一種Ka頻段鎖相介質振蕩器的設計

鄒偉淵

摘要：本文研究了一種Ka頻段鎖相介質振蕩器，分析了取樣鎖相技術的原理與特性，進行了電路設計和軟件仿真，并進行了實物測試。測試結果表明，該介質振蕩器經二次倍頻輸出頻率為27GHz，功率大小為9.10dBm，相位噪聲達到了103.10dBc@1kHz，107.03dBc@10kHz，109.01dBc@100kHz。

關鍵詞：Ka頻段;介質振蕩器;取樣鎖相環;低相位噪聲;星載微波射頻通信系統

引言

信號源是一類重要的微波組件，其中介質振蕩器（DRO）制作的信號源性能良好，可用于信號源設計。同時取樣鎖相技術可以實現改善頻率源相位噪聲的目的，在信號源中應用廣泛。

Ka頻段設備的發展已逐漸趨于成熟，已在中繼衛星、深空測控中采用了Ka頻段的測控通信系統，Ka頻段的測控通信系統擁有技術基礎和經驗[1]，為適應星座微波通信系統的發展，Ka頻段振蕩器的研究具有現實意義。

2020年電子科技大學蔡宗棋基于Ka頻段的負阻振蕩器設計了一款多普勒雷達探頭[2]，其中振蕩器在34GHz附近產生振蕩信號，偏離載頻1MHz處相位噪聲可以達到117.56dBc/Hz，作者驗證了利用高Q諧振器改善相位噪聲的可行性，但對于外延設計涉及較少，相位噪聲還可以進一步優化;2010年電子科技大學石濤設計了一個基于介質振蕩器的Ka頻段點頻源[3]，輸出頻點為27.508GHz，偏離載頻1kHz處的相位噪聲為-82 dBc/Hz;2008年王嘉、林勇、何慶國研制的一款Ka頻段介質振蕩器[4]，輸出頻率為38.22GHz，偏離載頻100kHz處的相位噪聲為-80dBc。

本文設計的Ka頻段鎖相介質振蕩器，通過取樣鎖相環與介質諧振腔實現頻率輸出，相位噪聲良好。測試結果表明該鎖相介質振蕩器輸出頻率為27GHz，功率大小為9.10dBm，相位噪聲達到了103.10dBc@1kHz，107.03dBc@10kHz，109.01dBc@100kHz

1 相位噪聲分析

相位噪聲是表征信號源質量的重要指標。對于一個理想的信號源，其頻譜形似在本振頻率處的沖激函數，實際上由于噪聲會對信號的幅度和頻率產生影響，如下圖1所示。

設計過程中信號幅度可以通過再次調制適應實際需求，影響不大，主要考慮頻率噪聲帶來的影響。

1.1 介質諧振腔的相位噪聲

振蕩器中的諧振單元是決定振蕩器輸出信號相位噪聲質量好壞的核心部件。介質振蕩器中諧振單元為介質諧振腔，其品質因數越高相位噪聲越好，相位噪聲性能往往優于一般的集總元件振蕩電路，并且可以在更高的工作頻段應用。介質材料具有高介電常數、高品質因數和穩定性高的特點，其中四鈦酸鋇和改良四鈦酸鋇最具代表性[5-6]，鈦酸鋇復合材料室溫下具有高介電常數和低介電損耗的優點[7]，此外還有二氧化鈦等介質材料，其制作的介質諧振腔的品質因數一般能達到數千，諧振頻率信號較集總元件振蕩電路具有更好的相位噪聲。

1.2 鎖相環的相位噪聲

鎖相環路總輸出相位噪聲包括參考信號的噪聲、壓控振蕩器的噪聲、環路濾波器的輸出和鑒相器的噪聲。這些噪聲可分為兩類[8]，一類為主要集中在帶內的低通型噪聲，包括參考信號、環路濾波器以及鑒相器的噪聲，這要求設計時需要減小環路帶寬和控制分頻比，選擇器件時需要考慮噪聲特性;二類為帶外的高通型噪聲，主要來自于壓控振蕩器，可以考慮增大環路帶寬、選用高質量諧振單元。

2 諧振頻率計算

介質諧振腔的諧振頻率可以通過三種途徑求解。

第一種可以用下式求解[9]。

式中α為腔外沿軸線的傳播常數，β為腔內沿軸線的傳播常數，L為圓柱腔體高度。

由α和β兩個可以得到諧振頻率的范圍，通過數值求解的方法，例如區間半分法去尋找上式的根。這種方法忽略了腔體周圍雜散場的影響，有將近10%的誤差，對于實際應用精度不夠。

