鄒偉淵

摘要：本文研究了一種Ka頻段鎖相介質(zhì)振蕩器，分析了取樣鎖相技術(shù)的原理與特性，進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)和軟件仿真，并進(jìn)行了實(shí)物測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該介質(zhì)振蕩器經(jīng)二次倍頻輸出頻率為27GHz，功率大小為9.10dBm，相位噪聲達(dá)到了103.10dBc@1kHz，107.03dBc@10kHz，109.01dBc@100kHz。

關(guān)鍵詞：Ka頻段;介質(zhì)振蕩器;取樣鎖相環(huán);低相位噪聲;星載微波射頻通信系統(tǒng)

引言

信號(hào)源是一類重要的微波組件，其中介質(zhì)振蕩器（DRO）制作的信號(hào)源性能良好，可用于信號(hào)源設(shè)計(jì)。同時(shí)取樣鎖相技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)改善頻率源相位噪聲的目的，在信號(hào)源中應(yīng)用廣泛。

Ka頻段設(shè)備的發(fā)展已逐漸趨于成熟，已在中繼衛(wèi)星、深空測(cè)控中采用了Ka頻段的測(cè)控通信系統(tǒng)，Ka頻段的測(cè)控通信系統(tǒng)擁有技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)[1]，為適應(yīng)星座微波通信系統(tǒng)的發(fā)展，Ka頻段振蕩器的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

2020年電子科技大學(xué)蔡宗棋基于Ka頻段的負(fù)阻振蕩器設(shè)計(jì)了一款多普勒雷達(dá)探頭[2]，其中振蕩器在34GHz附近產(chǎn)生振蕩信號(hào)，偏離載頻1MHz處相位噪聲可以達(dá)到117.56dBc/Hz，作者驗(yàn)證了利用高Q諧振器改善相位噪聲的可行性，但對(duì)于外延設(shè)計(jì)涉及較少，相位噪聲還可以進(jìn)一步優(yōu)化;2010年電子科技大學(xué)石濤設(shè)計(jì)了一個(gè)基于介質(zhì)振蕩器的Ka頻段點(diǎn)頻源[3]，輸出頻點(diǎn)為27.508GHz，偏離載頻1kHz處的相位噪聲為-82 dBc/Hz;2008年王嘉、林勇、何慶國(guó)研制的一款Ka頻段介質(zhì)振蕩器[4]，輸出頻率為38.22GHz，偏離載頻100kHz處的相位噪聲為-80dBc。

本文設(shè)計(jì)的Ka頻段鎖相介質(zhì)振蕩器，通過(guò)取樣鎖相環(huán)與介質(zhì)諧振腔實(shí)現(xiàn)頻率輸出，相位噪聲良好。測(cè)試結(jié)果表明該鎖相介質(zhì)振蕩器輸出頻率為27GHz，功率大小為9.10dBm，相位噪聲達(dá)到了103.10dBc@1kHz，107.03dBc@10kHz，109.01dBc@100kHz

1 相位噪聲分析

相位噪聲是表征信號(hào)源質(zhì)量的重要指標(biāo)。對(duì)于一個(gè)理想的信號(hào)源，其頻譜形似在本振頻率處的沖激函數(shù)，實(shí)際上由于噪聲會(huì)對(duì)信號(hào)的幅度和頻率產(chǎn)生影響，如下圖1所示。

設(shè)計(jì)過(guò)程中信號(hào)幅度可以通過(guò)再次調(diào)制適應(yīng)實(shí)際需求，影響不大，主要考慮頻率噪聲帶來(lái)的影響。

1.1 介質(zhì)諧振腔的相位噪聲

振蕩器中的諧振單元是決定振蕩器輸出信號(hào)相位噪聲質(zhì)量好壞的核心部件。介質(zhì)振蕩器中諧振單元為介質(zhì)諧振腔，其品質(zhì)因數(shù)越高相位噪聲越好，相位噪聲性能往往優(yōu)于一般的集總元件振蕩電路，并且可以在更高的工作頻段應(yīng)用。介質(zhì)材料具有高介電常數(shù)、高品質(zhì)因數(shù)和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，其中四鈦酸鋇和改良四鈦酸鋇最具代表性[5-6]，鈦酸鋇復(fù)合材料室溫下具有高介電常數(shù)和低介電損耗的優(yōu)點(diǎn)[7]，此外還有二氧化鈦等介質(zhì)材料，其制作的介質(zhì)諧振腔的品質(zhì)因數(shù)一般能達(dá)到數(shù)千，諧振頻率信號(hào)較集總元件振蕩電路具有更好的相位噪聲。

1.2 鎖相環(huán)的相位噪聲

鎖相環(huán)路總輸出相位噪聲包括參考信號(hào)的噪聲、壓控振蕩器的噪聲、環(huán)路濾波器的輸出和鑒相器的噪聲。這些噪聲可分為兩類[8]，一類為主要集中在帶內(nèi)的低通型噪聲，包括參考信號(hào)、環(huán)路濾波器以及鑒相器的噪聲，這要求設(shè)計(jì)時(shí)需要減小環(huán)路帶寬和控制分頻比，選擇器件時(shí)需要考慮噪聲特性;二類為帶外的高通型噪聲，主要來(lái)自于壓控振蕩器，可以考慮增大環(huán)路帶寬、選用高質(zhì)量諧振單元。

