C波段微波低相位噪声介质振荡源

维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第１期　固体电子学研究与进展　ＲＥＳＥＡＲＣＨ＆ＰＲＯＧＲＥＳＳ　ＯＦ　ＳＳＥ　Ｖｏｌ＿２６．Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．．２００６　２００６年２月　Ｃ波段微波低相位噪声介质振荡源　吴礼群　夏　牟　郑　毅。　（　南京电子器件研究所，南京，２１００１６）（ｚ徐州空军学院。江苏，徐州，２２１０００）（　空军，南京，２１００１６）　２００５一ＩＩ一０４收稿。２００５—１２—０８收改稿　摘要：介绍了微波低相位噪声介质振荡器的设计方法。就影响介质振荡器相位噪声的因素进行了讨论・从谐振　回路有载Ｑ值、有源器件、增益压缩量、电路模式等几个方面提出了降低相位噪声的方法，并给出了一个Ｃ波段微波　低相噪振荡器的设计实例。测试结果表明：该振荡器工作频率３　９００　ＭＨｚ，输出功率大于１０　ｄＢｍ。相位噪声达到　一１０２　ｄＢｃ／Ｈｚ＠１　ｋＨｚ；一１２８　ｄＢｃ／Ｈｚ＠１０　ｋＨｚ。　关键词：相位噪声｝介质振荡器；微波　中圈分类号：ＴＮ０９０７　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－３８１９（２００６）０１—０６０－０４　Ｃ．．ｂａｎｄ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｌｏｗ　Ｐｈａｓｅ　Ｎ　ｏｉｓｅ　ＤＲＯ　ＷＵ　Ｌｉｑｕｎ　ＸＩＡ　Ｍｕ。ＺＨＥＮＧ　Ｙｉ　（　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ。Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６，ＣＨＮ）　（。Ｘｕｚｈｏｕ　Ａｉｒ　Ｆｏｒｃｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｘｕｚｈｏｕ，Ｊｉａｎｇｓｕ，２２１０００．ＣＨＮ）　（。Ａｉｒ　Ｆｏｒｃｅ，Ｎａｎ）ｉｎｇ，２１００１６，ＣＨＮ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｌｏｗ　ｐｈａｓｅ　ｎｏｉｓｅ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　（ＤＲＯ）ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｎｏｉｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＲＯ　ａｒｅ　ｄｉｓ—　ｃｕｓｓｅｄ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｐｈａｓｅ　ｎｏｉｓｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｅｄ　Ｑ　ｏｆ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｃｔｉｖｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ，ｇａｉｎ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｍｏｄｅｌｓ．Ａｎｄ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｌｏｗ　ｐｈａｓｅ　ｎｏｉｓｅ　ＤＲＯ　ｆｏｒ　Ｃ　ｂａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｉｓ　３　９００　ＭＨｚ，ｏｕｔｐｕｔ　ｐｏｗｅｒ　ｏｆ　ｌａｒｇｅｒ　ｔｈａｎ　１　０　ｄＢｍ　ａｎｄ　ｐｈａｓｅ　ｎｏｉｓｅ　ｏｆ一１０２　ｄＢｃ／Ｈｚ＠１　ｋＨｚ，一１２８　ｄＢｅ／Ｈｚ＠１０　ｋＨｚ　ａｒｅ　ａｃｈｉｅｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｈａｓｅ　ｎｏｉｓｅ；ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ（ＤＲ０）；ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ＥＥＡＣＣ：２８９０　电路结构及高可靠性在军事及民用领域得到了迅速　引　言　发展［　。　本文给出了一个Ｃ波段低相位噪声介质振荡器　振荡器是所有微波系统的基本能源。它一般由　有源器件和决定频率的无源谐振元件组成。由于微　波系统技术的迅速发展，对振荡器的性能要求如相　噪水平、电效率、温度稳定性及物理尺寸等方面越来　的设计实例，通过优化振荡器电路模型、提高介质谐　振器的加载品质因子、减小增益压缩量、选用低闪烁　噪声的硅双级晶体管等措施，使样品性能达到了较　好水平。　越高。微波介质振荡器因其良好的抗振性能、简化的　Ｅ—ｍａｉｌ：ｈａｏｘｉａｍｕ＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ　维普资讯 http://www.cqvip.com １期　吴礼群等；ｃ波段微波低相位噪声介质振荡源　２　微波振荡器的设计　对图１所示的用线性反馈系统　，正向放大电　路传输函数为日　（扣），反馈系统传输函数为ｆｌ（ｊｏ￣）。　（ｕ，珊）　＇ｒ删（　∞）　图１正反馈系统框图　Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｐｏｓｉｔｉｖｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　其传输函数可用下式表示　～一　竺　　…　Ｉ　ｌ　ｌ　ｘ．．，（　）　１一Ｈｆ（　）　（＿７　．）　该系统产生振荡的条件可表示为　ＩＨｆ（ｊｍ）ｆｌ（ｊｍ）Ｉ≥１　（２）　Ｈｆ（ｊｍ）ｆｌ（ｊｗ）一２ｎｎ（　＝０，１，…）　（３）　对相位噪声的讨论可以采用图２所示模型［３］，　噪声源用噪声电流源ｉｎ表示，并联电阻Ｒ　为电路中　所有引起损耗的阻抗的等效值（包括了如电感串联　等效电阻及电容串联等效电阻等），Ｌ　、Ｃ　为等效并　联电感和电容。该模型线性分析的相位噪声表达式　如下：　Ｌ（　）＝ｉ２・壶（　）２．　（４）　点为Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常数，　为热力学温度，Ｑ。．ｃ为谐振回　路的有载品质因子，Ｐ　为振荡器输出功率，式（４）被　称为Ｉ．ｅｓｓｏｎ相位噪声表达式。　在低相位噪声振荡器设计中应尽量提高Ｑ。　。及　ＰＲｙ值，应当注意Ｑｔ—ｃ为加载品质因子，实际振荡电路　中，谐振器端接有源器件或输出缓冲放大器，这样负　载的影响应折算到损耗电阻，从而得到加载品质因　子Ｑ¨，。　图２　ＬＣ振荡器模型　Ｆｉｇ．２　ＬＣ　ｔａｎｋ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　ｍｏｄｅｌ　任何一种振荡器的有源器件都是非线性工作０］　的（如工作在饱和区），因而虽然线性分析法给出了　一些解析公式，却不能够精确表征相应的噪声特性，　在近载频区域，这种非线性主要通过上下变频及饱　和工作时的增益压缩对相位噪声性能产生影响。　