摘要：介绍了介质振动器的理论和规划办法，挑选并联反应式结构，规划了一个作业频点为10GHz的介质振动器。为了进步振动器的输出功率，一起改善相位噪声，本文对传统电路结构进行改善，选用了二级扩大的办法，进步了有源网络的增益，下降了介质谐振器与微带线的耦合度，到达了预期方针。成果表明，本文的理论剖析是正确的，规划方案是可行的。
关键词：振动器；介质谐振器；相位噪声；耦合度
微波固态频率源作为微波体系的核心部件，其功能的好坏在很大程度上影响乃至决议了整个体系的功能指标。介质振动器(DRO)由高品质因数的介质谐振器(DR)构成选频网络，具有优异的噪声功能和较高的频率安稳度，体积小，成本低，在点频本振源的运用中具有一起的优势因而，对介质振动器的研讨具有重要而根底的含义。
1 理论剖析
1．1 介质谐振器
介质谐振器(DR)是由一小段高介电常数低损耗的介质波导制成的，一般为扁圆柱形。高介电常数确保了能量大多集中于谐振器内部，且体积比同频率的金属谐振腔小。介质谐振器的主模为TE018办法，其电场从中心到边际逐步削弱。因为其上下鸿沟不是抱负磁壁，所以沿z方向的半波数不是整数，δ的数值在0到1之间。
规划振动器时，首要重视谐振器的以下几个参数：
1)介质谐振器的品质因数
介质谐振器的无载品质因数Q0与有载品质因数QL的关系为
QL=Q0／(1+K1+K2) (1)
其间，Q0由介质自身决议，K1和K2分别为介质与两微带线的耦合系数。QL的凹凸直接影响振动器的频率安稳度，所以应尽量挑选低损耗的谐振器和衬底资料，并尽量下降介质与微带线的耦合度。
2)介质谐振器的介电常数
介质谐振器的介电常数有必要足够高，才能将电磁能量储存在谐振器的内部，发生谐振现象。但介电常数过高会导致谐振器体积过小，精度不易确保。因而应根据运用频率挑选恰当的介电常数。
1．2 反应式振动器
文中选用并联反应式的电路办法，其原理如图1所示。安稳振动的条件为
β(jω)Av(jω)=1 (2)
其间β(jω)为晶体管构成的有源网络的增益，Av(jω)为DR与微带线耦合组成的反应网络的传输系数。该条件包括两个方面，一是闭环增益等于1，二是环路相移等于0。起振时，环路增益应大于1，随信号起伏增大，有源网络增益将逐步下降，直到环路增益等于1，树立安稳振动。
因为有源器材的非线性作用，其低频闪耀噪声将被调制到载波频率邻近，即1／f噪声边带。因而，应尽量挑选闪耀噪声较低的有源器材，设置适宜的静态作业点，并尽可能减小电源等部分引进的低频噪声。
2 介质振动器的规划
首要在场仿真软件中进行谐振网络的仿真。文中选用的介质谐振器相对介电常数约为36，品质因数约为3 000，高度与直径的比值约为0．5，确保了该介质谐振器的主模为TE018办法。树立仿真模型如图2所示，反应网络由介质谐振器和两根微带线一起组成。在所需频点的场结构如图3所示。
由场结构可知，DR与微带线之间是磁耦合，微带线的一端开路，耦合点与开路端的间隔为λ／4，相当于短路点，耦合最强。为了下降介质谐振器与微带线的耦合，进步谐振网络的品质因数，文中在其与介质基片之间加了一块低损耗聚四氟乙烯资料的垫片，厚度约为1 mm。耦合结构上方是由黄铜资料制成的调谐圆盘，用于调整谐振频率。当调谐盘下移时，相当于短路面向谐振器挨近则谐振频率升高，反之，当调谐盘上移时，谐振频率下降。仿真能够得到，上下移动调谐圆盘，机械调谐规模能够到达300 MHz，满意工程需求。
该谐振网络为一个二端口网络，咱们最关怀的是其散射参数S21，即反应网络传输系数Av(jω)，仿真成果如图4所示。从图中能够看到，在谐振频率处的传输系数模值为0．9 dB，3 dB带宽为49 MHz。该谐振峰越峻峭，阐明谐振网络的品质因数越高。仿真完成后，可将该模型及其S参数生成一个S2P文件，作为一个器材供ADS调用。
