低相噪低溫漂介質(zhì)振蕩器設(shè)計(jì)

張文鋒 高曉強(qiáng)

摘? 要：該文設(shè)計(jì)了一款低相噪、低溫漂同軸介質(zhì)振蕩器，該振蕩器主要包括三部分：負(fù)阻電路部分、同軸介質(zhì)諧振部分、輸出緩沖放大部分。其中，負(fù)阻部分和緩沖放大部分使用MMIC工藝實(shí)現(xiàn)，諧振部分采用同軸介質(zhì)和薄膜工藝實(shí)現(xiàn)，整體組裝采用微組裝工藝，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小型化的同時(shí)，達(dá)到了低相噪、低溫漂的設(shè)計(jì)目標(biāo)。最終產(chǎn)品的尺寸為：14 mm×14 mm×5 mm。測(cè)試結(jié)果表明：在電源電壓+9 V、電調(diào)電壓0～9 V條件下，該產(chǎn)品的輸出頻率為2.958～2.988 GHz，相位噪聲為-107 dBc/Hz@10 kHz，溫漂為：3 MHz。

關(guān)鍵詞：負(fù)阻單片? 同軸介質(zhì)諧振器? 低相位噪聲? 低溫漂

中圖分類號(hào)：TN752? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）05（a）-0010-05

Abstract： In this paper， a low phase noise， low temperature drift CRO is designed. The oscillator mainly includes three parts： negative resistance circuit part， coaxial dielectric resonance part， output buffer amplifier part. Among them， the negative resistance part and buffer amplification part are realized by MMIC process， the resonant part is realized by coaxial medium and thin film process， and overall assembly is realized by micro-assembly process. While realizing the product miniaturization， the design goal of low phase and low temperature drift is achieved. The size of the final product is 14 mm×14 mm×5 mm. The test results show that the output frequency of the product is 2.958～2.988 GHz， the phase noise is -107 dBc/Hz@10 kHz， and the temperature drift 3 MHz under the condition of the power supply voltage +9 V and the electric regulating voltage 0～9 V.

Key Words： Negative resistance MMIC; Coaxial dielectric resonator; Low phase noise; Low temperature drift

隨著現(xiàn)代通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，對(duì)頻率源器件的相位噪聲以及尺寸要求越來(lái)越高，壓控振蕩器作為頻率源的核心器件，其相位噪聲的好壞以及尺寸的大小會(huì)直接影響頻率源系統(tǒng)最終的相位噪聲性能以及尺寸[1]。如何在改善輸出信號(hào)相位噪聲指標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器小型化，是未來(lái)的發(fā)展方向之一。

同軸介質(zhì)諧振器具有較高的Q值，因此應(yīng)用該諧振器制作的振蕩器與LC振蕩器相比具有優(yōu)良的相位噪聲。傳統(tǒng)的介質(zhì)振蕩器通常由PCB板、塑封器件、封裝電容、封裝電感等構(gòu)成，可靠性不高，因此探索一套介質(zhì)振蕩器新的設(shè)計(jì)方法至關(guān)重要。

該文提出的低相噪、低溫漂介質(zhì)振蕩器基于MMIC和薄膜工藝，最終采用陶瓷管殼氣密封裝，在保證相位噪聲性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的小型化，提高了產(chǎn)品的可靠性，質(zhì)量等級(jí)達(dá)到了宇航等級(jí)。

1? 介質(zhì)振蕩器原理簡(jiǎn)介

介質(zhì)振蕩器主要由負(fù)阻電路部分、同軸介質(zhì)諧振部分、輸出緩沖放大部分三部分組成。其中，負(fù)阻電路部分主要由三極管及其外圍電路構(gòu)成，其功能為：為電路提供能量，以補(bǔ)償諧振器的損耗，從而維持穩(wěn)定的振蕩;輸出緩沖放大為電路提供良好的匹配，以保證振蕩的穩(wěn)定性和輸出功率的平坦度，主要由輸出耦合電容、三極管以及衰減器等構(gòu)成;諧振網(wǎng)絡(luò)的功能為選頻和儲(chǔ)能，確定振蕩器的振蕩頻率，主要由同軸介質(zhì)CR以及變?nèi)荻O管和相關(guān)電容、電感器件構(gòu)成[2]。

