碩士論文x 波段低相噪p d r o 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 摘要 y 5 3 12 0 6 1 本文首先介紹了頻率源與振蕩器的概況及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)介質(zhì)振蕩器( d r o ) 和鎖相環(huán)( p l l ) 的工作原理和基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析，討論了主要參數(shù)及電路形式 等。分別設(shè)計(jì)了8 7 5 g h z 共漏結(jié)構(gòu)的介質(zhì)振蕩器和8 8 g h z 共源結(jié)構(gòu)的介質(zhì)振蕩器。針 對(duì)無(wú)源部分的腔體尺寸和有源部分的電路結(jié)構(gòu)，使用h f s s 和a d s 兩種仿真軟件進(jìn)行 仿真優(yōu)化，確定各電路參數(shù)后進(jìn)行實(shí)物制作與調(diào)試，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。 又基于a d f 4 1 0 6 集成鎖相芯片設(shè)計(jì)制作了鎖相環(huán)電路，對(duì)電路各部分的設(shè)計(jì)方法 進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并將介質(zhì)振蕩器，耦合器，隔離器，參考源等與鎖相環(huán)電路全部集成 在一個(gè)屏蔽盒內(nèi)。對(duì)p d r o 整體電路進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得p d r o 的性能指標(biāo)如下：輸出 功率為8 1d b m ，相位噪聲為- 9 4 d b e h z l o k h z ，9 8 d b c h z 1 0 0 k h z ， 1 1 3 d b c h z 1 m h z 。最后，針對(duì)測(cè)試結(jié)果，指出了設(shè)計(jì)的一些不足之處以及改進(jìn)方案。 關(guān)鍵詞：介質(zhì)諧振器，鎖相環(huán)，鎖相介質(zhì)振蕩器，相位噪聲 a b s t r a c t 碩士論文 a b s t r a c t f i r s t l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h eo s c i l l a t o ra n df r e q u e n c ys o u r c ew i t ha no v e r v i e w , t h e n i n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo ft h ed r o ( d i e l e c t x i er e s o n a t o ro s c i l l a t o r ) a n dp l l ( p h a s el o c k e d l o o p ) ，a n dd i s c u s s e st h em a i np a r a m e t e r sa n dc k c u i tf o r ma n ds oo n w eh a dd e s i g n e dt w o k i n d so fd r o ，o n ei sac o m m o n - s o u r c es t r u c t u r ed r o w o r k i n ga t8 7 5 g h z ，t h eo t h e ri s a c o m m o n - d r a i ns t r u c t u r ed r o w o r k i n ga ta b o u t8 8 g h z u s i n gh f s sa n da d st os i m u l a t t h ec a v i t ys i z eo fp a s s i v ep a r ta n dt h ec i r c u i ts t r u c t u r eo fa c t i v ep a r t ，t h e nt e s tt h et w od r o r e s p e c t i v e l y , a n da n a l y s i st h et e s tr e s u l t s a f t e rc o m p l e t i n gt h ed e s i g no fd r o ，a8 8 g h zp l lw a sd e s i g n e db a s e do na d f 4 1 0 6 ， a n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h ep a r t sa r ed e s c r i b e di n d e t a i l f i n a l l y , t h ed r o ，c o u p l e r s ， i s o l a t o r s ，r e f e r e n c es o u r c e sa n dp l lc i r c u i ta r ei n t e g r a t e di nas h i e l d i n gb o x t h e l l t e s tt h ew h o l ee k c u ko fp d r o ，t h et e s tr e s u l t sa r ea s f o l l o w s ：o u t p u tp o w e r ：8 1d b m p h a s en