X波段介質振蕩器的設計與仿真

摘 要:主要介紹了介質振蕩器的設計理論，以及使用Agilent公司的ADS仿真軟件進行X波段介質振蕩器的設計和仿真。在設計過程中使用NEC公司的MESFET管NE71084作為振蕩器的有源器件，利用介質諧振器實現了輸出信號的穩頻與反饋。給出仿真結果和輸出信號相位噪聲與功率的實際測試結果。測試結果表明，該方法可以有效地指導介質振蕩器的設計過程，提高設計效率。

關鍵詞:介質振蕩器; 相位噪聲; ADS; X波段

中圖分類號:TN911 文獻標識碼:A

文章編號: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

振蕩器是雷達、通信等現代電子設備的重要組成部分，通過在特定的載波頻率點建立穩定的振蕩可以為調制和混頻等信號處理過程提供必要的條件，振蕩器的指標尤其是相位噪聲的優劣將直接影響到系統整體性能的高低[1-2]。

20世紀30年代，美國斯坦福大學的R.D.Richtmyer從理論上證明了介質諧振器的可行性，但限于工藝和技術水平直到60，70年代才開發出合適的材料用于介質諧振器的設計和生產。由介質振蕩器由于溫度穩定性好，工作于高頻率時可以提供優良的頻譜特性和相位噪聲特性，已在厘米波、毫米波的領域得到了廣泛應用[3-6]。

本文主要借助于Agilent公司的ADS仿真軟件(Advanced Design System，ADS)對一個工作于X波段的介質振蕩器進行了原理設計、仿真評估和實際測試，著重介紹了如何利用仿真軟件實現對所設計產品的性能評估。

1 介質振蕩器原理

介質振蕩器在工作原理上與通常的振蕩器沒有本質區別。振蕩器都是使用有源電路提供能量，利用反饋等手段使得有源電路發生自激振蕩，再通過外接的諧振電路實現選頻、穩頻功能，并將得到的最終信號通過輸出網絡送往后級電路。

介質振蕩器在具體實現上利用了介質諧振器同時實現了信號反饋和輸出信號選頻、穩頻的功能。

2 介質振蕩器的設計

介質振蕩器(DRO)由介質諧振器(DR)、有源器件和輸出網絡組成，其設計主要圍繞介質諧振器的選擇與計算、有源電路的選擇與設計和輸出匹配網絡設計等組成。在設計階段還應對最終電路的實際性能進行評估以確認是否滿足設計指標。通常DRO的輸出端為50 Ω的標準負載，通常條件下不需要做額外的匹配，所以DRO的設計集中在DR和有源器件的設計。

設計指標要求:

振蕩頻率:9 GHz;

輸出功率:大于等于5 dBm;

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

2.1 DRO電路拓撲結構的選取

使用DR構成的振蕩器通常使用以下兩種的電路拓撲結構[7-8]:

(1) DR作為無源穩頻元件耦合于晶體管自激振蕩器，如帶阻濾波器加載型DRO。

(2) DR作為晶體管振蕩器反饋網絡或匹配網絡的元件以確定振蕩頻率，如串、并聯反饋型和傳輸型DRO。

其中帶阻濾波器加載型頻帶窄，存在跳模、頻率調諧回滯現象，而反饋型具有頻帶寬、輸出功率大等優點，應用很廣。因此，本文所設計的DRO電路拓撲結構為串聯反饋型，其諧振電路采用傳輸型耦合的DR。圖1是所設計的DRO的電路原理圖。

圖1 電路原理圖

2.2 DR的選擇與計算

DR的選擇需要除了考慮到其溫度特性、無載品質因數Qu，還應綜合考慮其安裝方式等的影響。孤立DR的工作頻率主要由外形尺寸與自身的介電常數ε決定。

f=233εV13

(1)

式中:ε代表DR的介電常數;V代表DR的體積，單位:mm3。

為了避免高次模的影響，當選擇圓柱形DR時，直徑(D)/高(L)應大于1.4，即可保證DR的最低次模是TE01。

需要注意的是，DRO的振蕩頻率不僅僅由外形尺寸與自身的介電常數ε決定，當其安裝于包含微帶板的腔體中時，腔體和微帶板都會影響工作頻率。在設計中一般可利用一些通用的設計原則來簡化設計。當遵從以下原則時，腔體和微帶板的影響都可以忽略[8]:

