低相噪低溫漂介質振蕩器設計

張文鋒 高曉強

摘? 要：該文設計了一款低相噪、低溫漂同軸介質振蕩器，該振蕩器主要包括三部分：負阻電路部分、同軸介質諧振部分、輸出緩沖放大部分。其中，負阻部分和緩沖放大部分使用MMIC工藝實現，諧振部分采用同軸介質和薄膜工藝實現，整體組裝采用微組裝工藝，在實現產品小型化的同時，達到了低相噪、低溫漂的設計目標。最終產品的尺寸為：14 mm×14 mm×5 mm。測試結果表明：在電源電壓+9 V、電調電壓0～9 V條件下，該產品的輸出頻率為2.958～2.988 GHz，相位噪聲為-107 dBc/Hz@10 kHz，溫漂為：3 MHz。

關鍵詞：負阻單片? 同軸介質諧振器? 低相位噪聲? 低溫漂

中圖分類號：TN752? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）05（a）-0010-05

Abstract： In this paper， a low phase noise， low temperature drift CRO is designed. The oscillator mainly includes three parts： negative resistance circuit part， coaxial dielectric resonance part， output buffer amplifier part. Among them， the negative resistance part and buffer amplification part are realized by MMIC process， the resonant part is realized by coaxial medium and thin film process， and overall assembly is realized by micro-assembly process. While realizing the product miniaturization， the design goal of low phase and low temperature drift is achieved. The size of the final product is 14 mm×14 mm×5 mm. The test results show that the output frequency of the product is 2.958～2.988 GHz， the phase noise is -107 dBc/Hz@10 kHz， and the temperature drift 3 MHz under the condition of the power supply voltage +9 V and the electric regulating voltage 0～9 V.

Key Words： Negative resistance MMIC; Coaxial dielectric resonator; Low phase noise; Low temperature drift

隨著現代通信系統、雷達系統的蓬勃發展，對頻率源器件的相位噪聲以及尺寸要求越來越高，壓控振蕩器作為頻率源的核心器件，其相位噪聲的好壞以及尺寸的大小會直接影響頻率源系統最終的相位噪聲性能以及尺寸[1]。如何在改善輸出信號相位噪聲指標的同時實現壓控振蕩器小型化，是未來的發展方向之一。

同軸介質諧振器具有較高的Q值，因此應用該諧振器制作的振蕩器與LC振蕩器相比具有優良的相位噪聲。傳統的介質振蕩器通常由PCB板、塑封器件、封裝電容、封裝電感等構成，可靠性不高，因此探索一套介質振蕩器新的設計方法至關重要。

該文提出的低相噪、低溫漂介質振蕩器基于MMIC和薄膜工藝，最終采用陶瓷管殼氣密封裝，在保證相位噪聲性能的同時，實現了產品的小型化，提高了產品的可靠性，質量等級達到了宇航等級。

1? 介質振蕩器原理簡介

介質振蕩器主要由負阻電路部分、同軸介質諧振部分、輸出緩沖放大部分三部分組成。其中，負阻電路部分主要由三極管及其外圍電路構成，其功能為：為電路提供能量，以補償諧振器的損耗，從而維持穩定的振蕩;輸出緩沖放大為電路提供良好的匹配，以保證振蕩的穩定性和輸出功率的平坦度，主要由輸出耦合電容、三極管以及衰減器等構成;諧振網絡的功能為選頻和儲能，確定振蕩器的振蕩頻率，主要由同軸介質CR以及變容二極管和相關電容、電感器件構成[2]。

2? 負阻電路及輸出緩放電路設計

2.1 工藝選擇

該次設計將負阻電路以及輸出緩放電路集成在一個MMIC芯片上，因此芯片工藝的選擇至關重要。

與其他工藝相比，GaAs HBT工藝具有以下優點：（1）HBT 的電流垂直流過異質結界面，界面陷阱效應小，所以閃爍噪聲遠遠小于 HEMT 和MOS 器件，非常適合低相位噪聲器件的設計;（2）GaAs的襯底是半絕緣的，可以制造出更高性能的器件，且器件之間的隔離性能也更好;（3）GaAs 材料的熱穩定性好，用它制造的器件和集成電路可以工作在較高的溫度下。因此，最終選用GaAs HBT工藝制作負阻電路和輸出緩放電路[3]。

2.2 負阻電路設計

常見負阻電路有兩種：三極管發射極輸出負阻和三極管基極輸出負阻。該文將采用發射極輸出負阻，其電路拓撲如圖1所示。

該文設計的介質振蕩器輸出頻率為2.958～2.988 GHz，因此設計負阻頻率覆蓋范圍應包含2.958～2.988 GHz。

2.3 輸出緩沖放大電路設計

輸出緩沖放大電路的作用為：提高振蕩電路與負載的隔離度，降低負載牽引對振蕩器的影響，緩沖放大電路最終采用電路拓撲見圖2。

利用EDA仿真軟件進行仿真設計，調整各個元器件參數，緩沖放大器的最終仿真結果見圖3。

從仿真曲線中夠可以看出，該緩沖放大器在3 GHz的正向增益為16.5 dB，反向隔離為-20 dB，滿足設計要求。

2.4 負阻電路+輸出緩沖放大電路芯片制作

將設計完成的負阻電路版圖和緩沖放大器電路版圖集成在同一芯片上并流片，最終得到的負阻單片[4]如圖4所示，芯片尺寸為1.8 mm×1.4 mm。

3? 同軸介質諧振電路設計

同軸介質諧振器通常情況下有兩種使用方式：一種為1/4波長短路使用，即一個端口短路，另一端口開路且表面金屬化;另一種使用方式為1/2波長開路使用，即兩個端口均開路且表面金屬化[5]。