o i s e ：- 9 4 d b c i - i z 1 0 k h z ，- 9 8 d b c i - i z l o o k h z ，一1 1 3 d b c i - i z 1 m h z f i n a l l y , a n a l y s i s a n ds u m m a r i z e st h et e s tr e s u l t so fp d r o ，a n dp o i n t e do u ts o m e i n a d e q u a c i e so ft h e d e s i g na n dg i v es o m ei m p r o v e ds u g g e s t i o n s k e yw o r d s ：d i e l e c t r i cr e s o n a t o r , p h a s el o c k e dl o o p ，p h a s e l o c k e dd i e l e c t r i cr e s o n a t o r o s c i l l a t o r , p h a s en o i s e 碩士論文x 波段低相噪p d r o 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1 緒論 1 1 頻率源概述 頻率源是電子系統(tǒng)的核心部件，因此在整個(gè)系統(tǒng)中至關(guān)重要，對(duì)系統(tǒng)的性能指標(biāo)影 響很大?，F(xiàn)代通訊技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)頻率源的性能要求也逐步提高：一方面，要求頻率 源體積小，成本低，且工作頻率向高端擴(kuò)展，另一方面，要求相位噪聲低，溫度穩(wěn)定性 好，可靠性高。 基本的頻率合成技術(shù)主要有三種：直接頻率合成( d s ) 、間接頻率合成( i d s ) 、直接數(shù) 字頻率合成( d d s ) n 】。直接頻率合成技術(shù)是通過(guò)分頻、混頻、倍頻和濾波等方式，將參 考信號(hào)轉(zhuǎn)換成所需要的輸出頻率，但因其體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高等缺陷，應(yīng)用范圍 已經(jīng)變窄。間接頻率合成技術(shù)即通常所說(shuō)的鎖相環(huán)技術(shù)，是通過(guò)鑒相實(shí)現(xiàn)相位反饋控制 從而實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤的閉環(huán)系統(tǒng)，按電路形式可分為模擬和數(shù)字兩種電路。模擬鎖相環(huán)路 附加的相噪很低，但電路復(fù)雜，調(diào)試難度大，較為典型的是脈沖取樣鎖相環(huán)路。數(shù)字鎖 相環(huán)路器件因半導(dǎo)體技術(shù)的成熟而性能大幅提高，得到了廣泛的應(yīng)用。直接數(shù)字頻率合 成技術(shù)是基于采樣定理，對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行抽樣、寄存、尋址以及a d 轉(zhuǎn)換，但其全數(shù)字 的結(jié)構(gòu)使得雜散電平高，因此抑制雜散成了研究d d s 的重點(diǎn)。 本文旨在研究低相噪的頻率源，因此雜散過(guò)高的直接數(shù)字頻率合成并不合適，由鎖 相環(huán)構(gòu)成的間接式頻率合成器，其性能接近于直接頻率合成，而且體積小，成本低，調(diào) 試方便，因此本課題的頻率源選用鎖相環(huán)路技術(shù)。 鎖相環(huán)技術(shù)起始于2 0 世紀(jì)3 0 年代，最早是應(yīng)用在電視機(jī)的同步電路中，后來(lái)隨著 通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，鎖相環(huán)電路因其能夠高效率的完成信號(hào)的提取、跟蹤、同 步、頻率的合成、調(diào)制和解調(diào)、去除噪聲等功能，已成為各類(lèi)電子系統(tǒng)中常用的基本部 件之一【2 】。 目前，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)很多種集成鎖相環(huán)芯片，國(guó)外的技術(shù)水平較高，很多集成鎖 相環(huán)產(chǎn)品性能非常好，典型的有美國(guó)p e r e g r i n e 公司的集成鎖相環(huán)芯片p e 8 3 3 3 6 。 4 0 m w 的功耗，靜電安全電壓1 0 0 0 v ，相位噪聲_ - 8 0 d b c h z 1 0 0 h z ，_ - 8 7 d b c h z l k h z 【3 】。a d 公司的a d f 4 0 0 0 系列，針對(duì)不同的需求有不同的射頻輸出頻率上限，歸一化相 位噪聲為2 1 9 d b c h z 。而h i t t i t e 公司2 0 1 1 年7 月份最新推出的一款高精度寬帶鎖相環(huán) 芯片h m c 8 3 0 l p 6 g e 性能更是優(yōu)越，歸一化相位噪聲僅為2 2 7 d b c h z ，工作頻率為 2 5 m h z - 3 0 0 0 m h z ，而且該芯片集成了v c o ，p f d ，及分頻器，放大器，因此使用者只 需要設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的無(wú)源環(huán)路濾波器就可以了。