背景

随着现代通信产业的发展， 通信系统对本振源的性能也提出了越来越高的要求。寻求低相噪和高稳定度的本振源成了主要的发展趋势。对于 X 波段的高性能点频源， 工程上采用的多是介质振荡器( DRO) 。通过使用高 Q 值的介质谐振器作为振荡器的稳频元件来达到低相噪， 高稳定度的要求。但是作为介质振荡器的一个必备部分， 介质谐振器需要用粘合剂粘在介质基片上， 这就给介质振荡器的稳定工作带来了隐患。由于外部工作环境的变化，可能造成介质谐振器脱落而使得振荡器停振， 导致系统出现故障。因此研究和设计能够稳定工作在微波毫米波频段的高性能振荡器具有十分重要的工程意义。

频率源是通信、雷达、仪器、空间电子设备以及电视等电子设备的心脏 ,其性能的好坏直接影响到系统的性能指标。 随着雷达和无线通信行业的不断发展 ,系统对本振源的性能也提出了越来越高的要求 ,寻求低相噪和高稳定度的本振源成了主要的发展趋势。 而 S波段是数字通信系统工作的主要频段之 一 ,因此研究和设计工作于 S波段的低相噪振荡器具有十分重要的意义。介质谐振器是一种被广泛应用于 L波段至毫米波波段微波器件的高 Q元件。 在实际应用中 ,介质谐振器一般分为圆柱和同轴介质谐振器两种 ,对于 X波段至毫米波段的振荡器一般采用的是圆柱介质谐振器 ,而在 L至 C波段 ,由于圆柱介质谐振器的体积过大 ,所以更多采用同轴介质谐振器作为低相噪振荡器的稳频元件。作为介质振荡器的一个必备部分 ,圆柱介质谐振器需要用粘合剂粘在介质基片上 ,这就给介质振荡器的稳定工作带来了隐患。 由于外部工作环境的变化 ,可能造成介质谐振器脱落而使得振荡器停振 ,导致系统出现故障。 而同轴介质谐振器是直接焊接在电路板 ,可靠性和稳定性都得到很大的提高。

基片集成波导 ( SIW) 是近年来提出的一种微波毫米波传输结构。它具有高 Q 值、低损耗、低成本和平面化等优点， 基于这种技术的各种微波毫米器元器件也得到了快速的发展。采用基片集成波导谐振器来进行介质振荡器的设计， 利用了其高 Q 值， 平面化， 易于仿真加工以及调试工作量小的优点。研制成功的工作于 X 波段的介质压 控 振 荡 器 各 项 性 能 指 标 良 好。工 作 频 率 为7 GHz， 具有 30 MHz 的调谐带宽， 并且在工作频带内， 输出功率不小于 7 dBm， 谐波抑制度不小于22 dBc， 偏离中心频率100 kHz 处的相位噪声优于－ 106 dBc /Hz。

同轴介质压控振荡器设

同轴介质谐振器理论同轴介质谐振器一般分为两种: 一种是长度为λ/4的谐振器 ,λ为谐振波长 ,其一个端面短路且内外腔体表面均金属化 ,另一个端面开路 ,同时在开路端 ,有一个从内表面伸出的金属探头 ,用于与电路基片进行焊接 ;另一种是长度为λ/2的谐振器 ,其两个端面均开路 ,内外腔体表面金属化。 相比较而言 ,λ/2同轴介质谐振器由于两端都开路导致辐射损耗大 , 所以不常使用 ,通常使用的是λ/4同轴介质谐振器。