在EDA仿真軟件中對同軸介質進行建模仿真，調整介質長度，其仿真結果見圖5。

從仿真結果中可以看出該諧振器的諧振頻率為3.04 GHz，滿足設計要求。

對仿真數據進行處理，得到諧振器的等效電感見圖6所示。

從曲線中可以看出，在小于諧振頻率時，諧振器的阻抗為感性，且等效電感值隨著頻率的升高而增大。

在介質振蕩器的設計過程中，通常同軸介質等效為高Q的電感，介質振蕩器的振蕩器頻率略低于同軸介質的諧振頻率。

為了進行頻率調整和調諧，除同軸介質外，引入額外的電感、電容和變容二極管構成諧振電路，諧振電路將采用薄膜電路進行制作。

4? 介質振蕩器整體電路結構設計

介質振蕩器整體電路結構拓撲見圖7。

在CRO的工作過程中，從介質端口向介質看介質實質等效為電感L（f），向其他電路單元看，其他電路單元等效為電容C，電感和電容構成L-C并聯諧振，因此CRO的工作頻率因為并聯電容而低于介質的自諧振頻率[6]，并遵循公式：

對介質進行建模仿真，介質等效感值L（f1）隨頻率的變化曲線見圖6。下面對介質振蕩器的工作狀態進行分析。

假設CRO工作在頻率f1，此時對應的等效電感值為L（f1），等效電容為C，當由于外界變化（包括溫度變化）導致振蕩頻率上升時，振蕩頻率上升使介質的等效電感增大，從而又使振蕩頻率減低，反之亦然，正是由于等效電感與頻率的函數關系使整個振蕩系統處于負反饋狀態，提高振蕩系統的穩定性。

同時，從圖6中可以看出，越接近諧振頻率，等效電感隨頻率變化的越快，因此越接近諧振頻率，負反饋越強烈，振蕩穩定性越好，由外界干擾引起的頻率變化越小。

綜上，在介質振蕩器的設計過程中，可通過選取合適長度的介質從而達到低溫漂的設計效果。

5? 測試結果

該文基于GaAs HBT設計了集成負阻電路和緩沖放大電路的負阻單片，并進行了流片;基于同軸介質諧振器和薄膜工藝制作了諧振電路，最終通過微組裝工藝裝配從而得到了最終的介質振蕩器產品，產品尺寸為：14 mm×14 mm×5 mm，采用陶瓷管殼氣密封裝，產品質量等級達到宇航級，其最終產品的照片見圖8。

該介質振蕩器測試系統主要用到的儀器設備有：直流穩壓電源、電流表、頻譜儀、信號源分析儀。

對該介質振蕩器進行測試，測試曲線見圖9。

從測試曲線中可看出，該介質振蕩器在在電源電壓+9 V、電調電壓0～9 V條件下，該產品的輸出頻率為2.958～2.988 GHz，相位噪聲為-107 dBc/Hz@10 kHz。另外在-55 ℃～+85 ℃條件下測試，溫漂為3 MHz，達到了設計目標。

6? 結論

該文基于GaAs HBT工藝、薄膜工藝以及同軸介質諧振器設計了一款低相噪、低溫漂介質振蕩器，該產品在電源電壓+9 V、電調電壓0～9 V條件下，輸出頻率為2.958～2.988 GHz，相位噪聲為-107 dBc/Hz@10 kHz。另外，在-55 ℃～+85 ℃條件下測試，溫漂為3 MHz。該低相噪、低溫漂介質振蕩器對降低頻率源的相位噪聲有重要意義。

參考文獻

[1] 楊嵐清，趙世巍.K波段推推介質振蕩器設計[J].電子元件與材料，2020，39（5）：73-78.

[2] 周祥.x波段低相噪藍寶石介質振蕩器的研制[D].電子科技大學，2018.

[3] 高曉強，張加程，王增雙，等.低電調電壓全集成10～20GHz VCO的設計與實現[J].半導體技術，2020，46（1）：30-35，46.

[4] 張海拓.基于CRO的低相噪頻率合成器設計[J].電子技術與軟件工程，2017（15）：80.

[5] 劉勇.微波介質振蕩器抗振結構的模態分析及其設計[J].科技資訊，2019，17（12）：67-68.

[6] 張朋奇.極低相噪穩頻技術研究[D].電子科技大學，2018.