國(guó)內(nèi)的鎖相環(huán)產(chǎn)品性能相比國(guó)外而言稍差一 些，種類(lèi)少些，但是也在不斷進(jìn)步。比如，深圳國(guó)民技術(shù)公司生產(chǎn)的z i 0 5 0 模擬鎖相環(huán) 1 緒論碩士論文 芯片，集成了鑒相器、環(huán)路濾波、輸入信號(hào)丟失報(bào)警、壓控晶體振蕩器( v c x o ) 和可 編程2 n 分頻電路功能模塊，其突出優(yōu)點(diǎn)是集成了帶石英穩(wěn)定的v c x o ，具有很好的穩(wěn) 定性和良好的抖動(dòng)性能。 1 2 振蕩器概述 振蕩器是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可以輸出交流信號(hào)，也是頻率源的核心部件。振蕩電 路一般是使有源器件處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，引起自激振蕩，從而輸出一定頻率的交流 信號(hào)。有些振蕩器會(huì)通過(guò)諧振網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制輸出頻率，如果輸出的頻率是隨著j l , ：j n 電壓的 改變而改變的，這種振蕩器就稱(chēng)為壓控振蕩器( v c o ) 。常用的振蕩器包括：l c 振蕩器、 晶體振蕩器、y i g 振蕩器、腔體振蕩器、介質(zhì)振蕩器( d r o ) 等【4 】。這些振蕩器的工作 頻率、調(diào)諧帶寬、q 值、相噪特性等均不同。 表1 1 常用振蕩器參數(shù) 指標(biāo)晶體振蕩器介質(zhì)振蕩器 l c 振蕩器腔體振蕩器y i g 振蕩器 應(yīng)用頻率s l g h z之幾百m h z 5 l g i - i z幾百m h z之1 g h z 調(diào)諧帶寬 窄窄寬較窄寬 品質(zhì)因數(shù)高高低低高 相位噪聲好較好差一般較好 晶體振蕩器的品質(zhì)因數(shù)很高，因而具有良好的相位噪聲性能，并且有體積小的特性， 但是因?yàn)椴荒茏龅胶芨叩念l率，因此大多數(shù)作為頻率參考源使用。l c 振蕩器具有較寬 的調(diào)諧帶寬，適用于頻譜純度要求不高的電路。腔體振蕩器的q 值可以上萬(wàn)，但較難與 平面電路集成，并且金屬腔體受溫度的影響很大。 介質(zhì)諧振器( d r ) 克服了上述大部分缺點(diǎn)，它的無(wú)載品質(zhì)因數(shù)可以上萬(wàn)，介電常數(shù) 約為2 0 至1 0 0 。介質(zhì)塊多為陶瓷材料制作，受溫度的影響很小，并且容易與微帶電路 集成，將有源電路與介質(zhì)諧振器結(jié)合，就能得到高q 值的介質(zhì)振蕩器。d r o 產(chǎn)生的振 蕩頻率可達(dá)幾十g h z ，并且穩(wěn)定性高，可靠性高，相位噪聲低，體積小，成本低，壽命 長(zhǎng) 6 】，這些優(yōu)點(diǎn)使得d r o 得到了更為廣泛的應(yīng)用。 新材料的發(fā)展推動(dòng)著介質(zhì)振蕩器性能的提高，如美國(guó)t r a n s t e e 公司的一款微波介質(zhì) 陶瓷的q 值大于5 0 0 0 0 2 ( 3 i - i z 。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在也致力于鎖相介質(zhì)振蕩器的研究，并且有了一 定的成果，中電1 3 所的宋紅江、尹哲制作的輸出頻率1 7 g h z 的鎖相介質(zhì)振蕩器【7 】，相 噪為1 0 3 d b c h z l k h z ，1 0 7 d b c h z 1 0 k h z ，1 1 0 d b c h z 1 0 0 k h z ，在國(guó)內(nèi)屬于領(lǐng)先 水平。近幾年，國(guó)內(nèi)的p d r o 產(chǎn)品也逐步系列化，能滿(mǎn)足不同頻率范圍的需求，如成都 西科微波公司的鎖相介質(zhì)振蕩器系列產(chǎn)品，頻率范圍為7 1 4 g i - i z ，當(dāng)采用1 0 0 m h z 的 輸入?yún)⒖夹盘?hào)頻率時(shí)，相位噪聲_ - 1 0 5 d b c h z 1 0 k h z ，_ - - 1 1 0 d b c i - - l z 1 0 0 k h z ，雜散抑 2 碩士論文x 波段低相噪p d r o 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 制s 一6 5d b c 。 國(guó)外的介質(zhì)振蕩器技術(shù)比較成熟，性能也相對(duì)較好，例如h e r l e y 公司的p d r o 系 列產(chǎn)品，頻率范圍從3g h z 到4 5 g i - l z ，參考頻率從1 m h z 到3 0 0 m h z ，工作溫度5 5 + 8 5 ，輸出頻率為1 4 g h z 時(shí)相位噪聲 - 1 1 3 d b c h z 1 0 k h z ，_ - 1 1 6 d b c h z 1 0 0 k h z ， 輸出頻率為5 g h z 時(shí)相位噪聲_ - 1 1 6 d b c i - i z l k h z ，_ - 1 2 6 d b c h z 1 0 k h z ， _ - 1 2 6 d b c h z 1 0 0 k h z 例。 1 3 論文的主要研究工作 本論文對(duì)介質(zhì)振蕩器和鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)理論分析，對(duì)各部分的電路結(jié)構(gòu)和主 要參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，針對(duì)對(duì)關(guān)鍵的問(wèn)題給出了解決方案。