一種2.45 GHz低成本微帶壓控振蕩器的設(shè)計

李嬋娟+邵雨萌+柴志海+傅世強

摘 ?要： 為了滿足教學(xué)和科研的需要，基于負(fù)阻原理設(shè)計了一款工作于ISM頻段2.45 GHz低成本微帶壓控振蕩器。振蕩電路采用雙電源供電和共基極連接方式，利用雙極性晶體管和變?nèi)荻O管等分立元件制作。借助于ADS軟件對電路參數(shù)及主要指標(biāo)進(jìn)行仿真優(yōu)化，并進(jìn)行了實物的加工和測試。實測結(jié)果表明，設(shè)計的壓控振蕩器在輸入調(diào)頻電壓為0～6 V時，輸出振蕩頻率覆蓋2.4～2.5 GHz，輸出功率大于9.2 dBm，相位噪聲在偏離移中心頻率100 kHz處為-90 dBc/Hz。該振蕩器調(diào)諧頻帶線性度好，輸出功率平坦度高。

關(guān)鍵詞： 壓控振蕩器; 負(fù)阻原理; 雙極晶體管; 變?nèi)荻O管

中圖分類號： TN752?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）24?0080?04

Design of low?cost 2.45 GHz microstrip VCO

LI Chan?juan， SHAO Yu?meng， CHAI Zhi?hai， FU Shi?qiang

（College of Information Science and Technology， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China）

Abstract：In order to satisfy the need of teaching and scientific research， a low?cost 2.45 GHz microstrip voltage controlled oscillator （VCO） working in ISM band was designed based on the principle of negative resistance. The dual power supply and common base connection modes are adopted in the oscillating circuit composed of discrete components such as bipolar transistor and varactor. The circuit parameters and specifications are simulated and optimized with the help of ADS software. The prototype circuit was fabricated and tested. Experimental results demonstrate that， when the input voltage is 0～6 V， its output frequency coverage is 2.4～2.5 GHz， output power is more than 9.2 dBm， and phase noise is ?90 dBc/Hz at 100 kHz of departing from the central frequency. The designed oscillator has fine tuning band linearity and high output power flatness.

Keywords： voltage?controlled oscillator; principle of negative resistance; bipolar transistor; varactor

0 ?引 ?言

壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）即輸出頻率與輸入控制電壓有對應(yīng)關(guān)系的振蕩電路，廣泛應(yīng)用于無線電測量儀器和通信系統(tǒng)電路中。尤其在鎖相環(huán)電路、時鐘恢復(fù)電路中，壓控振蕩器是關(guān)鍵部件，其性能優(yōu)劣，直接影響到頻率源的各項性能，從而決定整個系統(tǒng)輸出信號的穩(wěn)定性、噪聲特性、諧波抑制特性等指標(biāo)[1]。因此在電子通信技術(shù)領(lǐng)域，VCO具有重要地位。

由于壓控振蕩器具有電子調(diào)諧、體積小、功耗低、可靠性高等優(yōu)點，一直以來得到了廣泛的研究。文獻(xiàn)[2]遵循一般壓控振蕩器設(shè)計原則，基于ADS軟件設(shè)計出了一種S波段微帶壓控振蕩器，其中心頻率為3 GHz，但是其調(diào)頻帶寬較窄，僅為30 MHz。文獻(xiàn)[3]則使用負(fù)阻原理和改進(jìn)型克拉潑電路設(shè)計了一款高穩(wěn)定度的LC壓控振蕩器，其頻率范圍為180～210 MHz。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種中心頻率為4.3 GHz的簡易微波壓控振蕩器，其調(diào)諧范圍大于200 MHz，輸出功率大于5.2 dBm，但是為了使電路結(jié)構(gòu)簡單，需要對匹配電路做一定調(diào)整，匹配電路的調(diào)整量難以確定，可能造成電路的不穩(wěn)定。