2? 負(fù)阻電路及輸出緩放電路設(shè)計(jì)

2.1 工藝選擇

該次設(shè)計(jì)將負(fù)阻電路以及輸出緩放電路集成在一個(gè)MMIC芯片上，因此芯片工藝的選擇至關(guān)重要。

與其他工藝相比，GaAs HBT工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）HBT 的電流垂直流過(guò)異質(zhì)結(jié)界面，界面陷阱效應(yīng)小，所以閃爍噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 HEMT 和MOS 器件，非常適合低相位噪聲器件的設(shè)計(jì);（2）GaAs的襯底是半絕緣的，可以制造出更高性能的器件，且器件之間的隔離性能也更好;（3）GaAs 材料的熱穩(wěn)定性好，用它制造的器件和集成電路可以工作在較高的溫度下。因此，最終選用GaAs HBT工藝制作負(fù)阻電路和輸出緩放電路[3]。

2.2 負(fù)阻電路設(shè)計(jì)

常見負(fù)阻電路有兩種：三極管發(fā)射極輸出負(fù)阻和三極管基極輸出負(fù)阻。該文將采用發(fā)射極輸出負(fù)阻，其電路拓?fù)淙鐖D1所示。

該文設(shè)計(jì)的介質(zhì)振蕩器輸出頻率為2.958～2.988 GHz，因此設(shè)計(jì)負(fù)阻頻率覆蓋范圍應(yīng)包含2.958～2.988 GHz。

2.3 輸出緩沖放大電路設(shè)計(jì)

輸出緩沖放大電路的作用為：提高振蕩電路與負(fù)載的隔離度，降低負(fù)載牽引對(duì)振蕩器的影響，緩沖放大電路最終采用電路拓?fù)湟妶D2。

利用EDA仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，調(diào)整各個(gè)元器件參數(shù)，緩沖放大器的最終仿真結(jié)果見圖3。

從仿真曲線中夠可以看出，該緩沖放大器在3 GHz的正向增益為16.5 dB，反向隔離為-20 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 負(fù)阻電路+輸出緩沖放大電路芯片制作

將設(shè)計(jì)完成的負(fù)阻電路版圖和緩沖放大器電路版圖集成在同一芯片上并流片，最終得到的負(fù)阻單片[4]如圖4所示，芯片尺寸為1.8 mm×1.4 mm。

3? 同軸介質(zhì)諧振電路設(shè)計(jì)

同軸介質(zhì)諧振器通常情況下有兩種使用方式：一種為1/4波長(zhǎng)短路使用，即一個(gè)端口短路，另一端口開路且表面金屬化;另一種使用方式為1/2波長(zhǎng)開路使用，即兩個(gè)端口均開路且表面金屬化[5]。

在EDA仿真軟件中對(duì)同軸介質(zhì)進(jìn)行建模仿真，調(diào)整介質(zhì)長(zhǎng)度，其仿真結(jié)果見圖5。

從仿真結(jié)果中可以看出該諧振器的諧振頻率為3.04 GHz，滿足設(shè)計(jì)要求。

對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到諧振器的等效電感見圖6所示。

從曲線中可以看出，在小于諧振頻率時(shí)，諧振器的阻抗為感性，且等效電感值隨著頻率的升高而增大。

在介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常同軸介質(zhì)等效為高Q的電感，介質(zhì)振蕩器的振蕩器頻率略低于同軸介質(zhì)的諧振頻率。

為了進(jìn)行頻率調(diào)整和調(diào)諧，除同軸介質(zhì)外，引入額外的電感、電容和變?nèi)荻O管構(gòu)成諧振電路，諧振電路將采用薄膜電路進(jìn)行制作。

4? 介質(zhì)振蕩器整體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

介質(zhì)振蕩器整體電路結(jié)構(gòu)拓?fù)湟妶D7。

在CRO的工作過(guò)程中，從介質(zhì)端口向介質(zhì)看介質(zhì)實(shí)質(zhì)等效為電感L（f），向其他電路單元看，其他電路單元等效為電容C，電感和電容構(gòu)成L-C并聯(lián)諧振，因此CRO的工作頻率因?yàn)椴⒙?lián)電容而低于介質(zhì)的自諧振頻率[6]，并遵循公式：