根據(jù)需求，分別設(shè)計(jì)了 工作于x 波段的共源和共漏兩種結(jié)構(gòu)的介質(zhì)振蕩器，通過(guò)h f s s 和a d s 兩種仿真軟件 進(jìn)行仿真優(yōu)化，確定各電路參數(shù)后進(jìn)行制作與調(diào)試，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。然后仿真 制作了定向耦合器以及預(yù)分頻電路，在此基礎(chǔ)上，基于a d 公司的a d f 4 1 0 6 鎖相芯片 設(shè)計(jì)了p l l 電路，并進(jìn)行了實(shí)物調(diào)試。最終將介質(zhì)振蕩器，耦合器，隔離器，參考源 等與鎖相環(huán)電路全部集成在一個(gè)屏蔽盒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)計(jì)，給出了p d r o 的測(cè)試 結(jié)果，并做了分析以及總結(jié)，為以后的工作做參考。 具體內(nèi)容如下： 第一章主要介紹了頻率源與振蕩器的概況，并重點(diǎn)介紹了鎖相環(huán)和介質(zhì)振蕩器的特 點(diǎn)和國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，給出了本文的主要工作安排。 第二章分別介紹了介質(zhì)振蕩器的電路形式和工作原理，鎖相環(huán)的各組成部分及其基 本原理，為設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。 第三章詳細(xì)介紹了壓控介質(zhì)振蕩器的制作過(guò)程，仿真設(shè)計(jì)了共源和共漏兩種結(jié)構(gòu)的 d r o ，制成實(shí)物，進(jìn)行調(diào)試，并給出測(cè)試結(jié)果和性能對(duì)比。 第四章對(duì)鎖相環(huán)各個(gè)部分的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并制作了以a d f 4 1 0 6 芯 片為基礎(chǔ)的鎖相環(huán)電路。 第五章為鎖相介質(zhì)振蕩器的整體測(cè)試結(jié)果，電源電路設(shè)計(jì)，以及實(shí)物展示，并針對(duì) 結(jié)果進(jìn)行了分析，探討了可以改進(jìn)的地方。 2 鎖相介質(zhì)振蕩器的基本原理碩士論文 2 鎖相介質(zhì)振蕩器的基本原理 鎖相介質(zhì)振蕩器主要包括鎖相環(huán)和介質(zhì)振蕩器兩大部分，一般采用高精度的晶體振 蕩器作為參考頻率源，高q 值的介質(zhì)振蕩器作為諧振網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)分頻鎖相技術(shù)得到。下 面分別對(duì)介質(zhì)振蕩器和鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹。 2 1 介質(zhì)振蕩器的基本原理 2 1 1 介質(zhì)諧振器的主要參數(shù) 介質(zhì)諧振器( d i e l e c t r i cr e s o n a t o r ) 是一種由陶瓷材料做成的諧振器，電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量 在諧振器內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的周期即為諧振器的諧振頻率。d r 的主要參數(shù)有：介電 常數(shù)，品質(zhì)因數(shù)q 、頻率溫度系數(shù)t ，諧振頻率島。 1 介電常數(shù)s 在理想的磁壁上，電場(chǎng)的法向分量為零，磁場(chǎng)的切向分量為零，電磁波入射到理想 磁壁上會(huì)被完全反射回來(lái)，因此，能量可以被束縛在理想磁壁構(gòu)成的閉合空間內(nèi)。介電 常數(shù)較高的陶瓷介質(zhì)可以近似于理想磁壁，電場(chǎng)和磁場(chǎng)能量在介質(zhì)塊中不斷轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換 的周期即為諧振頻率。介電常數(shù)越高，能量就越集中在介質(zhì)塊內(nèi)部，泄露出來(lái)的能量就 越少，相對(duì)的q 值就越高，損耗也就越小。就目前的工藝水準(zhǔn)和材料情況看來(lái)，x 波 段的介質(zhì)諧振器的相對(duì)介電常數(shù)一般在3 0 5 0 之剮9 1 。 2 品質(zhì)因數(shù)q 品質(zhì)因數(shù)是描述儲(chǔ)能器件或諧振電路存儲(chǔ)能量的能力的指標(biāo)，一般用q 來(lái)表示，定 義為該元件存儲(chǔ)的能量和損耗的能量的比值。q 值越大的元件，組成的電路或網(wǎng)絡(luò)的頻 率選擇性能就越好。 有載品質(zhì)因數(shù)： q 工= 蘭= 石而c o o w ( 2 1 ) 無(wú)載品質(zhì)因數(shù)：o o - - 警= 麗c o o w ( 2 2 ) 上式中，p d 為介質(zhì)損耗、p c 為導(dǎo)體損耗、p r 為輻射損耗、p 嘲為輸出功率，p o 為自 身?yè)p耗的功率。q 值越高，諧振器的選頻特性越好，穩(wěn)定性也越好，因此，要選擇q 值較高的d r 。 