介質諧振器(DR)以其體積小 、重量輕 、Q 值高 、結構簡單 、價格便宜等優點 ,廣泛套用於微波源設計 , 此類 振盪器稱為介質諧振器振盪器(DRO) 。
基本介紹
- 中文名：介質諧振器振盪器
- 外文名：Dielectricresonator oscillator
介質諧振器和介質材料,DR當前的水平,振盪器的相位噪聲,介質振盪器 DRO 電路實現,
近十年來,小型化、高穩定、低噪聲介質諧振器振盪器(DRO)得到普遍的重視,成為微波信號源的重要研究課題,有了較大的發展。隨著新材料和高技術手段的不斷出現,DRO的各項性能不斷提高。十年前它的電氣性能與金屬腔振盪器相當,而今天它已與晶體倍頻振盪器相差無幾。
由於介質諧振器(DR)的結構特點,使其能方便的與微帶電路藕合,構成小型化、低噪聲、高穩定、高可靠、低成本的微波源,所以它深受廣大用戶歡迎。如今它已廣泛套用於地面微波通信、海空微波通信、衛星通信及軍事高科技領域。套用的需要,進一步促進了DRO的發展。例如,它的占有頻帶從十年前的3一25GHz,發展到目前的1~soGHz;從單純的DRO源發展到各種複合源,複合多功能模組和各種微波積體電路。【1】
由於介質諧振器(DR)的結構特點,使其能方便的與微帶電路藕合,構成小型化、低噪聲、高穩定、高可靠、低成本的微波源,所以它深受廣大用戶歡迎。如今它已廣泛套用於地面微波通信、海空微波通信、衛星通信及軍事高科技領域。套用的需要,進一步促進了DRO的發展。例如,它的占有頻帶從十年前的3一25GHz,發展到目前的1~soGHz;從單純的DRO源發展到各種複合源,複合多功能模組和各種微波積體電路。【1】
隨著微波半導體技術和微波積體電路(MIC)以及雷達 、電子對抗 、通信等技術的發展 , 微波設備與系統也趨向小型化 、集成化和低成本化發展 , 同時對振盪器其性能指標提出了更高的要求 。介質諧振器(DR)以其體積小 、重量輕 、Q 值高 、結構簡單 、價格便宜等優點 ,廣泛套用於微波源設計 , 此類 振盪器稱為介質諧振器振盪器(DRO) 。小型化 、高穩定 、低噪聲的 DRO 成為微波信號源的重要研究課題。
在射頻電路設計中常常在兩級電路之間加入緩衝放大器隔離兩個部分的電路 。通過這種隔離方式能夠在射頻系統中減少不利因素 。不良的輸出隔離會影響和干擾振盪器性能的各種機理 , 因此在振盪器的輸出端常常包含一個緩衝器 。在振盪器後一級加緩衝放大器已經得到廣泛套用 。
在射頻電路設計中常常在兩級電路之間加入緩衝放大器隔離兩個部分的電路 。通過這種隔離方式能夠在射頻系統中減少不利因素 。不良的輸出隔離會影響和干擾振盪器性能的各種機理 , 因此在振盪器的輸出端常常包含一個緩衝器 。在振盪器後一級加緩衝放大器已經得到廣泛套用 。
介質諧振器和介質材料
介質諧振器的特性參數(DR)
介質諧振器是用特定的陶瓷材料製成的,表面上看很像一塊光滑的小石頭,人為的做成立方體、圓柱體、球形及圓筒形等。由於它可作為微波諧振腔來套用,所以近年來得到迅速的發展。它的實際套用,導致了微波源新的高技術領域的出現和發展。
DR等效於一個微波諧振電路,在電路中用作選頻、濾波元件。就其套用看,可從以下特性參數來表征它的性能.
1.品質因數Q值。它等於損耗角正切值的倒數。目前適用範圍在5000~20000之間。2.諧振頻率的溫度係數r。它包含兩個部分,一個是介電常數的溫度係數rt,另一個是DR的熱膨脹係數:r。3.相對介電常數。r。適用範圍為20~90。不同的套用,對於介質的三項參數Q,ɑ,ɛ。,的要求也不同。欲得到滿意的小型源,就要對Q,ɑ,ɛ適當選擇,研製出合適的DR,這就必然在介質材料方面進行選擇。通常,可適當選擇不同的陶瓷材料,調配成多種成分的複合陶瓷材料而達到目的.限制參數,缺一不可。例如金紅石相ITOZ,在4GH:頻率下Q值高達10000。r=100,此兩項參數值是能滿足一般套用要求的。但是它的頻率溫度係數r`二40oPPM/℃,如果溫度是50℃,頻率的絕對漂移80MH:,這樣大的頻漂對大多數場合是不適用的。
.22介質材料及當前的水平多年來,經過人們不斷努力研究,開發出了性能優良的介質材料,從1936年至60年代是取得初步成果的階段。60年代末至80年代初,材料開發有了比較大的進展,許多性能優良的適用材料被研究出來,推動了DRO的發展。近十幾年來,已研製出多種複合陶瓷材料,都具有優良的介質特性、很好的微波套用性能,將微波頻段的套用範圍擴展為l一50GH:或更寬些。如合成鈣欽礦混合材料,常用分子式為:A[B`,/3B,`2/3〕03;式中A~Ba,Br;B,=Zn,Mg,Co,Ni;B’`-Ta,Nb,這些組分的合成材料具有優良的特性。。r=20~40,在10GH:下的空載Q。=10000,溫度係數r`可通過摻進一些成分而改變。
介質諧振器是用特定的陶瓷材料製成的,表面上看很像一塊光滑的小石頭,人為的做成立方體、圓柱體、球形及圓筒形等。由於它可作為微波諧振腔來套用,所以近年來得到迅速的發展。它的實際套用,導致了微波源新的高技術領域的出現和發展。
DR等效於一個微波諧振電路,在電路中用作選頻、濾波元件。就其套用看,可從以下特性參數來表征它的性能.
