基于SFCR新型介质的X波段压控振荡器的研制 振荡器, 谐振器, 美国, 开发

Bazinga

1  绪论微波压控振荡器（VCO）是频率产生源的关键部件，其指标直接决定着整个频率源的性能。在C波段以上的窄带频率源中，基于电介质的DRO由于其很高的频率稳定度、较低的相位噪声而获得了广泛的运用。但是DRO由于电介质自身的一些特点而导致整个振荡器的体积过于庞大，这在某些应用场合是很不利的，此外其可靠性也不容易保证。

美国DLI公司开发出的新型介质谐振器SFCR在结构上完全是自屏蔽的，表面镀金的结构也使得其能够进行表贴和键合，此特点使得基于此介质的VCDO的体积可以做得比较小。此介质的Q值适中，温度系数较小，基于其的VCDO的相位噪声和频率稳定性较好。因此设计一种基于此介质的VCDO是一件有意义的工作。

2  方案设计负阻振荡器的基本电路结构如图1所示：


图1  共发射极负阻振荡电路图

图1所示负阻振荡器的输出频率由以下公式决定：
          （1）
在式（1）中，C为振荡器电路的总电容值，包括介质谐振器的等效电容与负阻电路的等效并联电容。传统的电调谐介质振荡器输出频率的方法是在介质谐振器的旁边直接并联变容二极管来达到改变整个谐振器电路的谐振频率，此种方法对于SFCR介质谐振器来说并不是很有效，原因在于SFCR的空载Q值不是很高，且随着频率偏移，迅速降低。由于小容值的电容不易控制，因此，在SFCR旁边直接并联变容二极管时，如果变容二极管接入系数过大，相位噪声会严重而化，而接入系数过低，调谐带宽又很窄，因此采用此方法来调谐频率是一件比较困难的工作。

然而，通过改变振荡器负阻电路部分的状态同样能够在较小的范围内改变频率。因此，可以在图1负阻电路部分的C4 后面串联一个变容二极管来调谐振荡器的输出频率。由于此方法没有直接在SFCR旁边直接并联电容，仅仅靠改变谐振器接入端口的阻抗特性来改变输出频率。因此，此方法对SFCR的影响相对传统的方法要小，简单实用。具体的设计可以通过CAD仿真工具完成。

3  CAD仿真设计采用微波射频仿真工具来完成此VCDO的设计。由于X波段寄生效应比较显著，必须将电路中存在的对电路性能有较大影响的分布参数考虑进去。本VCDO采用微波薄膜工艺制作，仿真原理图中考虑了键合线，微带线，大的元件焊盘的影响。谐振器SFCR由振荡管的基极接入，在三极管的发射极加入变容二极管来调谐负阻电路的状态，整个电路如图2所示：


图2  X波段VCDO仿真电路图

通过调整原理图中的各种元件值，最终得到电路输出频率的仿真曲线如图3所示：


图3  图2电路频率仿真曲线

由图3所示：该VCDO在电调电压在0～10V变化时，调谐带宽大约是30MHz，这已经满足了工程实用条件。
4  实物制作及测试结果通过以上仿真设计，得到了振荡器的元器件参数的初值。我们采用微波薄膜混合集成工艺来完成实物的制作。整个负阻电路制作在一块氧化铝陶瓷基片上，通过键合金丝将SFCR引入到振荡管的基极。调节键合丝的长度，可以调节SFCR与负阻电路的耦合强弱，从而控制可调谐带宽与相位噪声，振荡管和变容二极管均选用管芯。最终达到的技术指标如下：
（1）输出频率：8370MHz±15MHz；
（2）调谐电压：1～9V；
（3）输出功率：10dBm，缓冲隔离放大器输出；
（4）相位噪声：-92dBc/Hz@10kHz,-115dBc/Hz@ 100kHz（VT= 5V，常温测试）；
（5）频率稳定度：8 ppm/℃（-40℃～+70℃）；
（6）电压/电流：12V/60mA;
（7）外形封装：SP-1（25.8mm×14.4mm×4.15mm）。

由上面指标可以知道，该VCDO的调谐带宽和相位噪声都与电调谐DRO的指标相当，频率稳定度较DRO有一定的差距，但是由于SFCR自屏蔽结构的优势，该VCDO的体积相当地小,下面给出实物对照图：


图4  实物测试曲线（VT= 5V）

图5  VCDO与DRO实物对比图

5  结论在现代CAD仿真设计软件的帮助下，本文基于负阻振荡器的基本理论，采取调谐振荡器负阻电路部分的状态的方法来达到改变整个负阻振荡器的输出频率的方法成功设计并制作了一个新型介质压控振荡器—VCDO。由于基于SFCR介质压控振荡器（VCDO）体积小、指标优良，具有较好的实用前景。