（信号与信息处理专业论文）58ghz+rfid系统中介质振荡器的设计.pdf

摘要 摘要 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是一种利用射频信号自动识 别目标对象并获取相关信息的技术。r f i d 系统所具有的非接触性优点使其在当 前常用的自动识别系统中占据主导地位。在r f i d 系统应用中，它的本振源必须 具有低相位噪声来满足数字调制方案和误码率( b i te r r o rr a t e ，b e r ) 的要求。介 质振荡器( d i e l e c t r i cr e s o n a t o ro s c i l l a t o r ，d r o ) 能够满足这一要求，同时d r o 还 具有温度的变化会引起最小的频率漂移来保证接收机被锁定在目的信道和提供 高f 输出功率来直接驱动混频器工作。 本论文采用砷化镓场效应管对5 8 g h zd r o 进行设计。在对d r o 的四种基 本电路结构分析基础上，我们选择串联反馈型d r o 电路结构。d r o 有着优异的 性能，关键在于介质谐振器( d i e l e c t r i cr e s o n a t o r ，d r ) 的高q 值谐振回路和可以 对振荡频率进行锁定。我们对d r 建模的两种方法进行了仿真。为了使砷化豫场 效应管具有建立振荡所需的负阻，我们将其配置为共源结构并在漏极添加合适 的开路微带线。场效应管是否具有足够的负阻，是通过测试其s 参数来获知的。 s 参数分析法在d r o 的设计中具有十分重要的作用。 本课题从开始研究至今，经历反复的仿真实验，成功解决了d r o 要求的高 性能指标和达到在所要求的频率点振荡的问题。 关键词：介质谐振器；介质振荡器；负阻；s 参数 a b s u l c t a b s t r a ct r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ( r f i d ) ，i sag e n e r i ct e r mf o rt h et e e h n o l o g y u s i n gr a d i ow a v e st oa u t o m a t i c a l l yi d e n t i f yi n d i v i d u a li t e ma n dc o l l e c ta s s o c i a t e d i n f o r m a t i o n r f i ds y s t e mh a sb e c o m et h ed o m i n a n ti nt h ec u r r e n ta u t o m a t i c a l l y i d e n t i f ys y s t e m sf o ri t sa d v a n t a g eo fn o n - c o n t a c 泣i nar f l ds y s t e ma p p l i c a t i o n ，i t s l o c a lo s c i l l a t o rm u s th a v el o wp h a s en o i s ei no r d e rt om e e tt h ed i g i t a lm o d u l a t i o n s c h e m ea n db i te r r o rr a t e ( b e r ) r e q u i r e m e n t d i e l e c t r i cr e s o n a t o ro s c i l l a t o r ( d r o ) c a nm e e tt h i sr e q u i r e m e n ta n dt h ed r oa l s oh a st h em i n i m a lf r e q u e n c yd r i f to v e r t e m p e r a t u r et ok e e pt h er e c e i v e rl o c k e di n t ot h es e l e c t e dc h a n n e la n dp r o v i d ee n o u g h o u t p u tp o w e rt od i r e c t l yd r i v et h em i x e r t h i st h e s i sd e m o n s t r a t e sad r od e s i g na t 5 8 g h zw i t ho n eg a a sf e t u p o nr e v i e w i n gf o u rk i n d so ft h eb a s i cd r o t o p o l o g i e s 二v ec h o o s et h es e r i e sf e e d b a c kd r o t h ed i e l e c t r i cr e s o n a t o