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硕士论文k u 波段d r v c o 与x 波段锁相源的设计 摘要 随着无线通信和军用电子技术的迅速发展，电子系统对于频率源的性能要求越来 越高。因此，相位噪声低、杂散小、频率稳定度高以及频率转换时间短成为频率合成 技术的主要发展方向。介质谐振振荡器( d r o ) 的q 值高，具有良好的频谱纯度、噪 声性能和频率温度稳定性；锁相频率源作为一种重要的频率合成器，也具有相位噪声 低、频率稳定度高等优点。目前，介质谐振振荡器和锁相频率源在移动通信、雷达及 卫星通信等领域有广泛应用。基于这样的应用背景，本课题在深入研究相关设计理论 与方法的基础上，研制了邑波段压控介质谐振振荡器( d r v c o ) 和x 波段锁相频率 源。本文具体内容如下： 1 在研究d r v c o 设计理论的基础上，采用反射型结构，利用s e r e n a d e 8 7 1 软 件对1 5 2 g h z 的d r v c o 进行了仿真设计。仿真设计所得d r v c o 的相位噪声值达到 一1 0 0 d b c h z 1 0 k h z 和- 1 2 1 d b e h z 1 0 0 k h z 。 2 深入探讨了锁相技术的电路结构和工作原理；详细分析了锁相频率源的杂散 与相位噪声；简要介绍了环路稳定性的相关理论；继而进行1 1 5 g h z 锁相频率源的仿 真设计。仿真给出锁相环输出相位噪声：9 0 d b e h z 1 0 k h z ；1 0 4 d b e h z 1 0 0 k h z 。 3 分别对d r v c o 和锁相频率源进行了硬件设计和电路调试；总结了d r v c o 的调试经验；介绍了测试方法，并给出实测结果。实测d r v c o 相位噪声为6 5 8 4 d b e h z 1 0 0 k h z ；实测锁相环输出相位噪声为8 9 0 1 d b c h z 1 0 k h z ，9 1 9 4 d b e i - - i z 10 0 k h z 。 关键词：介质谐振器，d r v c o ，锁相环，相位噪声 硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa n dm i l i t a r ye l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h er e q u e s tf o rf r e q u e n c ys o u r c ew a sh i g h e ra n dh i g h e ri ne l e c t r o n i cs y s t e m s ow es t r i v e d t oo b t a i nl o wp h a s en o i s e ，p u r es p e c t r u m ，s t a b l e f r e q u e n c ya n dq u i c kt r a n s i t i o no f f r e q u e n c y t h eq u a l i t yv a l u e o fd i e l e c t r i cr e s o n a t o rv o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ( d r v c o ) i sv e r yh i g h , s od r v c o h a se x c e l l e n ts p e c t r u mp u r i t y , p h a s en o i s ep e r f o r m a n c e a n df r e q u e n c ys t a b i l i t y a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d st or e a l i z ef r e q u e n c y s y n t h e s i z e r s ，p h a s e - l o c k e df r e q u e n c ys o u r c ec a np r o v i d eg o o dp h a s en o i s ep e r f o r m a n c ea n d s p e c t r u ms t a b i l i t y b yf a r , d r v c oa n dp h a s e - l o c k e df r e q u e n c ys o u r c eh a v eb e e nw i d e l y a p p l i