Ku波段高線性度DRO的設(shè)計(jì)

1、Ku波段高線性度DRO的設(shè)計(jì)        摘  要：在Ansoft非線性電路設(shè)計(jì)軟件Serenade支持下，通過(guò)變?nèi)莨艿倪x取，輸出端的優(yōu)化匹配，設(shè)計(jì)了一中心頻率為18GHz的高線性度的場(chǎng)效應(yīng)管介質(zhì)諧振器穩(wěn)頻振蕩器。測(cè)試結(jié)果表明，此振蕩器具有非常好的線性度和很低的相位噪聲，可以為微波鎖相環(huán)路提供高品質(zhì)的DRO。關(guān)鍵詞：介質(zhì)諧振器，高線性度，變?nèi)荻O管    近年來(lái)，因?yàn)槲⒉ń橘|(zhì)諧振振蕩器（Dielectric Resonator Oscillator，DRO）體積小、高穩(wěn)定、

2、低噪聲，所以，其設(shè)計(jì)很受重視。電調(diào)DRO的頻率與電壓的線性關(guān)系相當(dāng)重要，尤其當(dāng)此DRO用于鎖相環(huán)路中時(shí)。本文的目的就是要設(shè)計(jì)一Ku波段高線性度的DRO，滿(mǎn)足鎖相環(huán)路的要求。本文使用Ansoft非線性電路設(shè)計(jì)軟件Serenade來(lái)設(shè)計(jì)，獲得了很好的結(jié)果。1 DRO工作原理    此電路的工作原理如圖1所示：微帶傳輸線L4上傳輸?shù)男盘?hào)的角頻率等于介質(zhì)諧振器的諧振頻率時(shí)，在傳輸線上產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射而形成振蕩，介質(zhì)諧振器等效為一窄帶帶通濾波器。圖1中，源極開(kāi)路線L7為振蕩器的反饋元件，它所形成的阻抗、柵極傳輸線長(zhǎng)度L4及輸出阻抗都是滿(mǎn)足振蕩條件的關(guān)鍵參數(shù)。以加在變?nèi)莨苌系碾?/p>

3、壓來(lái)改變電路的電容，從而改變電路產(chǎn)生的振蕩頻率。2 諧振器參數(shù)的計(jì)算    圓柱形介質(zhì)諧振器的諧振頻率其中，c為真空中的光速；D為圓柱形介質(zhì)諧振器的直徑；r為圓柱形介質(zhì)諧振器的相對(duì)介電常數(shù)；L為介質(zhì)諧振器的高度。    將c=3×108m/s,r=30(BaNiO3材料)，f0=18×108GHz代入上式中，可得D=3.33mm。    由L/D=0.4，得L=1.33mm。    為了更好地提高諧振器的Q值，必須將電路置于屏蔽盒中，而且屏蔽盒到諧振器的距

4、離H以及屏蔽盒的寬度B必須滿(mǎn)足：    取H=10mm,B的值還需根據(jù)電路的實(shí)際尺寸來(lái)定。    另外，在實(shí)際電路中應(yīng)用時(shí)，介質(zhì)諧振器與微帶電路板之間須加上一介質(zhì)墊片，此墊片的介電常數(shù)為低介電常數(shù)，取3.8，其高度取0.2mm。加了墊片后，場(chǎng)合分布可計(jì)算出來(lái)。3 DRO的設(shè)計(jì)3.1 DR（Dielectric Rseonator,介質(zhì)諧振器）帶通濾波器的設(shè)計(jì)    根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，用Ansoft軟件進(jìn)行優(yōu)化，如圖2所示。兩段微帶線均勻50傳輸線。DR到微帶線邊緣的距離為0.5mm。DR的高度為2.20m