r ( d r ) i s k e yt ot h ep e r f o r m a n c eo ft h ed r oi nt h a ti td e f i n e st h eh i 曲ao ft h er e s o n a t o r c i r c u i ta n dl o c k st h eo s c i l l a t o rf r e q u e n c y w eu s et w om e t h o d st os i m u l a t ed rm o d e l i no r d e rt om a k et h eg a a sf e th a v i n gt h er e q u i r e dn e g a t i v er e s o n a t o rt oo s c i l i a t o r , w eu s et h ec o m m o ns o u r c ec o n f i g u r a t i o na n da d dt h ea p p r o p r i a t ed r a i no p e ns t u b m i c r o w a v el i n e t ok n o wt h ef e tw h e t h e rh a v et h ee n o u g hn e g a t i v er e s o n a t o r , w e s h o u l dt e s ti t ssp a r a m e t e r s u s i n gt h em e t h o do fs p a r a m e t e r sa n a l y s i sp l a y sa v e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ed r od e s i g n s i n c et h e p r o j e c t w a se s t a b l i s h e d ，t h i sm e t h o dh a sb e e n c o n t i n u o u s l y e x p e r i m e n t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n ，s u c c e s s f u l l ys o l v i n gt h e d i f f i c u l tp r o b l e mo f h i g h - p e r f o r m a n c et a r g e t sa n da c h i e v i n gt h er e q u i r e m e n t i nt h ef r e q u e n c yp o i n t o s c i l l a t i o nt ot h ed ro k e yw o r d s td i e l e c t r i cr e s o n a t o r ；d i e l e c t r i cr e s o n a t o ro s c i l l a t o r ； n e g a t i v er e s i s t a n c e ；sp a r a m e t e r s 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的谚i 究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：乎l t 兵 签字日期：矽矽7 年声月赳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：引t 名 签字日期：抄，1 年f j l r 月茵e l 导师签名( 手写) ：吴弧哆 签字日期： 炒7 年f 乞月矿 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究背景 射频识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r e i d ) 是一种非接触式的自动识别 技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别不需要人工操 作，能够应用于很多危险的场所。 r f i d 是一种突破性的自动识别技术，主要原因如下：首先，它可以识别单 个的非常具体的物体，而不是像条形码那样只能识别一类物体。其次，它采用 无线电射频，可以通过外部材料读取数据，而条形码必须靠激光来获取信息。 再次，它可以同时对多个物体进行识读，而条形码只能一个一个地读。 目前常用的自动识别技术中，条码和磁卡的成本较低，但是都容易磨损并 且数据量很小；接触式i c 卡的价格稍高些，学据存储量较大，但是也容易磨损， 寿命短；而r f i d 电子标型旧j 实现了非接触操作，无机械磨损，寿命长，穿透 性好。