Ku波段高线性度DRO的设计

1、Ku波段高线性度DRO的设计        摘  要：在Ansoft非线性电路设计软件Serenade支持下，通过变容管的选取，输出端的优化匹配，设计了一中心频率为18GHz的高线性度的场效应管介质谐振器稳频振荡器。测试结果表明，此振荡器具有非常好的线性度和很低的相位噪声，可以为微波锁相环路提供高品质的DRO。关键词：介质谐振器，高线性度，变容二极管    近年来，因为微波介质谐振振荡器（Dielectric Resonator Oscillator，DRO）体积小、高稳定、

2、低噪声，所以，其设计很受重视。电调DRO的频率与电压的线性关系相当重要，尤其当此DRO用于锁相环路中时。本文的目的就是要设计一Ku波段高线性度的DRO，满足锁相环路的要求。本文使用Ansoft非线性电路设计软件Serenade来设计，获得了很好的结果。1 DRO工作原理    此电路的工作原理如图1所示：微带传输线L4上传输的信号的角频率等于介质谐振器的谐振频率时，在传输线上产生强烈的反射而形成振荡，介质谐振器等效为一窄带带通滤波器。图1中，源极开路线L7为振荡器的反馈元件，它所形成的阻抗、栅极传输线长度L4及输出阻抗都是满足振荡条件的关键参数。以加在变容管上的电

3、压来改变电路的电容，从而改变电路产生的振荡频率。2 谐振器参数的计算    圆柱形介质谐振器的谐振频率其中，c为真空中的光速；D为圆柱形介质谐振器的直径；r为圆柱形介质谐振器的相对介电常数；L为介质谐振器的高度。    将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。    为了更好地提高谐振器的Q值，必须将电路置于屏蔽盒中，而且屏蔽盒到谐振器的距

4、离H以及屏蔽盒的宽度B必须满足：    取H=10mm,B的值还需根据电路的实际尺寸来定。    另外，在实际电路中应用时，介质谐振器与微带电路板之间须加上一介质垫片，此垫片的介电常数为低介电常数，取3.8，其高度取0.2mm。加了垫片后，场合分布可计算出来。3 DRO的设计3.1 DR（Dielectric Rseonator,介质谐振器）带通滤波器的设计    根据上述计算结果，用Ansoft软件进行优化，如图2所示。两段微带线均匀50传输线。DR到微带线边缘的距离为0.5mm。DR的高度为2.20m

5、m。DR的直径为3.88mm。微带线长度为3.22mm(g/4为3.56mm)。    该滤波器的通带内衰减仅为0.25dB。3.2 变容管的选取    为了获得好的线性度，在电路中采取了补偿措施，并通过多次优化、比较来选取变容管。变容管要满足以下三点：（1）大变容比；（2）线性度好；（3）噪声低。本设计选取Alpha公司的GMV9801-000。这是一种变容管管芯，它不含有寄生电容，有很好的线性度，连接时可用金丝焊接。3.3 场效应管的选取    选取NEC公司NE32400，这是一种HEMT管芯，工作

6、频率可达18GHz。该HEMT管芯偏置如下：Vgs:-0.6V0.0V；Vds:0.0V3.0V；Idss:40mA。同样，连接需要用金丝焊接，且金丝长30mil。NEC公司给出的金丝电感数据为：Lg=0.422nH,Ld=0.299nH,Ls=0.0612nH。3.4 振荡器电路的设计    首先，电路源极的开路线，取初值为0.5mm，且为50。    其次，匹配输出端。利用Ansoft圆图西欧功能，先并联一微带线，此50微带线长1.85mm，使工作点与R=1圆相交，再串联一电容使工作点匹配到圆心，此电容为450pF，它同时又充当隔

7、直电容。    再次，设计HEMT栅极电路。在图1的L4的左边和L3的右边分别加上一50传输线。变容管串联一金丝电感，适当选择其值，可以增加振荡器的线性度。    然后，加偏置。为了尽量减少高频对直流的影响。采用双扇形单元短路偏置。这种偏置比普通高低阻抗线偏置带宽宽，对信号的传输影响小。    最后，用Ansoft软件进行电路的优化，可以得到如图3所示的电路。4 电路结果分析    取变容管偏压从-8V到-14V，可以得到一系列指标曲线。4.1 变容管电压与输出频率的关系曲线

8、    改变变容管的偏置电压，从而改变振荡器的信号输出频率。如图4所示，该DRO工作频率为18GHz±35MHz，它具有相当于好的线性度。4.2 输出功率与电压关系曲线    该振荡器的输出功率最大为8.20dBmW，最小为7.10dBmW,基本上能满足一些应用的要求，如果对幅度起伏要求高，则可降低频率的可调范围，即，取工作区间的某一部分。图5所示是输出功率与控制电压的关系曲线。4.3 输出信号的相位噪声    图6为变容管不同偏压时的相位噪声，可见，在10kHz处的相位噪声均小于-110dBc

9、/Hz。5 敏感度分析在具体设计时，应考虑到各个元件的实际参数值与标称值之间不可避免地存在一定的误差，以及微带线加工工艺的限制，因此，有必要分析元件参数的变化对电路状态、电路响应的影响，即敏感度问题。下面具体分析如图3所示的电路中一些参数变化时导致电路性能变化的情况。    S（DR到微带线距离）：使图4曲线上下平移，对输出功率和相噪影响小。    P1（变容管旁微带线长度）：对噪声影响明显，其它影响小。    P2（DR旁微带线）：对噪声影响明显，其它影响小。    L（与RD耦合的微带线的半长）：对图4曲线的斜率影响特别大。 &#