X波段介质振荡器的设计
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图 1 两端面短路的介质谐振器示意图 Fig11 Schematic diagram of two2ends2shorted DR
利用介质谐振器法测试原理制作的介质谐振器 材料自动测试系统如图 2 所示 。此系统由信号源 、 矢量网络分析仪 、计算机 、测试装置和检波器构 成 。信号源为 HP 8341B 合成扫频源 , 矢量网络分 析仪 为 HP 8510 。计 算 机 通 过 USB/ GPIB Interface 82357A 适配器对信号源和标网进行控制 , 完成数 据采集 、处理等动作 , 完成自动测量 , 可提高测试 速度和精度 。所有数据处理是同时进行的 , 整个过 程是自动的 。测试结果见表 1 。表中 : d 为直径 ; h 为高度 ; f 1 为厂家给出的谐振频率 ; f rage为测试 得到的机械调频范围 。
h/ mm
εr
tanδ
2151
24189
0100129
2139
29180
0100086
2149
291943
0100102
f 1/ GHz 1118 1118 1118
f rage/ GHz 1112～1214 1017～1212 1015～1117
3 反馈式振荡器仿真优化
本文设计的介质振荡器采用并联反馈的电路形 式 。反馈式振荡器利用微带与谐振器之间的耦合产 生一个正反馈[5] 。由反馈放大器的知识可知 , 闭环
较高的输出功率和较低的相噪 。仿真得到 DRO 的
输出功率为 1114 dBm , 相位噪声为 : - 124 dBc/ Hz
@10 kHz , - 143 dBc/ Hz @100 kHz 。电路的拓扑结
ห้องสมุดไป่ตู้
构如图 3 。
图 3 介质振荡器拓扑结构图 Fig13 Diagram of DRO
的稳定度有了大幅度提高 。
料进行了测试 , 得到了准确的介电常数εr 和损耗 角正切值 tanδ。在仿真软件中使用测试结果对谐振 器进行建模 , 对 DRO 电路进行仿真和优化 , 使用 这三种 DR 制作了具有较低相位噪声的介质振荡 器。
1 DR 的品质因数和介电常数
介质谐振器的品质因数 ( Q 值) 是其在电路
应用中的一个重要指标 , Q 值的高低直接影响到
设计中利用通过测试系统得到的谐振器的 εr 和
tanδ以及谐振器的尺寸 , 在电磁场仿真软件中建立
介质谐振器与微带的耦合模型 , 观察谐振峰的位
置 。当仿真的谐振频率和实际测试的谐振频率一致
时 , 将仿真结果以 S2P 文件的形式输出 。在高频路
仿真软件中调用对模型仿真生成的 S2P 文件 , 采用
图 2 微波介质谐振器自动测试系统 Fig12 Automatic measurement system of DR
编号 1 2 3
d/ mm 6145 5164 6104
表 1 介质谐振器测试结果
Tab11 Measurement results of dielectric resonators
式中 : a 为谐振器的半径 ; H 为谐振器的高度 。当
DR 用于实际的电路时 , 由于周围微带线 、介质基
片 、腔体的影响 , 式 (2) 不再适用 。
2 DR 材料的测量
在 DRO 设计中 , 在仿真软件中建立 DR 模型 需要 DR 材料的介电常数和损耗角正切值 , 但生产 厂家往往不能给出其准确值 。本文利用自行研制的 测试系统对介质谐振器材料进行了精确的测量 , 得 到了精确的 εr 和 tanδ值 , 并且通过模拟 DR 的使 用环境得到应用于振荡器电路中时 DR 的谐振频率 和机械调频范围 。
刘伟 等 : X 波段介质振荡器的设计
1 - G(jω) F (jω) = 0
(4)
式 4 表明 :为了产生振荡 , 环路增益必须为 1 , 这一
关系称为 Barkhausen 准则 。由式 (4) 可以得到振荡
器起振的振幅和相位条件
| G(jω) F (jω) | = 1
(5)
∠G(jω) + ∠F (jω) = 2 nπ ( n = 0 ,1 , …) (6)
相位噪声的大小 。介质谐振器的无载 Q0 为
1 Q0
=
1 Qd
+
1 Qc
+
1 Qr
(1)
February 2009
Semiconductor Technology Vol134 No12 1 93
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
集成电路设计与开发
Design and Development of IC
X 波段介质振荡器的设计
刘伟 , 唐宗熙 , 张彪
(电子科技大学 电子工程学院 , 成都 610054)
摘要 : 研究了一种具有较宽机械调频范围和较低相位噪声的 X 波段介质振荡器设计方法 。 利用介质谐振器法对三种型号的介质谐振器 (DR) 材料进行了精确的测试 , 得到了其介电常数 εr 和损耗角正切值 tanδ以及 DR 的谐振频率 。利用仿真软件建立微带线与谐振器耦合模型 , 通过 仿真提取其 S2P 文件 。选用 GaAs FET ATF26884 作为电路中的放大器件 , 使用生成的 S2P 文件建 立介质振荡器 (DRO) 电路模型 , 调整耦合段和输出匹配微带线的长度 , 得到较低的相位噪声 。 测试证明输出信号的相位噪声在偏离中心频率 100 kHz 处小于 - 100 dBc/ Hz 。