同时r f i d 电子标签可以在恶劣环境下工作，读取距离远，无需与目标接 触就可以得到数据，支持写入数据，无需重新制作新的标签，并且使用防碰撞 技术，可同时识别多个电子标签。 r f i d 技术最早的应用可追溯到第二次世界大战中飞机的敌我目标识别，但 是由于技术和成本原因，一直没有得到广泛应用。近年来，随着大规模集成电 路、网络通信及信息安全等技术的发展，r f i d 技术进入商业化应用阶段。由于 具有多目标非接触识别和高存储量等特点，r f i d 技术显示出巨大的发展潜力与 应用空间。它不仅可以帮助一个企业大幅提高货物，信息管理的效率，还可以 让销售企业和制造企业互联，从而更加准确地接收反馈信息，控制需求信息并 优化整个供应链【4 】。因此，r f d 技术被认为是2 l 世纪的最有发展前途的信息技 术之一，它的应用研究领域必将延伸到社会的各个方面。 1 2 国内外研究现状 近年来，r f i d 技术在国外发展很快，r f i d 产品种类很多，像t i 、m o t o r o l a 、 p h i l i p s 、m i c r o c h i p 等世界著名厂家纷纷加大对射频识别技术的研发和应用，且 研发重点已经从原来的低频( 1 2 5 k h z ) 、高频( 1 3 5 6 m h z ) 拱一产品转向超高频 l 第1 章引言 ( 8 6 0 9 6 0 m h z ) 和微波( 2 4 g h z ，5 8 g h z ) 产品及相关技术的研究。 r f i d 技术涉及信息、制造和材料等诸多高技术领域，涵盖无线通信、芯片 设计与制造、天线设计与制造、标签封装、系统集成和信息安全等技术。一些 国家和国际跨国公司都在加速推动r f i d 技术的研发和应用进程。在过去的十年 间，共产生数千项关于r f i d 技术的专利，主要集中在美国、欧洲和日本等国家 和地区。 r f i d 的产业链主要由芯片设计、标签封装、读写设备的设计和制造、系统 集成、中间件和应用软件等环节组成。目前我国还未形成成熟的r f i d 产业链， 产品的核心技术基本还掌握在国外公司的手里。 我国在l f 和h f 频段r f i d 标签芯片设计方面的技术比较成熟，h f 频段方 面的设计技术接近国际先进水平，已经自主开发出符合i s 0 1 4 4 4 3 t y p e a 和 i s 0 1 5 6 9 3 标准的r f i d 芯片，并成功地应用于城市公共交通和我国第二代身份 证等重大项目，与国际的主要差距体现在片上天线与芯片的集成方面。国内企 业基本具有r f i d 天线的设计和研发能力，但还不具备应用于金属材料，液体环 境上的可靠性r f i d 标签天线设计能力。系统集成是发展相对较快的环节，而中 间件及后台软件部分还比较弱。 国内在u h f 和微波频段的标签芯片设计方面起步较晚，目前基本掌握了 u h f 频段r f i d 标签芯片的设计技术，部分公司的研究机构已经研发出标签芯 片的样片，但尚未实现量产国内在u h f 频段读写器芯片和系统芯片的设计方 面也具有一定得基础，但目前产品仍主要依赖进口i 在微波频段( 2 4 5 g h z ， 5 8 g h z ) ，国内已有部分应用在e t c ( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ) 系统中 e t c 系到5 。8 1 ，即通常所谓的不停车收费系统，它是以现代通信技术、电子 技术、自动控制技术、计算机和网络技术等高新技术为主导，实现车辆不停车 自动收费的智能交通电子系统。该系统通过路侧天线与车载电子标签之间的专 用短程通信，进行车辆的自动识别和相关收费数据的交换，通过计算机网络对 收费数据进行处理，实现不停车自动收费的全电子收费管理系统 e t c 技术在国外已有较长的发展历史，美国和欧洲等许多国家和地区的电 子收费系统已经局部联网并形成规模效益。目前，国内的关东高速已全面实现 了e t c 收费，只保留部分车道进行e t c 和半自动混合收费。绝大部分的商业运 营车辆已经装备了e t c 车载单元，我国很大部分地区已经开始使用e t c 系统对 高速公路收费管理系统进行升级。 2 第1 章引言 1 3 介质振荡器概述 现在实际应用中的射频振荡器主要有：l c 谐振器振荡器、陶瓷谐振器振荡 器、同轴谐振器振荡器、用微带电感构成谐振器的振荡器和介质谐振器振荡器 ( d i e l e c t r i cr e s o n a t o ro s c i l l a t o r ，d r o ) 。 介质谐振器( d i e l e c t r i cr e s o n a t o r ，d r ) 是一种高q 值的谐振电路，可用于固 定频率或窄带( o 1 0 2 ) 可调的高品质因数谐振器中。目前，介质谐振器常 用于低噪声和低温度系数的固定频率振荡器中。因此，介质谐振器的应用日益 广泛，尤其应用在通信系统、电子对抗接收机、专用测试设备以及气象雷达等 通信设备中【9 j 。 介质谐振器与使用在微波频段的各种有源器件一起，可制成各种频率的固 态振荡器。