e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，r a d a ra n ds a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n s i nt h ep a p e r , t h e t h e o r ya n dt e c h n i q u et od e s i g nd r v c o a n dp h a s e - l o c k e dl o o pa r ed e e p l yr e s e a r c h e d ，t h e n k ub a n dd r v c oa n dxb a n dp l la le d e v e l o p e d t h ed e t a i l e dr e s e a r c hi n c l u d e s ： 1 o nt h eb a s eo fs t u d y i n gt h et h e o r yo fd i e l e c t r i cr e s o n a t o r ( d r ) ，a15 2 g h zd r v c o i sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d 、 r i ms e r e n a d e 8 7 1s o f t w a r e p h a s en o i s eo ft h i sd r v c o r e a c h e s - 1 0 0 d b c h z 1 0 k h za n d - 1 2 1 d b c h z 1 0 0 k h z 2 t h ep a p e rd e e p l ys t u d i e st h ew o r k i n gt h e o r ya n db a s i cc i r c u i ts t r u c t u r eo fp l l ， d e t a i l e d l ya n a l y z e st h ec o m p o n e n to fp h a s en o i s ei np l ls y s t e m ，a n db r i e f l y i n t r o d u c e st h et h e o r yo fs t a b i l i t yo fp l l a11 5 g h zp l lf r e q u e n c ys o u r c ei s d e s i g n e d a n ds i m u l a t e d s i m u l a t i o n p r e s e n t sp h a s e n o i s eo ft h ep l l ： 一9 0 d b c h z 10 k h z a n d 一10 4 d b c h z 10 0 k h z 。 3 p c bl a y o u ta n dd e b u g g i n go fd r v c oa n dp l la r ec o m p l e t e d ，a n dt h es h i e l d i n g b o x e sa r ed e s i g n e d t h ep a p e ri n t r o d u c e st h em e t h o d so ft e s t i n g ，a n dp r o v i d e st h e t e s t i n gr e s u l t s t h et e s t i n gp h a s en o i s eo fd r v c oi s - 6 5 8 4 d b c h z 1 0 0 k h z ；a n d t h e t e s t i n gp h a s en o i s e o fp l lr e a c h e s 一8 9 0 1d b c h z 10 k h za n d 一9 1 9 4 d b c h z 1o o k h z k e yw o r d ：d i e l e c t r i cr e s o n a t o r , d r v c o ，p l l ，p h a s en o i s e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年 月日 硕士论文k u 波段d r v c o 与x 波段锁相源的设计 1 绪论 1 1 频率合成器概述【1 】 随着移动通信和军用电子技术的发展，现代通信系统对于频率源的要求越来越 高。在频率源的指标中，人们对相位噪声和频率温度稳定度最为关注，这两个指标好 坏往往关系到整个电子系统的性能。所以设计高稳定度低相噪的频率源具有重要的实 用意义。 