現在業界的研究趨勢是使用同軸介質壓控振盪器結合倍頻技術來逐步替代 X波段甚至更高頻段的圓柱介質振盪器。所以對同軸介質壓控振盪器進行的研究工作具有重要的工程實用意義。
基本介紹
- 中文名：介質壓控振盪器
- 外文名：Medium voltagecontrolled oscillator
背景,同軸介質壓控振盪器設,基片集成波導壓控振盪器設計,
背景
隨著現代通信產業的發展， 通信系統對本振源的性能也提出了越來越高的要求。尋求低相噪和高穩定度的本振源成了主要的發展趨勢。對於 X 波段的高性能點頻源， 工程上採用的多是介質振盪器( DRO) 。通過使用高 Q 值的介質諧振器作為振盪器的穩頻元件來達到低相噪， 高穩定度的要求。但是作為介質振盪器的一個必備部分， 介質諧振器需要用粘合劑粘在介質基片上， 這就給介質振盪器的穩定工作帶來了隱患。由於外部工作環境的變化，可能造成介質諧振器脫落而使得振盪器停振， 導致系統出現故障。因此研究和設計能夠穩定工作在微波毫米波頻段的高性能振盪器具有十分重要的工程意義。
頻率源是通信、雷達、儀器、空間電子設備以及電視等電子設備的心臟 ,其性能的好壞直接影響到系統的性能指標。 隨著雷達和無線通信行業的不斷發展 ,系統對本振源的性能也提出了越來越高的要求 ,尋求低相噪和高穩定度的本振源成了主要的發展趨勢。 而 S波段是數字通信系統工作的主要頻段之 一 ,因此研究和設計工作於 S波段的低相噪振盪器具有十分重要的意義。
介質諧振器是一種被廣泛套用於 L波段至毫米波波段微波器件的高 Q元件。 在實際套用中 ,介質諧振器一般分為圓柱和同軸介質諧振器兩種 ,對於 X波段至毫米波段的振盪器一般採用的是圓柱介質諧振器 ,而在 L至 C波段 ,由於圓柱介質諧振器的體積過大 ,所以更多採用同軸介質諧振器作為低相噪振盪器的穩頻元件。
作為介質振盪器的一個必備部分 ,圓柱介質諧振器需要用粘合劑粘在介質基片上 ,這就給介質振盪器的穩定工作帶來了隱患。 由於外部工作環境的變化 ,可能造成介質諧振器脫落而使得振盪器停振 ,導致系統出現故障。 而同軸介質諧振器是直接焊接在電路板 ,可靠性和穩定性都得到很大的提高。
介質諧振器是一種被廣泛套用於 L波段至毫米波波段微波器件的高 Q元件。 在實際套用中 ,介質諧振器一般分為圓柱和同軸介質諧振器兩種 ,對於 X波段至毫米波段的振盪器一般採用的是圓柱介質諧振器 ,而在 L至 C波段 ,由於圓柱介質諧振器的體積過大 ,所以更多採用同軸介質諧振器作為低相噪振盪器的穩頻元件。
作為介質振盪器的一個必備部分 ,圓柱介質諧振器需要用粘合劑粘在介質基片上 ,這就給介質振盪器的穩定工作帶來了隱患。 由於外部工作環境的變化 ,可能造成介質諧振器脫落而使得振盪器停振 ,導致系統出現故障。 而同軸介質諧振器是直接焊接在電路板 ,可靠性和穩定性都得到很大的提高。
基片集成波導 ( SIW) 是近年來提出的一種微波毫米波傳輸結構。它具有高 Q 值、低損耗、低成本和平面化等優點， 基於這種技術的各種微波毫米器元器件也得到了快速的發展。採用基片集成波導諧振器來進行介質振盪器的設計， 利用了其高 Q 值， 平面化， 易於仿真加工以及調試工作量小的優點。研製成功的工作於 X 波段的介質壓 控 振 盪 器 各 項 性 能 指 標 良 好。工 作 頻 率 為7 GHz， 具有 30 MHz 的調諧頻寬， 並且在工作頻帶內， 輸出功率不小於 7 dBm， 諧波抑制度不小於22 dBc， 偏離中心頻率100 kHz 處的相位噪聲優於－ 106 dBc /Hz。