介质谐振器振荡电路的优点之一是其体积小于同频率下的谐振腔体。 原因在于介质的相对介电常数明显大于空气的相对介电常数l ，其典型值为 2 0 8 0 之间。当频率高于5 0 0 m h z 时，谐振腔的尺寸将大得难以适应许多小体 积场合的应用。除此之外，介质苦振器还有高品质因数、高温度稳定性及高集 成度等优点，故可用作微波集成电路( m i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t r y ，m i c ) 中的 稳态源。由高q 值陶瓷谐振器构成的介质振荡器，因其体积小，常用于m i c 中， 而由晶体管组合而成的介质振荡器，具有频率高( b j t 管可达1 5 g h z ，r ：e t 管可 达3 5 g h z ) 军n 输出功率大的优势，特殊的设计下可使频率高达i o o g h z “1 。 介质振荡器根据电路结构的不同，主要分为以下四种类型j 。 1 加载带阻滤波器型：这种介喷振荡器当有足够的、合适的反馈时，能 在希望的频率范围内振荡，振荡频率由输入端的介质谐振器来稳定。它的优点 在于结构简单、有利于小型化，而缺点是由于该设计方法本身的原因，这种振 荡器通常有很高的杂散，不能提供低相位噪声，而且容易跳模和频率呈滞。 2 传输型介质振荡器：这种介质振荡器输出终端接匹配负载，这样，当 稳频介质谐振器失谐时，电路不会产生任何振荡，不能工作。电路上e 常工作时， 其振荡频率主要由介质谐振器来决定，振荡功率通过介质谐振器传输给负载。 这种电路无迟滞区域，它和并联反馈型介质振荡器一样，是利用两根微带线之 间的介质谐振器，作为放大器设计的输入和输出端的频率选择反馈电路。通常， 这两种结构的电路在调试时不允许有太多的调整，并且在仿真器中进行建模会 很复杂。 3 并联反馈型介质振荡器：它是介质振尊的一种常用电路形式，在这 3 第1 章引言 种电路结构中，介质谐振器不仅是确定振荡频率的元件，还是反馈元件。它的 工作原理类似于晶体振荡器，是利用介质谐振器作为选频反馈网络，起到产生 振荡和稳频的双重作用。并联反馈型介质振荡器在设计上可以用正反馈放大器 理论来设计，也可以用s 参数法设计，使其满足负阻振荡条件和串联反馈型介 质振荡器相比较，并联反馈型介质振荡器优势在于工作稳定、有载q 值高。这 是因为，串联反馈型介质振荡器只与根微带线耦合，而并联反馈型介质振荡 器要同时与两根微带线耦合，其耦合系数不相等，增加校准频率的困难，但恰 是因为是并联，提高了电路的有载q 值，相位噪声低。它的缺点在于建模复杂， 在电路的调试时可调试的余地小。 4 串联反馈型介质振荡器：这种介质振荡器采用负阻的概念，将介质谐 振器放在与不稳定放大器输入端相连的微带线的另一端附近，使介质谐振器通 过磁耦合加载到放大器网络中在其谐振频率附近，介质谐振器将功率反射回 放大器，从而在与放大器相连接的两个调谐网络之间建立振荡。在这种电路结 构中，它的优点是，介质谐振器与传输线之间的耦合更容易建模，杂散栽荡也 更容易避免，介质谐振器安置在介质基片上的位置也相对容易调整。但它的缺 点是这种结构的介质振荡器对调谐网络的要求相当高，相位噪声也不如并联反 馈型的好。目前，它也是应用较为广泛的介质振荡器之一。 总之，具有好的相位噪声指标、优异的频率温度稳定性、高的输出功率和 工作频带宽的介质振荡器是介质振荡器研究和设计方向 1 4 论文主要工作 本课题主要研究了介质振荡器的理论分析和设计方法，利用a g i l e n t 公司的 a d s ( a d v a n c e ds y s t e ：- t d e s i g n ) 软件，对5 8 g h zr f i d 系统中介质振荡器进行了 设计。本论文各章的具体安排为： 第2 章主要介绍的是介质谐振器的基本特性以及其基本电路，并详细阐述 了m i c 中介质谐振器与微带线的耦合原理，得出了计算介质谐振器的谐振频率 公式，它决定了介质振荡器的振荡频率。 第3 章则具体针对四种不同电路结构的介质振荡器的工作原理进一步深入 分析，并对它们各自的优缺点进行了对比。 第4 章研究分析了负阻振荡器，提出了负阻器件的概念，它是产生功率的 4 第1 章引言 器件，只有具有适当负阻的微波有源器件在通过加载合适的输入调谐网络和输 出匹配网络才能建立振荡，成为微波振荡器。我们从单端口负阻振荡器和双端 口负阻振荡器的分析方法来对振荡器进行了研究。 第5 章在前面几章的基础上，对介质振荡器设计进行了设计，并详细地给 出了具体的设计过程。我们首先对介质谐振器进行设计，然后再对场效应管 a t f l 3 7 8 6 的直流偏置电路和负阻电路设计，并设计出了单支节输出匹配网络， 最后再对总体的介质振荡器电路进行设计。 第六章是对本文所做的工作总结。 5 第2 章介质谐振器 第2 章介质谐振器 介质谐振器是由低损耗、高介电常数、温度稳定性好、高q 值几何形状规 则的陶瓷材料制成的，具有优良的电磁特性。它可以在不同模式下进行谐振， 谐振频率是由它的几何形状尺寸以及屏蔽条件来决定的。由于介质谐振器体积 小、造价低及在m i c 中易于集成，因此在有源和无源电路中的应用增长迅猛。 