對(duì)介質(zhì)進(jìn)行建模仿真，介質(zhì)等效感值L（f1）隨頻率的變化曲線見圖6。下面對(duì)介質(zhì)振蕩器的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

假設(shè)CRO工作在頻率f1，此時(shí)對(duì)應(yīng)的等效電感值為L(zhǎng)（f1），等效電容為C，當(dāng)由于外界變化（包括溫度變化）導(dǎo)致振蕩頻率上升時(shí)，振蕩頻率上升使介質(zhì)的等效電感增大，從而又使振蕩頻率減低，反之亦然，正是由于等效電感與頻率的函數(shù)關(guān)系使整個(gè)振蕩系統(tǒng)處于負(fù)反饋狀態(tài)，提高振蕩系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

同時(shí)，從圖6中可以看出，越接近諧振頻率，等效電感隨頻率變化的越快，因此越接近諧振頻率，負(fù)反饋越強(qiáng)烈，振蕩穩(wěn)定性越好，由外界干擾引起的頻率變化越小。

綜上，在介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)選取合適長(zhǎng)度的介質(zhì)從而達(dá)到低溫漂的設(shè)計(jì)效果。

5? 測(cè)試結(jié)果

該文基于GaAs HBT設(shè)計(jì)了集成負(fù)阻電路和緩沖放大電路的負(fù)阻單片，并進(jìn)行了流片;基于同軸介質(zhì)諧振器和薄膜工藝制作了諧振電路，最終通過(guò)微組裝工藝裝配從而得到了最終的介質(zhì)振蕩器產(chǎn)品，產(chǎn)品尺寸為：14 mm×14 mm×5 mm，采用陶瓷管殼氣密封裝，產(chǎn)品質(zhì)量等級(jí)達(dá)到宇航級(jí)，其最終產(chǎn)品的照片見圖8。

該介質(zhì)振蕩器測(cè)試系統(tǒng)主要用到的儀器設(shè)備有：直流穩(wěn)壓電源、電流表、頻譜儀、信號(hào)源分析儀。

對(duì)該介質(zhì)振蕩器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試曲線見圖9。

從測(cè)試曲線中可看出，該介質(zhì)振蕩器在在電源電壓+9 V、電調(diào)電壓0～9 V條件下，該產(chǎn)品的輸出頻率為2.958～2.988 GHz，相位噪聲為-107 dBc/Hz@10 kHz。另外在-55 ℃～+85 ℃條件下測(cè)試，溫漂為3 MHz，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

6? 結(jié)論

該文基于GaAs HBT工藝、薄膜工藝以及同軸介質(zhì)諧振器設(shè)計(jì)了一款低相噪、低溫漂介質(zhì)振蕩器，該產(chǎn)品在電源電壓+9 V、電調(diào)電壓0～9 V條件下，輸出頻率為2.958～2.988 GHz，相位噪聲為-107 dBc/Hz@10 kHz。另外，在-55 ℃～+85 ℃條件下測(cè)試，溫漂為3 MHz。該低相噪、低溫漂介質(zhì)振蕩器對(duì)降低頻率源的相位噪聲有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊嵐清，趙世巍.K波段推推介質(zhì)振蕩器設(shè)計(jì)[J].電子元件與材料，2020，39（5）：73-78.

[2] 周祥.x波段低相噪藍(lán)寶石介質(zhì)振蕩器的研制[D].電子科技大學(xué)，2018.

[3] 高曉強(qiáng)，張加程，王增雙，等.低電調(diào)電壓全集成10～20GHz VCO的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2020，46（1）：30-35，46.

[4] 張海拓.基于CRO的低相噪頻率合成器設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（15）：80.

[5] 劉勇.微波介質(zhì)振蕩器抗振結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析及其設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2019，17（12）：67-68.

[6] 張朋奇.極低相噪穩(wěn)頻技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué)，2018.