根据传输线理论 ,λ/4同轴介质谐振器的输入阻抗 Zin由 ( 1)式表示:Zin = j Z0tg ( 2πL /λ g ) ( 1)。式中 Z0 为谐振器的特性阻抗 ,L 为谐振器的长度 ,λ g为谐振器中的波长。 当满足 Zin= ∞的条件时 ,谐振器发生谐振。 即:2πL /λ g = ( 2n - 1)π/2 n = 1, 2, 3… ( 2)。当 n= 1时 ,由 ( 2)式可得L min = λ g /4 ( 3)。此时即为λ/4同轴介质谐振器。 由 ( 3)式可得λ/4同轴介质谐振器谐振频率的计算公式为:f r = c /( 4Lmin X r ) ( 4)式中 c为光速 ,X r 为介质谐振器的介电常数。选用介电常数X r= 20的介质材料 ,由 ( 4)式可计算得文中需要设计的 2. 1 GHz同轴介质谐振器的长度 L= 7. 98 mm。串联反馈振荡器理论及工作原理为了把介质谐振器引入到微波集成电路中使其发挥作用 ,工程中一般采用的方法有两种: 一种是将介质谐振器加入到已知的振荡器中 ,起到稳频的作用;另一种是将介质谐振器作为振荡器设计中的一部分 ,构成振荡器预设置频率的元件。文中设计的同轴介质振荡器采用的是第二种方法 ,即将同轴介质谐振器作为构成振荡器预设置频率的元件。 由于设计的振荡器工作在 S波段 ,很多低频振荡器的设计理论已不再适用 ,所以采用串联反馈振荡器理论来进行同轴介质振荡器的设计。串联反馈振荡器的原理可分为谐振网络、有源网络、输出匹配及负载网络三部分。其中有源网络由晶体管构成 ,利用晶体管本身的不稳定性或利用外部元件扩大其不稳定区域 ,可以使得有源网络在所需频段对外呈现负阻状态。 而产生稳定振荡的条件为: ΓS( A ,k)Γ in ( A ,k) = 1 ( 5)。同时 ,在有源网络和负载网络之间 ,通过设计合理的输出匹配网络 ,使得振荡器满足最大功率输出的条件:Re [Z L ] = - Re [Zout ] ( 6)。Im [ZL ] = - Im [Zout ] ( 7)。式中 ZL和 Zout分别为向有源网络和输出匹配网络方向看去的输入阻抗。

同轴介质压控振荡器设计根据串联反馈振荡器理论分析可知 ,同轴压控振荡器的设计应包含三个部分: 同轴介质谐振器及调谐部分 ,有源晶体管部分 ,输出匹配部分。首先根据同轴介质谐振器的理论 ,计算得到所需同轴谐振器的尺寸 ,并在电磁仿真软件 HFSS中建立仿真模型。

因为同轴介质谐振器中用于焊接的金属探头是接地的 ,所以在实际使用时需要通过一个基片电容来实现同轴介质谐振器与外电路的耦合。 在仿真模型建立时 ,也添加了基片电容模型 ,采用的是介电常数X r= 9. 9的陶瓷基片。将 HFSS的仿真结果以 S 参数文件格式导出 ,并以 S2P的文件格式导入高频电路仿真软件 ADS中 ,根据串联反馈振荡器的设计理论 ,进行振荡器的起振仿真。 文中采用的振荡管为具有更好转折频率 ( 1 /f )噪声的 B JT管 ,型号为 AT32032。通过选择合适的振荡管偏置电压 ,并调整输出匹配网络 ,使得基极端口的反射系数 S 11幅值大于 1,即有源网络呈现负阻特性。 最后将谐振网络与有源网络组合在一起 ,微调尺寸参数 ,使其满足振荡器起振条件 ,同时优化输出功率 ,相位噪声以及谐波抑制度等指标。为了实现更大的调谐范围和调谐线性度 ,采用两个二极管对 ,即四个二极管反向串联的方式组成调谐回路 ,变容管型号为 SMV 1233。 同时为了减弱负载对振荡频率的牵引效应 ,在振荡器的输出端增加了一个隔离放大器 ,采用的晶体管同样为AT32032。

基片集成波导压控振荡器设计

串联反馈式振荡器理论串联反馈式振荡器的本质是负阻振荡器， 可以用负阻理论来进行分析和设计。负阻振荡器可分为谐振网络、有源网络、输出匹配及负载网络三部分。图中 ΓS， Γin， Γout 和 ΓL为各网络的反射系数， 且均为幅度 A 和频率 ω 的函数。

有源网络主要由晶体管构成， 利用晶体管本身的不稳定性或利用外部元件扩大其不稳定区域， 可以使得有源网络在所需频段对外呈现负阻状态。当谐振网络与有源网络之间的反射系数满足稳定振荡的条件时， 将产生稳定的振荡信号输出。