振荡器所用的有源器件工作于某一偏置条件　下，为产生负阻，有源器件为电流电流放大型或电　压电流放大型工作模式，稳态工作条件下存在噪声　输出，噪声输出的形状由所采用的器件类型及偏置　条件所决定，振荡器工作时，低频１Ｉｆ噪声通过上变　频叠加到输出频率ｏｏｏ　附近，而远载频白噪声，特别　是谐波频率点的白噪声通过下变频附加到振荡频率　上，从而影响￡（厂ｍ）的特性，这两种变换均是通过　器件的非线性混频机理实现的　Ｄｉｅｔｅｒ　Ｓｃｈｅｒｅｒ于１９７８年给出了较精确的相位　噪声表达式。　ｆ　ｒ　’２　］　Ｌ（／　）一１０　ｌｏｇ｛ｌ１＋　Ｊ　ｏ　Ｊ　，　．¨十　／　、Ｆ点丁十．２ｋＴＲ　＾１—　　¨　、　其中，￡（　）为频偏　时１　Ｈｚ带宽内的边带谱功　率与载波功率的比的对数；　为与载波的偏离量；　为载波频率；厂ｃ为闪烁噪声拐角频率，由振荡电路　所用的晶体管类型及偏置条件所决定；Ｑ　ａ为调谐电　路加载品质因子；Ｆ为噪声因子，由有源器件决定；ｋＴ　为４．１×１０　（７１＝３００　Ｋ）（室温）；Ｐｓ　ｖ为振荡器输出　平均功率；Ｒ为调谐器件等效噪声电阻（电调振荡器　时）；Ｋｏ为振荡器电压增益（电调振荡器时）。　式（５）表明，晶体管振荡器的相位噪声由频偏　量、调谐电路有载Ｑ值、拐角频率　、平均输出功率　以及电调斜率（电压增益）、等效噪声电阻值共同决　定，当　＜厂ｒ时，￡（　）。Ｃ（１／Ｌ）　，噪声曲线以９　ｄＢ／ｏｃｔ的斜率下降；当　＞　：时，￡（／＿ｍ）。ｃ（１／　Ｑ）。，当Ｑ值固定时，噪声曲线以６　ｄＢ／ｏｃｔ的斜率　下降，厂ｍ较大时，相位噪声的主要分量将为白噪声。　振荡器相位噪声曲线如图３所示。　图３振荡器相位噪声曲线的三个主要区域　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｒｅｅ　ｍａｉｎ　ｒｅｇｉｏｎｓ　ｏｆ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　ｐｈａｓｅ　ｎｏｉｓｅ　ｃｕｒｖｅ　拐角频率厂ｃ对近载频相位噪声有及其重要的　影响。对晶体管振荡器，其拐角频率厂ｃ为其工作电　流的函数，当振荡发生时，振荡有源器件￣ＩＢＪＴ的平　维普资讯 http://www.cqvip.com 固体电子学研究与进展　２６卷　均，　值要高于它的小信号，ｃ，因而其　也会有变化。　通常，不同器件对应的拐角频率Ｌ４］不同：硅ＪＦＥＴ拐　角频率高于５０　Ｈｚ，射频ＢＪＴ拐角频率在１～１０　ｋＨｚ，　ＭＯＳＦＥＴ为１Ｏ～１Ｏ０　ｋＨｚ，ＧａＡｓＦＥＴ为１Ｏ～１ＯＯ　式中，　、　、　分别是放大器、谐振器和反馈电路　其余部分在　的插入相位，Ｇ　、Ｌ　和厶：分别是以分　贝数表示的放大器增益、谐振器损耗和其它反馈部　分的损耗。式（７）不等式的不等程度，决定了稳态振　荡条件下的放大器增益的压缩量，过度的增益压缩，　ＭＨｚ。显然在近载频振荡器的相位噪声水平由　决　定，　越低，则相噪水平越好，这就是ＢＪＴ相噪水平　由于放大器有源器件电流噪声系数增大和调幅至调　要远高于ＧａＡｓＦＥＴ的原因。　３　电路设计与仿真　Ｃ波段常用的振荡电路框图如４所示。　图４　ＬＣ谐振反馈型振荡器电路原理图　Ｆｉｇ．４　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ＬＣ　ｔａｎｋ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　采用单管振荡时，由于工作频率较高，有源器件　能够提供的跨导有限，为满足幅度起振条件，介质与　微带的耦合必须较为紧密，从而使得谐振电路的有　载品质因子大幅度降低（约为５ＯＯ～１　０００之间），降　低了相位噪声性能，图５给出了一种谐振电路有载　品质因子极高的介质振荡器电路［５］，由介质耦合谐　振电路、放大电路以及耦合电路三部分组成。　