X波段介質諧振器振蕩器和緩沖放大器的研究

摘 要：微波振蕩器代表所有基本微波通信系統的能源來源。研究設計8.95 GHz的低噪聲砷化鎵場效應管并聯反饋介質諧振器振蕩器，為了放大輸出功率和提高負載牽引，在介質諧振器振蕩器后一級加緩沖放大器，最終的輸出功率是+13.33 dBm。測試證明輸出信號的相位噪聲偏離中心頻率100 kHz可達-116.49 dBc/Hz，偏離中心頻率10 kHz可達-91.74 dBc/Hz。

關鍵詞：相位噪聲; 介質諧振器振蕩器; 緩沖放大器; 中心頻率

中圖分類號：TN752-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0178-03

X-band Dielectric Resonator Oscillator and Buffer Amplifier

SU Yun， ZHAO Hui-ling， JIANG Dan

(College of Electronic Information， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China)

Abstract： The microwave oscillators represent the basic microwave energy sources for all microwave communication systems. The design of a low phase noise (8.95 GHz) parallel feedback GaAs FET dielectric resonator oscillator (DRO) is studied. In order to magnify the output power and enhance the load pulling， a buffer amplifier is designed after the DRO， whose output power is +13.33 dBm. The DRO was measured. The result proves an oscillation at 8.95 GHz with a phase noise of -116.49 dBc/Hz at 100 kHz， and -91.74 dBc/Hz at 10 kHz.

Keywords： phase noise; dielectric resonator oscillator; buffer amplifier; centre frequency

0 引 言

隨著微波半導體技術和微波集成電路(MIC)以及雷達、電子對抗、通信等技術的發展，微波設備與系統也趨向小型化、集成化和低成本化發展，同時對振蕩器其性能指標提出了更高的要求。介質諧振器(DR)以其體積小、重量輕、Q值高、結構簡單、價格便宜等優點，廣泛應用于微波源設計，此類振蕩器稱為介質振蕩器(DRO)。小型化、高穩定、低噪聲的DRO成為微波信號源的重要研究課題［1-2］。

在射頻電路設計中常常在兩級電路之間加入緩沖放大器隔離兩個部分的電路。通過這種隔離方式能夠在射頻系統中減少不利因素。不良的輸出隔離會影響和干擾振蕩器性能的各種機理，因此在振蕩器的輸出端常常包含一個緩沖器。在振蕩器后一級加緩沖放大器已經得到廣泛應用。

1 振蕩器的相位噪聲

微波有源晶體管的噪聲來源主要有三個方面：一是熱噪聲，二是散彈噪聲，三是閃爍噪聲。熱噪聲是晶體管中載流子不規則熱運動引起的，它的大小與晶體管本身的歐姆電阻有關。散彈噪聲是由于晶體管內部復雜的載流子(電子)運動起伏所產生的，其大小與電流成正比。閃爍噪聲是與頻率成反比的噪聲，又稱1/f噪聲［3］。它是微波晶體管振蕩器近載頻相位噪聲的主要來源，通過器件的非線性效應上變頻對微波頻率發揮作用，在遠離載頻端可以忽略［4］。

關于振蕩器的相位噪聲一般的影響因素，因此為了提高振蕩器的相位噪聲性能，可以從以下幾個方面進行努力和改進［5］。

(1) 提高諧振電路的有載Q值一倍，可以改善相位噪聲6 dB。因此諧振器的Q值極為重要，為了改善相位噪聲，除了選擇高空載Q值的諧振器之外，在實際電路中應盡量減少有載QL值的惡化。

