一種推推介質振蕩器的設計

張獻武，王增雙，焦世民，表宏章

（中國電子科技集團公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引言

介質振蕩器（DRO）在微波系統中用來產生載波信號或本振信號，是決定微波射頻系統性能的重要部分，在衛星通信、導航等微波方向中均得到了廣泛應用。推推介質振蕩器不僅可以成倍提高振蕩器的輸出頻率還能提高振蕩器的相位噪聲和帶負載能力，所以相對于傳統的介質振蕩器具有明顯優勢[1-2]。

國內外文章都有相關推推介質振蕩器的報道，但是目前大多數推推介質振蕩器，都是采用兩個獨立的晶體管，由于兩路分立器件一致性不能保證，導致基波抑制度差、調試難度大和相位噪聲差等問題[3]。

本文基于GaAs HBT工藝研發了一款推推DRO負阻芯片，很好的解決了電路一致性差的問題，并在此基礎上設計了一種新型微帶耦合形式的推推介質振蕩器。

1 推推介質振蕩器原理

推推介質振蕩器能夠有效的提高固態微波晶體管振蕩器的使用頻率上限，同時因為推推介質振蕩器使用的是基波諧振器，而基波諧振器的高Q特性要比諧波諧振器更容易實現，所以理論上推推式振蕩器比直接輸出頻率為二次諧波的振蕩器具有更好的相位噪聲。

推推介質振蕩器一般包含三部分：共用介質諧振器、兩路諧振負阻電路、耦合電路。推推振蕩器的基本原理圖如圖1所示。

圖1 推推振蕩器的基本原理圖

在共用介質諧振器的作用下，兩路子諧振負阻電路振蕩在相同的頻率，相位差180°，而二次諧波相位相同。因此，通過耦合電路，因基波和奇次諧波相互差180°，故相互抵消；偶次諧波相位相同，故得到增強[4]。

設兩個子諧振電路輸出信號為：

通過耦合電路后得到輸出信號：

當時，上式可得到：

通過公式（4）可以得出，基波和奇次諧波相互抵消，而偶次諧波得到增強。

2 電路設計

2.1 振蕩器芯片設計

本文基于GaAs HBT工藝，將圖1中兩路諧振負阻和耦合電路用一款推推負阻芯片進行替代，有效的解決了現有推推介質振蕩器一致性差和調試難度大燈問題。異質結雙極晶體管(HBT)具有速度快、1/f噪聲低、驅動能力強、閾值電壓均勻、單電源供電、不容易被靜電燒毀、優良的高低溫特性和抗輻照性能等優點，是一種優質的微波毫米波振蕩的三端器件。上述優點使得HBT工藝具有其較小的尺寸和較高的工藝精度，使得其器件的一致性好，提取模型的準確度較高，非常適合推推振蕩器負阻芯片的設計[5]。

當有源晶體管提供的能量正好等于無源器件所消耗的能量時，電路就會持續振蕩。此時有源器件可以等效為一個負的電阻與一個電抗元件的串聯，負阻模型公式為：

通過圖1和負阻理論可知，推推介質振蕩器需要兩路有源器件，構成兩個完全相同振蕩負阻電路來提供共用介質消耗的能量。推推負阻電路如圖2所示，電路中有兩個負阻在介質諧振器作用下生成頻率相同，相位差180°的振蕩信號。

圖2 推推負阻芯片電路

推推負阻電路采用三極管基極調諧形式，通過調諧發射極到地電容來調諧負阻范圍，最后通過兩路發射極耦合輸出。利用電路仿真軟件，通過改變電路各個器件的參數，負阻可以覆蓋不同的頻率范圍，本文設計的負阻實部覆蓋8～12.5GHz，可以滿足推推DRO在輸出頻率16～25GHz范圍內的振蕩條件。芯片照片如圖3所示。