近年來隨著集成電路的飛速發(fā)展，VCO的設(shè)計與實現(xiàn)也逐漸集成化。集成化的VCO使用簡單、性能穩(wěn)定。目前基于CMOS工藝的VCO電路的研究是集成電路研究的一個重點。文獻(xiàn)[5?7]均使用CMOS技術(shù)設(shè)計壓控振蕩器，該壓控振蕩器具有相位噪聲較低的特點，但是其實現(xiàn)方式對電路設(shè)計和制作工藝的要求非常高，因此成本也相應(yīng)提高。

為了滿足教學(xué)和科研的需要，本文以ADS2009仿真軟件為工具，基于負(fù)阻原理設(shè)計了一款覆蓋2.4～2.5 GHz的低成本微帶壓控振蕩器。振蕩電路采用雙電源供電和共基極連接方式，利用雙極型晶體管和變?nèi)荻O管等分立元件實現(xiàn)，取得了良好效果的同時降低了制作成本。本文分析了電路元件的選取規(guī)則，給出壓控振蕩器的設(shè)計步驟，并對振蕩電路的各項指標(biāo)進(jìn)行了仿真分析研究，得出電路設(shè)計的指導(dǎo)性規(guī)律，避免了大量的測試調(diào)試性工作。最終加工了壓控振蕩器實物并進(jìn)行測試驗證，實驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。

1 ?基本原理及元件選型

1.1 ?負(fù)阻原理

負(fù)阻即相對于線性系統(tǒng)中的正阻而言，正阻消耗功率，負(fù)阻通過直流電源能量轉(zhuǎn)化其他形式的能量提供功率。若把負(fù)阻器件接到射頻傳輸系統(tǒng)中，由傳輸線理論可知，反射系數(shù)可表示為：

[Γ=Z-Z0Z+Z0=-R-Z0-R+Z0] ? ? ?（1）

式中Z0為傳輸線的特性阻抗，它始終是一個正值，可以看出反射系數(shù)的模是大于1的數(shù)。

射頻雙端口振蕩器，由晶體管、諧振網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成，如圖1所示。諧振網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)為ГS和ГL，晶體管輸入端和輸出端的反射系數(shù)為Гin和Гout，由文獻(xiàn)[8]可知：

[Γin=S11+S12S21ΓL1-S22ΓL] ? ? ? ? ?（2）

[Γout=S22+S12S21ΓS1-S11ΓS] ? ? ? ? ?（3）

由于振蕩器的諧振網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載網(wǎng)絡(luò)為無源網(wǎng)絡(luò)，有ГS<1和ГL<1，因此為了產(chǎn)生振蕩，需要存在不穩(wěn)定的有源器件，即要求晶體管Гin>1和Гout>1。

圖1所示的雙端口振蕩器產(chǎn)生振蕩，需要滿足以下3個條件：

（1） 存在不穩(wěn)定有源器件，二端口有源電路的穩(wěn)定因子K必須小于1，即K<1;

（2） 諧振電路的輸入反射系數(shù)與晶體管有源電路的輸入反射系數(shù)的乘積等于1，即ΓSΓin=1;

（3） 輸出負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的輸出反射系數(shù)與晶體管有源電路的輸出反射系數(shù)的乘積等于1，即ΓLΓout=1。

而要讓振蕩器電路起振的條件為ΓSΓin>1。

1.2 ?元件選型

由于設(shè)計的壓控振蕩器中心頻率是2.45 GHz，覆蓋ISM頻段，調(diào)頻范圍為100 MHz。雙極型晶體管具有低噪聲特性，所以晶體管選擇BJT管。查看Avago公司的AT?41486的技術(shù)手冊可知，AT?41486的最高工作頻率為10 GHz，符合設(shè)計時的2～3倍冗余，而且在2.0 GHz時噪聲系數(shù)典型值為1.7 dB、增益典型值為13 dB、輸出功率典型值為18 dBm，在工作頻率上具有足夠大的增益和輸出功率能力，滿足設(shè)計要求。