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｐｒｏｂｅｓ　图５低相位噪声振荡器原理图　Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｐｈａｓｅ　ｎｏｉｓｅ　ｏｓｅｉｌｌａｔｏｒ　图５电路起振条件为：　Ａ＋　Ｒ＋　一２　，　ｋ一１，２，３…　（６）　ＧＡ一厶　—　ｃ＞０　ｄＢ　（７）　相变换增加，会对振荡噪声带来不利的影响。该方案　可以有效提高介质谐振器的加载品质因子。同时可　以通过放大器增益量的控制来减小振荡保持时的增　益压缩量，减少ＡＭ—ＰＭ变换对相噪性能的影响。　微波放大器的设计　包括器件选择、输入输出　匹配网络、稳定性判别等方面。为实现低相位噪声指　标，降低上下变频对近载相位噪声的影响．应选用低　＾的硅双极晶体管作为放大器有源器件。选用的　ＭＰＵＩ　ＳＥ公司生产的ＭＰ４Ｔ６４５３５器件，其４　ＧＨｚ　处５参数（偏置条件１０　ｍＡ／８　Ｖ）为：Ｓ　一０．６７７　ｌ３Ｏ，Ｓ　２１＝１．８９２　３８．６，Ｓ１　＝０．１３６　４８．７，５　２　＝＝　０．２５３／一９６．９。两级晶体管构成的放大器电路仿真　结果如图６，仿真时考虑了偏置电路的影响。　图６放大器仿真结果　Ｆｉｇ．６　Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　从图６可以看出，两级硅双极晶体管构成的放大　器在Ｃ波段增益可以达到１５　ｄＢ以上。在全频带内稳　定因子大于１，即负载阻抗与源阻抗可以任意匹配。　低相位噪声应用中，要求介质谐振器的加载品　质因子大于５　０００。一种选择是采用高Ｑ介质谐振　器，如ＴＥＭＥｘ公司生产的Ｅ４０００系列介质谐振器，　其介电常数为２９．５～３２，典型Ｑ因子为１２０００＠１０　ＧＨｚ，如工作频段为４　０００　ＧＨｚ，选取直径高度比为２　时，介质直径将达到１７　ｍｍ。显然，介质谐振器尺寸　过大将使得振荡器体积变大，不利于实现小型化　选取介电常数为５Ｏ的介质谐振器。其典型Ｑ因　子为８０００＠４　ＧＨｚ，取介质半径日为７　ｍｍ。高度Ⅳ为　６　ｍｍ时，其谐振频率　约为４．４８　ＧＨｚ，采用图７所　示电路结构时，为使得加载品质因子Ｑｔ．达到６　０００．　则耦合系数取值为０．１５，对应的传输损耗为５．３　ｄＢ。　维普资讯 http://www.cqvip.com ｌ期　吴礼群等：Ｃ波段微波低相位噪声介质振荡源　实际上，介质谐振器的加载品质因子Ｑ　还受到介质　周围环境的影响，如腔体结构、内壁光洁度、镀层材　料等，均会对品质因子产生影响　通常，取耦合系数　为０．０５，则对应的传输损耗为１０　ｄＢ。　一　＼一４　测试结果　设计制作的两级硅晶体管构成的放大器电路尺　寸１５　ｍｍ×２０　ｍｍ，并将微带平行线定向耦台器集　成在一起，放大器实测增益１２．３　ｄＢ（含定向耦合器　损耗），实际制作的小型化低相噪振荡器实测相位噪　／　图７介质谐振器耦合结构　Ｆｉｇ．７　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒｅｓｏｎａｔｏｒ　声曲线见图８。振荡器外形尺寸６０　ｎｌｍ＞：，ｔ０　ｍｍ　：　ｍｍ。输出功率大于１０　ｍｗ。　＿Ｌ．．１…．　．　Ｏ　３３５　４２５　Ｈｚ●－－　ｒ　ＤＣ●　Ｉ．．　ｌ　ｊ　Ｗ　ＣＡＲＲ　２９１１６６　Ｈｚ　．Ａｖｇ　１６　０　．．　　．、二　主　ｌ　＿●＿　＿－＿　咔＾　ｋ　＾　４　１　ＴＡＩ　Ｎ　１　Ｓ　．　ＡＴＮ　１　ｄＢ　ＰＡＲＡＭ　一　Ｎ　１５　１　Ｍ　１　ＳＷＰ　５　３１　Ｓ１１０Ｐ　１　ＭＨｚ　１Ｏ１　】　．１　ｖＡＬ　．　