聲表面波振蕩器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

聲表面波振蕩器是20世紀(jì)60年代末、70年代初出現(xiàn)的一種新型振蕩器，是一種高穩(wěn)定、低噪聲振蕩源。聲表面波振蕩器以saw器件為頻控元件，具有基頻高、調(diào)頻頻偏大、穩(wěn)定性好、相噪低等優(yōu)點(diǎn)，在體積、成本方面也有著顯著的優(yōu)越性，是新一代cpu、dsp和dds的理想時(shí)鐘源，已廣泛應(yīng)用于第二、第三代移動(dòng)通信、遙控、遙測(cè)技術(shù)以及生化、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
---本文從分析saw器件的性能入手，著重分析了saw振蕩器的工作原理及設(shè)計(jì)方法，最終完成了中心頻率在1500mhz的振蕩器，近載頻相位噪聲低于-90dbc/hz/1khz和-110dbc/hz/10khz。

基于sawr設(shè)計(jì)聲表面波振蕩器

聲表面波諧振器的性能分析

saw(surface acoustic wave，聲表面波)器件是一種頻率選擇性很好的器件，采用等叉指結(jié)構(gòu)，選擇好兩邊的叉指換能器的叉指對(duì)數(shù)及間距，通過制版蒸發(fā)光刻等工藝制成。聲表面波諧振器(sawr)是一種高q值聲表面波諧振器，在很多方面都與石英晶體諧振器相似。它是通過將金屬叉指刻蝕，在具有壓電特性的基片上制成的。sawr的中心頻率為vs/p，其中vs是指聲表面波信號(hào)在基片上傳播的速度，p是叉指周期。sawr與石英晶體的結(jié)構(gòu)非常相似，由于工藝上的原因，石英晶體諧振器的基頻只能達(dá)到200mhz，而sawr的頻率范圍從250～1200mhz，實(shí)際上，低到50mhz，高至1500mhz的sawr也已實(shí)現(xiàn)。因此，sawr在很大程度上彌補(bǔ)了石英晶體諧振器在實(shí)際應(yīng)用中的不足。另一方面，sawr的無載q值在350mhz時(shí)可達(dá)12 000，而在1000mhz時(shí)也有6000左右；在較高功率條件下，sawr仍可正常工作，因此它在偏離載頻處的噪聲性能也相當(dāng)優(yōu)越。

聲表面波振蕩器工作原理

基于sawr設(shè)計(jì)聲表面波振蕩器，首要問題是選擇一種合適的電路結(jié)構(gòu)，使其既容易滿足振蕩條件，又能達(dá)到良好的性能。這里采用了閉環(huán)正反饋放大的振蕩電路形式，如圖1所示。

電路主要包括sawr、移相電路、放大電路和匹配電路等。其中sawr加在反饋電路部分起頻率選擇的作用。在閉合環(huán)路內(nèi)部要建立起振蕩，必須同時(shí)滿足幅度和相位條件，即：

(1) 其中g(shù)a為兩級(jí)放大器的總增益；ls、le、lo分別是sawr、移相網(wǎng)絡(luò)和電路中其他部分的損耗；φs為sawr在振蕩時(shí)的插入相移，它是頻率f的線性函數(shù)；φa、φe分別是放大器和移相網(wǎng)絡(luò)的相移，其中φe可變，對(duì)第二式的兩端進(jìn)行微分可得：

(c為常數(shù)) (2)

可見，改變移相網(wǎng)絡(luò)的相位，就可以改變環(huán)路的振蕩頻率，而且相位的改變與頻率的變化呈線性關(guān)系。因此，通過選擇調(diào)整合適的移相網(wǎng)絡(luò)及放大器就可以滿足振蕩要求。

這種電路雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，并且有源器件多必然會(huì)引入附加噪聲，但該電路比較容易滿足起振條件，而且選擇合適的移相網(wǎng)絡(luò)，可以在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)?？紤]到電路的起振問題，本設(shè)計(jì)最終選擇了閉環(huán)正反饋放大的振蕩電路形式。

設(shè)計(jì)與制作

本電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何降低電路的相位噪聲。首先，由于sawr本身的性能，決定了它與石英晶體諧振器一樣具有很高的品質(zhì)因數(shù)，而且一旦選定了某一種sawr就無法再調(diào)節(jié)諧振器內(nèi)部參數(shù)，只能靠改變外部電路參數(shù)來完成。為此，將電路分成幾個(gè)部分，即聲表面波諧振器、移相網(wǎng)絡(luò)、閉環(huán)放大器及其匹配電路等，利用ansoft的serenade8.7軟件，對(duì)各部分分別進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，再綜合分析，下面分別介紹。本次設(shè)計(jì)采用從南京55所訂購的1.5ghz的聲表面波諧振器，其特性參數(shù)見表1。此諧振器的q值并不高，這就對(duì)噪聲的要求更加嚴(yán)格。

