C波段介质振荡器的研究与设计

摘要：利用负阻原理设计了5．9 GHz介质振荡器(DRO)，采用HFSS软件对介质谐振块(DR)进行三维仿真，应用Agilent公司的ADS软件对DRO进行了优化设计和非线性分析，用该方法制作的并联反馈式DRO性能良好，输出功率为10 dBm，相位噪声达到-100 dBc／Hz@10kHz，-124dBc／  Hz@100kHz。
关键词：负阻；介质振荡器(DRO)；三维仿真；相位噪声

    随着现代无线通信事业的发展，移动通信、雷达、制导武器和电子对抗等系统对本振源提出了越来越高的要求。介质振荡器(DRO)由于其优异的噪声性能、频谱纯度和稳定度成为了一种应用广泛的微波毫米波频率源。本文突破了以往对于DRO的设计，将DR部分通过理论计算，转化为等效电路的设计方法，尝试了首先利用三维场仿真软件HFSS对DR(介质块)及其与周边微带线的耦合空间进行仿真计算，得到相应参数后，再将DR模型代入ADS仿真软件中进行设计与优化，并给出了5．9 GHz介质振荡器设计实例，其性能良好。

1 DRO振荡器设计原理与步骤
    采用源极输出并联反馈式电路，其有载Q值高，相位噪声低，结构简单，便于精确设计，并且源极输出虽然功率较小，但只需单电源，且负载与谐振电路间存在一定解耦，适合作接收机本振，如图1所示。该电路采用源极输出式，DR同时耦合于微带线的两侧，并且通常采用高增益放大器，允许DR与微带线间耦合极松，使DR具有一个较高的有载品质因数值，从而使振荡器有较低的相位噪声，这里DR相当于一个带阻滤波器。

    反馈型振荡器其实质是负阻型振荡器，设计时可利用负阻原理进行分析，将振荡器变换为一个双端口网络，如图2所示，如果终端端口满足了振荡电路的平衡条件，负载端口也就自然满足了平衡条件；反之亦然，即：
   
    因此两端口负阻振荡电路的设计步骤如下：
    1)选择在振荡频率下能够处于非稳定状态的晶体管。
    2)设计终端网络使得输人端口的电压反射系数|ΓIN|>1，可以适当采用引入反馈的方法提供输入端口的电压反射系数。
    3)设计负阻网络使其能与等效单端口负阻网络ZIN满足振荡条件，选择合适的负载网络以获得最大的功率输出。
    基于以上理论，使用ADS软件设计和仿真负阻器件，以满足起振条件，即|ΓIN|>1，并且设计谐振器电路以满足稳定振荡条件，即式(1)和式(2)。最后将负阻器件和谐振电路这两部分电路合并，用谐波平衡法对整个电路的性能在ADS中进行仿真。

2 介质谐振器(DR)的建模
    介质谐振器是由一小段长度为L的圆形、矩形或环形低损耗高介电常数且高Q的、对温度变化稳定的介质波导制成的，介质谐振器的谐振频率主要取决于它的几何尺寸及其周围环境。使用时，常将它置于波导内或微带线基片上。孤立的介质谐振器谐振频率(单位为GHz)由式(3)给出。

    为了进行振荡器的设计，需要用S参数来描述DR的特性，在谐振频率附件，微带线与圆柱谐振器之间的电场耦合可以等效为一个并联RLC电路。在本设计中我们利用仿真软件HFSS精确计算DR以及其与微带线耦合的空间的三维场，并可以提取模型得到s2p文件，此s2p文件则代表了介质反馈网络的S参数模型，将此文件代入ADS软件进行电路优化设计和非线性分析，这种方法代替了近似电路仿真，从而使振荡器的设计更加准确。利用HFSS仿真软件设计的DR仿真模型如图3所示，其仿真结果如图4所示。