1.品質因數Q值。它等於損耗角正切值的倒數。目前適用範圍在5000~20000之間。2.諧振頻率的溫度係數r。它包含兩個部分,一個是介電常數的溫度係數rt,另一個是DR的熱膨脹係數:r。3.相對介電常數。r。適用範圍為20~90。不同的套用,對於介質的三項參數Q,ɑ,ɛ。,的要求也不同。欲得到滿意的小型源,就要對Q,ɑ,ɛ適當選擇,研製出合適的DR,這就必然在介質材料方面進行選擇。通常,可適當選擇不同的陶瓷材料,調配成多種成分的複合陶瓷材料而達到目的.限制參數,缺一不可。例如金紅石相ITOZ,在4GH:頻率下Q值高達10000。r=100,此兩項參數值是能滿足一般套用要求的。但是它的頻率溫度係數r`二40oPPM/℃,如果溫度是50℃,頻率的絕對漂移80MH:,這樣大的頻漂對大多數場合是不適用的。
.22介質材料及當前的水平多年來,經過人們不斷努力研究,開發出了性能優良的介質材料,從1936年至60年代是取得初步成果的階段。60年代末至80年代初,材料開發有了比較大的進展,許多性能優良的適用材料被研究出來,推動了DRO的發展。近十幾年來,已研製出多種複合陶瓷材料,都具有優良的介質特性、很好的微波套用性能,將微波頻段的套用範圍擴展為l一50GH:或更寬些。如合成鈣欽礦混合材料,常用分子式為:A[B`,/3B,`2/3〕03;式中A~Ba,Br;B,=Zn,Mg,Co,Ni;B’`-Ta,Nb,這些組分的合成材料具有優良的特性。。r=20~40,在10GH:下的空載Q。=10000,溫度係數r`可通過摻進一些成分而改變。
DR當前的水平
現在實際套用的DR,已覆蓋2~50GH:的寬頻率範圍,隨著最新研製的尺寸適宜的同軸筒狀DR的出現,使頻率又向下端擴展大約500MH2。向使用頻率的低端擴展,將使DR的尺寸越來越大(除非出現新的高性能、高。r的材料),從而失去使用的意義(因為使用DR就是為了達到小型化高性能)。向覆蓋頻率的高端擴展將導致DR的Q值銳減到不能允許的程度,失去使用意義。其次,由放DR的體積隨之變小,將導致與電路之間失去有效的禍合。除非有新材料出現,否則這兩項就是向頻率高端擴展難以跨越的限制。DR在電氣性能上大致和高Q金屬腔體相當,但在同一頻率下的體積比金屬腔小得多(線尺寸縮小√ɛ倍),這是DRo微波源小型化優越條件之一。具有適用。r的DR,總要存在一定的輻射損耗,適當的禁止可相對的減少損耗且必不可少,這意味著相應地提高了Q值。剛好,使用DR構成集成的振盪器,必有一個封裝機殼,其機殼正好可作為禁止盒。
振盪器的相位噪聲
微波有源電晶體的噪聲來源主要有三個方面 : 一是熱噪聲 ,二是散彈噪聲 , 三是閃爍噪聲 。熱噪聲是電晶體中載流子不規則熱運動引起的 ,它的大小與電晶體本身的歐姆電阻有關 。散彈噪聲是由於電晶體內部複雜的載流子(電子)運動起伏所產生的 ,其大小與電流成正比 。閃爍噪聲是與頻率成反比的噪聲 , 又稱 1 / f 噪聲。它是微波電晶體振盪器近載頻相位噪聲的主要來源 , 通過器件的非線性效應上變頻對微波頻率發揮作用 ,在遠離載頻端可以忽略關於振盪器的相位噪聲一般的影響因素 , 因此為了提高振盪器的相位噪聲性能 ,可以從以下幾個方面進行努力和改進。
(1) 提高諧振電路的有載 Q 值一倍 , 可以改善相位噪聲 6 dB 。因此諧振器的 Q 值極為重要 , 為了改善相位噪聲 ,除了選擇高空載 Q 值的諧振器之外 , 在實際電路中應儘量減少有載 QL 值的惡化 。
(2) 諧振頻率增加一倍 ,相位噪聲惡化 6 dB 。提高諧振頻率輸出功率將改善相位噪聲 。輸出功率是振盪器的重要指標 ,高輸出功率靠振盪管本身和匹配電路來保證 。