3 頻率溫度系數(shù)t ， 頻率溫度系數(shù)表征著溫度對(duì)諧振器的振蕩頻率的影響程度，用研表示。 4 碩士論文x 波段低相噪p d r o 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 葉：熹掣( p p m c ) ( 2 3 ) 。 f ( t o )五一矗 理想情況下，頻率溫度系數(shù)應(yīng)該接近于0 ，這樣的諧振器受溫度影響最小，目前大 多數(shù)介質(zhì)諧振器的t ，值也比較低，如h e r l e y 公司的p d r o 系列產(chǎn)品頻率溫度系數(shù)為 十_ 2 5p p m c 。 4 諧振頻率晶 介質(zhì)諧振器有不同的形狀和材料，常見(jiàn)的有環(huán)形，矩形，圓柱形等，他們的工作模 式不同，因此也具有不同的諧振頻率。最為常用的圓柱形介質(zhì)諧振器一般工作在t e 0 1 5 模，也就是基模。而介質(zhì)諧振器的諧振頻率除與其本身的相對(duì)介電常數(shù)和形狀尺寸有關(guān) 外，也與周?chē)h(huán)境有關(guān)，因此很難計(jì)算出精確值0 0 1 。 估算圓柱形介質(zhì)諧振器的諧振頻率的計(jì)算公式為： 兀= 景( 爭(zhēng)9 ) 旺4 ， 厶2 雨l i + 6 9 j 憶4 上式中，d 為介質(zhì)諧振器的直徑( m m ) ，l 為高度( m m ) ，f o 為諧振頻率( g h z ) ， 在l d l 4 且3 0 ， 0 ，因此 0 ( 2 2 2 ) 正阻抗是消耗能量的，負(fù)阻是產(chǎn)生能量的。電路在起振階段，整個(gè)電路工作在非穩(wěn) 定狀態(tài)，電路中的噪聲將引起振蕩，由于正反饋的存在，電路中的電流將逐漸變大，而 隨著電流的變大，r 。則逐漸變小，直至電路呈穩(wěn)定振蕩狀裂1 9 】，即達(dá)到式2 1 7 的狀態(tài)。 因此，負(fù)阻振蕩電路的起振條件為： 枷l 1 6 m m ，b 2 0 m m 。關(guān)于腔體尺寸仿真，做了很多仿真工作，現(xiàn)只將對(duì)實(shí)物調(diào)試 具有指導(dǎo)意義的部分仿真結(jié)果整理出來(lái)，腔體長(zhǎng)度為t ，寬度為b ，高度為e ，單位均為 m n l ，介質(zhì)塊位于腔體的中心位置。改變腔體的長(zhǎng)度、寬度和高度，從而得到不同的s 1 1 曲線，其峰值對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)不同，列表如下： 2 l 3 介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)與制作碩士論文 表3 4 腔體尺寸變化對(duì)應(yīng)的諧振頻率( 單位：g h z ) 卜 1 6 m m1 6 5 m m1 7 m m1 7 5 m m1 8 m m1 8 5 m m1 9 m m1 9 5 m m2 0 r a m 2 6 r a m9 3 1 79 i “9 0 2 88 9 3 58 8 3 28 6 1 68 4 7 68 3 4 38 2 1 2 2 7 m m9 2 8 59 1 2 39 0 0 88 8 8 58 7 3 18 5 2 08 3 8 68 2 4 48 1 2 9 2 8 r a m9 2 2 19 0 9 78 9 5 68 8 3 8 8 6 0 6 8 4 7 58 3 1 48 1 9 i8 0 7 3 2 9 m m 9 1 8 3 9 0 4 88 9 1 68 8 0 08 5 5 4 8 3 8 8 8 2 4 4 8 1 1 47 9 9 4 3 0 m m9 1 6 29 0 0 48 8 8 78 6 6 48 4 8 88 3 1 18 1 9 08 0 6 77 9 4 0 3 i m i l l9 1 4 78 9 7 38 8 5 28 6 0 68 4 4 2 8 2 8 9 8 1 3 9 8 0 0 87 8 8 3 3 2 r a m9 0 8 58 9 5 3 8 8 2 38 5 8 l8 4 0 6 8 2 3 9 8 0 9 1 7 9 6 07 8 2 7 表3 5 腔體尺寸變化對(duì)應(yīng)的s l l 值( 單位：d b ) 卜 1 6 m m m1 6 5 m m1 7 m m1 7 5 m m1 8 m m1 8 5 m m1 9 r a m1 9 5 m m2 0 r a m 2 6 r a m1 0 0 70 5 7 00 5 7 90 5 4 70 6 2 9- o 6 4 70 7 0 50 7 0 10 8 4 3 2 7 r a m0 5 9 30 5 9 10 5 2 20 5 3 9- 0 5 2 9- 0 5 6 6o 6 8 10 9 0 20 6 7 5 2 8 r a m0 5 2 90 5 8 20 6 0 2o 5 1 5- o 5 1 9- 0 6 5 80 6 0 50 6 3 00 6 5 2 2 9 m m0 5 8 90 5 4 50 5 5 80 4 9 30 5 5 10 6 5 20 6 4 00 6 8 00 6 4 8 3 0 r a mo 5 1 l- 0 5 8 30 5 3 50 4 8 30 6 0 40 6 2 50 6 2 30 6 5 70 6 9 7 3 l m m- 0 6 0 30 5 2 3o 5 1 3- 0 5 0 7- 0 5 6 90 5 6 4加7 9 00 7 2 40 9 2 3 3 2 r a m0 6 8 60 4 7 50 4 6 10 5 1 2 0 5 9 5 - 0 6 5 8 0 6 2 0 0 6 5 30 9 7 4 改變腔體長(zhǎng)和寬的尺寸時(shí)，腔體高度保持為l o m m 不變，從表格中可以看出，腔體 的長(zhǎng)度越大，s l l 曲線峰值對(duì)應(yīng)的頻率越小，腔體的寬度越大，s 1 1 曲線峰值對(duì)應(yīng)的頻 率也越小。