X波段介质振荡器的设计与仿真

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摘 要:主要介绍了介质振荡器的设计理论,以及使用Agilent公司的ADS仿真软件进行X波段介质振荡器的设计和仿真。在设计过程中使用NEC公司的MESFET管NE71084作为振荡器的有源器件,利用介质谐振器实现了输出信号的稳频与反馈。给出仿真结果和输出信号相位噪声与功率的实际测试结果。测试结果表明,该方法可以有效地指导介质振荡器的设计过程,提高设计效率。

关键词:介质振荡器; 相位噪声; ADS; X波段

中图分类号:TN911 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)13-0027-04

Design and Simulation of X-band Dielectric Oscillator

YU Chun-lei

(Radar and Avionics Institute of AVIC, Wuxi 214063, China)

Abstract: The design theory of the dielectric oscilator is introduced. The design and simulation of the X-band dielectric oscillator are performed by the aid of ADS software of Agilent Company. In the design, a highperformance MESFET NE71084 of NEC Company is used as the active element. The frequency stabilization and feedback of the output signal are realized by a dielectric resonator. The simulation result and the detected result of the output signal phase noise are offered. The testing result indicates that the method for designing the X-band dielectric oscillator is effective.

Keywords: dielectric oscillator; phase noise; ADS; X-band

0 引 言

振荡器是雷达、通信等现代电子设备的重要组成部分,通过在特定的载波频率点建立稳定的振荡可以为调制和混频等信号处理过程提供必要的条件,振荡器的指标尤其是相位噪声的优劣将直接影响到系统整体性能的高低[1-2]。

20世纪30年代,美国斯坦福大学的R.D.Richtmyer从理论上证明了介质谐振器的可行性,但限于工艺和技术水平直到60,70年代才开发出合适的材料用于介质谐振器的设计和生产。由介质振荡器由于温度稳定性好,工作于高频率时可以提供优良的频谱特性和相位噪声特性,已在厘米波、毫米波的领域得到了广泛应用[3-6]。

本文主要借助于Agilent公司的ADS仿真软件(Advanced Design System,ADS)对一个工作于X波段的介质振荡器进行了原理设计、仿真评估和实际测试,着重介绍了如何利用仿真软件实现对所设计产品的性能评估。

1 介质振荡器原理

介质振荡器在工作原理上与通常的振荡器没有本质区别。振荡器都是使用有源电路提供能量,利用反馈等手段使得有源电路发生自激振荡,再通过外接的谐振电路实现选频、稳频功能,并将得到的最终信号通过输出网络送往后级电路。

介质振荡器在具体实现上利用了介质谐振器同时实现了信号反馈和输出信号选频、稳频的功能。

2 介质振荡器的设计

介质振荡器(DRO)由介质谐振器(DR)、有源器件和输出网络组成,其设计主要围绕介质谐振器的选择与计算、有源电路的选择与设计和输出匹配网络设计等组成。在设计阶段还应对最终电路的实际性能进行评估以确认是否满足设计指标。通常DRO的输出端为50 Ω的标准负载,通常条件下不需要做额外的匹配,所以DRO的设计集中在DR和有源器件的设计。

设计指标要求:

振荡频率:9 GHz;

输出功率:大于等于5 dBm;

相位噪声:-70 dBc/Hz@10 Hz;-90 dBc/Hz@100 Hz;-110 dBc/Hz@1 kHz。

2.1 DRO电路拓扑结构的选取

使用DR构成的振荡器通常使用以下两种的电路拓扑结构[7-8]:

(1) DR作为无源稳频元件耦合于晶体管自激振荡器,如带阻滤波器加载型DRO。

(2) DR作为晶体管振荡器反馈网络或匹配网络的元件以确定振荡频率,如串、并联反馈型和传输型DRO。

其中带阻滤波器加载型频带窄,存在跳模、频率调谐回滞现象,而反馈型具有频带宽、输出功率大等优点,应用很广。因此,本文所设计的DRO电路拓扑结构为串联反馈型,其谐振电路采用传输型耦合的DR。图1是所设计的DRO的电路原理图。

图1 电路原理图

2.2 DR的选择与计算

DR的选择需要除了考虑到其温度特性、无载品质因数Qu,还应综合考虑其安装方式等的影响。孤立DR的工作频率主要由外形尺寸与自身的介电常数ε决定。

f=233εV13

(1)

式中:ε代表DR的介电常数;V代表DR的体积,单位:mm3。

为了避免高次模的影响,当选择圆柱形DR时,直径(D)/高(L)应大于1.4,即可保证DR的最低次模是TE01。

需要注意的是,DRO的振荡频率不仅仅由外形尺寸与自身的介电常数ε决定,当其安装于包含微带板的腔体中时,腔体和微带板都会影响工作频率。在设计中一般可利用一些通用的设计原则来简化设计。当遵从以下原则时,腔体和微带板的影响都可以忽略[8]:

(1) 确保侧壁距离大于谐振器半径1.5倍以上。

(2) 选择衬底厚度h较薄的微带板,确保h/L

(3) 腔体的高度确保为DR高度的3倍以上。

(4) 为了保证较高的频率稳定度,应选用相对介电常数较低的衬底。

基于以上原则并统一考虑温度和Qu,最终DR选择使用Temex公司的D059E203NT9000A,微带板使用厚度为002英寸的Duroid5880制作。DR的直径为59 mm,高度为281 mm,考虑到上述设计原则,最终腔体尺寸为40 mm×40 mm×12 mm(长×宽×高)。