基片集成波导理论及谐振器设计基片集成波导是在介质基片上形成的波导传输结构， 由左右两排金属化通孔、上下两层金属面以及填充介质构成。基片集成波导的两排金属化通孔构成波导的窄边， 上下两层金属面构成波导的宽边， 电磁波在左右两排金属化通孔和上下金属面之间的填充介质区域内传输， 形成类似于金属波导的电磁场分布结构。

采用的谐振器为圆柱形基片集成波导谐振器， r 为谐振器半径， d 为金属化过孔的直径， p 为相邻金属化过孔之间的距离。其中金属化过孔的直径 d 在 1 /18 ～1 /20 波导波长范围内取值， 而相邻两孔之间的距离 p 应小于等于两倍的过孔直径。根据金属圆柱形谐振腔的三种常用模式 TE111，TM010， TE011的形成条件及场结构可知， 圆柱形基片集成波导谐振器的高度 h < 2. 1r， 满足 TM010为主模的条件。TM010 模的电场和磁场分布主要集中于中心轴附近和圆柱壁附近。

因为基片集成波导结构的下表面接地， 同时上下表面通过金属化过孔相连接， 所以不能直接在基片集成波导表面上加载变容二极管所需的偏置电压。因此本文通过在圆柱形基片集成波导谐振腔中挖去一个圆环结构的方法来构成变容二极管的偏置加载位置， 同时构成变容管的耦合结构。由于考虑到变容二极管加入后等效为并联接入一个电容， 这将使谐振腔的谐振频率下降， 所以设计的不加载变容二极管的圆柱形基片集成波导谐振器的谐振频率要适当大于所需谐振器频率。设计时， 可适当增大变容管耦合结构离谐振器中心的距离， 这样将减小变容管的接入系数， 提高谐振器的 Q 值。

基片集成波导压控振荡器设计及仿真根据负阻振荡器理论分析可知， 串联反馈式压控振荡器的设计应包含三个部分: 谐振器部分、有源晶体管部分和输出匹配部分。首先根据上节理论， 设计得到所需谐振频率的基片集成波导谐振器， 然后将谐振器模型导入高频仿真软件 ADS 的 2. 5 维仿真器 Momentum 中进行场仿真。通 过 ADS 中 的 layout look-alike 功 能， 将Momentum中的模型导入 Schematic 中， 这样就可以进行谐振器与变容管的联合仿真。

在得到谐振器的仿真结果后， 将谐振器与有源晶体管部分一起进行振荡器的起振设计。采用的振荡管为 GaAs FET 管， 型号为 MGF1801。设计时， 首先通过选择合适的振荡管偏置， 并调节源极开路线的长度， 使得栅极端口的反射系数 S11 幅值大于 1， 即有源网络呈现负阻特性， 当有源网络与谐振器网络满足振荡条件公式后， 振荡管将产生稳定振荡信号， 然后使用渐变线进行输出匹配网络的设计， 以满足功率和谐波抑制度等指标的设计要求。为了保证仿真设计的准确性， 在进行了起振仿真后， 将整体模型导入到 Momentum 中， 并再次利用 ADS 的联合仿真功能， 进行振荡器的整体起振仿真， 得到振荡频率、输出功率、谐波抑制度和相位噪声等指标的仿真结果。

分析串联反馈式振荡器理论以及基片集成波导理论， 运用高频电磁仿真软件， 仿真设计了一个工作于 X 波段的压控振荡器。设计的基片集成波导压控振荡器具有工作稳定性高， 平面化以及成本低的优点。因为基片集成波导谐振器的面积将随频率的升高以及介质基片的介电常数的增大而减小， 所以采用高介电常数的基片， 将使得基片集成波导振荡器具有更小的面积。同时， 选用低介质损耗的基片， 将提高谐振器的 Q 值， 从而进一步改善振荡器的相位噪声。此结构的振荡器设计能够充分利用高频 CAD软件的功能， 保证了设计的可靠性和准确性， 减小了后期调试的工作量。对于 Ku 及以上频段的微波毫米波振荡器来说， 基于基片集成波导谐振器的振荡器设计将具有很好的应用前景。由实测的结果可知， 振荡器的各项性能指标表现优良， 符合大部分通信系统对高性能本振点频源的要求。