但是這種變化是非線性的，并且諧振頻率對(duì)于長(zhǎng)度的變化比寬度的變化要敏 感。腔體尺寸變化時(shí)，峰值處的s l l 的值有細(xì)微變化，但均大于1 d b 。 表3 6 腔體高度變化對(duì)諧振頻率和s i1 值的影響 e6 m m6 5 m m 7 m m 7 5 m m8 m m8 5 m m9 m m f ( g h z ) 7 7 8 57 9 9 08 1 5 68 2 8 58 3 8 28 4 7 78 5 6 4 s l l ( d b )1 1 6 80 8 7 60 8 4 8o 7 3 00 6 5 20 7 9 40 6 9 0 e9 5 m ml o m m1 0 5 m m1 l m m1 1 5 m m1 2 r a m1 2 5 m m f ( g h z ) 8 6 6 98 8 0 08 8 3 58 8 7 38 9 0 58 9 3 18 9 6 6 s l l ( d b )0 5 0 30 4 9 30 5 0 6 - o 4 8 20 5 1 4 0 5 2 3 0 5 4 2 保持腔體的長(zhǎng)度和寬度不變，只改變高度，可以得到腔體高度變化對(duì)諧振頻率和s 1 1 值的影響。從表中的數(shù)據(jù)可以看出，腔體高度越高，曲線峰值對(duì)應(yīng)的頻率越大。綜合考 慮腔體的長(zhǎng)寬高三個(gè)參數(shù)對(duì)峰值頻率和s l l 值的影響，最終選取t = 1 7 5 m m ，b = 2 9 m m ， e = l o m m ，對(duì)應(yīng)的峰值頻率為8 8 g h z ，s ll = - o 4 9 3 d b 。 碩士論文x 波段低相噪p d r o 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2 介質(zhì)塊位置的影響 通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)塊與微帶線之間的相對(duì)位置，可以發(fā)現(xiàn)規(guī)律如下：當(dāng)介質(zhì)塊沿微帶線 左右平行移動(dòng)時(shí)，峰值的頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)變化。介質(zhì)塊右移，頻點(diǎn)變高，介質(zhì)塊左移，頻點(diǎn)變 低，向左移到一定位置時(shí)會(huì)出現(xiàn)跳頻的現(xiàn)象，頻率會(huì)跳到7 4 g h z 左右。 表3 7 介質(zhì)塊位置的影響 d r 位置左移3 m m 左移2 m m左移l m m居中右移l m m右移2 m m右移3 m m f ( g h z ) 8 7 6 78 7 7 48 7 8 28 88 8 0 68 8 1 48 8 2 3 s l l ( d b )1 1 3 40 9 7 60 8 6 90 4 9 30 6 5 20 6 4 71 2 9 0 當(dāng)調(diào)節(jié)介質(zhì)塊與微帶線的耦合距離時(shí)，發(fā)現(xiàn)諧振頻率保持不變，峰值的s 1 1 值略微 變化，一般情況下，介質(zhì)塊距離微帶線距離越近，耦合越緊，輸出功率就越大，相對(duì)的 相位噪聲性能會(huì)變差，當(dāng)介質(zhì)塊與導(dǎo)帶重合的范圍過(guò)大的時(shí)候，會(huì)引起頻率突變；介質(zhì) 塊與微帶線距離越遠(yuǎn)，耦合越松，輸出功率就越小，相對(duì)的相位噪聲性能會(huì)變好，但是 耦合太松的話(huà)，選頻性能會(huì)變差，介質(zhì)塊不能有效的牽引振蕩頻率。因此，應(yīng)當(dāng)選取適 當(dāng)?shù)鸟詈暇嚯x，使之具有合適的功率和相噪性能，同時(shí)能夠滿(mǎn)足電調(diào)諧的要求。 3 電調(diào)諧的影響 振蕩器的本身的溫度穩(wěn)定性能主要取決于介質(zhì)諧振器和場(chǎng)效應(yīng)管的溫度性能，為了 消除溫度的影響，一般采用電調(diào)諧的辦法，由鎖相控制電路來(lái)鎖定介質(zhì)振蕩器的振蕩頻 率。電調(diào)諧的原理就是電磁場(chǎng)能量主要集中在介質(zhì)塊內(nèi)部，邊緣有一小部分磁場(chǎng)泄漏， 通過(guò)電壓調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的電容，來(lái)改變這部分的磁場(chǎng)分布，從而改變諧振頻率【3 5 1 。本 設(shè)計(jì)采用的變?nèi)荻O管在0 v 的時(shí)候?yàn)? 2 2 p f ，1 0 v 的時(shí)候?yàn)? 3 8p f ，仿真調(diào)諧得到的 峰值頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲線如下圖，從0 1 0 v 頻率變化約為7 8 m h z ，在8 8 g h z 附近的壓控靈 敏度約為7 5 0 k h z v 。 