圖2是聲表面波諧振器的等效模型，常見的sawr的電等效模型參數(shù)值如下。

c0=2.5pf時(shí)，諧振頻率為200mhz，c0=1.1pf時(shí)，諧振頻率為1200mhz。

rm=120ω


由于這些數(shù)值只是近似計(jì)算，和器件的真實(shí)值存在一定的偏差，這也是造成實(shí)際結(jié)果和優(yōu)化結(jié)果有差異的一個(gè)重要原因。

對(duì)于移相網(wǎng)絡(luò)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降低成本，并使電路實(shí)現(xiàn)小型化，選擇了串聯(lián)lc電調(diào)移相電路，串聯(lián)lc移相網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。其中可變電容選用了一對(duì)節(jié)電容變化適當(dāng)?shù)淖內(nèi)荻O管cj，改變加在cj上的反向控制電壓，就改變了cj的大小，從而改變移相網(wǎng)絡(luò)的相位參數(shù)，進(jìn)而改變振蕩環(huán)路的頻率輸出。

對(duì)于閉環(huán)內(nèi)的放大器，由于在閉環(huán)內(nèi)建立起振蕩應(yīng)滿足相位平衡條件，因此放大器本身的相位變化也必然要引起輸出頻率的變化。這種相位變化主要來源于電源電壓的變化、溫度的變化、元件的老化等。因此閉環(huán)放大器應(yīng)選擇其相頻特性在振蕩器中心頻率附近較大范圍內(nèi)保持平坦，使電源電壓等因素對(duì)頻率變化影響最小。除此之外，選擇低噪聲、適當(dāng)增益、vswr小的放大器也尤為重要。另外，為簡(jiǎn)化匹配電路的設(shè)計(jì)，可以選擇輸入輸出阻抗均為50ω的單片放大器。當(dāng)然，以上幾點(diǎn)特性不容易同時(shí)滿足，最終設(shè)計(jì)時(shí)選擇了hp公司的ina2186單片放大器，如圖4所示。

另外，為了減少電源紋波對(duì)電路的影響，采用了穩(wěn)壓電源，并在電路中用穩(wěn)壓塊進(jìn)行二次穩(wěn)壓。

用serenade進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真及優(yōu)化

本次設(shè)計(jì)主要利用了ansoft公司的serenade 8.7軟件對(duì)電路進(jìn)行模擬仿真。設(shè)計(jì)指標(biāo)包括：工作頻率為1.5ghz，輸出功率大于10dbm，噪聲優(yōu)于-90dbm/hz/1khz和-110dbm/hz/10khz，輸入輸出阻抗為50ω。電路原理圖如圖5所示。

通過使用serenade 8.7對(duì)所設(shè)計(jì)電路進(jìn)行合理的仿真優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。由仿真結(jié)果可以看出，諧振頻率在1.4990ghz處，偏離載頻1khz處的相位噪聲為-110dbc/hz/1khz，p0=10dbm。

實(shí)測(cè)結(jié)果及性能分析

實(shí)測(cè)結(jié)果
最終的saw振蕩器電路的總面積為30mm×30mm，其主要性能指標(biāo)如下。

中心頻率為1500mhz；相位噪聲小于-90dbc/hz/1khz，小于-110dbc/hz/10khz；長期頻率穩(wěn)定度為±(3.5～5.0)×10-6/日；雜散電平小于-60dbm。

噪聲性能分析

根據(jù)頻域分析法，可以得出振蕩器的噪聲模型如式3。

(3) 其中l(wèi)(fm)osc是振蕩器的單邊帶相位噪聲；fm為距離載頻的偏移量；f1、f2分別為閉環(huán)放大器和輸出放大器噪聲系數(shù)；k為波爾茲曼常數(shù)；t0為絕對(duì)溫度(°k)；pos和gn分別是閉環(huán)放大器的標(biāo)稱輸出功率和增益；f1為放大器的閃爍噪聲區(qū)和白噪聲區(qū)交點(diǎn)處的頻率；lc為振蕩器輸出到末級(jí)緩沖放大器的耦合損耗；br為諧振器的3db帶寬，取決于諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)qu和插入損耗lres，可由式4決定。

(4)式中f0為中心頻率。由此可以得出結(jié)論：振蕩器的相位噪聲與諧振回路的有載q值、閉環(huán)放大器的噪聲系數(shù)、增益、功率，耦合電路的插入損耗，輸出放大器的噪聲系數(shù)等因素都有關(guān)。因此，為降低振蕩器的相位噪聲，應(yīng)從以下幾方面入手：優(yōu)選高ql值諧振器件，使電路實(shí)現(xiàn)較低的相位噪聲；優(yōu)選低噪聲系數(shù)寬頻帶放大器件，并使其工作在線性區(qū)間；使各個(gè)有源器件工作在合適的工作狀態(tài)；選擇高q值元器件，減少插入損耗等。

結(jié)束語

由于外部因素的影響，實(shí)際測(cè)試的相位噪聲要比仿真結(jié)果稍差，其余指標(biāo)實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果都是趨于一致的。

總之，閉環(huán)正反饋放大式振蕩電路達(dá)到了晶體振蕩器的長期頻率穩(wěn)定度，適宜在移動(dòng)通信、遙控、遙測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用。