频率合成技术是利用一个或者多个高稳定度的晶体振荡器产生一系列等间隔、离 散、高稳定度频率的一项技术，这些离散频率的稳定度和准确度与晶振产生的参考频 率相同。 从2 0 世纪3 0 年代起，频率合成器技术已经发展了7 0 多年，目前已经得到广泛 应用。随着电子基础工艺的不断发展，特别是大规模集成电路技术的发展，频率合成 器能提供的频率越来越高，性能也越来越好，而频率合成器的小型化也得以实现。 随着研究的深入，新的频率合成方式不断涌现，到目前为止，频率合成技术大致 分为以下3 代： 1 ) 直接频率合成 直接频率合成是最初的频率合成方式，它一般利用分频、倍频或混频等对参考源 信号进行加、减、乘、除运算产生一系列离散频率，通过带通滤波器滤出所需频率的 信号。 如果只用一个晶振的信号作为参考源，再进行这种频率合成，频率合成器所有产 生的信号都是相干的，称为相干式直接频率合成。与之相对应的，要用到多个晶振作 用参考源的方式，称为非相干式直接频率合成 优点：可以达到任意高的频率分辨率，且频率转换速度快，工作稳定，可靠性高。 缺点：结构复杂，使用的器件多，成本高，体积大。同时杂波抑制能力差，易产 生寄生调制。 2 ) 锁相式频率合成 锁相环( p l l ) 可以认为是第二代频率合成技术。锁相技术利用参考源，通过谐波 发生器产生大量谐波，并控制压控振荡器( v c o ) 的频率锁定到某个谐波上，最终由 压控振荡器输出所需频率。 早期使用的是模拟锁相环，需要大量混频器或者分频器，也需要带通滤波器，所 以成本高，体积大，优势不明显。随着技术发展，出现了数字锁相环，它包括数字鉴 相器、分频器、模拟环路滤波器和压控振荡器。目前数字锁相环应用非常普遍，也是 本课题将要使用的技术。 l i 绪论硕士论文 数字锁相环优点：杂散抑制好，相噪低，频率覆盖范围大，稳频性能突出，集成 度高，成本较低。 缺点：频率转换速度比较慢。 3 ) 直接数字式频率合成( d d s ) d d s 是第三代频率合成技术，它基于波形存储，在频率控制字给定后，利用数字 方式累加相位，根据相位查询预存的正弦波函数表，获得正弦波在对应相位处的幅度 离散值，经过a d 转换，再经过低通滤波，即可获得所需频率的正弦波。目前该技术 可以提供几百兆h z 的输出频率，应用很广泛。 优点：相位噪声低，集成度很高，体积小，功耗低，频率转换速度非常快，频率 分辨率高，成本低。 缺点：输出频率低、杂散抑制较差。 1 2 介质谐振振荡器概述 微波振荡器通过微波半导体器件和谐振电路的相互作用，把直流功率转换成射频 功率。一般要求振荡器输出频率相噪好、杂散低、工作电压低、频率稳定性好、效率 高、体积小。 微波振荡器的发展主要表现在两个方面，其一是微波振荡管的发展，其二是谐振 电路和稳频技术的发展。目前，g a a sf e t 作为一种比较理想的微波振荡管，被广泛 应用，它频带宽，噪声低，结构紧凑、可靠性高。另一方面，介质谐振器( d r ) 因 其高介电常数、低损耗的特性，被应用于谐振电路。介质谐振器的无载品质因数可达 1 0 0 0 0 以上，介电常数在2 0 至1 0 0 之间，同时d r 的体积小，频率稳定度高。 d r 和微波振荡管结合构成介质谐振振荡器( d r o ) ，具有很好的相噪特性和频率 稳定性。d r o 的主要优点包括相噪低、频率温度稳定性高、体积小、结构简单和价 格相对低廉，同时它对机械振动和电源瞬变不敏感。 由于介质谐振器的高q 值、高介电常数特性，d r o 可以容易的获得很低的相位 噪声，若振荡管使用g a a sf e t ，相噪一般能达n - 1 0 0 一1 2 0d b e h z 1 0 k h z 。目前 国外研制的从s 到k u 波段的取样鉴相d r o 的相噪达到一1 1 5d b c h z 1 0 k h z ，而国 内水平也达到一1 0 8d b c h z 1 0 k h z 。d r o 的频率温度稳定性高，据报道1 1 8 5 g h z 并联反馈型d r o 在环境温度一2 0 “0 范围内频率变化仅15 0 k h z ，频率温度系数 为4 - 0 1 6 p p r n 。c 。温度补偿后的d r o 频率温度稳定性非常好，其频率温度系数可以 达到0 0 2 p p m 。c 卜j 。 但是d r o 也存在一些缺点，如带宽窄，仅适合提供单一点频，调试困难等。 由于d r o 低相噪、高稳定度的巨大优势，它将具有非常广阔的应用前景，非常 值得研究。 2 硕十论文k u 波段d r v c o 与x 波段锁相源的设计 常用的介质谐振振荡器主要有加载带阻型、传输型、并联反馈型、串联反馈型。 下面仅比较各种结构的优缺点，从而选择适合本课题的d r o 结构。 加载带阻型结构简单，尺寸较小，稳频性能良好；但是它输出频率低，频带窄， 杂散很高，容易跳模，同时不同负载对它本身性能影响较大。目前该结构应用较少。 