圖3 2 電諧頻點(diǎn)曲線圖 3 介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)與制作 碩士論文 4 機(jī)械調(diào)諧的影響 一般情況下，機(jī)械調(diào)諧金屬板的直徑為d r 直徑的1 5 到2 倍，本設(shè)計(jì)中，取金屬 板的直徑為1 2 r a m ，考慮到介質(zhì)塊的高度，取距離介質(zhì)基板的高度范圍為3 m m 到9 m m ， 每隔0 5 m m 取一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)t = 1 7 5 m m ，b = 2 9 m m ，e = 1 0 m m 時(shí)得到對(duì)應(yīng)峰值頻點(diǎn)的曲線如 下圖所示。 圖3 3 機(jī)械調(diào)諧頻點(diǎn)曲線圖 從圖中可以看出，隨著蓋板高度的增加，諧振的峰值頻率變高，但是不呈線性狀態(tài)， 頻率調(diào)諧約為1 0 8 m h z m m ，蓋板高度為7 m m 時(shí)正好在8 8 g h z 的位置。 5 最終尺寸的確定 根據(jù)以上分析，綜合考慮各參數(shù)，最終確定腔體的尺寸如下：腔體長(zhǎng)度為1 7 5 m m ， 寬度為2 9 m m ，高度為1 0 r a m ，蓋板高度為7 m m ，當(dāng)變?nèi)荻O管的電容為0 7 p f 時(shí)，峰 值頻點(diǎn)正好為諧振頻率8 8 g h z ，s l l 為0 4 9 2 6 d b ，仿真得到的s 參數(shù)曲線如圖3 5 所示。 圖3 4 無(wú)源部分最終尺寸圖 碩士論文x 波段低相噪p d r o 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 3 有源部分的設(shè)計(jì)仿真 f a c 4 a l 圖3 5 無(wú)源部分s 參數(shù)曲線 將上述無(wú)源部分仿真結(jié)果導(dǎo)出，得到的s 2 p 文件帶入a d s ，即可進(jìn)行有源部分的仿 真。有源部分設(shè)計(jì)的整體思路是，首先是晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)仿真，確定靜態(tài)工作點(diǎn)后 設(shè)計(jì)直流偏置電路，然后添加反饋線和扇形線，高阻線等，連接無(wú)源部分后，進(jìn)行輸出 匹配，最后微調(diào)電路使各個(gè)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。圖3 6 顯示了串聯(lián)反饋型介質(zhì)振蕩器的基本 結(jié)構(gòu)，下面對(duì)8 8 g h z 的共漏結(jié)構(gòu)的介質(zhì)振蕩器有源部分的仿真做詳細(xì)介紹。 圖3 6 串聯(lián)反饋型介質(zhì)振蕩器 3 3 1 直流偏置電路設(shè)計(jì) 首先是直流偏置電路的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用的是a d 公司的a t f l 3 7 8 6 ，典型的靜態(tài)工 作點(diǎn)為v d s = 3v ，i d s = 4 0m a 。采用a d s 自帶的晶體管直流工作點(diǎn)掃描，得到典型 的靜態(tài)工作點(diǎn)如圖3 7 所示。 3 介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)與制作 碩士論文 e 。： o 復(fù) 一一 01234 v d s 圖3 7a t f l 3 7 8 6 的靜態(tài)工作點(diǎn) 根據(jù)掃描得到的靜態(tài)工作點(diǎn)，設(shè)計(jì)偏置電路如下，直流供電v d c = 3 3 v ，v d s = 3 v ， 則r 2 上的電壓為0 3 v ，即v g s = - 0 3 v ，則r 2 的值為0 3 v 0 0 4 a = 7 5 f l ，在設(shè)計(jì)中， r 取8 q ，c l ，c 2 為濾波電容，仿真結(jié)果與靜態(tài)工作點(diǎn)基本一致。 圖3 8 偏置電路 3 3 2 反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 在仿真有源電路時(shí)，晶體管有兩種模型可以使用，一種是s p 開(kāi)頭的小信號(hào)模型， 它的靜態(tài)工作點(diǎn)是固定的，一種是p f 開(kāi)頭的非線性模型，可以進(jìn)行直流仿真，為了得 碩士論文x 波段低相噪p d r o 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 到更加精確的仿真結(jié)果，本設(shè)計(jì)的有源電路仿真都是采用非線性模型加入偏置電路的形 式。 設(shè)置好偏置電路后，為了使晶體管工作在不穩(wěn)定的狀態(tài)，還需要加入反饋線，8 8 g h z 介質(zhì)振蕩器采用的是共源結(jié)構(gòu)，因此反饋線加在源極。調(diào)節(jié)反饋線的長(zhǎng)度，使電路s 1 1 大于1 ，并且處于峰值，電路工作在不穩(wěn)定的狀態(tài)。 廣_ i m , q u b i i j m s u b m s 山1 h ：0 2 5 4m m e r = - 2 2 m a = l c o n d = 5 黯e + h u = 1 0 m m t = 0 0 1 7m m t a n d = 0 0 0 0 9 r o u g h = 0m m 圖3 9 引入反饋線的電路 ，_ 、 一 - 一 ( ，) 、- ， r n f r e q ，g h z 圖3 1 0 引入反饋線后的s l l 值 3 介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)與制作碩士論文 3 3 3 扇形線和高阻線的設(shè)計(jì) 有源電路中的高阻線，一般情況是線的阻抗越高越好，但是特性阻抗太高的話(huà)，線 會(huì)太細(xì)，p c b 加工不好實(shí)現(xiàn)，也可能無(wú)法承受偏置電流，一般采用1 0 0 f 2 ，長(zhǎng)度為g 4 。 