同軸介質壓控振盪器設
同軸介質諧振器理論
同軸介質諧振器一般分為兩種: 一種是長度為λ/4的諧振器 ,λ為諧振波長 ,其一個端面短路且內外腔體表面均金屬化 ,另一個端面開路 ,同時在開路端 ,有一個從內表面伸出的金屬探頭 ,用於與電路基片進行焊接 ;另一種是長度為λ/2的諧振器 ,其兩個端面均開路 ,內外腔體表面金屬化。 相比較而言 ,λ/2同軸介質諧振器由於兩端都開路導致輻射損耗大 , 所以不常使用 ,通常使用的是λ/4同軸介質諧振器。
同軸介質諧振器一般分為兩種: 一種是長度為λ/4的諧振器 ,λ為諧振波長 ,其一個端面短路且內外腔體表面均金屬化 ,另一個端面開路 ,同時在開路端 ,有一個從內表面伸出的金屬探頭 ,用於與電路基片進行焊接 ;另一種是長度為λ/2的諧振器 ,其兩個端面均開路 ,內外腔體表面金屬化。 相比較而言 ,λ/2同軸介質諧振器由於兩端都開路導致輻射損耗大 , 所以不常使用 ,通常使用的是λ/4同軸介質諧振器。
根據傳輸線理論 ,λ/4同軸介質諧振器的輸入阻抗 Zin由 ( 1)式表示:Zin = j Z0tg ( 2πL /λ g ) ( 1)。式中 Z0 為諧振器的特性阻抗 ,L 為諧振器的長度 ,λ g為諧振器中的波長。 當滿足 Zin= ∞的條件時 ,諧振器發生諧振。 即:2πL /λ g = ( 2n - 1)π/2 n = 1, 2, 3… ( 2)。當 n= 1時 ,由 ( 2)式可得L min = λ g /4 ( 3)。此時即為λ/4同軸介質諧振器。 由 ( 3)式可得λ/4同軸介質諧振器諧振頻率的計算公式為:f r = c /( 4Lmin X r ) ( 4)式中 c為光速 ,X r 為介質諧振器的介電常數。選用介電常數X r= 20的介質材料 ,由 ( 4)式可計算得文中需要設計的 2. 1 GHz同軸介質諧振器的長度 L= 7. 98 mm。
串聯反饋振盪器理論及工作原理
為了把介質諧振器引入到微波積體電路中使其發揮作用 ,工程中一般採用的方法有兩種: 一種是將介質諧振器加入到已知的振盪器中 ,起到穩頻的作用;另一種是將介質諧振器作為振盪器設計中的一部分 ,構成振盪器預設定頻率的元件。文中設計的同軸介質振盪器採用的是第二種方法 ,即將同軸介質諧振器作為構成振盪器預設定頻率的元件。 由於設計的振盪器工作在 S波段 ,很多低頻振盪器的設計理論已不再適用 ,所以採用串聯反饋振盪器理論來進行同軸介質振盪器的設計。串聯反饋振盪器的原理可分為諧振網路、有源網路、輸出匹配及負載網路三部分。
其中有源網路由電晶體構成 ,利用電晶體本身的不穩定性或利用外部元件擴大其不穩定區域 ,可以使得有源網路在所需頻段對外呈現負阻狀態。 而產生穩定振盪的條件為: ΓS( A ,k)Γ in ( A ,k) = 1 ( 5)。同時 ,在有源網路和負載網路之間 ,通過設計合理的輸出匹配網路 ,使得振盪器滿足最大功率輸出的條件:Re [Z L ] = - Re [Zout ] ( 6)。Im [ZL ] = - Im [Zout ] ( 7)。式中 ZL和 Zout分別為向有源網路和輸出匹配網路方向看去的輸入阻抗。
