传输型耦合介质振荡器的计算机辅助设计

1 引 言

随着微波半导体技术和微波集成电路的发展，微波设备和系统也趋向于小型化、轻量化、固态化和集成化。微波系统中的微波源也对其谐振器的小型化、高Q值提出了迫切的要求。微波介质谐振器振荡器(DRO)由于使用高Q值(5 000～10 000)的微波介质谐振器作为稳频元件，故具有频率稳定度高、体积小、重量轻、价格低、结构简单等突出优点，已广泛应用于现代卫星通信和其他微波系统中，成为新一代的微波固态源。

根据DR对振荡电路的不同耦合方式和所起的作用，DRO通常可采用两种类型的电路来实现：

(1)DR作为无源稳频元件耦合于晶体管自激振荡器，如带阻滤波器加载型DRO。

(2)DR作为晶体管振荡器反馈网络或匹配网络的元件以确定振荡频率，如串、并联反馈型和传输型DRO。

其中带阻滤波器加载型频带窄，存在跳模、频率调谐回滞现象，而反馈型具有频带宽、输出功率大等优点，应用很广。因此，本文所没计的DRO由选用串联反馈型，其谐振电路采用传输型耦合的DR。

2 DRO工作原理

本文所设计DRO的原理图如图1所示。

DRO由两部分组成，一为有源网络部分，包括场效应管、源极串联反馈网络和漏极输出匹配网络(偏置电路图中未画出)。源极串联反馈网络为一段开路传输线，他等效为一纯电抗，作为产生负阻的串联反馈元件。输出匹配网络使DRO获得最大的输出功率。二为介质谐振器和耦合加载网络，本文采用传输型耦合DR，他通过一段微带传输线接到场效应管的栅极以满足DRO稳定振荡的相位条件。要使振荡器工作于最佳状态，根据文献[3]，必须合理地选择串联反馈开路传输线长度、栅极传输线长度、输出匹配网络以及DR与微带线之间的耦合系数，才能满足DRO振荡的幅相条件。由于有多个变量发生变化，并且使用两根微带线与DR耦合，人工计算很难进行，因此通常采用微波软件进行计算机辅助设计。

3 传输型耦合DR的设计

传输型耦合DR将DR同时置于两根50 Ω微带线之间，如图1中所示，L2和L3约为λg/4，以激励起使谐振器与微带线产生磁耦合的TE01δ模。

圆柱形介质谐振器的谐振频率可根据式(1)估算：

式中，c为真空中的光速，d为圆柱形介质的直径，εr为圆柱形介质的相对介电常数。

为了得到主模为TE01δ的谐振，圆柱形介质谐振器的高度hd与直径d之间通常满足下列关系式：

hd/d=0.5 (2)

根据以上估算结果，在10 mil的duriod介质板上利用Ansoft软件进行优化分析，如图2所示。

最终确定DR的参数为：材料BaNiO3(εr=30)，直径d=5.12 mm，高度hd=2.74 mm，微带线长度L=4.5 mm。其正向传输曲线如图3所示。

可见，传输型耦合DR可等效为一窄带带通滤波器。

4 DRO的优化设计与结果分析

我们选用NEC公司的HEMT管芯NE32400，其工作频率可达到18 GHz。设计中考虑了连接管芯金丝电感和过孔电感的影响，并且设计了栅极和漏极的偏置电路。根据前面的分析结果，采用微波软件优化源极开路线长度、DR与微带线的耦合距离、输出匹配网络以及DR与栅极间微带线的长度，以获得DRO的最佳性能。最终设计的DRO如图4所示。

所设计DRO的功率谱和相位噪声分别如图5和图6所示，可以看出，该DRO电路振荡的中心频率 f0=12 GHz，输出功率P0=8.6 dBm，二次谐波功率为-35.7 dBm，具有很好的频率抑制度。在偏离载频100Hz处的相位噪声小于-80 dBc/Hz，100 kHz处的相位噪声小于-140 dBc/Hz，可见，该DRO电路是一个高Q值振荡器，具有噪声低的优点。

5 结语

DRO的研制具有一定的复杂性，采用理论分析与计算机辅助设计技术可以简化设计过程，获得良好的性能指标。