(2) 諧振頻率增加一倍，相位噪聲惡化6 dB。提高諧振頻率輸出功率將改善相位噪聲。輸出功率是振蕩器的重要指標，高輸出功率靠振蕩管本身和匹配電路來保證。

(3) 振蕩電路溫度升高，相位噪聲將惡化。在電路中應該注意有源器件的散熱問題，保證有源器件溫度不至于太高。

2 介質振蕩器DRO電路實現

本文設計的DRO選用Infineon的CFY25場效應管，是一種中功率輸出的砷化鎵場效應管。其具有相位噪聲低、在設計的振蕩器頻率上易于起振、性能良好、同時購買方便等優點，適合作為本課題的有源器件。根據仿真結果［6］制作的8.95 GHz與兩根微帶線耦合的并聯諧振的介質諧振器［7］如圖1所示，以及將介質諧振器并聯有源器件的柵極和漏極之間，介質振蕩器仿真電路模型如圖2所示。

在DRO電路調試過程中， 調試時先不放人介質塊，振蕩源通電后，加上蓋板，形成封閉的腔體應該沒有功率輸出，如有功率輸出，說明振蕩源存在寄生振蕩，應該設法抑制消除［8］。放入介質塊并調整其位置以獲得最佳耦合，這時振蕩源應工作正常，調諧盤在400 MHz范圍內應沒有調模現象。調整介質塊與微帶線之間耦合度［8］β1和β2，是振蕩器的輸出功率和相位噪聲盡量滿足設計指標。最后，用微波膠將介質塊粘牢。

由于振蕩器振蕩頻率易受負載牽引比較明顯，為了適應不同負載的變化，經常要加一級緩沖放大器使振蕩器與負載隔開，這樣也能進一步提高功率-頻率性能。設計緩沖放大器采用富士通的FLK017場效應管，選定管子后先對其進行直流仿真分析，基于FLK017在ADS元件庫中晶體管模型沒有ADS仿真軟件中提供一種三端口的S參數模型［9］。可以直接將所需要的直流工作點的S參數導入，需要注意的是廠家提供的S2P文件中的S參數值是默認發射極接地的情況，因此仿真電路中的第三個端口接地。本文設計所選的直流工作點是VDS=10 V，I=36 mA。緩沖放大器仿真電路如圖3所示。

在BA電路調試過程中，起初，在所要的頻點上，功率輸出-5 dBm，放大器變成衰減器。在調試過程中，輸出、輸入SMA口特別敏感，可能是安裝人為誤差影響比較大，重新將電路卸載，再安裝后，輸出功率到+4 dBm。為獲得最大功率輸出，對輸出、輸入匹配電路以及敏感部位進行調試。使輸出功率達到8 dBm，完成設計的目標。

在實驗中會發生千奇百怪的現象，只有反復調試、不斷摸索才能達到預期的設計目標。

3 DRO和BA的測試曲線

對介質振蕩器實物進行測試，得到結果為：在偏離中心頻率100 kHz的相位噪聲可達-116.49 dBc/Hz，如圖4所示；在偏離中心頻率10 kHz相位噪聲可達-91.74 dBc/Hz，如圖5所示。

對緩沖放大器實物進行測試，得到結果為：在所要的頻點上輸出功率為8 dBm，如圖6所示。

4 聯合兩個電路測試結果

聯合DRO和BA電路，最終得到輸出功率為13.33 dBm，如圖7所示。

5 結果分析

由上述實驗數據可以看出，無論是DRO的相位噪聲或是DRO后一級加BA的聯合測試的功率輸出都能滿足設計的要求，完成DRO和BA的設計指標。

本文結構的介質振蕩器具有性能優良、電路結構簡單固定、調試量小、諧振器的場分析簡單、高頻寄生參量少、溫度適應性好等優點。通過進一步的優化電路仿真，對所需的頻率電路結構固定。可實現批量生產，擴大應用范圍。因此有很好的工程應用價值。

另外，再優化設計電路可以進一步減小電路尺寸，緩放可以代替隔離器，將介質振蕩器后一級加緩放設計在同一個電路板上，并在MMIC中有很好的應用前景。

參 考 文 獻

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作者簡介：

蘇 云 女，1982年出生，安徽巢湖人，碩士研究生。主要研究方向為有源電路、頻率源。