表 2 DRO 机械调谐范围
Tab12 Mechanically tunable frequency range of DRO
编号 1 2 3
f / GHz 111354～121156 111536～121014 111543～111949
在介质谐振器的下方加一个低介电常数材料制
作的垫片可以提高谐振器的有载品质因数 , 进而可 以改善 DRO 的相位噪声 。通过测试 , 加入垫片对 DRO 的相位噪声 , 尤其是近端相噪有明显的改善 。 由表 3 可以看出 , 通过加垫片偏离中心频率 10 kHz 处相位噪声可以改善 10 dB 左右 , 表 3 中 Nphase1为 未加垫片时的相噪 , Nphase2为加垫片时的相噪 。 表 3 偏离中心频率 10 kHz 时垫片对相位噪声的影响
( School of Electronic Engineering , University of Electronic Science and Technology of China , Chengdu 610054 , China)
Abstract : A method was studied for developing X2band dielectric resonator oscillator with wide mechanically tunable frequency range and low phase noise. The dielectric resonator method was used to accurately measure the permittivity , dielectric loss angle tangent and the resonate frequency of three series of dielectric resonator materials. Simulation software was used to construct the coupling model of microstrip and the DR , and S2P profile was extracted. The DRO circuit was constructed using GaAs FET ATF26884 and S2P profile. Low phase noise was achieved by changing the length of the coupling microstrip and matching microstrip. Test results show that the phase noise ( PN) at 100 kHz off the carrier frequency is lower than - 100 dBc/ Hz.
介质谐振器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 。在微波频 段 , 介质谐振器相对介电常数εr 一般为 20～100 。 介质谐振器的介电常数直接影响到介质振荡器的振
荡频率 , 孤立的圆柱形介质谐振器的谐振频率为
fr
=
34 a εr
(
a H
+ 3145)
( GHz)
(2)
GaAs 场效应管 ATF26884 进行设计 。ATF26884 工作
频率最高可以达到 16 GHz , 在 12 GHz 处 1 dB 压缩
点达到 1810 dBm , 增益为 910 dB , 并且具有较好的
单向性 。调整场效应管的偏置电压 、耦合和匹配微
带的线长 , 以满足起振条件 , 继续进行微调以得到
增益函数为
Af
=
Vout Vin
=
1
-
G(jω) G(jω) F (jω)
(3)
式中 : G(jω) 为放大器的电压增益 ; F (jω) 为电压反
馈的传递函数 。从式 (3) 可知振荡器起振的条件为
1 94 半导体技术第 34 卷第 2 期
2009 年 2 月
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
关键词 : 介质谐振器 ; 谐振法 ; 振荡器 ; 相位噪声 中图分类号 : TN572 文献标识码 : A 文章编号 : 10032353X (2009) 0220193204
Design of X2Band Dielectric Resonator Oscillator
Liu Wei , Tang Zongxi , Zhang Biao
测试使用频谱仪 RS FSP40 , 在振荡器电路中 分别放入 3 种型号的谐振器 , 调节介质谐振器上方 的调谐螺钉 , 对 DRO 进行机械调谐 , 测试得到机 械调频范围如表 2 。所需频率 1118 GHz 在机械调谐 范围之内 , 使用 1 号谐振器制作的 DRO 机械调频 范围最大 , 可以达到 800 MHz , 相位噪声最低 。