1 4 波長(zhǎng)線和扇形線連接，主要作用是從射頻回路向電源端看過(guò)去的輸入阻抗為無(wú)窮大， 起到射頻信號(hào)與直流的隔離作用【3 6 】。 2 l o 邑 曲 圖3 1 l 扇形線和高阻線 ；彳r 一ij f 7 由7 - 50 08 59 09 j o 山 f r e q g h z 2 q ； 旺 t e 肌 t e m 1 n u m = l z = 1 0 0o h m 圖3 1 2 扇形線和高阻線的s 參數(shù) 碩士論文 x 波段低相噪p d r o 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 扇形線和高阻線的設(shè)計(jì)就是要s 1 1 最大，s 2 1 最小，且處于峰值，通過(guò)優(yōu)化扇形線 的角度以及半徑，高阻線的長(zhǎng)度做微調(diào)，得到了最優(yōu)值如圖3 1 2 所示。 3 3 4 整體電路的設(shè)計(jì) 完成各個(gè)部分的設(shè)計(jì)后，可以將有源和無(wú)源部分連接在一起進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，要使整 個(gè)電路存在剩余負(fù)阻和總的電抗為零，并且將輸出端匹配到5 0 q 。完整電路圖如圖3 1 3 所示。 圖3 1 3 整體電路設(shè)計(jì)圖 整體電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，且需要一定的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，嘗試多種方法后，總結(jié)設(shè)計(jì)步 驟如下，各參數(shù)參照示意圖3 1 4 。 諧振晶體管輸出 網(wǎng)絡(luò) + 之廣 【s 】 + 之r 網(wǎng)絡(luò) l v i i v l f r o ( f 1 )( f 2 ) ( r l ) 圖3 1 4 整體電路示意圖 首先，測(cè)得諧振網(wǎng)絡(luò)部分加上連接線的阻抗為z 產(chǎn)( 3 4 5 9 + j 2 1 0 2 5 ) q ，則根據(jù)式2 1 9 ， 可以得到理論的最優(yōu)值為z 鏟( 1 0 3 7 7 - j 2 1 0 2 5 ) q 。 將無(wú)源部分與晶體管部分連接，不加入輸出網(wǎng)絡(luò)，電路輸出端直接加5 0 q 的端e l ， 測(cè)得從輸出端看進(jìn)去的阻抗z 伽t _ ( 1 1 0 5 9 - j 7 0 2 3 ) q 。然后，根據(jù)z 吡的值設(shè)計(jì)輸出網(wǎng) 絡(luò)，通過(guò)a d s 軟件自帶的匹配模塊設(shè)計(jì)l 支節(jié)匹配電路，如圖3 1 5 所示。 3 介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)與制作碩士論文 p o r t p 1 n u m = 工w = 0 7 8 4m m ：l = 3 9 8 9 m m p o r t p 2 n u r n = 2 圖3 1 5l 支節(jié)匹配電路 將匹配電路添加到整體電路中，將諧振網(wǎng)絡(luò)與晶體管斷開(kāi)，然后調(diào)節(jié)無(wú)源部分與有 源部分的連接線的長(zhǎng)度，以及反饋線的長(zhǎng)度，使得z i i l 接近理論值，調(diào)節(jié)過(guò)程中保證從 輸出端1 3 看進(jìn)去的s 1 1 大于1 。最終，微調(diào)得到z i n = ( - 9 6 8 4 - j 1 8 0 5 3 ) q 。 此時(shí)，因?yàn)檎{(diào)節(jié)過(guò)反饋線等長(zhǎng)度，整體電路的輸出端已經(jīng)不匹配到5 0 q 了，再微調(diào) 輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的微帶線尺寸，使之匹配到5 0 f l ，得到輸出端z = ( 4 9 9 5 6 + j 0 0 6 7 ) q 。 另外，需要在輸出端加入一個(gè)隔直電容，還需要加兩端微帶線用來(lái)連接電容和輸出 端1 2 1 ，隔直電容采用2 0 p f 的貼片電容，它的阻抗值僅有- j o 9 ，對(duì)電路的匹配幾乎沒(méi)有 影響。至此，整個(gè)電路設(shè)計(jì)完成，可采用諧波平衡仿真電路的諧振情況。 o 量 蓋 口 困harmindex=1dbm(vout)=l 6 8 2o l i 【 l 一 j k jl o1234567 h a r m i n d e x h a r m j n d e x f r e q 00 0 0 0 0 h z 18 7 9 9g h 芝 2 1 7 6 0 g h 眨 3 2 6 4 0 g 43 5 2 0g h 巴 54 4 0 0 g h 眨 65 2 8 0 g h 眨 76 1 5 9g h 匕 圖3 1 6 諧波平衡仿真結(jié)果 碩士論文x 波段低相噪p d r o 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) u r n 口 e c n o i s e f r e q ，m h