和谐振腔不同的是,DR中所储存的能量并不是严格限制在DR内部,而是会有泄漏。这一部分泄漏出来的能量正是介质振荡器工作所需要的,利用这一部分泄漏出来的能量可以进行耦合或者是频率调整。参考┪南[7-8]提供了DR与微带线间的耦合的计算方法,其计算公式如下:

R=2Z0β(s)(2)

L=2Z0β(s)ω0(h)Qu(h)(3)

C=Qu(h)2Z0ω0(h)β(s)(4)

式中:Z0是微带线的特性阻抗;β是耦合系数;h是谐振器上表面到腔体的高度;s是微带线中心到谐振器的距离;ω0是谐振器的谐振角频率。

2.3 输出信号相位噪声的设计考虑

信号的相位噪声与振荡器的短期频率稳定度相关,在频域里通常表现为实际信号频率附近的近似于频率调制形式的能量分布。文献[9]给出了制约DRO相位噪声的主要因素:

(1) 源自有源器件的低频噪声功率谱密度;

(2) 低频噪声到输出信号频率的转换系数;

(3) DR的有载品质因数;

(4) DRO的输出信号功率。

从以上约束条件可以看到,为了得到好的输出信号相位噪声指标,需要选取高Q值的DR和低噪声的有源器件来构建,同时还必须尽可能地提高输出信号的功率。图2给出了在不考虑有源器件的噪声影响的条件下,不同Q值的DR可能得到的最佳输出相位噪声仿真结果。

图2 Q值对相位噪声的影响

从图2可以看到,当DR的Q值在2 500以上时,相位噪声指标都可能满足,但是在2 500时,其相位噪声指标的裕度并不大,当考虑到有源电路的噪声影响后,其相位噪声还会恶化可能导致最终的DRO的相位噪声指标不满足要求。所以为了保证设计的裕度,DR的Q值应在3 500以上。

DR与微带线之间的耦合不仅会影响其Q值的变化[10],而且由于DR还起着稳频、选频的作用,所以还应充分考虑其谐振频率的影响。使用三维电磁场仿真软件HFSS对这一耦合结构进行建模分析,以分析不同间距条件下的S参数,并综合考虑有载品质因数QL,最终确定间距取值46 mm,此时耦合系数β=055,相应的得到R=5483 Ω,L=017 pH,C=179 nF,对应的QL=3 588。

2.4 有源电路的设计

有源电路的设计之初应选定合适的有源器件。由于所有的有源器件均有上限工作频率fmax,所以不是所有的有源器件均适合作为振荡器的有源电路使用。经验表明,一个实用的振荡器频率很难超过fmax/2。本文的设计选用了NEC公司的高性能的MESFET管NE71084,在VDS=3 V,IDS=30 mA时,fmax可以达到90 GHz,满足设计需要。而且NE71084是一款低噪声器件,在9 GHz时,其噪声系数在1.1 dB左右。

有源电路实现振荡的条件是满足下列关系[11]:

k

S11′ΓG=1,S22′ΓL=1

(6)

式(5)表明有源电路在震荡频率上稳定系数k应该小于1,式(6)表明前后级级联后的端口1和端口2的反射系数乘积应该为1。

式(5)的实现相对简单,如果有源器件在振荡频率上稳定系数k>1,可以通过改变电路的拓扑结构(使用共栅、共源或共漏)实现,或者通过引入反馈的方式实现。考虑到DRO中已经通过引入DR实现了稳频与反馈,所以在设计中使用反馈的方式来保证稳定系数k

图3,图4是利用ADS对包含DR和NE71840的DRO在振荡频率9 GHz上的仿真结果。

图3 S11的幅度仿真结果

图4 稳定性仿真结果

2.5 指标评估

借助于ADS对本文所设计的DRO的输出频率和相位噪声指标进行了评估。

从图5可以看到,所设计的DRO的输出信号频率在9 GHz,图6的相位噪声仿真结果是在输出功率约为+7 dBm的情况下得到的(考虑到可能的传输损耗,所以设计的输出信号功率比要求略高),由仿真结果可以看到,所设计的DRO完全满足设计指标的要求。

图5 DRO输出频率仿真结果

图6 DRO相位噪声仿真结果

但是需要注意的是,相位噪声的仿真结果与实际电路的测试结果会有偏差,尤其是在频偏较低的部分,因为仿真中的所有条件都是理想的,电源品质的影响、有源器件的1/f噪声特性都没有包含在内。但是在较大频率偏移的部分,其结果应该偏差不大,因为远端的相位噪声完全受到DR的高品质因数的约束,只要在DR安装和腔体设计上没有大的误差,远端相位噪声就不会有较大的偏差。

3 测试结果

利用Agilent公司的相位噪声测试系统E5052A对所制作的DRO的指标进行了实际测试,测试结果如图7所示。

图7 DRO相位噪声和输出功率测试结果

测试结果表明,文中所设计的DRO完全满足设计指标的要求,实际测试结果也与仿真预测结果基本相符,显示了仿真工具对设计的指导意义和性能预测的评估价值。

4 结 语

介绍了一种工作于X波段的串联反馈式介质振荡器的设计,并给出了通用的设计原则和详细的设计方法。在设计过程中使用ADS仿真软件,对介质振荡器的关键指标进行了评估和分析,并对实际制作的介质振荡器进行了测试。实际测试结果表明,利用文中所描述的设计方法进行的设计是正确、可行的,具有较好的实际工程指导意义。

参考文献

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