刘伟 等 : X 波段介质振荡器的设计
式中 , Qc 是由谐振器周围的导体损耗决定的 Q 值 ; Qr 是由辐射损耗决定的 Q 值 ; Qd 是由所有介 质损耗决定的 Q 值 。当不考虑谐振器周围的其他 介质损耗时 , Qd 等于谐振器材料损耗角正切 tanδ 的倒数 。为了提高谐振器的 Q 值[2] , 在使用时应 该选择合适的谐振器形状 , 将谐振器放在屏蔽的腔 体中 , 并且在电路中应选用低损耗 、小介电常数的 材料作为谐振器的支撑衬底 。
测试系统是利用介质谐振器法设计和制作的 , 此方法是将圆柱形高介电常数 、低损耗材料制作的 介质谐振器放在两个金属板之间进行测量[324] , 如
图 1 所示 。介质谐振器有较高介电常数 , 所以选取 TE0mn圆电模式 , 这时介质谐振器具有较高的 Q 值 , 且金 属 板 与 介 质 谐 振 器 平 面 之 间 的 空 气 间 隙 对 TE0mn模影响极小 , 故测试的准确度较高 。
Key words : dielectric resonator ; resonate method ; oscillator ; phase noise EEACC : 2890
0 引言
随着微波半导体技术和微波集成电路的发展 , 微波设备和系统也趋向小型化 、轻量化和集成化 。 微波介质谐振振荡器 (DRO) 使用高 Q 值 (5 000～ 10 000) 的介质谐振器作为稳频元件 , 具有较好的 频率及功率稳定性 , 且噪声低 、体积小 、结构简 单[1] 。此外 , DRO 同现代微波集成电路间存在极 好的兼容性 , 已成为当今研究的热点之一 。在介质 谐振器的使用中 , 谐振器材料的测试是一个难点 。 本文利用介质谐振器法对三种规格的介质谐振器材
利用介质谐振器法测试原理制作的介质谐振器 材料自动测试系统如图 2 所示 。此系统由信号源 、 矢量网络分析仪 、计算机 、测试装置和检波器构 成 。信号源为 HP 8341B 合成扫频源 , 矢量网络分 析仪 为 HP 8510 。计 算 机 通 过 USB/ GPIB Interface 82357A 适配器对信号源和标网进行控制 , 完成数 据采集 、处理等动作 , 完成自动测量 , 可提高测试 速度和精度 。所有数据处理是同时进行的 , 整个过 程是自动的 。测试结果见表 1 。表中 : d 为直径 ; h 为高度 ; f 1 为厂家给出的谐振频率 ; f rage为测试 得到的机械调频范围 。
h/ mm
εr
tanδ
2151
24189
0100129
2139
29180
0100086
2149
291943
0100102
f 1/ GHz 1118 1118 1118
f rage/ GHz 1112～1214 1017～1212 1015～1117
3 反馈式振荡器仿真优化
本文设计的介质振荡器采用并联反馈的电路形 式 。反馈式振荡器利用微带与谐振器之间的耦合产 生一个正反馈[5] 。由反馈放大器的知识可知 , 闭环
较高的输出功率和较低的相噪 。仿真得到 DRO 的
输出功率为 1114 dBm , 相位噪声为 : - 124 dBc/ Hz
@10 kHz , - 143 dBc/ Hz @100 kHz 。电路的拓扑结
ห้องสมุดไป่ตู้
构如图 3 。
图 3 介质振荡器拓扑结构图 Fig13 Diagram of DRO
的稳定度有了大幅度提高 。
料进行了测试 , 得到了准确的介电常数εr 和损耗 角正切值 tanδ。在仿真软件中使用测试结果对谐振 器进行建模 , 对 DRO 电路进行仿真和优化 , 使用 这三种 DR 制作了具有较低相位噪声的介质振荡 器。
1 DR 的品质因数和介电常数
介质谐振器的品质因数 ( Q 值) 是其在电路
应用中的一个重要指标 , Q 值的高低直接影响到
设计中利用通过测试系统得到的谐振器的 εr 和
tanδ以及谐振器的尺寸 , 在电磁场仿真软件中建立
介质谐振器与微带的耦合模型 , 观察谐振峰的位
置 。当仿真的谐振频率和实际测试的谐振频率一致
时 , 将仿真结果以 S2P 文件的形式输出 。在高频路
仿真软件中调用对模型仿真生成的 S2P 文件 , 采用
图 2 微波介质谐振器自动测试系统 Fig12 Automatic measurement system of DR
编号 1 2 3
d/ mm 6145 5164 6104
表 1 介质谐振器测试结果
Tab11 Measurement results of dielectric resonators
式中 : a 为谐振器的半径 ; H 为谐振器的高度 。当
DR 用于实际的电路时 , 由于周围微带线 、介质基
片 、腔体的影响 , 式 (2) 不再适用 。
2 DR 材料的测量
在 DRO 设计中 , 在仿真软件中建立 DR 模型 需要 DR 材料的介电常数和损耗角正切值 , 但生产 厂家往往不能给出其准确值 。本文利用自行研制的 测试系统对介质谐振器材料进行了精确的测量 , 得 到了精确的 εr 和 tanδ值 , 并且通过模拟 DR 的使 用环境得到应用于振荡器电路中时 DR 的谐振频率 和机械调频范围 。
刘伟 等 : X 波段介质振荡器的设计
