傳輸型耦合介質(zhì)振蕩器的計算機輔助設計

　　1 引 言

　　隨著(zhù)微波半導體技術(shù)和微波集成電路的發(fā)展，微波設備和系統也趨向于小型化、輕量化、固態(tài)化和集成化。微波系統中的微波源也對其諧振器的小型化、高Q值提出了迫切的要求。微波介質(zhì)諧振器振蕩器(DRO)由于使用高Q值(5 000～10 000)的微波介質(zhì)諧振器作為穩頻元件，故具有頻率穩定度高、體積小、重量輕、價(jià)格低、結構簡(jiǎn)單等突出優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應用于現代衛星通信和其他微波系統中，成為新一代的微波固態(tài)源。

　　根據DR對振蕩電路的不同耦合方式和所起的作用，DRO通?？刹捎脙煞N類(lèi)型的電路來(lái)實(shí)現：

　　(1)DR作為無(wú)源穩頻元件耦合于晶體管自激振蕩器，如帶阻濾波器加載型DRO。

　　(2)DR作為晶體管振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò )或匹配網(wǎng)絡(luò )的元件以確定振蕩頻率，如串、并聯(lián)反饋型和傳輸型DRO。

　　其中帶阻濾波器加載型頻帶窄，存在跳模、頻率調諧回滯現象，而反饋型具有頻帶寬、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，應用很廣。因此，本文所沒(méi)計的DRO由選用串聯(lián)反饋型，其諧振電路采用傳輸型耦合的DR。

　　2 DRO工作原理

　　本文所設計DRO的原理圖如圖1所示。

　　DRO由兩部分組成，一為有源網(wǎng)絡(luò )部分，包括場(chǎng)效應管、源極串聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò )和漏極輸出匹配網(wǎng)絡(luò )(偏置電路圖中未畫(huà)出)。源極串聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò )為一段開(kāi)路傳輸線(xiàn)，他等效為一純電抗，作為產(chǎn)生負阻的串聯(lián)反饋元件。輸出匹配網(wǎng)絡(luò )使DRO獲得最大的輸出功率。二為介質(zhì)諧振器和耦合加載網(wǎng)絡(luò )，本文采用傳輸型耦合DR，他通過(guò)一段微帶傳輸線(xiàn)接到場(chǎng)效應管的柵極以滿(mǎn)足DRO穩定振蕩的相位條件。要使振蕩器工作于最佳狀態(tài)，根據文獻[3]，必須合理地選擇串聯(lián)反饋開(kāi)路傳輸線(xiàn)長(cháng)度、柵極傳輸線(xiàn)長(cháng)度、輸出匹配網(wǎng)絡(luò )以及DR與微帶線(xiàn)之間的耦合系數，才能滿(mǎn)足DRO振蕩的幅相條件。由于有多個(gè)變量發(fā)生變化，并且使用兩根微帶線(xiàn)與DR耦合，人工計算很難進(jìn)行，因此通常采用微波軟件進(jìn)行計算機輔助設計。

　　3 傳輸型耦合DR的設計

　　傳輸型耦合DR將DR同時(shí)置于兩根50 Ω微帶線(xiàn)之間，如圖1中所示，L2和L3約為λg/4，以激勵起使諧振器與微帶線(xiàn)產(chǎn)生磁耦合的TE01δ模。

　　圓柱形介質(zhì)諧振器的諧振頻率可根據式(1)估算：

　　式中，c為真空中的光速，d為圓柱形介質(zhì)的直徑，εr為圓柱形介質(zhì)的相對介電常數。

　　為了得到主模為T(mén)E01δ的諧振，圓柱形介質(zhì)諧振器的高度hd與直徑d之間通常滿(mǎn)足下列關(guān)系式：

　　hd/d=0.5 (2)

　　根據以上估算結果，在10 mil的duriod介質(zhì)板上利用Ansoft軟件進(jìn)行優(yōu)化分析，如圖2所示。

　　最終確定DR的參數為：材料BaNiO3(εr=30)，直徑d=5.12 mm，高度hd=2.74 mm，微帶線(xiàn)長(cháng)度L=4.5 mm。其正向傳輸曲線(xiàn)如圖3所示。

　　可見(jiàn)，傳輸型耦合DR可等效為一窄帶帶通濾波器。

　　4 DRO的優(yōu)化設計與結果分析

　　我們選用NEC公司的HEMT管芯NE32400，其工作頻率可達到18 GHz。設計中考慮了連接管芯金絲電感和過(guò)孔電感的影響，并且設計了柵極和漏極的偏置電路。根據前面的分析結果，采用微波軟件優(yōu)化源極開(kāi)路線(xiàn)長(cháng)度、DR與微帶線(xiàn)的耦合距離、輸出匹配網(wǎng)絡(luò )以及DR與柵極間微帶線(xiàn)的長(cháng)度，以獲得DRO的最佳性能。最終設計的DRO如圖4所示。

　　所設計DRO的功率譜和相位噪聲分別如圖5和圖6所示，可以看出，該DRO電路振蕩的中心頻率 f0=12 GHz，輸出功率P0=8.6 dBm，二次諧波功率為-35.7 dBm，具有很好的頻率抑制度。在偏離載頻100Hz處的相位噪聲小于-80 dBc/Hz，100 kHz處的相位噪聲小于-140 dBc/Hz，可見(jiàn)，該DRO電路是一個(gè)高Q值振蕩器，具有噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。

　　5 結語(yǔ)

　　DRO的研制具有一定的復雜性，采用理論分析與計算機輔助設計技術(shù)可以簡(jiǎn)化設計過(guò)程，獲得良好的性能指標。