基于ADS的x波段的介质振荡器的设计.PDF

基于ADS 的x 波段的介质振荡器的设计 范绍东，羊恺 电子科技大学电子工程学院，成都（610054 ） E-mail: fansh1984@ 摘 要：在微波通信系统中，振荡器充当了最基本的微波信号源。设计振荡器的最主要的问 题就是相噪，而微波介质谐振器振荡器(DRO) 由于使用高 Q 值(5000 ～10000)的微波介质谐 振器作为稳频元件,故具有相噪低、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。本文 介绍一种适合 X 频段介质谐振振荡器的相关理论及其设计方法，并介绍了使用负阻法设计 10.5GHz 介质振荡器实例，该设计采用siemens 公司GaAs 场效应管CFY30 ，最终输出功率 大于15dBm，在设计过程中使用了Agilent 公司的ADS 软件，并对最终所设计振荡器的性 能进行了评估。 关键词：负阻；介质振荡器； ADS 中图分类号：TN 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[1] 。 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,本文所设计的DRO 由选用串联反馈型,其谐振电路采用传输型 耦合的DR[2] 。 2. 理论分析 2.1 负阻振荡器理论基础 在负阻振荡器设计中，负电阻可以通过使用带有适当反馈的三端口器件方便地得到。如 图 1 就是一个典型的负阻振荡器的框图。负电阻能够成为振荡器的关键因素是它可以保证 该电路处于不稳定的状态 ： R +R 0 IN L (1) 其次，要保证该电路是一个能够稳定振荡的电路，必须满足以下条件： R +R 0 IN L (2) X +X 0 IN L (3) 基于以上理论，我们可以使用ADS 设计和仿真负阻器件，以满足起振条件，即方程(1) 设计谐振器电路以满足稳定振荡条件，即方程(2)和方程(3) 。最后再将两部分电路合并，用 - 1 - [3] 谐波平衡法对整个电路的性能在ADS 中进行仿真 。 图1. 负阻振荡器原理图 2.2 DRO 设计方法 晶体管DRO 有两种拓扑结构：串联反馈型和并联反馈型。其中串联反馈型更为常用， 并且进一步可以分为（以 FET 为例）共源，共漏，共栅的电路结构。然而每种结构都有其 自身的优点，共源结构是最常用的一种因为其设计简单，并且能够得到最好的功率。在这种 结构中，DR 被放置在栅极而信号从漏极输出，并且在源级加入某种形式的反馈使得放大器 Γ Γ 处于不稳定状态，如图2 所示，图中 s