在相同频率下介质谐振器的尺寸远比金属空腔谐振器的尺寸小，约为其 1 。如果高，电场和磁场就约束在谐振器临近，因此具有低的辐射损耗。 谐振器的无载品质因数q ，只受介质谐振器中损耗所限制。 2 1 介质谐振器的基本特性 2 1 1 介质谐振器的工作原理 理想导体壁在电磁理论中称为电壁，在电壁上，电场的切向分量为零，磁 场的法向分量为零。电磁波入射到电壁上将被完全反射回来，没有透射波穿过 电壁。因此，可以用电壁围成一个封闭腔，一旦有适当频率的电磁波输入，电 磁波将在腔的电壁上来回反射，在腔内形成驻波，发生电磁谐振，此时即使外 部停止向腔内输送能量，已经建立起来的电磁振荡仍将无衰减地维持下去。这 说明电壁围成的空腔是一种谐振器，电磁能量按一定频率在其中振荡。当然， 非理想导体壁构成空腔，也具有电壁空腔地类似特性，只不过当外部停止馈送 能量后，其内部已经建立起来的电磁振荡，不会长期的维持下去，将随时间而 逐渐衰减，终于消逝，成为阻尼振荡。谐振器中电磁振荡维持时间的长短是其q 值高低地一种度量。 电磁波在高介电常数的介质与空气交界面上的反射和折射情况如图2 1 所 示【14 1 。 6 第2 章介质谐振器 篪 e t 么 兹 图2 1 电磁波在介质和空气分界面上的反射与折射 假设有一平面电磁波e 由介质向空气入射，入射角为只，而在界面上将有 一部分波被反射回来，称为发射波巨，反射角o r 等于2 ；另一部分穿过界面， 称为透射波巨，折射角为倪。按照折射定律，入射角谚与折射角谚间的关系是 石，s i n o , = s i n a , ( 2 1 ) 由于相对介电常数总是大于l ，故包总是大于毋，有 最= o o = s i n 一1 ( 1 石，) ( 2 2 ) 成立，此时折射角岔= 9 0 。这时空气中的波沿界面传输，它的能量来自无限远 处的场源，而与入射波无关，称为表面波。于是介质中的入射波能量全部反射 回介质，发生全反射。开始发生全发射的入射角2 ，称为临界角a o ，只要入射 角大于临界角，都要发生全反射。相对介电常数愈大临界角愈小。这样， 即使波沿着很靠近界面的方向从介质斜入射到界面，能量也会全部反射回来。 因此高介电常数的界面与导体壁有类似的特性，能使电磁波发生完全的或 i 斤似完全的反射。电磁波在导体壁上电场切向分量为零，故入射波与反射波的 电场切向分量相消，仅有法向分量，因而合成场的电力线垂直导体表面，也就 是垂直电壁；而在高介电常数的介质界面上，磁场切向分量近似为零，入射波 和反射波磁场切向分量近似相消，合成场的磁力线近似垂直于介质表面。 在电磁场理论中，垂直于磁力线的壁，称为磁壁，故高介电常数的介质表面可 近似看成磁壁，只有j 时，才是真正磁壁。在磁壁上，磁场切向分量为零， 电场法向分量为零，它与电壁对偶。既然电壁所构成的空腔可作为微波谐振器，显 然，磁壁所围成的介质块也可作为微波谐振器。所以高介电常数介质块可以近似是 一个磁壁谐振器，电磁能量在介质块内振荡，不会穿过磁壁泄漏到空气里。 7 第2 章介质谐振器 2 1 2 介质谐振器的分类 按照介质谐振器的结构几何形状不同，可分为圆柱形、矩形和圆环形等介 质谐振器，如图2 2 所示16 1 。 圄臼目固 ( a )( b )( c ) ( d ) ( a ) 同轴腔 ( b ) 矩形腔( c ) 圆柱形腔( d ) 圆柱形介质谐振器 图2 2 四种常见的介质谐振器 在这四种常见的介质谐振器中使用更为普遍的是圆柱形介质谐振器。圆柱 形介质谐振器可以以多种模式谐振，其工作主模是砜。仃，这种模式是最容易与 微带线进行耦合。圆柱形介质谐振器的砜。口模式下场的分布情况如图2 3 所示， 电场线以z 轴为同心圆，因此电场没有z 分量1 1 6 1 。 ， 图2 3 圆柱形介质谐振器砜l 占模的场分布 2 1 3 介质谐振器的材料 介质谐振器所用的陶瓷材料的主要性能参数为品质因数q 值，它等于材料 损耗角的正切的倒数；谐振频率的温度系数弓，它包括介电常数的温度系数和 介质材料膨胀效应；介电常数e 对于各种不同的应用所要求的q 、弓及e 值 也不同。因此决定衡量介质谐振器的主要指标有三个：q 值，频率温度系数弓和 8 第2 章介质谐振器 介电常数。虽然q 值和频率温度系数乃这两个参数与谐振器的形状和工作模 式有关，但起决定性作用的还是介质谐振器的材料性能。 制作介质谐振器的材料应具备以下三个基本条件： 1 要有足够高的介电常数：它是构成介质谐振器的必要条件。介质谐振器 的介电常数愈高，其界面就越接近于理想磁壁，电磁场更加集中于介质谐振器内。 2 要有低的介质损耗：介质材料的损耗直接影响谐振器的q 值高低，因为 谐振器的无载q 值与材料的损耗角正切t 9 6 近似反比。介质材料的损耗太大，介 质谐振器就无法维持长久的电磁振荡。 3 要有小的频率温度系数：介质谐振器是一种窄带器件，它的谐振频率是 一个对周围环境很敏感的参数，所以它对窄带器件的频率温度系数有严格的要 求，否则器件的实用价值不大。 