传输型利用介质谐振器选择振荡频率，并传输振荡功率，所以如果介质谐振器失 谐，电路将难以振荡。 并联反馈型利用介质谐振器作为选频反馈网络，介质谐振器既有正反馈作用( 产 生负阻) 又有选频作用。该类型的优点包括结构简单，容易起振，频带宽，输出功率 大，工作稳定，相噪较低。缺点是建模复杂，设计也较难，对设计要求高，调试余地 小。 串联反馈型利用介质谐振器将功率反射回不稳定的放大器，产生负阻，建立振荡。 其优点包括结构简单，调试方便，杂散较小，负载对输入谐振回路影响很小，工作状 态稳定。缺点是频带较窄。 另外，一些新结构也得到研究和应用，有p u s h p u s h 结构、同轴传输线结构和 回音廊模式等。其中p u s h p u s h 结构的好处在于可以获得倍频输出，同时能很好的 抑制奇次谐波分量；同轴传输线结构一般应用于频率比较高的情况下；回音廊模式能 获得非常好的低相噪、较高的输出功率和好的频率稳定性p j 。 1 3 频率合成器的主要技术指标【l j 1 ) 频率范围 频率合成器输出频率变化范围是其重要指标，要求频率合成器能输出其频率范围 内的任何频率，且电性能良好。频率范围可由频率覆盖系数表示： 厂 七= 冬她( 1 3 1 ) ，on l i n 其中，正m 戡为输出最高频率；f o 。抽为输出最低频率。 2 ) 输出频率分辨率 频率合成器的输出频谱不连续，两相邻频率之差称为频率分辨率，记为锐。希 望频率合成器的频率通道尽可能多，即希望输出频率分辨率尽可能高。 3 ) 频率准确度 频率准确度指实际输出频率偏离标称频率值的程度，记为彳，。 彳r ：华 ( 1 3 32 ) ， ， 、 其中，频率合成器实际输出频率为f ，标称频率为f o ，f - f o 为频率偏移。 l 绪论硕士论文 4 ) 频率稳定度 频率稳定度指在一定时间间隔内，输出频率的变化大小，是频率合成器重要技术 指标之一。频率稳定度有长期、短期和瞬时的区别。 长期稳定度是指年或月范围内频率准确度的变化，一般由晶振中晶体老化引起。 短期稳定度是指日或小时范围内频率准确度的变化，一般也是因为晶体老化引起，或 者取决于振荡电路内部参数变化、外部电源波动、温度变化等。 瞬时稳定度指秒或者毫秒范围的随机频率变化。一般主要因为干扰和噪声引起， 反映了频率合成器的噪声性能。 5 ) 频率转换时间 频率转换时间是输出频率从一个工作频率转换到另一个工作频率并稳定的时间。 d d s 的频率转换时间达到m s 甚至u s ；p l l 频率转换时间取决于环路捕捉时间。 6 ) 频谱纯度 频谱纯度指频率合成器输出频率信号接近纯正弦波的程度，一般用输出的有用信 号功率电平与各种干扰和噪声合成总电平之比的分贝值来表示。 实际频率合成器的输出可表示为： “o ) = u 二【l + a ( f ) 】c o s c o 。f + ( p o ) 】 ( 1 3 3 ) 其中，a ( t ) 为寄生调幅：q ( f ) 为寄生调相。 频率合成器的输出频谱中，主频谱两侧有附加频谱，其中离散谱称为杂散，连续 谱称为噪声。对于正常的频率合成器，寄生调幅一般较小，寄生调相则是造成噪声的 主要原因。 寄生调相可以分为正弦寄生调相和随机寄生调相。正弦寄生调相产生输出杂散； 随机寄生调相产生相位噪声。 1 4 本课题的主要研究工作 4 本课题主要设计1 1 5 g h z 的锁相频率源和1 5 2 g h z 的压控介质谐振振荡器 ( d r v c 0 ) 。主要内容包括： 1 ) 简要介绍频率合成器、介质谐振振荡器及频率合成器技术指标。 2 ) 介绍介质谐振振荡器( d r o ) 的设计理论，对1 5 2 g h z 的d r v c o 进行仿真 设计。 3 ) 介绍锁相环基本理论，分析锁相环的噪声和稳定性，对1 1 5 g h z 的锁相频率 源进行仿真设计。 4 ) 完成d r v c o 和锁相环的硬件设计和电路调试；实测结果基本满足应用要求。 硕士论文k u 波段d r v c o 与x 波段锁相源的设计 2 介质谐振振荡器设计理论 介质谐振振荡器频率稳定度高、噪声低、体积小、结构简单、价格低廉、对机械 振动和电源瞬变过程不敏感。它在低相噪频率源设计中被广泛使用。随着系统性能要 求的逐渐提高，介质谐振振荡器在移动通信系统和军用电子系统应用日益广泛。 由于在微波频段，有源器件的特性和电路的布局方法与低频段相比都有很大不 同。因此微波振荡电路的设计也与低频段振荡器的设计方法不同。同时，在微波频段， 电路中的电压和电流很难直接测量，而入射信号和反射信号却能既方便又可靠地被测 量，所以s 参数被广泛地运用于振荡电路的设计。本章将讨论一些设计微波振荡器的 基本方法，包括负阻理论设计和s 参数两端口设计。 2 1 负阻振荡原理2 】【3 】 负阻振荡器电路可以看成由负阻电路和匹配网络组成，如图2 1 所示，负阻器件 的输入阻抗用z 0 表示，器件终端连接的无源负载阻抗用乙表示。 