串聯反饋振盪器理論及工作原理
為了把介質諧振器引入到微波積體電路中使其發揮作用 ,工程中一般採用的方法有兩種: 一種是將介質諧振器加入到已知的振盪器中 ,起到穩頻的作用;另一種是將介質諧振器作為振盪器設計中的一部分 ,構成振盪器預設定頻率的元件。文中設計的同軸介質振盪器採用的是第二種方法 ,即將同軸介質諧振器作為構成振盪器預設定頻率的元件。 由於設計的振盪器工作在 S波段 ,很多低頻振盪器的設計理論已不再適用 ,所以採用串聯反饋振盪器理論來進行同軸介質振盪器的設計。串聯反饋振盪器的原理可分為諧振網路、有源網路、輸出匹配及負載網路三部分。
其中有源網路由電晶體構成 ,利用電晶體本身的不穩定性或利用外部元件擴大其不穩定區域 ,可以使得有源網路在所需頻段對外呈現負阻狀態。 而產生穩定振盪的條件為: ΓS( A ,k)Γ in ( A ,k) = 1 ( 5)。同時 ,在有源網路和負載網路之間 ,通過設計合理的輸出匹配網路 ,使得振盪器滿足最大功率輸出的條件:Re [Z L ] = - Re [Zout ] ( 6)。Im [ZL ] = - Im [Zout ] ( 7)。式中 ZL和 Zout分別為向有源網路和輸出匹配網路方向看去的輸入阻抗。
同軸介質壓控振盪器設計
根據串聯反饋振盪器理論分析可知 ,同軸壓控振盪器的設計應包含三個部分: 同軸介質諧振器及調諧部分 ,有源電晶體部分 ,輸出匹配部分。首先根據同軸介質諧振器的理論 ,計算得到所需同軸諧振器的尺寸 ,並在電磁仿真軟體 HFSS中建立仿真模型。
根據串聯反饋振盪器理論分析可知 ,同軸壓控振盪器的設計應包含三個部分: 同軸介質諧振器及調諧部分 ,有源電晶體部分 ,輸出匹配部分。首先根據同軸介質諧振器的理論 ,計算得到所需同軸諧振器的尺寸 ,並在電磁仿真軟體 HFSS中建立仿真模型。
因為同軸介質諧振器中用於焊接的金屬探頭是接地的 ,所以在實際使用時需要通過一個基片電容來實現同軸介質諧振器與外電路的耦合。 在仿真模型建立時 ,也添加了基片電容模型 ,採用的是介電常數X r= 9. 9的陶瓷基片。將 HFSS的仿真結果以 S 參數檔案格式導出 ,並以 S2P的檔案格式導入高頻電路仿真軟體 ADS中 ,根據串聯反饋振盪器的設計理論 ,進行振盪器的起振仿真。 文中採用的振盪管為具有更好轉折頻率 ( 1 /f )噪聲的 B JT管 ,型號為 AT32032。通過選擇合適的振盪管偏置電壓 ,並調整輸出匹配網路 ,使得基極連線埠的反射係數 S 11幅值大於 1,即有源網路呈現負阻特性。 最後將諧振網路與有源網路組合在一起 ,微調尺寸參數 ,使其滿足振盪器起振條件 ,同時最佳化輸出功率 ,相位噪聲以及諧波抑制度等指標。
為了實現更大的調諧範圍和調諧線性度 ,採用兩個二極體對 ,即四個二極體反向串聯的方式組成調諧迴路 ,變容管型號為 SMV 1233。 同時為了減弱負載對振盪頻率的牽引效應 ,在振盪器的輸出端增加了一個隔離放大器 ,採用的電晶體同樣為AT32032。