圖3 推推介質振蕩器負阻芯片

2.2 新型微帶耦合電路設計

一般推推介質振蕩器中的公用介質諧振器耦合的兩條微帶是相互平行的（圖1），但是在實際工程應用中不同頻率的介質半徑不同，平行微帶耦合形式不利于調節不同半徑介質與微帶的距離和耦合程度，而且平行微帶耦合形式也不利于微帶與集成推推負阻芯片的連接。

本文選用反射型介質振蕩電路又稱為串聯反饋型介質振蕩器，是指介質諧振器與一根微帶耦合，作為帶阻濾波器接入振蕩管，將諧振頻率點的信號反射回振蕩管，其余信號通過匹配負載傳輸到地以完成選頻振蕩的電路形式。本文在平行微帶基礎上，將兩條微帶向相對的方向旋轉一定的角度，結構示意圖如圖4所示，將介質左右移動可以很方便的調節介質和微帶的耦合度。

圖4 新型微帶耦合結構示意圖

為了確定微帶旋轉的角度和方案的可行性，利用電磁仿真軟件對新型微帶進行仿真，電場圖如圖5所示，可以看出新型結構中的兩條微帶的電場方向是相反的，滿足推推振蕩要求。

考慮電場強度和介質的大小最終確認旋轉角度為30°。圖5中兩條微帶線一端接波端口，另一端接匹配負載，最終目的是得到兩個波端口的S參數，帶到電路內進行整體仿真設計。

圖5 電場仿真圖

2.3 整體仿真

本文將圖5通過電磁仿真的生成S2P文件,導入到電路仿真軟件中和推推負阻芯片電路進行整體仿真。

通過仿真得到振蕩器的輸出特性，輸出頻率是22GHz，1/2次諧波抑制大于30dB，相位噪聲是-101.7dBc/Hz@10KHz。推推介質振蕩器仿真相位噪聲如圖6所示。

圖6 仿真相位噪聲

目前推推介質振蕩器都是采用FET振蕩管，廠家一般不提供大信號仿真模型，僅能進行小信號的S參數仿真，這樣導致仿真準確性較低，且調試工作量大，一次成功率低，不適合進行批量產品的生產。本文基于GaAs HBT工藝設計了一系列推推負阻芯片，與介質諧振器模型聯合仿真，可以很方便的進行推推介質振蕩器的設計。

3 測試結果

本文基于厚膜工藝完成微帶耦合電路基片的制作，介質為陶瓷介質，最后基于混合集成電路工藝完成新型推推介質振蕩器的整體裝配，最終產品體積為36mm×25mm×12.8mm，產品照片如圖7所示。

圖7 推推介質振蕩器產品照片

對該產品進行測試，測試結果為：工作電壓+5V，電流100mA，在調諧電壓0～12V條件下，輸出中心頻率：21.97GHz，帶寬：30MHz，相位噪聲：-98dBc/Hz@10kHz，-122dBc/Hz@100kHz，-142dBc/Hz@1MHz

（如圖8所示），分次諧波抑制約28dBc。

圖8 推推介質振蕩器測試相位噪聲曲線

通過上述測試可得：測試結果跟仿真基本一致，達到了預期目的，同時也驗證了本文提出的GaAs HBT負阻芯片和新型微帶耦合電路相結合設計的推推介質振蕩器方案的可行性。

通過表1可以發現，本文設計的推推介質振蕩器具有相位噪聲低、諧波好及調試方便等特點。

表1 本文與同類產品性能比較

4 結語

本文通過研究推推介質振蕩器原理，基于GaAs HBT工藝研發了一款推推負阻芯片，并在此基礎上設計了一種新型微帶耦合形式的推推介質振蕩器。測試結果表明：設計的推推介質振蕩器中心頻率為21.97GHz，相位噪聲低至-98dBc/Hz@10kHz，-122dBc/Hz@100kHz，-142dBc/Hz@1MHz，對于振蕩器的低相位噪聲研究有重要意義。