條件下，輸出中心頻率：21.97GHz，帶寬：30MHz，相位噪聲：-98dBc/Hz@10kHz，-122dBc/Hz@100kHz，-142dBc/Hz@1MHz

（如圖8所示），分次諧波抑制約28dBc。

圖8 推推介質(zhì)振蕩器測(cè)試相位噪聲曲線

通過(guò)上述測(cè)試可得：測(cè)試結(jié)果跟仿真基本一致，達(dá)到了預(yù)期目的，同時(shí)也驗(yàn)證了本文提出的GaAs HBT負(fù)阻芯片和新型微帶耦合電路相結(jié)合設(shè)計(jì)的推推介質(zhì)振蕩器方案的可行性。

通過(guò)表1可以發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的推推介質(zhì)振蕩器具有相位噪聲低、諧波好及調(diào)試方便等特點(diǎn)。

表1 本文與同類產(chǎn)品性能比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究推推介質(zhì)振蕩器原理，基于GaAs HBT工藝研發(fā)了一款推推負(fù)阻芯片，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型微帶耦合形式的推推介質(zhì)振蕩器。測(cè)試結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的推推介質(zhì)振蕩器中心頻率為21.97GHz，相位噪聲低至-98dBc/Hz@10kHz，-122dBc/Hz@100kHz，-142dBc/Hz@1MHz，對(duì)于振蕩器的低相位噪聲研究有重要意義。