L波段宽带低相噪VCO的设计与制作

0 引言
    随着近几年无线通信的发展，各种通信系统对VCO的调谐带宽和相位噪声提出了更高的要求。基于薄膜工艺的LC集成压控振荡器有很高的可靠性，但实现不了高Q值的片上电感，因此这种VCO的相位噪声较差。基于PCB工艺的表贴VCO有更好的相位噪声性能，但由于宽带电路匹配困难，电路工作状态不太稳定，国内尚没有成熟的能够覆盖L波段的VCO产品面世。国外各大射频器件厂商已经开发出了多款L波段宽带的VCO，其相位噪声在偏离载频10 kHz时为一100 dBc／Hz左右。本文基于一种新的电路结构，成功实现了L波段系列宽带VCO，其工作状态稳定，电性能指标优良。

1 负阻振荡器工作原理
    集成宽带压控振荡器电路通常基于双端口负阻振荡原理，为变容二极管调谐的LC振荡器，它由具有负阻特性的微波固态器件和适当的外电路与之配合所组成，通过电路与固态器件之间的相互作用，把直流电源的功率转换成微波功率，其原理框图如图l所示。

    双端口负阻电路的振荡条件为

   

    式中D=S11S22一S12S21。

2 电路设计
2．1 宽带电路设计
    传统的宽带VCO大多采用共基极电路组态，而选用基极射极双端调谐方式可以获得更快的调谐灵敏度，在合理的电调范围内实现了稳定的超倍频程的工作带宽。如果在反馈支路中，引入一变容管则可以进一步改善宽频带范围内匹配状况。同时，在振荡管的集电极引入一小电容直接到地，通过调整此电容的值来进一步调整振荡管的输出匹配状态，使VCO获得稳定的超倍频程工作带宽。整个电路的基本拓扑结构如图2所示。

2．2 低相噪设计
    压控振荡器的相位噪声可近似地由式(4)给出

   
    VCO的相位噪声主要由谐振回路的Q值，压控灵敏度K0，振荡管的噪声系数等参数决定。对于并联谐振的压控振荡器，得到其等效电路如图3所示。谐振器的品质因数(Q值)为

   

    由式(5)可知，谐振器Q值由电容电感串联电阻决定。目前的集成电路工艺实现不了高Q值的电感，谐振器的Q值主要受电感的Q值影响。
    此外适当地增大电感值也可以提高Q值，但是这只在一定的范围内成立。选取合适的电感与变容管至关重要。以f=1 GHz来粗略计算电感电容值，得L=2．5 nH。考虑到塑封器件的寄生效应以及通孔电感的存在，常规的薄膜表贴电感或是绕线电感已不适合应用了，考虑采取一段短的到地微带线来实现谐振器电感L2，此法可以获得较小的电感值且Q值较高。合理选择此电感大小对相噪有重要意义，电感L3为塑封器件引线电感实现。
    振荡管选择噪声系数低、1／f噪声低的硅双极三极管，变容管尽量选取串联电阻较小的突变结管。合理地选择器件，可进一步降低VCO的相位噪声。

3 CAD仿真优化设计
    采用微波射频仿真工具作为仿真设计工具，合理选取电路工作点和各个元件初始参数，利用软件自带的元器件库，可以比较准确地搭建起仿真原理图。对电路进行谐波平衡法仿真，可以方便地得到上电路的振荡频率、相噪、谐波等指标，电路起振曲线如图4所示。

    由于在仿真时仅仅进行了电路仿真，许多的寄生效应没有考虑，在较宽频带内得到的仿真结果与实际情况在数值上有一定差别，但是它可以方便地给出各种元件组合所能达到的效果，此外仿真还能给出有无寄生振荡等其他信息。

4 电路制作及测试结果分析
    在CAD软件仿真的基础上，进行实物制作。利用此种电路拓扑，通过选择不同形状大小的微带电感和变容管元件，开发出了800～1 600 MHz、1 000～2 000 MHz、1 200～2 100 MHz三种宽带VCO产品。图5给出了l 000～2 000 MHz VCO的实物图，图6给出了1000~2 000 MHz VCO在VT=6 V时的实测相噪曲线。在偏离载频10 kHz处相位噪声为一102 dBc／Hz。由于大幅提高了谐振电路的Q值，其相位噪声较原有的基于薄膜工艺的同类产品提高了5 dB以上。同时由于采用了双端口调谐及可变电容反馈的引入，使其能在倍频程带宽内稳定地工作。

5 结论
    此种电路结构在双端口调谐的基础上，通过引入可变电容反馈，实现了电路的超宽带。合理选择谐振器电容电感比，并利用在低损耗的介质基板上实现小的电感以获得高Q的谐振器，从而降低了VCO相位噪声。基于此方法能够较为方便地实现L波段系列宽带低相噪VCO，基于此法开发出的三种宽带低相噪VCO产品已经获得了应用。