i r n x 眦 i 图2 1 负阻振荡原理图 x l 其中负阻电路可以使用带有适当反馈的有源器件得到( 在介质谐振振荡器设计 中，有源器件使用场效应管) ，其输入阻抗与其电流幅度、频率有关，即： z h v ( ，c o ) = ( ，国) + ( ，c o ) ( 2 1 1 ) 负阻即要求 如( ，缈) o ，由上式知必有： o ，则只要满足 ( 如+ 五) 0 ( 2 1 1 5 ) 该式就可成立。 硕士论文 k u 波段d r v c o 与x 波段锁相源的设计 负阻【i ) 的幅度是电流的线性递减函数，有： = 一r ( 一i i 其中一r 是( ，) 在i = 0 时的值，l 是i 的最大值。 传输到r 。的功率为： 尸= 三疋 玎 = 圭i ，1 2l ( ，) l = 三1 ，2 r 一毒 由 裂r 卜针。 得功率p 达到最大值时电流值 ，。= 鲁l ， 此时对应的输入阻抗实部为： ( ，) = 一每 因此，为了输出功率最大，负载阻抗实部取： r ，：鱼 2 2 双端口负阻振荡器的分析4 】 ( 2 1 1 6 ) ( 2 1 1 7 ) ( 2 1 1 8 ) ( 2 1 1 9 ) ( 2 1 2 0 ) ( 2 1 2 1 ) 一定电路组态下的微波晶体管，可视为一个两端口网络，所以微波晶体管振荡器 属于双端口负阻振荡器。一般通过有源器件内部极间电容的正反馈、外部电路的正反 馈或内外电路相结合的反馈网络来形成双端口振荡器的负阻。 双端口振荡器的设计，以测试指定频率和指定偏置下的器件s 参数为基础，有源 器件的散射参数s 、s ，应大于1 ，稳定系数七 l 必须成立。式( 2 2 3 ) 是 负阻振荡器的起振条件，而式( 2 2 4 ) 和式( 2 2 5 ) 表示振荡的幅相平衡条件和稳定条件。 注意，如果振荡器在一个端口振荡时，则它必定在另一个端口也同时振荡。 在设计电路时，为了使稳定系数k 小于1 ，可以通过选择合适的电路结构来实现。 场效应管振荡器常采用共源电路和共漏电路结构，其中共源结构电路更简单，而共漏 电路利用器件内部的极间电容形成反馈更容易使电路不稳定。 使用s 参数设计双端口振荡器时，要选择在工作频率上具有足够大增益和足够大 输出功率的场效应管；为了使电路稳定振荡，应合理选择电路方案和输出负载匹配网 络，应确保输入端口和谐振网络之间谐振。合理选择输出网络的输入阻抗z ，使场效 应管的输入阻抗乙为负阻；设计谐振网络的阻抗z g 使其与z m 匹配，即r g l s 。l = 1 。 一般可取： 一d 毽= 半 ( 2 2 6 ) j 在所需频率上，谐振网络的电抗部分满足 t = 一 ( 2 2 7 ) 2 3 介质谐振网络分析 2 3 1 介质谐振器( d r ) 及其谐振频率 介质谐振器按照结构形式不同，可分为圆柱形、矩形、圆环形、球形。d r 的三 个主要指标为：q 值、频率温度系数t ，和介电常数8 ，。为了达到高的q 值，选用对 微波有较低介质损耗( f 9 6 小) 的材料；为了将电磁能量尽可能集中于谐振器中，应 8 l 一儿 一 曼& 墨s 墅 显卜 2 是 l r 硕士论文k u 波段d r v c 0 与波段锁相源的设计 选用介电常数高的材料。一般选取，= 2 5 4 5 ，q = 5 0 0 0 2 0 0 0 0 ， t = 一1 + 8 p p m 。c 。 本文采用圆柱形的介质谐振器，可以激励起多种谐振模式，当直径d 0 9 6 时， 砜。模是谐振器的主模。谐振频率估算公式为： f ( g h z ) 5 雨3 4 【i d + 3 4 5 ) ( 2 3 1 - 1 ) 图2 3 圆柱形d r 的t e 0 1 6 模 图2 4 机械调谐 式中d 为d r 的半径( m n l ) ，l 是长度( r e a l ) 。该经验公式在 o 5 d l 2 和3 0 1 ，即要求振荡器输出阻抗呈现负阻4 1 。 ( 2 4 1 0 ) 硕上论文k u 波段d r v c o 与x 波段锁相源的设计 3 压控介质谐振振荡器( d r v c o ) 的仿真设计 本课题采用反射型电路设计一个1 5 2 g h z 的d r v c o 。先选择合适的电路结构， 选用振荡器电路相关器件：然后利用s e r e n a d e 8 7 1 仿真软件对电路进行仿真和优化设 计，具体分为s 参数仿真和谐波平衡法仿真；进而加工电路，进行调试。调试工作对 于设计d r v c o 来说至关重要，也是工作量最大的部分。 s e r e n a d e 8 7 1 软件可以提供d r 和微带耦合模型，从而大大方便了设计工作，这 是选用该软件的重要原因。 