10GHz介质振荡器的设计

摘要：介绍了介质振荡器的理论和设计方法，选择并联反馈式结构，设计了一个工作频点为10GHz的介质振荡器。为了提高振荡器的输出功率，同时改善相位噪声，本文对传统电路结构进行改进，采用了二级放大的方式，提高了有源网络的增益，降低了介质谐振器与微带线的耦合度，达到了预期目标。结果表明，本文的理论分析是正确的，设计方案是可行的。
关键词：振荡器；介质谐振器；相位噪声；耦合度

微波固态频率源作为微波系统的核心部件，其性能的优劣在很大程度上影响甚至决定了整个系统的性能指标。介质振荡器(DRO)由高品质因数的介质谐振器(DR)构成选频网络，具有优异的噪声性能和较高的频率稳定度，体积小，成本低，在点频本振源的应用中具有独特的优势因此，对介质振荡器的研究具有重要而基础的意义。

1 理论分析
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，通常为扁圆柱形。高介电常数保证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模式，其电场从中心到边缘逐渐减弱。由于其上下边界不是理想磁壁，所以沿z方向的半波数不是整数，δ的数值在0到1之间。
设计振荡器时，主要关注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)
其中，Q0由介质本身决定，K1和K2分别为介质与两微带线的耦合系数。QL的高低直接影响振荡器的频率稳定度，所以应尽量选择低损耗的谐振器和衬底材料，并尽量降低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必须足够高，才能将电磁能量储存在谐振器的内部，产生谐振现象。但介电常数过高会导致谐振器体积过小，精度不易保证。因此应根据使用频率选择适当的介电常数。
1．2 反馈式振荡器
文中采用并联反馈式的电路形式，其原理如图1所示。稳定振荡的条件为
β(jω)Av(jω)=1 (2)
其中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馈网络的传输系数。该条件包含两个方面，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，随信号幅度增大，有源网络增益将逐渐降低，直到环路增益等于1，建立稳定振荡。

由于有源器件的非线性作用，其低频闪烁噪声将被调制到载波频率附近，即1／f噪声边带。因此，应尽量选择闪烁噪声较低的有源器件，设置合适的静态工作点，并尽可能减小电源等部分引入的低频噪声。

2 介质振荡器的设计
首先在场仿真软件中进行谐振网络的仿真。文中采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，保证了该介质谐振器的主模为TE018模式。建立仿真模型如图2所示，反馈网络由介质谐振器和两根微带线共同组成。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，耦合点与开路端的距离为λ／4，相当于短路点，耦合最强。为了降低介质谐振器与微带线的耦合，提高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材料的垫片，厚度约为1 mm。耦合结构上方是由黄铜材料制成的调谐圆盘，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靠近则谐振频率升高，反之，当调谐盘上移时，谐振频率降低。仿真可以得到，上下移动调谐圆盘，机械调谐范围可以达到300 MHz，满足工程需要。
该谐振网络为一个二端口网络，我们最关心的是其散射参数S21，即反馈网络传输系数Av(jω)，仿真结果如图4所示。从图中可以看到，在谐振频率处的传输系数模值为0．9 dB，3 dB带宽为49 MHz。该谐振峰越陡峭，说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，作为一个器件供ADS调用。