(1) 確保側壁距離大于諧振器半徑1.5倍以上。

(2) 選擇襯底厚度h較薄的微帶板，確保h/L<125以上，但微帶板不宜太薄，以免DR的Q值有明顯下降。

(3) 腔體的高度確保為DR高度的3倍以上。

(4) 為了保證較高的頻率穩定度，應選用相對介電常數較低的襯底。

基于以上原則并統一考慮溫度和Qu，最終DR選擇使用Temex公司的D059E203NT9000A，微帶板使用厚度為002英寸的Duroid5880制作。DR的直徑為59 mm，高度為281 mm，考慮到上述設計原則，最終腔體尺寸為40 mm×40 mm×12 mm(長×寬×高)。

和諧振腔不同的是，DR中所儲存的能量并不是嚴格限制在DR內部，而是會有泄漏。這一部分泄漏出來的能量正是介質振蕩器工作所需要的，利用這一部分泄漏出來的能量可以進行耦合或者是頻率調整。參考文獻[7-8]提供了DR與微帶線間的耦合的計算方法，其計算公式如下:

R=2Z0β(s)(2)

L=2Z0β(s)ω0(h)Qu(h)(3)

C=Qu(h)2Z0ω0(h)β(s)(4)

式中:Z0是微帶線的特性阻抗;β是耦合系數;h是諧振器上表面到腔體的高度;s是微帶線中心到諧振器的距離;ω0是諧振器的諧振角頻率。

2.3 輸出信號相位噪聲的設計考慮

信號的相位噪聲與振蕩器的短期頻率穩定度相關，在頻域里通常表現為實際信號頻率附近的近似于頻率調制形式的能量分布。文獻[9]給出了制約DRO相位噪聲的主要因素:

(1) 源自有源器件的低頻噪聲功率譜密度;

(2) 低頻噪聲到輸出信號頻率的轉換系數;

(3) DR的有載品質因數;

(4) DRO的輸出信號功率。

從以上約束條件可以看到，為了得到好的輸出信號相位噪聲指標，需要選取高Q值的DR和低噪聲的有源器件來構建，同時還必須盡可能地提高輸出信號的功率。圖2給出了在不考慮有源器件的噪聲影響的條件下，不同Q值的DR可能得到的最佳輸出相位噪聲仿真結果。

圖2 Q值對相位噪聲的影響

從圖2可以看到，當DR的Q值在2 500以上時，相位噪聲指標都可能滿足，但是在2 500時，其相位噪聲指標的裕度并不大，當考慮到有源電路的噪聲影響后，其相位噪聲還會惡化可能導致最終的DRO的相位噪聲指標不滿足要求。所以為了保證設計的裕度，DR的Q值應在3 500以上。

DR與微帶線之間的耦合不僅會影響其Q值的變化[10]，而且由于DR還起著穩頻、選頻的作用，所以還應充分考慮其諧振頻率的影響。使用三維電磁場仿真軟件HFSS對這一耦合結構進行建模分析，以分析不同間距條件下的S參數，并綜合考慮有載品質因數QL，最終確定間距取值46 mm，此時耦合系數β=055，相應的得到R=5483 Ω，L=017 pH，C=179 nF，對應的QL=3 588。

2.4 有源電路的設計

有源電路的設計之初應選定合適的有源器件。由于所有的有源器件均有上限工作頻率fmax，所以不是所有的有源器件均適合作為振蕩器的有源電路使用。經驗表明，一個實用的振蕩器頻率很難超過fmax/2。本文的設計選用了NEC公司的高性能的MESFET管NE71084，在VDS=3 V，IDS=30 mA時，fmax可以達到90 GHz，滿足設計需要。而且NE71084是一款低噪聲器件，在9 GHz時，其噪聲系數在1.1 dB左右。

有源電路實現振蕩的條件是滿足下列關系[11]:

k<1(5)

S11′ΓG=1，S22′ΓL=1

(6)