(3) 振盪電路溫度升高 , 相位噪聲將惡化 。在電路中應該注意有源器件的散熱問題 ,保證有源器件溫度不至於太高。
介質振盪器 DRO 電路實現
DRO 選用 Infineon 的 CFY25 場效應管 ,是一種中功率輸出的砷化鎵場效應管 。其具有相位噪聲低 、在設計的振盪器頻率上易於起振 、性能良好 、同時購買方便等優點 ,適合作為本課題的有源器件 。根據仿真結果 製作的 8. 95 GH z 與兩根微帶線耦合的並聯諧振的介質諧振器,以及將介質諧振器並聯有源器件的柵極和漏極之間。
在 DRO 電路調試過程中 , 調試時先不放人介質塊 ,振盪源通電後 ,加上蓋板 ,形成封閉的腔體應該沒有功率輸出 ,如有功率輸出 ,說明振盪源存在寄生振盪 ,應該設法抑制消除。放入介質塊並調整其位置以獲得最佳耦合 ,這時振盪源應工作正常 , 調諧盤在400 M H z範圍內應沒有調模現象 。調整介質塊與微帶線之間耦合度β1 和 β2 , 是振盪器的輸出功率和相位噪聲儘量滿足設計指標 。最後 , 用微波膠將介質塊粘牢 。由於振盪器振盪頻率易受負載牽引比較明顯 ,為了適應不同負載的變化 , 經常要加一級緩衝放大器使振盪器與負載隔開 , 這樣也能進一步提高功率- 頻率性能 。設計緩衝放大器採用富士通的 FLK017 場效應管 ,選定管子後先對其進行直流仿真分析 , 基於 FLK017 在ADS 元件庫中電晶體模型沒有 ADS 仿真軟體中提供一種三連線埠的 S 參數模型。可以直接將所需要的直流工作點的 S參數導入 ,需要注意的是廠家提供的 S2P。件中的 S 參數值是默認發射極接地的情況 , 因此仿真電路中的第三個連線埠接地 。
在 DRO 電路調試過程中 , 調試時先不放人介質塊 ,振盪源通電後 ,加上蓋板 ,形成封閉的腔體應該沒有功率輸出 ,如有功率輸出 ,說明振盪源存在寄生振盪 ,應該設法抑制消除。放入介質塊並調整其位置以獲得最佳耦合 ,這時振盪源應工作正常 , 調諧盤在400 M H z範圍內應沒有調模現象 。調整介質塊與微帶線之間耦合度β1 和 β2 , 是振盪器的輸出功率和相位噪聲儘量滿足設計指標 。最後 , 用微波膠將介質塊粘牢 。由於振盪器振盪頻率易受負載牽引比較明顯 ,為了適應不同負載的變化 , 經常要加一級緩衝放大器使振盪器與負載隔開 , 這樣也能進一步提高功率- 頻率性能 。設計緩衝放大器採用富士通的 FLK017 場效應管 ,選定管子後先對其進行直流仿真分析 , 基於 FLK017 在ADS 元件庫中電晶體模型沒有 ADS 仿真軟體中提供一種三連線埠的 S 參數模型。可以直接將所需要的直流工作點的 S參數導入 ,需要注意的是廠家提供的 S2P。件中的 S 參數值是默認發射極接地的情況 , 因此仿真電路中的第三個連線埠接地 。
在 BA 電路調試過程中 ,起初 ,在所要的頻點上 ,功率輸出 - 5 dBm , 放大器變成衰減器 。在調試過程中 ,輸出 、輸入 SM A 口特別敏感 , 可能是安裝人為誤差影響比較大 , 重新將電路卸載 , 再安裝後 , 輸出功率到+4 dBm 。為獲得最大功率輸出 , 對輸出 、輸入匹配電路以及敏感部位進行調試 。使輸出功率達到 8 dBm ,完成設計的目標 。
介質振盪器具有性能優良 、電路結構簡單固定 、調試量小 、諧振器的場分析簡單 、高頻寄生參量少 、溫度適應性好等優點 。通過進一步的最佳化電路仿真 ,對所需的頻率電路結構固定 。可實現批量生產 , 擴大套用範圍 。因此有很好的工程套用價值 。另外 ,再最佳化設計電路可以進一步減小電路尺寸 ,緩放可以代替隔離器 , 將介質振盪器後一級加緩放設計在同一個電路板上 ,並在 MM IC 中有很好的套用前景。