第二種可以用下式對一個孤立的圓柱諧振腔諧振頻率進行估算[10]。

式中a為圓柱腔體的半徑，L為圓柱腔體高度，為材料介電常數。這種方法精度約為2%。

第三種通過電磁仿真軟件HFSS求解，通過剖分網絡和微元法分析，設置合適的求解模式、邊界條件和材料參數即可得出精確的結構。這種方法最為常用，結果精度高。

3 鎖相介質振蕩器的設計

考慮鎖相介質振蕩器的單邊帶相位噪聲表達式為

式中fm為頻率偏移，L（fm）為單片帶噪聲，fvco、fref分別為壓控振蕩器與參考信號頻率。

分析上式，設計時需要考慮的因素有兩個：壓控振蕩器頻率與參考頻率比值與參考信號的相位噪聲。本設計中參考為高質量的外部信號發生器給出100MHz信號，參考信號的單邊帶噪聲對輸出信號影響不大;為了降低壓控振蕩器頻率與參考頻率比值，可以采用取樣鑒相的方式取代直接分頻鑒相。低頻的參考信號進入取樣鑒相器后產生重復頻率與參考頻率相同相同的的窄脈沖，這些窄脈沖再對壓控振蕩器的反饋信號進行取樣，形成控制電壓控制壓控振蕩器，使得最終輸出信號與參考信號的整數倍一致。取樣鑒相直接與壓控振蕩器信號高頻鑒相，降低項對于總相位噪聲的影響。取樣鑒相器有一個階躍恢復二極管、一組肖特基二極管對和兩個開關電容構成，電路模型如下圖2所示。

介質振蕩器的電路設計如圖3所示。

將振蕩三極管、偏置電路和后級衰減放大電路利用MMIC技術，集成到一個GaAs芯片上，實現負阻振蕩電路的功能。介質振蕩器和電路基片之間使用混合集成電路中常用的84-3型環氧膠進行粘連，經過兩個小時150℃高溫烘烤的固化過程，84-3環氧膠在集成工藝中應用廣泛，與陶瓷材料的應力匹配好，能夠保證介質粘連強度和穩定性。

4 仿真與測試

介質振蕩器的實現采用AsGa負阻芯片與介質諧振腔串聯，實現13.5GHz的信號輸出，經二次倍頻得到27GHz信號。在HFSS仿真軟件中建立介質振蕩器與微帶線的耦合模型仿真其選頻特性。選擇介電常數為3.66的羅杰斯RO4350介質板，微帶線調整為半個波長，建立下圖4所示的三維結構模型。

微調諧振腔與微帶線的耦合間距，諧振腔的半徑與高度，得到仿真結果如圖5所示。

仿真結果表明，S21在13.5GHz處達到了峰值-0.4136dB，所需頻率由介質諧振腔“挑選”了出來。下圖6為此時場分布。

上圖可以看出此時電磁能量基本位于腔內，泄露很少。

最終測試結果為輸出中心頻點為27.000016917GHz，現場測試如圖7：

相位噪聲測試結果如表1

下圖8為介質振蕩器的實物圖片，最終實物尺寸為60mm×48mm×10mm，符合小型化設計。

5 結論

本文介紹了一種Ka頻段鎖相介質振蕩器的設計，通過理論研究和仿真設計，最終實物取得了較好的相位噪聲，可為通信系統提供良好的信號源。

參考文獻：

[1]劉嘉興. 再論發展Ka頻段測控通信網的思考[J]. 電訊技術， 2008， 48（12）：8.

[2]蔡宗棋. 低相噪微波毫米波振蕩器研究[D]. 電子科技大學： 電子科技大學，2021.

[3]石濤. 低相噪毫米波點頻源研究[D]. 電子科技大學： 電子科技大學，2011.

[4]王嘉，林勇，何慶國，. Ka波段介質諧振器的研究[J]. 半導體技術，2008，（10）.

[5]Masse D J，Pucel R A， Readey D W ， et al. A new low-loss high-k temperature-compensated dielectric for microwave applications[J]. Proceedings of the IEEE， 2005， 59（11）：1628-1629.

[6]Plourde J K ， Linn D F ， Jun. O H M ， et al. ChemInform Abstract： BARIUM TITANIUM OXIDE （BA2TI9O20） AS A MICROWAVE DIELECTRIC RESONATOR[J]. ChemischerInformationsdienst， 1976， 7（2）：no-no.

[7]李嘉皓. 鈦酸鋇基陶瓷的制備及其電卡性能的研究[D]. 青島大學： 青島大學，2021.

[8]《微波集成電路大全》編委會.中國集成電路大全：微波集成電路[M].國防工業出版社，1995.

[9]波扎.微波工程：第三版=Microwave Engineering：英文 [M].電子工業出版社，2006.

[10]巴爾.微波固態電路設計[M]=Microwave solid state circuit design[M].電子工業出版社，2006.