3 1 电路结构和器件选用 本课题设计的是压控介质谐振振荡器，所以需要在串联反射型电路中引入压控部 分( 即电调变容二极管电路的耦合结构) ，本课题使用的d r v c o 电路结构如图3 1 所 不： 24 图3 1d r v c o 电路结构图 串联反射型介质谐振振荡器电路为自稳型介质谐振振荡器，源极开路线是振荡器 的反馈元件，d r 耦合谐振网络将谐振频率附近的射频功率反射回放大器，从而建立 振荡。当改变加在变容管上的电压时，电路的电容也随之改变，从而控制振荡频率变 化。在反射型结构中，耦合结构易于建模，杂散振荡容易得到避免，但是这种类型的 d r o 对匹配要求很高。 为了获得较低相位噪声，必须按照下列要求选择器件： 1 1 选用低损耗的微带线。本课题采用d u r i o d 5 8 8 0 基板。 2 ) 选用高q 值的介质谐振器，一般选用q 值为5 0 0 0 2 0 0 0 0 的介质谐振器。本 课题采用的介质谐振器为15 0 0 0 。 3 ) 选用低噪的有源器件( 振荡管和变容管) j 5 3 压控介质谐振振荡器( d r v c o ) 的仿真设计 硕上论文 3 1 1 振荡管的选用 一般可作为振荡管的有：硅三极管、f e t 、g u n n 二极管和i m p a t t 二极管。 其中硅三极管的1 f 噪声比f e t 低，是不错的选择，但是s ib j t 工作频率不太高。 另外，f e t 的输出功率明显高于硅三极管。f e td r o 能提供中等的噪声系数和2 0 以上的效率。 g u n n 二极管和i m p a t t 二极管的工作频率非常高，在毫米波范围内使用很普遍。 g u n n 二极管的调频和调幅噪声很小，但是其效率非常低( 小于l ) ，工作状态受温 度影响非常大，性能不稳定。i m p a t t 二极管的效率较高，能达到3 0 ，输出功率也较 高，但是其相噪性能非常差。 选用振荡管有下列经验可供参考r 1 ： 1 ) 为了保证有好的r f 效率，上限工作频率至少是其工作频率的2 3 倍； 2 ) 为了提供高的r f 功率输出，器件必须要有足够的结区面积，并且要有小的 热噪声电阻，以减小温度不稳定性。 参照上述要求和经验，选用e x c e l i c s 公司的e p b 0 1 8 a 5 7 0 型场效应管作为振荡管。 表3 1 列出2 5 。c 时e p b 0 1 8 a 5 7 0 场效应管的参数r “： 表3 1e p b 0 1 8 a 5 7 0 场效应管的参数表 符号测试条件最小值典犁值最大值单位 噪声系数 f = 1 2 g h z = 2 v气= 1 5 m a 0 5 00 6 0d b n f 增益 厂= 1 2 g h z 仫= 2 vl , a = 1 5 m a1 1 5 1 3 0 d b g i d b 胜缩点 f = 1 2 g h z 吃= 3 v气= 2 5 m a 1 5 od b m 输功率 i d b 压缩点 厂= 1 2 g h z 吃；3 v1 出= 2 5 m a 1 4 0d 8 增益 跨导比= 2 v= 0 v 5 09 0 历j 电和漏极电流吃= 2 v= 0 v l54 58 0，竹爿 磊极击穿电压 j 耐= 1 0 9 a - 3- 6 矿 源极击穿电爪i = 1 0 9 a - 3- 6 y 热阻 4 8 0 。c | w 3 1 2 变容二极管的选用 主要考虑：( 1 ) 大变容比：( 2 ) 线性度好；( 3 ) 噪声低 变容二极管选用s k y w o r k s 公司的s m v 2 0 1 9 - - 1 0 8 。表3 2 给出了压控变容典 1 6 硕1 ：论文k u 波段d r v c o 与x 波段锁相源的设计 型值 2 0 1 ，其中q 为变容管电容值，单位为p f ，而为变容管反向偏压值，单位为 v 。 表3 2s m v 2 0 19 压控变容典型值 ( 矿) oo 5l 2 3 4 56789 g q 一 2 31 8 51 61 2 61 0 6o 9 l0 7 8 0 6 4 0 5 30 4 50 4 0 ( 矿) 1 0 1 11 21 31 4 151 61 71 81 92 0 g 渺)o 3 6 0 3 3o 3 l0 - 3 0o 2 8o 2 7d 2 6 5o 2 60 2 5 0 2 40 2 3 3 1 3 介质谐振器的选用 在s e r e n a d e 8 7 1 软件元件库中选择d r 带通型模型，并输入相关参数( d r 厂家提 供) ，进行线性分析。仿真电路图如图3 2 所示： 口 o p - 日赢鱼幺：。 m se 5 ： h d ：1 2 5 m m h u ：8 。 “i j u ：u ，广 h ：0 2 5 4 m me r ：2 2 9 m m i ：s u b l m m i a b e t ：s u b s t e p1 2 g h z1 8 9 h z1 0 i i h z 图3 2 介质谐振器的仿真电路 ? 