2 諧振頻率計(jì)算

介質(zhì)諧振腔的諧振頻率可以通過(guò)三種途徑求解。

第一種可以用下式求解[9]。

式中α為腔外沿軸線的傳播常數(shù)，β為腔內(nèi)沿軸線的傳播常數(shù)，L為圓柱腔體高度。

由α和β兩個(gè)可以得到諧振頻率的范圍，通過(guò)數(shù)值求解的方法，例如區(qū)間半分法去尋找上式的根。這種方法忽略了腔體周圍雜散場(chǎng)的影響，有將近10%的誤差，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用精度不夠。

第二種可以用下式對(duì)一個(gè)孤立的圓柱諧振腔諧振頻率進(jìn)行估算[10]。

式中a為圓柱腔體的半徑，L為圓柱腔體高度，為材料介電常數(shù)。這種方法精度約為2%。

第三種通過(guò)電磁仿真軟件HFSS求解，通過(guò)剖分網(wǎng)絡(luò)和微元法分析，設(shè)置合適的求解模式、邊界條件和材料參數(shù)即可得出精確的結(jié)構(gòu)。這種方法最為常用，結(jié)果精度高。

3 鎖相介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)

考慮鎖相介質(zhì)振蕩器的單邊帶相位噪聲表達(dá)式為

式中fm為頻率偏移，L（fm）為單片帶噪聲，fvco、fref分別為壓控振蕩器與參考信號(hào)頻率。

分析上式，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素有兩個(gè)：壓控振蕩器頻率與參考頻率比值與參考信號(hào)的相位噪聲。本設(shè)計(jì)中參考為高質(zhì)量的外部信號(hào)發(fā)生器給出100MHz信號(hào)，參考信號(hào)的單邊帶噪聲對(duì)輸出信號(hào)影響不大;為了降低壓控振蕩器頻率與參考頻率比值，可以采用取樣鑒相的方式取代直接分頻鑒相。低頻的參考信號(hào)進(jìn)入取樣鑒相器后產(chǎn)生重復(fù)頻率與參考頻率相同相同的的窄脈沖，這些窄脈沖再對(duì)壓控振蕩器的反饋信號(hào)進(jìn)行取樣，形成控制電壓控制壓控振蕩器，使得最終輸出信號(hào)與參考信號(hào)的整數(shù)倍一致。取樣鑒相直接與壓控振蕩器信號(hào)高頻鑒相，降低項(xiàng)對(duì)于總相位噪聲的影響。取樣鑒相器有一個(gè)階躍恢復(fù)二極管、一組肖特基二極管對(duì)和兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容構(gòu)成，電路模型如下圖2所示。

介質(zhì)振蕩器的電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

將振蕩三極管、偏置電路和后級(jí)衰減放大電路利用MMIC技術(shù)，集成到一個(gè)GaAs芯片上，實(shí)現(xiàn)負(fù)阻振蕩電路的功能。介質(zhì)振蕩器和電路基片之間使用混合集成電路中常用的84-3型環(huán)氧膠進(jìn)行粘連，經(jīng)過(guò)兩個(gè)小時(shí)150℃高溫烘烤的固化過(guò)程，84-3環(huán)氧膠在集成工藝中應(yīng)用廣泛，與陶瓷材料的應(yīng)力匹配好，能夠保證介質(zhì)粘連強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

4 仿真與測(cè)試

介質(zhì)振蕩器的實(shí)現(xiàn)采用AsGa負(fù)阻芯片與介質(zhì)諧振腔串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)13.5GHz的信號(hào)輸出，經(jīng)二次倍頻得到27GHz信號(hào)。在HFSS仿真軟件中建立介質(zhì)振蕩器與微帶線的耦合模型仿真其選頻特性。選擇介電常數(shù)為3.66的羅杰斯RO4350介質(zhì)板，微帶線調(diào)整為半個(gè)波長(zhǎng)，建立下圖4所示的三維結(jié)構(gòu)模型。

微調(diào)諧振腔與微帶線的耦合間距，諧振腔的半徑與高度，得到仿真結(jié)果如圖5所示。

仿真結(jié)果表明，S21在13.5GHz處達(dá)到了峰值-0.4136dB，所需頻率由介質(zhì)諧振腔“挑選”了出來(lái)。下圖6為此時(shí)場(chǎng)分布。

上圖可以看出此時(shí)電磁能量基本位于腔內(nèi)，泄露很少。

最終測(cè)試結(jié)果為輸出中心頻點(diǎn)為27.000016917GHz，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖7：

相位噪聲測(cè)試結(jié)果如表1

下圖8為介質(zhì)振蕩器的實(shí)物圖片，最終實(shí)物尺寸為60mm×48mm×10mm，符合小型化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

本文介紹了一種Ka頻段鎖相介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)，通過(guò)理論研究和仿真設(shè)計(jì)，最終實(shí)物取得了較好的相位噪聲，可為通信系統(tǒng)提供良好的信號(hào)源。

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