為了實現更大的調諧範圍和調諧線性度 ,採用兩個二極體對 ,即四個二極體反向串聯的方式組成調諧迴路 ,變容管型號為 SMV 1233。 同時為了減弱負載對振盪頻率的牽引效應 ,在振盪器的輸出端增加了一個隔離放大器 ,採用的電晶體同樣為AT32032。
基片集成波導壓控振盪器設計
串聯反饋式振盪器理論
串聯反饋式振盪器的本質是負阻振盪器， 可以用負阻理論來進行分析和設計。負阻振盪器可分為諧振網路、有源網路、輸出匹配及負載網路三部分。圖中 ΓS， Γin， Γout 和 ΓL為各網路的反射係數， 且均為幅度 A 和頻率 ω 的函式。
串聯反饋式振盪器的本質是負阻振盪器， 可以用負阻理論來進行分析和設計。負阻振盪器可分為諧振網路、有源網路、輸出匹配及負載網路三部分。圖中 ΓS， Γin， Γout 和 ΓL為各網路的反射係數， 且均為幅度 A 和頻率 ω 的函式。
有源網路主要由電晶體構成， 利用電晶體本身的不穩定性或利用外部元件擴大其不穩定區域， 可以使得有源網路在所需頻段對外呈現負阻狀態。當諧振網路與有源網路之間的反射係數滿足穩定振盪的條件時， 將產生穩定的振盪信號輸出。
基片集成波導理論及諧振器設計
基片集成波導是在介質基片上形成的波導傳輸結構， 由左右兩排金屬化通孔、上下兩層金屬面以及填充介質構成。基片集成波導的兩排金屬化通孔構成波導的窄邊， 上下兩層金屬面構成波導的寬邊， 電磁波在左右兩排金屬化通孔和上下金屬面之間的填充介質區域內傳輸， 形成類似於金屬波導的電磁場分布結構。
基片集成波導是在介質基片上形成的波導傳輸結構， 由左右兩排金屬化通孔、上下兩層金屬面以及填充介質構成。基片集成波導的兩排金屬化通孔構成波導的窄邊， 上下兩層金屬面構成波導的寬邊， 電磁波在左右兩排金屬化通孔和上下金屬面之間的填充介質區域內傳輸， 形成類似於金屬波導的電磁場分布結構。
採用的諧振器為圓柱形基片集成波導諧振器， r 為諧振器半徑， d 為金屬化過孔的直徑， p 為相鄰金屬化過孔之間的距離。其中金屬化過孔的直徑 d 在 1 /18 ～1 /20 波導波長範圍內取值， 而相鄰兩孔之間的距離 p 應小於等於兩倍的過孔直徑。根據金屬圓柱形諧振腔的三種常用模式 TE111，TM010， TE011的形成條件及場結構可知， 圓柱形基片集成波導諧振器的高度 h < 2. 1r， 滿足 TM010為主模的條件。TM010 模的電場和磁場分布主要集中於中心軸附近和圓柱壁附近。
因為基片集成波導結構的下表面接地， 同時上下表面通過金屬化過孔相連線， 所以不能直接在基片集成波導表面上載入變容二極體所需的偏置電壓。因此本文通過在圓柱形基片集成波導諧振腔中挖去一個圓環結構的方法來構成變容二極體的偏置載入位置， 同時構成變容管的耦合結構。由於考慮到變容二極體加入後等效為並聯接入一個電容， 這將使諧振腔的諧振頻率下降， 所以設計的不載入變容二極體的圓柱形基片集成波導諧振器的諧振頻率要適當大於所需諧振器頻率。設計時， 可適當增大變容管耦合結構離諧振器中心的距離， 這樣將減小變容管的接入係數， 提高諧振器的 Q 值。
基片集成波導壓控振盪器設計及仿真