5、m。DR的直徑為3.88mm。微帶線長(zhǎng)度為3.22mm(g/4為3.56mm)。    該濾波器的通帶內(nèi)衰減僅為0.25dB。3.2 變?nèi)莨艿倪x取    為了獲得好的線性度，在電路中采取了補(bǔ)償措施，并通過(guò)多次優(yōu)化、比較來(lái)選取變?nèi)莨?。變?nèi)莨芤獫M(mǎn)足以下三點(diǎn)：（1）大變?nèi)荼?；?）線性度好；（3）噪聲低。本設(shè)計(jì)選取Alpha公司的GMV9801-000。這是一種變?nèi)莨芄苄荆缓屑纳娙?，有很好的線性度，連接時(shí)可用金絲焊接。3.3 場(chǎng)效應(yīng)管的選取    選取NEC公司NE32400，這是一種HEMT管芯，工作

6、頻率可達(dá)18GHz。該HEMT管芯偏置如下：Vgs:-0.6V0.0V；Vds:0.0V3.0V；Idss:40mA。同樣，連接需要用金絲焊接，且金絲長(zhǎng)30mil。NEC公司給出的金絲電感數(shù)據(jù)為：Lg=0.422nH,Ld=0.299nH,Ls=0.0612nH。3.4 振蕩器電路的設(shè)計(jì)    首先，電路源極的開(kāi)路線，取初值為0.5mm，且為50。    其次，匹配輸出端。利用Ansoft圓圖西歐功能，先并聯(lián)一微帶線，此50微帶線長(zhǎng)1.85mm，使工作點(diǎn)與R=1圓相交，再串聯(lián)一電容使工作點(diǎn)匹配到圓心，此電容為450pF，它同時(shí)又充當(dāng)隔

7、直電容。    再次，設(shè)計(jì)HEMT柵極電路。在圖1的L4的左邊和L3的右邊分別加上一50傳輸線。變?nèi)莨艽?lián)一金絲電感，適當(dāng)選擇其值，可以增加振蕩器的線性度。    然后，加偏置。為了盡量減少高頻對(duì)直流的影響。采用雙扇形單元短路偏置。這種偏置比普通高低阻抗線偏置帶寬寬，對(duì)信號(hào)的傳輸影響小。    最后，用Ansoft軟件進(jìn)行電路的優(yōu)化，可以得到如圖3所示的電路。4 電路結(jié)果分析    取變?nèi)莨芷珘簭?8V到-14V，可以得到一系列指標(biāo)曲線。4.1 變?nèi)莨茈妷号c輸出頻率的關(guān)系曲線

8、    改變變?nèi)莨艿钠秒妷?，從而改變振蕩器的信?hào)輸出頻率。如圖4所示，該DRO工作頻率為18GHz±35MHz，它具有相當(dāng)于好的線性度。4.2 輸出功率與電壓關(guān)系曲線    該振蕩器的輸出功率最大為8.20dBmW，最小為7.10dBmW,基本上能滿(mǎn)足一些應(yīng)用的要求，如果對(duì)幅度起伏要求高，則可降低頻率的可調(diào)范圍，即，取工作區(qū)間的某一部分。圖5所示是輸出功率與控制電壓的關(guān)系曲線。4.3 輸出信號(hào)的相位噪聲    圖6為變?nèi)莨懿煌珘簳r(shí)的相位噪聲，可見(jiàn)，在10kHz處的相位噪聲均小于-110dBc

9、/Hz。5 敏感度分析在具體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到各個(gè)元件的實(shí)際參數(shù)值與標(biāo)稱(chēng)值之間不可避免地存在一定的誤差，以及微帶線加工工藝的限制，因此，有必要分析元件參數(shù)的變化對(duì)電路狀態(tài)、電路響應(yīng)的影響，即敏感度問(wèn)題。下面具體分析如圖3所示的電路中一些參數(shù)變化時(shí)導(dǎo)致電路性能變化的情況。    S（DR到微帶線距離）：使圖4曲線上下平移，對(duì)輸出功率和相噪影響小。    P1（變?nèi)莨芘晕Ь€長(zhǎng)度）：對(duì)噪聲影響明顯，其它影響小。    P2（DR旁微帶線）：對(duì)噪聲影響明顯，其它影響小。    L（與RD耦合的微帶線的半長(zhǎng)）：對(duì)圖4曲線的斜率影響特別大。 &#