式(5)表明有源電路在震蕩頻率上穩定系數k應該小于1，式(6)表明前后級級聯后的端口1和端口2的反射系數乘積應該為1。

式(5)的實現相對簡單，如果有源器件在振蕩頻率上穩定系數k>1，可以通過改變電路的拓撲結構(使用共柵、共源或共漏)實現，或者通過引入反饋的方式實現。考慮到DRO中已經通過引入DR實現了穩頻與反饋，所以在設計中使用反饋的方式來保證穩定系數k<1。式(6)僅僅用以保證振蕩器可以在兩個端口輸出信號功率。式(6)中規定的兩個條件中的任何一個得到滿足時，另一個條件可以自動得到滿足。已證明只要保證諧振器和有源電路級聯時的S11能夠大于1，那么式(6)的條件就可以滿足。

圖3，圖4是利用ADS對包含DR和NE71840的DRO在振蕩頻率9 GHz上的仿真結果。

圖3 S11的幅度仿真結果

圖4 穩定性仿真結果

2.5 指標評估

借助于ADS對本文所設計的DRO的輸出頻率和相位噪聲指標進行了評估。

從圖5可以看到，所設計的DRO的輸出信號頻率在9 GHz，圖6的相位噪聲仿真結果是在輸出功率約為+7 dBm的情況下得到的(考慮到可能的傳輸損耗，所以設計的輸出信號功率比要求略高)，由仿真結果可以看到，所設計的DRO完全滿足設計指標的要求。

圖5 DRO輸出頻率仿真結果

圖6 DRO相位噪聲仿真結果

但是需要注意的是，相位噪聲的仿真結果與實際電路的測試結果會有偏差，尤其是在頻偏較低的部分，因為仿真中的所有條件都是理想的，電源品質的影響、有源器件的1/f噪聲特性都沒有包含在內。但是在較大頻率偏移的部分，其結果應該偏差不大，因為遠端的相位噪聲完全受到DR的高品質因數的約束，只要在DR安裝和腔體設計上沒有大的誤差，遠端相位噪聲就不會有較大的偏差。

3 測試結果

利用Agilent公司的相位噪聲測試系統E5052A對所制作的DRO的指標進行了實際測試，測試結果如圖7所示。

圖7 DRO相位噪聲和輸出功率測試結果

測試結果表明，文中所設計的DRO完全滿足設計指標的要求，實際測試結果也與仿真預測結果基本相符，顯示了仿真工具對設計的指導意義和性能預測的評估價值。

4 結 語

介紹了一種工作于X波段的串聯反饋式介質振蕩器的設計，并給出了通用的設計原則和詳細的設計方法。在設計過程中使用ADS仿真軟件，對介質振蕩器的關鍵指標進行了評估和分析，并對實際制作的介質振蕩器進行了測試。實際測試結果表明，利用文中所描述的設計方法進行的設計是正確、可行的，具有較好的實際工程指導意義。

參考文獻

[1]白居憲.低噪聲頻率合成[M].西安:西安交通大學出版社，1995.

[2]ROBINS W P.相位噪聲[M].秦士，姜遵富，譯.北京:人民郵電出版社，1988.

[3]KHANNA A. New very high Q microwaveT transistor oscillators using dielectric resonators[J]. 11th Euro Microwave Conference(Amsterdam)， 1981， 30: 554-561.

[4]ABE Y. A highly stabillized low-noise GaAs FE integrated oscillator with a dielectric resonator in the C-band[ J] . IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniues， 1978， 26: 156-162.

[5]程體飛，楊國渝，陳建民.X波段介質諧振振蕩器設計[ C] .哈爾濱:第六屆全國毫米波亞毫米波學術會議，2006.

[6]李貴芳，孔祥釗，尹雪曼.DRO在X頻段頻率合成器中的應用[ C] .[ 出版地不詳] :2007年全國微波毫米波會議，2007.

[7]李桂萍，徐軍，羅慎獨，等.Ka頻段介質穩頻振蕩器的研制[J].電子科技大學學報，2003，32(6):652-654.

[8]顧其諍.介質諧振器微波電路[M].北京:人民郵電出版社，1986.

[9]KHANNA A P S. Evaluate DRO noise and tuning characteristics[J]. Microwave RF， 1992， 30(6): 99-108.

[10]Khanna A P S， GARAULT Y. Determination of loaded， unloaded and external quality factors of a dielectric resonator coupled to a microstrip Line[J]. IEEE Trans.on Microwave Theory and Techniues， 1983，31(3): 260-264.

[11]GTTICH U. Active elements used in microstrip dielectric resonator oscillators[J]. Microwave Journal， 1996， 39(4): 92-96.