根據負阻振盪器理論分析可知， 串聯反饋式壓控振盪器的設計應包含三個部分: 諧振器部分、有源電晶體部分和輸出匹配部分。首先根據上節理論， 設計得到所需諧振頻率的基片集成波導諧振器， 然後將諧振器模型導入高頻仿真軟體 ADS 的 2. 5 維仿真器 Momentum 中進行場仿真。通 過 ADS 中 的 layout look-alike 功 能， 將Momentum中的模型導入 Schematic 中， 這樣就可以進行諧振器與變容管的聯合仿真。
根據負阻振盪器理論分析可知， 串聯反饋式壓控振盪器的設計應包含三個部分: 諧振器部分、有源電晶體部分和輸出匹配部分。首先根據上節理論， 設計得到所需諧振頻率的基片集成波導諧振器， 然後將諧振器模型導入高頻仿真軟體 ADS 的 2. 5 維仿真器 Momentum 中進行場仿真。通 過 ADS 中 的 layout look-alike 功 能， 將Momentum中的模型導入 Schematic 中， 這樣就可以進行諧振器與變容管的聯合仿真。
在得到諧振器的仿真結果後， 將諧振器與有源電晶體部分一起進行振盪器的起振設計。採用的振盪管為 GaAs FET 管， 型號為 MGF1801。設計時， 首先通過選擇合適的振盪管偏置， 並調節源極開路線的長度， 使得柵極連線埠的反射係數 S11 幅值大於 1， 即有源網路呈現負阻特性， 當有源網路與諧振器網路滿足振盪條件公式後， 振盪管將產生穩定振盪信號， 然後使用漸變線進行輸出匹配網路的設計， 以滿足功率和諧波抑制度等指標的設計要求。
為了保證仿真設計的準確性， 在進行了起振仿真後， 將整體模型導入到 Momentum 中， 並再次利用 ADS 的聯合仿真功能， 進行振盪器的整體起振仿真， 得到振盪頻率、輸出功率、諧波抑制度和相位噪聲等指標的仿真結果。
為了保證仿真設計的準確性， 在進行了起振仿真後， 將整體模型導入到 Momentum 中， 並再次利用 ADS 的聯合仿真功能， 進行振盪器的整體起振仿真， 得到振盪頻率、輸出功率、諧波抑制度和相位噪聲等指標的仿真結果。
分析串聯反饋式振盪器理論以及基片集成波導理論， 運用高頻電磁仿真軟體， 仿真設計了一個工作於 X 波段的壓控振盪器。設計的基片集成波導壓控振盪器具有工作穩定性高， 平面化以及成本低的優點。因為基片集成波導諧振器的面積將隨頻率的升高以及介質基片的介電常數的增大而減小， 所以採用高介電常數的基片， 將使得基
片集成波導振盪器具有更小的面積。同時， 選用低介質損耗的基片， 將提高諧振器的 Q 值， 從而進一步改善振盪器的相位噪聲。
此結構的振盪器設計能夠充分利用高頻 CAD軟體的功能， 保證了設計的可靠性和準確性， 減小了後期調試的工作量。對於 Ku 及以上頻段的微波毫米波振盪器來說， 基於基片集成波導諧振器的振盪器設計將具有很好的套用前景。由實測的結果可知， 振盪器的各項性能指標表現優良， 符合大部分通信系統對高性能本振點頻源的要求。
片集成波導振盪器具有更小的面積。同時， 選用低介質損耗的基片， 將提高諧振器的 Q 值， 從而進一步改善振盪器的相位噪聲。
此結構的振盪器設計能夠充分利用高頻 CAD軟體的功能， 保證了設計的可靠性和準確性， 減小了後期調試的工作量。對於 Ku 及以上頻段的微波毫米波振盪器來說， 基於基片集成波導諧振器的振盪器設計將具有很好的套用前景。由實測的結果可知， 振盪器的各項性能指標表現優良， 符合大部分通信系統對高性能本振點頻源的要求。
