10GHz介质振荡器的设计

反馈网络的仿真完成后，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，该晶体管的工作频率为2～16 GHz，当工作点为漏源电压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。本文采用正负双电源供电，以保证有源网络的S12模值尽可能小。偏置电路采用扇形微带接地，防止振荡信号功率从偏置电路泄露，并防止高频信号影响电源的稳定性。通过调节电路参数，使得有源网络增益S21尽可能大，仿真结果如图5所示，在所需频点10 GHz，增益达到6．5 dB。

下面将反馈网络的模型加入，对整个反馈回路进行开环仿真，首先调整输出匹配支节的位置和长度，使振荡频点的开环增益尽可能大，即满足环路增益大于1的条件；然后调整与反馈网络相连的微带线长度，使得反馈回路的传输系数S21相位为零，即满足环路相移为0的条件。
将环路闭合，插入ADS中的Osctest控件，由奈奎斯特判据可知，若仿真结果曲线随频率增大沿顺时针方向环绕1+j0点，则电路满足反馈式振荡器的振荡条件。在仿真过程中发现，电路起振的频率和满足奈奎斯特起振条件的频率比较接近，但前者往往略低于后者。这是因为奈奎斯特定律是对小信号条件下起振条件的判定，而电路起振后，随着振荡幅度的增大，晶体管S21模值会减小，相位会滞后。为了抵消这一变化，振荡频率会降低，用反馈回路减小的相位滞后抵消晶体管增加的相位滞后，这时反馈回路的传输系数会变小，最后达到平衡。反馈回路品质因数越高，相位变化就越陡峭，所引起的频率变化就越低。所以在仿真时，可以使初始的起振频率略高于所需要的输出频率，这样常常可以得到较大的输出功率。
最后用振荡仿真控件Oscport代替Osctest控件，用谐波平衡法仿真输出频率分量和相位噪声情况。整个电路的原理图如图6所示，通过调节输出端匹配支节的位置和长度，使输出功率尽可能大。由于使用的开路匹配支节长度接近于振荡频率的八分之一波长，所以对二次谐波的抑制效果较好。仿真结果如图7和图8所示，可以看到，输出功率达到8 dBm，相位噪声为-112dBc／Hz@1kHz和-116dBc／Hz@10kHz。

为了增大输出功率，同时降低相位噪声，文中在以上传统电路结构的基础上进行了改进，采用两个晶体管串联的方式，如图9所示。这种方法提高了环路增益，从而提高了输出功率。由式(2)稳定振荡条件可知，此时反馈网络的传输系数可以适当降低而不影响起振。所以介质与微带线的耦合度可以减小，从而提高谐振器的有载品质因数，从而达到降低相噪的效果。

首先进行的仍然是反馈网络的仿真。为了便于进行调试，这里采用了增加垫块厚度的方式来降低介质与微带线的耦合度，垫块厚度由1 mm增大至1．6 mm。仿真结果如图10所示，可以看到，此时的谐振峰与图4相比更为陡峭，其3 dB带宽仅为33 MHz，说明该谐振网络的品质因数更高，从而可以降低输出相噪。