變?nèi)莨艿倪x取應(yīng)能在所需的頻率下工作，有合適的結(jié)電容、較大的Q值，同時擊穿電壓高，為了獲得良好的電調(diào)線性，最好采用n=2超突變結(jié)變?nèi)莨?。?jīng)過多次嘗試后，選取Skyworks公司SMV2022作為變?nèi)荻O管。參考SMV2022技術(shù)手冊中變?nèi)荻O管電容值隨反向偏壓的變化，在低偏壓時電容隨電壓變化的斜率較高，而高偏壓時電容隨電壓變化的斜率較低，為了得到線性的壓頻響應(yīng)曲線，將變?nèi)莨芘c一小電容串聯(lián)進(jìn)行電抗補償，使得壓控靈敏度趨于一致。另外由于工作在2.45 GHz較高頻段，選擇變?nèi)荻O管和串聯(lián)小電容時，串聯(lián)后總電容越小振蕩頻率越高，總電容變化范圍越大，獲得調(diào)諧帶寬越寬。

2 ?電路設(shè)計及仿真分析

壓控振蕩器電路結(jié)構(gòu)有許多種，當(dāng)工作頻段較高時，共基極電路能提供較高的增益、效率及穩(wěn)定性，適合在較高振蕩頻率、較寬工作頻段的情況下應(yīng)用。因此，微波頻段晶體管振蕩器大部分都采用共基極電路[9]。

基于負(fù)阻原理，將晶體管及直流偏置電路與諧振網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，加入輸出負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，組成壓控振蕩器的基本仿真電路圖，如圖2所示。

雙極型晶體管AT?41486發(fā)射極有兩個管腳，在實際工作中應(yīng)該將電路分別接在兩個管腳上，采用±6 V雙電源供電，直流工作點選取為4 V，20 mA，經(jīng)計算集電極偏置電阻100 Ω，由實際可得到的R1=51 Ω和R2=51 Ω串聯(lián)構(gòu)成，發(fā)射極偏置電阻為233 Ω，由實際可得到的R3=470 Ω和R4=470 Ω并聯(lián)構(gòu)成，L1～L3均為扼流電感，提供晶體管偏置電路通路;為了使振蕩頻率隨外加調(diào)頻電壓變化更線性，可分別將發(fā)射極連接的變?nèi)荻O管串聯(lián)小電容C2和C3實現(xiàn)，為了增加晶體管電路的不穩(wěn)定性，在晶體管基極接了一段接地漸進(jìn)微帶線Taper1當(dāng)作正反饋電感，此電感與變?nèi)莨艿刃С鰜淼碾娙輼?gòu)成了電路的諧振網(wǎng)絡(luò)部分，L4和L5為扼流電感，提供變?nèi)荻O管偏置電路通路;負(fù)載網(wǎng)絡(luò)則通過電容C1耦合輸出，之所以將集電極偏置電阻分出一部分R2拿到輸出主路，是為了控制輸出功率電平，并保持最佳輸出功率平坦度。

利用瞬態(tài)仿真和諧波平衡仿真控件，對電路性能進(jìn)行仿真研究。圖3為壓控振蕩器的仿真結(jié)果圖，可以看出，振蕩器輸出時域波形包絡(luò)比較穩(wěn)定，起振時間比較短，大概6 ns便穩(wěn)定下來，振幅也比較理想;振蕩器輸出頻譜也比較好，二次諧波比基波低15 dB。

在振蕩器設(shè)計過程中，通過大量的仿真實驗可以總結(jié)出以下幾點設(shè)計規(guī)律：

（1） 改變變?nèi)荻O管兩端微帶線的長度，使帶寬變窄了，分析是所加微帶線相當(dāng)于增加了寄生電感，抵消了部分變?nèi)荻O管電容，使二極管總電容變化范圍減小，故而調(diào)頻范圍降低。