、 r 由n 赴州 k ，、 f s 1 怙t 向蝉姊 ；一 k 临s y l + _ 一 s 2 恤时b - 舾” j ：0j；| 一 ， 一o j 一一 j - _ - - - 一 图3 3 介质谐振器的仿真结果 1 7 3 压控介质谐振振荡器( d r v c o ) 的仿真设计硕上论文 在菜单r e p o r t 中选r e p o r te d i t o r ，可以观察谐振频率。为了达到谐振部分所要求 的指标，根据要求的谐振频率( f o = 1 5 2 g h z ) ，确定d r 参数应为：半径d = 3 7 9 m m ， 高度吃= 1 7 5 r a m ，介电常数s ，= 3 6 ，距离金属板高度忍= 4 2 m m ，频率温度系数： t 2 3 0 0 p p m o c 。 s 和& 。仿真结果如图3 3 所示，可见在1 5 2 g h z 处谐振。 3 2d r v c o 的s 参数仿真 d r v c o 在稳定振荡时，f e t 工作在饱和状态，呈现非线性特性。所以设计振荡 器应进行非线性仿真。但是在非线性仿真之f j ，需要确定初步的电路布局和参数，预 测振荡频率，确定电路是否起振等，一般使用s 参数仿真来进行设计。 由本文前面所述的负阻振荡理论可知，设计时需要产生负阻以使振荡器起振，随 后进入稳态。s 参数仿真用于设计和调整电路各元件参数，使得振荡管的s ，和& ：在振 荡频率附近的频段大于1 ，以满足起振条件。调整电路参数，使得在谐振处，输入阻 抗虚部i m ( ) 过零点，且实部r e ( 乙) 为负。 3 2 1 负阻反馈设计 在场效应管源极加入一段微带线，引入反馈，使得场效应管在1 5 2 g h z 附近不稳 定。这要求带反馈的场效应管在该频率附近反射系数s ， 1 。利用图3 4 中电路进行 仿真，设置优化条件( 在1 5 2 g h z 处s 。和：大于1 0 ) ，优化仿真得出反馈段微带长 度厶= 2 6 m m ，电阻值为4 1 q 。 3 2 2 谐振网络设计 = 图3 4f e t 反馈部分的仿真电路 由于距开路点1 4 波长处磁能最强，所以，：取九4 = 3 6 m m 。 取合适的，l 值，使得谐振网络输出阻抗虚部i m ( z g ) = 一i m ( 乙) 。图3 5 电路可以 帮助分析谐振网络输出阻抗，得到= 3 8 r a m 。 1 8 硕上论文k u 波段d r v c o 与x 波段锁相源的设计 p ：4 m p ：4 4 m 3 2 3 输出匹配网络设计 2 a f ：弱l ：6 9 ” e ：i 出e 【：s , a b h d ：1 2 量_：0 1 m h s ： s d r ： u ：b h h u ：7 _ 广 h ：0 隙：2 2 图3 5d r 谐振网络仿真电路图 先串联一段微带线，再并联一段短截线，将z o 叮匹配到5 0 q 。优化得：，4 = 1 r a m ， 厶= 5 4 m m 。 u l ：棚 1 1 2 ：胡 l j 一f “ d ，l卜- 一 o p t ；： 、， l d c dr u f r e q ll n t 91 2 g h 2 1 8 g h zl 阳n h 2巴 v r r m j ；l , g 酬：8 7 8 z n n 5 , q h ：b 暖：2 2 v r r 图3 6 输出匹配网络仿真电路图 3 3d r v c o 谐波平衡法( h a r m o n i c a l ) 仿真 3 3 1 场效应管e p b 0 1 8 a 封装图 1 9 1 图3 7 场效应管色p b 0 1 8 a 封装图 1 9 3 压控介质谐振振荡器( d r v c o ) 的仿真设计硕士论文 根据e p b 0 1 8 a 芯片资料给出的大信号模型，使用s e r e n a d e 8 7 1 的c u r t i c ec u b i c f e t 模型对e p b 0 1 8 a 建模，并在外围加入封装等效电路，从而得到如图3 7 所示的 e p b 0 1 8 a 封装图。 3 3 2d r v c o 仿真电路 在s e r e n a d e 8 7 1 的电路编辑窗口( s c h e m a t i c ) 中绘制d r v c o 仿真电路，其 中需要设定微带电路介质基片参数；放置非线性单音频率控件( f r e q ) ，双击设定仿 真频率范围和谐波数量；放置非线性输出项( n o u t ) ；放置m e s f e t 噪声模型模块 ( n o i ) ；放置变量模块( v a r ) 和非线性优化模块( n o p t ) 。 在电路拓扑中，需要加入直流偏置，采用扇形单元短路偏置方式，消除高频信号 对直流的影响。 