只有同时满足了上面三项要求的介质材料，才能适合做成微波振荡电路中 使用的介质谐振器，一般取= 2 5 4 5 ；q 5 0 0 0 ；0 = 一1 + 8 p p m 。c 叱， ： 对于某些材料，谐振器的温度系数l 可以通过改变成分比控制在 - 9 + 9 p p m 。c 范围内。电路效应会使乃约有百万分之几的变化，由电路的结构 而定。疋为+ 1 + 4 p p m 。c 的介质谐振器往往能在晶体管振荡器中实现有效地温 度补偿。因此，可以实现的温度补偿极限取决于材料性能的容差，以及影响这 种温度效应的频率调谐需求。 介质谐振器的品质因数q 随频率的增加而降低。通常f o ( g h z ) 与q 的乘积为 常数。元件应用中常常发生q 值恶化的一些情况。封装盒的壁，介质材料及固 定介质谐振器的粘合剂等所引起的损耗及其他因素，一般使q 值降低约 1 0 2 0 ，对于低噪声振荡器和精密调谐的滤波器，应当选用高q 值材料，而 对于宽带频率可调部件，则应选择低q 值的材料【6 】。 2 1 4 介质谐振器的谐振频率 介质谐振器的谐振频率主要取决于它的几何尺寸及周围环境。虽然介质谐 振器的几何形状十分简单，但要精确求解其麦克斯韦方程组则远比金属谐振腔 谐振器困难。因此，对应于某种谐振模式的精确谐振频率只能从严格的数值方 法算出。k a j f e z 和g u i l l o n 对孤立的介质谐振器及最常用的m i c 结构提出了相关 方程的近似解，可以方便地将下面给出的方程在计算机上编程运算，并且获得 优于垃的精剧。6 j 。 9 第2 章介质谐振器 1 孤立的介质谐振器 谐振频率( 单位为g i - i z ) 由式( 2 3 ) 给出 j ，r p 华a 、e , ( 尝t + 3 4 5 ) ( 2 3 ) 式中，a 为谐振器半径( m m ) ，为高度( m m ) 当在下列范围时，式( 2 3 ) 的精度约为2 。 0 5 旦 2 h 【2 4 ) 3 0 0 ，是衰减振荡；当r 1 2 r ( 4 3 ) 通常情况下回路中的初始振荡起因子电冲击信号( 如突然开关电源) ，当回路 满足起振条件时，微弱的振荡就会增长为大幅度的振荡。由于器件的负阻是振 幅的函数，随着振幅的增大，回路将逐渐趋于某种稳态值，即等幅振荡。 4 3 双端口负阻振荡器的分析 一定电路组态下的微波晶体管，无论是微波双极晶体管还是场效应晶体管， 都可视为一个两端口网络，在适当的端接下，均可构成振荡器。由于它们的振 2 9 第4 章负阻振荡器分析 荡机理在于非线性负阻特性，故常常把它们称作双端口负阻振荡器。双端口振 荡器负阻的形成可通过器件内部极问电容的正反馈，也可以通过外部电路的正 反馈或内外电路相结合的反馈网络，但要求反馈的相位和幅度适当，才能产生 稳定的振荡。因此从反馈角度考虑，双端口振荡器又称作反馈振荡器，因此无 论用正反馈概念还是负阻概念分析微波晶体管振荡器，其本质都是相同的，只 不过负阻原理分析法更为简便。 从设计角度看，双端口负阻振荡器的设计和放大器的设计很类似。它们都 是以测试指定频率和指定偏置下的器件s 参数为基础，并且负载、匹配网络几乎 没有什么差别。而不同的仅仅是放大器工作于负反馈状态，一般s ，、& ，都小于 1 ，稳定系数七 1 ，所以可以用一般的史密斯圆图或计算机辅助设计，这属于线 性电路设计范畴。而对于振荡器设计来说，为了产生并维持振荡，必须形成负 阻，就要求散射参数s ，、s ”均应大于1 ，稳定系数七 1 。 对于此种情况，采用压缩史密斯圆图是振荡器设计的有效工具，因为这种 圆图包括了大于1 的反射系数，使用起来更为方便。为了使窄带或宽带情况下 振荡器工作在最佳振荡状态，即输出振荡器功率最大，必须借助计算机优化设 计输入电路、反馈电路及输出匹配网络参数，来获得带内最大负阻特性。 总之利用计算机辅助设计软件( c a d ) 来设计微波振荡器，这是一类非线性电 路问题，要比设计微波放大器难度大得多【4 3 1 。 如图4 3 所示，为一个双端口负阻振荡器。它包括晶体三极管、谐振网络和 输出网络【训7 l 。晶体管的散射矩阵s 用墨，、墨：、s ：，、s ：表示。我们假设连 接谐振网络和输出匹配网络的传输线特性阻抗都为z 。，它们之间的传输线长度 都为零。 z g ( rg ) z - n ( 1 1 i n ) z o u l 7 l 址 图4 3 双端口负阻振荡器的等效网络 3 0 第4 章负阻振荡器分析 该网络的输入阻抗为乙= 吃+ 风，输入端反射系数为l ，看向谐振网络 的阻抗为z g = 心+ ，相应的反射系数为，如图4 3 所示。在图中同时给 出了输出阻抗乙、输出端反射系数r 耐、负载阻抗乙及负载反射系数l 设 双端口网络的入射波为q 、a 2 ，反射波为6 l 、6 2 。 双端口负阻振荡器网络的散射参数定义为 b l = s 1 l a l + s 1 2 a 2( 4 4 ) 6 2 = s 2 h a + s 2 2 a 2( 4 5 ) 由此可以求出双端e 1 负阻振荡器网络的输入和输出反射系数。利用式( 4 4 ) 、 ( 4 5 ) 和f = a 2 6 2 的关系可得到 。