（2） 基極用終端短路微帶線代替電感，此微帶線長度不但控制起振條件，對調(diào)頻帶寬也有影響，增加微帶線長度振蕩頻率下降。

（3） 與變?nèi)荻O管串聯(lián)的小電容對調(diào)節(jié)振蕩頻率也起關(guān)鍵作用，電容值越小，在滿足振蕩器起振條件的前提下，振蕩頻率越高。在實際測試壓控振蕩器振蕩頻率時，由于電路板已經(jīng)確定，可以通過變?nèi)荻O管串聯(lián)的小電容調(diào)節(jié)振蕩中心頻率。

3 ?電路制作及實驗結(jié)果

由于用微帶線連接各個元器件，必定導(dǎo)致電路振蕩中心頻率的改變，通過調(diào)整不同位置微帶線的長寬及與變?nèi)荻O管串聯(lián)的小電容的容值，并結(jié)合ADS2009軟件仿真優(yōu)化，最終電路布局完成后，根據(jù)ADS得到的數(shù)據(jù)加工成微帶電路板，實物電路的照片如圖4所示。實物電路在FR4板上實現(xiàn)，四周打滿均勻的接地通孔，起到一定的電磁屏蔽作用。

利用Agilen公司的E4440A頻譜分析儀測試壓控振蕩器輸出頻譜，測試結(jié)果如圖5所示。使用電壓源產(chǎn)生不同的調(diào)頻電壓，分別記錄下每個調(diào)頻電壓下壓控振蕩器輸出頻率及輸出功率。最終根據(jù)測試數(shù)據(jù)繪制出壓控振蕩器輸出頻率和輸出功率隨調(diào)頻電壓變化曲線如圖6所示。

測試結(jié)果表明，當(dāng)調(diào)頻電壓在0～6 V變化時，振蕩器輸出頻率變化范圍覆蓋2.4～2.5 GHz，滿足ISM頻段要求，振蕩頻率隨調(diào)頻電壓變化線性度比較理想，輸出功率大于9.2 dBm，具有很好的功率平坦度，相位噪聲測試結(jié)果在偏移中心頻率100 kHz處為-90 dBc/Hz。

4 ?結(jié) ?論

本文基于負(fù)阻原理設(shè)計制作了一款中心頻率為2.45 GHz的微帶壓控振蕩器，為使帶寬高、噪聲低，振蕩電路采用雙電源供電和共基極連接方式，通過對變?nèi)荻O管和晶體三極管的精心選型，實現(xiàn)了低電壓0～6 V情況下的寬范圍2.4～2.5 GHz的頻率調(diào)諧，且調(diào)頻線性度較好。實際測試結(jié)果表明，該振蕩器輸出功率大于9.2 dBm且平坦度較高，相位噪聲較低。整個壓控振蕩器電路結(jié)構(gòu)簡單、易于制作、成本較低，滿足教學(xué)和科研的需要。

參考文獻(xiàn)

[1] 熊俊俏，夏敏.900 MHz壓控振蕩器設(shè)計[J].電訊技術(shù)，2010，50（6）：66?70.

[2] 劉鳳格.一種S頻段微帶壓控振蕩器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2008，48（10）：99?102.

[3] 彭觀善，馮正和，陳雅琴.用負(fù)阻原理設(shè)計高穩(wěn)定度VCO[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2004（4）：25?27.

[4] 魯建彬，朱成，祝瀟，等.一種簡易微波VCO的設(shè)計[J].微波學(xué)報，2013（3）：51?55.

[5] 許亞蘭，江金光，劉俐.一種用于GPS波段的低相噪VCO設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012，38（2）：47?49.

[6] 王天心，劉瑞金，楊蓮興.一個2.4 GHz CMOS LC壓控振蕩器的設(shè)計[J].微電子學(xué)，2006，36（4）：502?505.

[7] 馮海洋，杜慧敏，張博，等.Ku波段0.18 μm CMOS 壓控振蕩器電路設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（4）：32?34.

[8] 雷振亞.微波工程導(dǎo)論[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[9] 陳為懷，李玉梅.微波振蕩源[M].北京：人民郵電出版社，1984.