１　１　一１　ｋｌ｛　１　１２８　５５　ｄＢｃ　—１４４．　１００　ｋＨｚ　图　介质振荡器相位噪声测试结果　－　际电路经高低温测试，增益变化小于．　。　结　论　．正确设置输出耦合器耦合系数及缓冲放大器　增益，保证输出功率达到要求水平，并降低输出缓冲　为达到低相位噪声指标，采取了下列措施：　ａ．电路上采用了正反馈型介质谐振实现振荡的　形式。　．放大器对远载频相位噪声主要是白噪声的影响　参　考　文　献　ｒ　］　１．　．　将介质至于独立的金属屏蔽腔中。降低耦合　。　系数以提高有载品质因子（Ｑ．．＞　［Ｍ］．　，一　一　ｌ９８８　●　ｃ．有源器件采用了低拐角频率＾的中功率硅　双极晶体管　，放大器第一级电路采用　●　一　，　低电流偏置（，ｃ＝７　），进一步降低拐角频率，提　［］　１ｉ　，　Ｈ　．　［Ｊ　．　Ｊ　ｍｌ　ｊ　高近载频相位噪声水平。　．为降低器件非线性工作时上下变频对相位噪　，ｌ　９８；　（　）：　声的影响，振荡保持时放大器增益的压缩量应小于　，［４］　，　．　【Ｊ．　ｍ一　同时，输出功率应达到器件的额定值。由于高低　［　］　１　１　１　．１９９７；　３：　９—８５　温Ｆ放大器增益必然会发生变化，如变化范围超过　．　，，　，　一　，　，　ＦＥＴ　一　．　ｊ【ｌ　．　一　将导致振荡器停振。在放大器第一级器件直　，从而解决温度特性问题。实　流偏置中可以加入增益一温度补偿网络，使得高低温　下增益变化小于．　［ｃ］．　：　一　（下转第６８页）　维普资讯 http://www.cqvip.com ６８　固体电子学研究与进展　２６卷　ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ＥＪ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ，１９９９；４６　参　考　文　献　ｙ　ｈｉｇｈ　［１］　Ｄａｓ　Ｍ　Ｋ，Ｕｍ　Ｂ　Ｓ，Ｃｏｏｐｅｒ　Ｊｒ　Ｊ　Ａ．Ａｎｏｍａｌｏｕｓｌｄｅｎｓｉｔｙ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｓｔａｔｅｓ　ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｂａｎｄ　ｉｎ　（３）：５４６　ｒ８］　Ｖａｎ　Ｄｅｒ　Ｔｏｌ　Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｊ，Ｃｈａｍｂｅｒｌａｉｎ　Ｓａｖｖａｓ　Ｇ．Ｐｏｔｅｎ　ｔｉａｌ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｕｒｉｅｄ—　ＳｉＯ／４Ｈ—ＳｉＣ　ＭＯＳ　ｄｅｖｉｃｅｓＥＪ］．Ｍａｔｅｒ　Ｓｄ　Ｆｏｒｕｍ，２０００；　３３８—３４２：１　Ｏ６９—１　０７２　ｃｈａｎｎｅｌ　ＭＯＳＦＥＴ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ　ｏｎ　ＥＤ，１９８９；３６　（４）：６７０—６８９　ｓ　Ｃ，Ｋ０ｈ　Ａ．Ａｄｖａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｅ２３　Ｍａｗｂｙ　Ｐ　Ａ，Ｋａｍｐｏｕｒｉ［９］朱兆，阮刚．非均匀掺杂增强型埋沟ＰＭＯＳＦＥＴ阈　ｃａｒｂｉｄｅ　ＭＯＳ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ａ］．Ｐｒｏｃ　２３　Ｉｎｔｅｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（ＭＩＥＬ　２　００２）［Ｃ］．　值电压的建模ＥＪ］．固体电子学研究与进展．１９９９；１　９　（２）：１８２　１９０