鲁呱+ 两s 1 2 s 2 五2 r l l2 1 ( 4 6 ) 口lj 2 同样，利用式( 4 4 ) 、( 4 5 ) nr g = q b , 的关系可得到 = 若h 瑙：+ 两s 1 2 s 2 2 2 r _ | r ( 4 7 ) 口，i 一6 1 乙= z o 訾 ( 4 8 ) 乙埘= r 甜+ j - x 时( 4 9 ) 当振荡器建立起振荡后的值将随振荡幅度的增加而减小，将变得不够 负，这就需要选择合适的乙使得r + 0 时振荡将停止。振荡器设计所需的r 经验取值是 心= 一半( 4 1 0 ) l、- 选择使输出匹配网络的乙的电抗部分为 = 一l ，( 4 11 ) 这样输出匹配网络总的阻抗为 乙= 一半一儿，( 4 1 2 )oow i、 对振荡器设计来说，为了产生振荡，要求振荡器网络的两端口的反射系数l 和k 幅度值都大于1 ，而稳定系数k 1 。 振荡条件可以表示为 后= 刿2 裂i s , 产一 2 & l l p “j ， 3 l 第4 章负阻振荡器分析 r 了i 。= 1 l k = 1 d = 墨。一s ：是。“ ( 4 1 4 ) ( 4 1 5 ) ( 4 1 6 ) 因为振荡器网络的输入端口接的谐振网络，输出端口接的匹配网络，它们 都是无源器件构成的网络，故r 。和r ，的幅度值都小于l ，这意味着式( 4 1 4 ) 、( 4 1 5 ) 中l 和r 。幅度值大于1 。 振荡器网络要产生振荡，稳定系数k 应该小于l 。如果不能满足这个条件， 就应该改变晶体管的组态结构或者通过增加反馈，来达到使稳定系数k 1 那么它是不会振荡的，这时就必须通过增加反馈来使 女h)em口 u d o x e 第5 章介质振荡器的仿真与分析 5 4 微波集成电路 微波集成电路( m i c ) 是将传输线、分市电阻、电容和电感以及有源器件( 女i - - 极管、晶体管) 组合在一起的电路。 有两种不同类型的微波集成电路【2 3 1 ，分别是混合m i c 和单片微波集成电路 ( m m i c ) 。混合m i c 有用做导体和传输线的金属化层，还有分立元件( 电阻、电 容、电感和二极管等) 固定在基片上。m m i c 是使有源和无源电路元件生长在一 个基片上，可在单个晶片上包含有大量的电路，所有这些电路可以同时进行处 理和加工。 m m i c 的基片必须是一种半导体材料，以便使有源器件在其上制作，器件 的类型及频率范围限定了基片材料的类型。这样，硅双极型晶体管可使用到几 个g h z 的工作频率，蓝宝石硅( s o s ) m e s f e t 可使用到几个g h z 的频率，亚微 米栅长度的g a a sf e t 可使用到6 0 g h z 的频率。 传输线和其它导体通常由镀金膜制成。为了改善金在基片上的附着力，一 般先在基片上沉积一薄层铬或钛。这些金属的损耗相对大一些，所以金层至少 有几倍趋肤深度厚，以便降低损耗。电容器和跨线需要绝缘介质膜，诸如s i 0 2 、 s i 2 n 4 和t a 2 0 5 。这些材料有较高的介电常数和低损耗，并且与集成电路处理相 兼容。电阻要求沉积有耗膜，通常采用t a 、t i 和掺杂g a a s 。 设计一个m m i c 要求大量使用c a d 软件，用于电路设计和优化，以及掩膜 生成。电路设计必须进行细致的考虑，允许有元件的变动和容差；电路加工后 再要修整，事实上是非常困难的，或者是不可能的。因此，诸如传输线不连续 性、偏置网络、寄生耦合和包装引起的谐振这些影响必须事先加以考虑。 在电路设计结束之后，就可以生成掩膜。对于每个处理步骤，需要一个或 多个掩膜。对于所需要的有源器件，处理要由在半导体基片上生成有源层开始； 这可通过离子注入或外延技术来进行。通过刻蚀或附加注入把有源面积隔离开， 留下用于有源器件的台面。下一步，通过把金或金锗层溶合到基片上，把欧姆 触点制作到有源器件面积上。然后把钛铂金的复合物沉积在源极和漏极之间 的面积上，形成栅极。此时，有源器件的加工过程基本上就已完成，可进行中 间试验以便对晶片做出评估。若满足要求，则下一步是对触点、传输线、电感 器和其它导体面积沉积上一层金属。然后，通过沉积电阻膜形成电阻，而对电 容器和跨接线需要沉积一层金属。再镀一层金属就完成了电容器和任何剩下的 互联。最后一些处理过程涉及到基片的底部。首先把它叠合到所需的厚度，然 4 7 第5 章介质振荡器的仿真与分析 后通过刻蚀和镀金成行穿孔。通过孔把接地线连接到基片上层的电路上，并从 有源器件到接地板提供一条热散逸的通道。在加工处理完成之后，可把单个电 路从晶片上切割下来，并进行测试。 单片微波集成电路也存在一些缺点，首先，m m i c 浪费了相对昂贵的半导 体基片上很大一部分面积( 用于传输线和混合网络) 。其次，对于m m i c 的处理 步骤和容许偏差是很苛刻的，这会造成产量低下。这些因素使得m m i c 的造价 相当昂贵，尤其是小批量( 小于几百个) 生产时。一般来说，要求对m m i c 的 设计过程有更为深入细致的了解，包括诸如元件容差和不连续性等；而制造后 的故障排除、调谐或修整是很困难的。