    在实际选取介质谐振器时应考虑到生产厂家具体模具的尺寸，从而选取合适的尺寸。本设计介质谐振器尺寸为：圆柱形介质块，D=9．02 mm，H=5．00 mm，h=10．20 mm，εr=36，其中D为介质块半径，H为其高度，h为介质块顶部到谐振腔的距离。一般情况，腔体的宽度为3～5倍的介质直径、高度为2～3倍介质的高度时，可以保证DRO可靠起振。对于介质谐振器的谐振频率通常应比所要设计的频率低50～100 MHz，在应用时，如果谐振频率偏低则可以轻微磨介质谐振器的高度，如果谐振频率偏高则必须由生产厂家来调整。

3 DRO仿真电路设计
3．1 静态偏置电路
    在进行设计之前，必须选择合适的场效应管并给其提供合适的直流偏置。在ADS元件库中找到各器件模型，利用直流仿真器确定场效应管的配置电路。
3．2 负阻电路
    在设计偏置电路之后，将场效应管构建为一个漏极容性反馈电路。负阻部件是通过DR同时与栅极和漏极的两根微带线进行耦合，对GaAs FET进行漏极电容性反馈实现的。仿真电路采用单电源设置FET的Vds和Id。在漏极加入负阻器件使FET产生负阻，可以通过晶体管的栅极的反射系数幅度来确定，使S(1，1)的幅值大于1，通常要大于1．2，此时场效应管的源极输出端接50 Ω的负载阻抗。加入反馈网络后，晶体管满足了不稳定条件，然后通过其不稳定区域来设计输入输出匹配网络，进行最优化设计，至此负阻部件的设计完成。
3．3 完整电路
    将介质谐振器与负阻部件通过OSC_PORT相连接便构成了振荡器的完整电路，在所期望的振荡频率上以下两个条件同时需要得到满足：
    1)存在剩余负阻；
    2)总电抗为零。
    剩余负阻是振荡器建立振荡器的需要，当负载获得振荡电路最大功率输出时，负载实部阻抗应为负阻器件实部阻抗的三分之一。在仿真过程中，使用ADS中的S参数仿真器得到电路的输入阻抗。在实际电路的设计过程中，还需要调整介质谐振器与振荡场效应管的正确位置。给部件建立模型时必须注意它们的寄生参数会使得最终的振荡器特性的寄生响应增加，例如3次谐波对最终振荡电路的影响，然而通过精细设计这些网络与部件的参数，最终振荡电路的性能不会受到很大的影响。
    利用ADS软件的谐波平衡分析方法，可以得到以下的仿真结果：在5．9GHz的频率上，其输出功率超过9dBm，相位噪声为-125dBc／Hz@10k Hz，-145dBc／Hz@100kHz。

4 设计实例
    在本设计中，基板板材介电常数9．6，FET选择采用三菱公司的场效应管MGF1801进行设计，通过偏置使其工作在Vds=6 V，Id=100 mA的工作点上。不加介质块时，应不产生振荡或者振荡频率远离所需振荡频率；加上介质块后，盖上谐振腔盖板后，调节螺杆，如果螺杆向下旋进时频率增加，则说明介质块的谐振频率牵引住了电路的自激频率，此时可以调整到所需振荡频率，如果螺杆向下旋进时频率减小或时增时减，则说明介质块的谐振频率没有牵引住电路的自激频率，应调整介质块的位置：当调至所需频率后，再看频率是否稳定，此时振荡频率应在所需频率处有小范围地上下浮动。通过调试可以得到以下的测试结果：图5所示为并联反馈型结构DRO的实物图，图6所示为DRO的输出功率测试结果和100 kHZ时的相位噪声测试结果。在5．9 GHz的频率上，其输出功率超过10 dBm，相位噪声为-100 dBc／Hz@10 kHz，-124dBc／  Hz@100kHz，频率稳定度为8．4×10-6。

5 结束语
    在负阻原理的基础上，利用HFSS和ADS软件设计实现了一款频率为5．9GHz的介质振荡器，其性能良好，实验结果达到了设计要求。与传统的等效电路设计方法相比，该方法更为快捷、简单，该形式的振荡器简单、便于调试，对于雷达接收机本振的设计具有重要的参考价值。