具体的电路图如图3 8 所示： 图3 8d r v c o 谐波平衡仿真设计电路图 3 3 3d r v c o 电路分析 第一步，点击“o s c i l l a t o r d e s i g n a i d ”，在所设频率范围内对外加测试信号电流的 实部和虚部进行扫描，寻找电流虚部为零，实部为负的点，即电路谐振点。分析结束 后，若找到潜在谐振点，会显示谐振频率。最终自动弹出一个图表，该图表显示，在 频率范围内加测试信号电流实部和虚部随频率的变化情况。 2 0 硕七论文k u 波段d r v c o 与x 波段锁相源的设计 仿真弹出的图表如图3 9 所示： 一一 r “l 。一 一一 一4一 “一j 。 + 一： 一 一 h 一 一； _ 一i 一 一 ，j l ， ，一 厂。： j ：之： r 嘲水恻 图3 9d r v c o 谐振点 第二步，点击“o s c i l l a t o ra n a l y s i s ，在所设频率范围内对振荡电路进行分析。 “o s c i l l a t o r a n a l y s i s 分为两个模式：s e a r c h 和a n a l y s i s 。 先在s e r a c h 模式下，在电路中加入外部a c 测试源，利用谐波平衡法，寻找稳 态条件以确定电路的振荡条件。s e a r c h 模式的最终稳态解将作为a n a l y s i s 模式的初始 估计。a n a l y s i s 模式对振荡频率进行仿真，进行电压扫描，并在工作范围内对振荡器 进行调谐，从而得到确切严格的分析结果。 加入相位噪声模型，可以进行相位噪声分析，并获得相噪曲线。 3 3 4d r v c o 电路的优化 若电路仿真分析结果不满足设计要求，可利用软件对电路进行优化。 具体步骤如下： 放置测试模块：放置场效应管的噪声模型，设置为变量，设置非线性优化项。 建立响应函数：输出基波频率f o 和输出基频功率p 0 1 。 建立优化目标：按照设计指标要求建立优化目标。 进行优化：利用“n o n l i n e a rb r o a d b a n do p t i m i z a t i o n 进行优化，一般遵循“先 随机法，后梯度法的原则。如果优化不能收敛，则需要手动调节电路结构h 。 3 3 5d r v c o 电路仿真结果 点击“r e p o r t 菜单下“r e p o r te d i t o r ”来观察仿真结果。需要观察的仿真结果包 括：输出频谱分析图、输出信号波形图、场效应管的静态工作点以及输出频率与变容 管偏压的关系曲线。 根据仿真结果，场效应管静态工作点选为v d s - - - 2 v ，i d s = 1 9 m a ，v g s - - - - 0 在原理图中加入m e s f e t 噪声模型模块( n o i ) ，点击“o s c i l l a t o r a n a l y s i s ”后， 2 1 3 压控介质谐振振荡器( d r v c o ) 的仿真设计 硕十论文 在对话框中选择n o i s e 模式，则可以进行电路的噪声分析。 分析完成后，同样选择“r e p o r t ”菜单下的“r e p o r te d i t o r 来观察仿真结果。 由图3 1 3 可见，仿真设计所得d r v c o 的相位噪声值达到一1 0 0 d b c h z 1 0 k h z 和一1 2 1 d b c h z 1 0 0 k h z ；谐波抑制大于4 0 d b 。输出信号功率偏小，l m w 左右。 图3 1 4 中加载在变容管上的偏压由s i n u s o i d a lr fs o u r c e 提供，设置压控范围从 0 v 到1 0 v ，步长取1 v 。则可以仿真得到相应的控制电压与输出频率关系曲线。 由图3 1 4 可知，输出频率范围：1 5 1 4 2 g h z 1 5 2 0 6 g h z ，压控灵敏度 x 0 = 6 4 m h z v 。 u ： 揣” 一o - 一 k 一j 一一一 一卜 “ 捌 ； 一卜一 一一 -一 。jji 一 - - 一一- ，一；一一 l 一 一 1，l 一i 1 + 一 一 ， 。一 t - 1 一一“? 一 图3 1 0 输出信号频谱和功率 e p a t l 姒7 c 一 飞-、 ：j厂毒一 t = 。 、 l 卜jl 一一：l llll ll | l f ；|j | t | | 一i l ll乡 。l 1 ； 。 ， 图3 1 1 输出信号波形 硕t 论文k u 波段d r v c o 与x 波段锁相源的设计 冒 z 2 皇 士 占 二ij _ 霉；o ； e p 加1 酗一， m “1 m _ m _ v “m l 1 2 1 1 1 - ， e p a 0 1 8 a