由于它们的尺寸很小，使散热受到限制， 因而m m i c 不能用于需求比中等功率电平更高的电路中。 因此我们会发现，微带电路的设计与工艺加工是密切配合的整体，这就要 求电路设计人员应该十分了解工艺制作流程以及影响加工精度的因素，以便在 微带电路设计时充分加以考虑。m i c 的使用人员也应该了解电路设计的要点和 工艺特性，才能在使用过程中充分发挥m i c 特性，避免不正常的损坏。 5 5 小结 本章详细给出了介质振荡器整个的设计过程，介质振荡器的成功设计是建 立在组成它的各个子电路的反复设计和验证的基础上的。在奉章中首先对介质 谐振器采用了两种设计方法加以实现，然后就是对负阻电路进行设计，这时就 要选对所需的微波有源器件，合适的微波有源器件可以提高介质振荡器的输出 功率和降低相位噪声。器件选好后，要使它正常稳定的工作，就需要给它添加 合理的直流偏置网络。同时，为了产生所需要的负阻值，我们需要增加晶体管 电路的不稳定性，因此将场效应管构建为一个漏极容性反馈电路，达到了很好 的效果。经过对介质振荡器的反复实验，得到了介质振荡器的输出功率和相位 噪声结果，符合本课题的要求。在本章的最后，给出了m i c 电路的设计与工艺 制作流程，对今后介质振荡器的实物制作具有指导意义。 第6 章结论与展望 第6 章结论与展望 射频振荡器一直是射频电路设计的难点，工作在5 8 g h z 固定频率的振荡器 的设计例子很少。本论文深入研究了介质振荡器的工作原理以及实现方法，首 先探究了介质谐振器的基本特性和其在m i c 中的基本应用电路，通过理论计算 得到其几何尺寸，然后结合a d s 软件进行仿真得到它在工程应用中的建模方法； 接下来分析了四种不同电路结构介质振荡器的工作原理，在这一过程中我们得 出了反馈型介质振荡器的电路结构是由场效应管放大组件和包含介质谐振器的 反馈回路组成的这一结论，这种结构的介质振荡器是将放大电路和反馈电路分 立起来，因而便于设计。 在方案的设计上，我们采用了串联反馈型介质振荡器的电路结构，具体实 践中首先要严格选择合适的微波有源器件并对它进行正确的直流偏置，接下来 对负阻电路进行优化设计，好的输出匹配网络能使介质振荡器正常的稳定工作。 通过对各个子电路的精确设计，本课题设计出的介质振荡器的振荡频率为 5 7 6 2 g h z ，其输出功率超过9 6 5 7 d b m ，相位噪声为- 9 9 7 0 d b c h z 1 0 0 k h z ，各 项技术指标合乎要求，为进一步制作低噪声介质振荡器打下了基础。 4 9 致谢 致谢 在论文完成之际，首先我要向我的导师吴毅强老师表示衷心的感谢，感谢 吴老师为本文工作的完成和取得的成果所付出的大量心血吴老师平时十分关 心我的论文工作，从论文的选题，课题的技术方案及路线，到论文的格式等各 个环节都给予了精心的指导吴老师严谨治学的学风和平易近人的风范让我钦 佩 我还要衷心地感谢罗斌博士对我的辛勤指导和帮助! 感谢南昌大学电子信息工程系的所有老师，自己在电子系六年多的学习过 程中，从电子元器件的理论学习到介质振荡器的设计，一步一步走来 对父母和妹妹的感谢是无以言表的，是你们在背后始终支持着我的学习和 生活，我要以毕业找份好工作来证明自己，报答他们 同时向审阅我论文的各位老师表达敬意，谢谢! 孙兵 2 0 0 9 年1 2 月 参考文献 参考文献 【1 】黎飞鸿远距离高频段r f i d 读写器系统研究与设计实现【d 华东师范人学，2 0 0 7 【2 】陈冬萍射频识别技术( r f i d ) 应片j 研究【d 】华东师范大学，2 0 0 6 嘲彭友斌，邓毅华2 4 5 g h zr f i d 阅读器的设计与实现【j 1 微计算机信息，2 0 0 7 ，7 ( 1 1 ) i 1 0 4 - 1 0 8 1 4 】张华，魏臻无线射频识别技术k f i d 及其应用 j 1 计算机安全，2 0 0 8 ，2 0 ( 6 ) ：7 - 7 7 【5 j 胡小华基于r f i d 的电子不停车收费系统研究f d j 北方：i ：业大学，2 0 0 8 【6 】杨会彩，樊延虎r f l l ) 技术及其在e t c 系统= 中的应用【j 1 现代电子技术，2 0 0 8 ，1 5 ( 1 0 ) ： 6 3 6 5 ， 7 自洁高速公路不停车收费系统的研制f d l 。郑州大学，2 0 0 6 1 8 1 潘勇高速公路联网电子不停车收费系统安全体系的设计与实现f d i 上海交通大学， f 9 1 高永森，唐宗熙，艾频段分质谐振振荡器的设计【j 】电讯技术，2 0 0 8 ，0 3 ( 1 1 ) ：1 6 4 1 6 7 i l o 】宋红江，尹哲硒频段低相噪锁相介质振荡器p 】半导体技术，2 0 0 8 ，0 7 ( 9 ) ：1 、5 6 - 4 5 8 1 1 1 i 曲燕霞，唐宗熙c 频段介质稳频振荡器的设计用：电讯技术，2 0 0 7 ，o “7 ) ：t 4 觚 i f l 2 】李英电磁介质谐振器理论与应用【m 1 北京：电子： 业出版社，1 9 8 8 7