反应网络的仿真完成后，下面进行有源网络的仿真。有源网络由场效应管和偏置电路组成，文中选用的晶体管是安捷伦公司的场效应晶体管GaAs FET 26884，该晶体管的作业频率为2～16 GHz，当作业点为漏源电压3 V，漏源电流10 mA时，增益在6 GHz约为12 dB，在12 GHz约为6 dB。本文选用正负双电源供电，以确保有源网络的S12模值尽可能小。偏置电路选用扇形微带接地，避免振动信号功率从偏置电路走漏，并避免高频信号影响电源的安稳性。经过调理电路参数，使得有源网络增益S21尽可能大，仿真成果如图5所示，在所需频点10 GHz，增益到达6．5 dB。
下面将反应网络的模型参加，对整个反应回路进行开环仿真，首要调整输出匹配支节的方位和长度，使振动频点的开环增益尽可能大，即满意环路增益大于1的条件；然后调整与反应网络相连的微带线长度，使得反应回路的传输系数S21相位为零，即满意环路相移为0的条件。
将环路闭合，刺进ADS中的Osctest控件，由奈奎斯特判据可知，若仿真成果曲线随频率增大沿顺时针方向盘绕1+j0点，则电路满意反应式振动器的振动条件。在仿真进程中发现，电路起振的频率和满意奈奎斯特起振条件的频率比较挨近，但前者往往略低于后者。这是因为奈奎斯特规律是对小信号条件下起振条件的断定，而电路起振后，跟着振动起伏的增大，晶体管S21模值会减小，相位会滞后。为了抵消这一改变，振动频率会下降，用反应回路减小的相位滞后抵消晶体管添加的相位滞后，这时反应回路的传输系数会变小，最终到达平衡。反应回路品质因数越高，相位改变就越峻峭，所引起的频率改变就越低。所以在仿真时，能够使初始的起振频率略高于所需求的输出频率，这样常常能够得到较大的输出功率。
最终用振动仿真控件Oscport替代Osctest控件，用谐波平衡法仿真输出频率重量和相位噪声状况。整个电路的原理图如图6所示，经过调理输出端匹配支节的方位和长度，使输出功率尽可能大。因为运用的开路匹配支节长度挨近于振动频率的八分之一波长，所以对二次谐波的按捺作用较好。仿真成果如图7和图8所示，能够看到，输出功率到达8 dBm，相位噪声为-112dBc／Hz@1kHz和-116dBc／Hz@10kHz。
为了增大输出功率，一起下降相位噪声，文中在以上传统电路结构的根底上进行了改善，选用两个晶体管串联的办法，如图9所示。这种办法进步了环路增益，然后进步了输出功率。由式(2)安稳振动条件可知，此刻反应网络的传输系数能够恰当下降而不影响起振。所以介质与微带线的耦合度能够减小，然后进步谐振器的有载品质因数，然后到达下降相噪的作用。
首要进行的仍然是反应网络的仿真。为了便于进行调试，这儿选用了添加垫块厚度的办法来下降介质与微带线的耦合度，垫块厚度由1 mm增大至1．6 mm。仿真成果如图10所示，能够看到，此刻的谐振峰与图4比较更为峻峭，其3 dB带宽仅为33 MHz，阐明该谐振网络的品质因数更高，然后能够下降输出相噪。
在规划有源部分时，进程与单管振动器根本相同，仅仅需求规划两个晶体管之间的匹配电路，否则将导致信号在两个晶体管之间来回反射，无法到达进步增益的作用。在仿真有源网络的正向增益时发现，当没有规划级间匹配网络时，两个串联晶体管的正向增益和单管的正向增益相差不大，而参加级间匹配网络后，增益明显进步，到达12 dB以上，如图11所示。
最终运用谐波平衡法仿真输出频谱和相噪，成果如图12和图13所示，从图中能够看到，输出功率挨近16 dBm，比单管振动器的功率进步了8 dB，相位噪声为-121 dBc／Hz@1kHz和-124 dBc／Hz@10 kHz，比单管振动器下降了约9 dB。
3 结束语
文中在理论剖析的根底上，规划了一个输出频率为10 GHz的介质振动器。文中对传统的并联反应式介质振动器进行了改善，选用两个晶体管串联作业的办法，到达了更高的输出功率，一起下降了相位噪声。这种规划办法具有较好的通用性，进程比较简单，在实践电路规划中具有较大的运用价值。
