傳輸型耦合介質(zhì)振蕩器的計算機輔助設(shè)計

　　1 引 言

　　隨著微波半導(dǎo)體技術(shù)和微波集成電路的發(fā)展，微波設(shè)備和系統(tǒng)也趨向于小型化、輕量化、固態(tài)化和集成化。微波系統(tǒng)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(wěn)頻元件，故具有頻率穩(wěn)定度高、體積小、重量輕、價格低、結(jié)構(gòu)簡單等突出優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代衛(wèi)星通信和其他微波系統(tǒng)中，成為新一代的微波固態(tài)源。

　　根據(jù)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類型的電路來實現(xiàn)：

　　(1)DR作為無源穩(wěn)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(diào)諧回滯現(xiàn)象，而反饋型具有頻帶寬、輸出功率大等優(yōu)點，應(yīng)用很廣。因此，本文所沒計的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(shè)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，包括場效應(yīng)管、源極串聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò)和漏極輸出匹配網(wǎng)絡(luò)(偏置電路圖中未畫出)。源極串聯(lián)反饋網(wǎng)絡(luò)為一段開路傳輸線，他等效為一純電抗，作為產(chǎn)生負(fù)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，他通過一段微帶傳輸線接到場效應(yīng)管的柵極以滿足DRO穩(wěn)定振蕩的相位條件。要使振蕩器工作于最佳狀態(tài)，根據(jù)文獻(xiàn)[3]，必須合理地選擇串聯(lián)反饋開路傳輸線長度、柵極傳輸線長度、輸出匹配網(wǎng)絡(luò)以及DR與微帶線之間的耦合系數(shù)，才能滿足DRO振蕩的幅相條件。由于有多個變量發(fā)生變化，并且使用兩根微帶線與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(shè)計。

　　3 傳輸型耦合DR的設(shè)計

　　傳輸型耦合DR將DR同時置于兩根50 Ω微帶線之間，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(jù)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(shù)。

　　為了得到主模為TE01δ的諧振，圓柱形介質(zhì)諧振器的高度hd與直徑d之間通常滿足下列關(guān)系式：

　　hd/d=0.5 (2)

　　根據(jù)以上估算結(jié)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(shù)為：材料BaNiO3(εr=30)，直徑d=5.12 mm，高度hd=2.74 mm，微帶線長度L=4.5 mm。其正向傳輸曲線如圖3所示。

　　可見，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(shè)計與結(jié)果分析

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

　　所設(shè)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，該DRO電路是一個高Q值振蕩器，具有噪聲低的優(yōu)點。

　　5 結(jié)語

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