1 - G(jω) F (jω) = 0
(4)
式 4 表明 :为了产生振荡 , 环路增益必须为 1 , 这一
关系称为 Barkhausen 准则 。由式 (4) 可以得到振荡
器起振的振幅和相位条件
| G(jω) F (jω) | = 1
(5)
∠G(jω) + ∠F (jω) = 2 nπ ( n = 0 ,1 , …) (6)
相位噪声的大小 。介质谐振器的无载 Q0 为
1 Q0
=
1 Qd
+
1 Qc
+
1 Qr
(1)
February 2009
Semiconductor Technology Vol134 No12 1 93
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
集成电路设计与开发
Design and Development of IC
X 波段介质振荡器的设计
刘伟 , 唐宗熙 , 张彪
(电子科技大学 电子工程学院 , 成都 610054)
摘要 : 研究了一种具有较宽机械调频范围和较低相位噪声的 X 波段介质振荡器设计方法 。 利用介质谐振器法对三种型号的介质谐振器 (DR) 材料进行了精确的测试 , 得到了其介电常数 εr 和损耗角正切值 tanδ以及 DR 的谐振频率 。利用仿真软件建立微带线与谐振器耦合模型 , 通过 仿真提取其 S2P 文件 。选用 GaAs FET ATF26884 作为电路中的放大器件 , 使用生成的 S2P 文件建 立介质振荡器 (DRO) 电路模型 , 调整耦合段和输出匹配微带线的长度 , 得到较低的相位噪声 。 测试证明输出信号的相位噪声在偏离中心频率 100 kHz 处小于 - 100 dBc/ Hz 。
表 2 DRO 机械调谐范围
Tab12 Mechanically tunable frequency range of DRO
编号 1 2 3
f / GHz 111354～121156 111536～121014 111543～111949
在介质谐振器的下方加一个低介电常数材料制
作的垫片可以提高谐振器的有载品质因数 , 进而可 以改善 DRO 的相位噪声 。通过测试 , 加入垫片对 DRO 的相位噪声 , 尤其是近端相噪有明显的改善 。 由表 3 可以看出 , 通过加垫片偏离中心频率 10 kHz 处相位噪声可以改善 10 dB 左右 , 表 3 中 Nphase1为 未加垫片时的相噪 , Nphase2为加垫片时的相噪 。 表 3 偏离中心频率 10 kHz 时垫片对相位噪声的影响
( School of Electronic Engineering , University of Electronic Science and Technology of China , Chengdu 610054 , China)
Abstract : A method was studied for developing X2band dielectric resonator oscillator with wide mechanically tunable frequency range and low phase noise. The dielectric resonator method was used to accurately measure the permittivity , dielectric loss angle tangent and the resonate frequency of three series of dielectric resonator materials. Simulation software was used to construct the coupling model of microstrip and the DR , and S2P profile was extracted. The DRO circuit was constructed using GaAs FET ATF26884 and S2P profile. Low phase noise was achieved by changing the length of the coupling microstrip and matching microstrip. Test results show that the phase noise ( PN) at 100 kHz off the carrier frequency is lower than - 100 dBc/ Hz.
介质谐振器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 。在微波频 段 , 介质谐振器相对介电常数εr 一般为 20～100 。 介质谐振器的介电常数直接影响到介质振荡器的振
荡频率 , 孤立的圆柱形介质谐振器的谐振频率为
fr
=
34 a εr
(
a H
+ 3145)
( GHz)
(2)
GaAs 场效应管 ATF26884 进行设计 。ATF26884 工作
频率最高可以达到 16 GHz , 在 12 GHz 处 1 dB 压缩
点达到 1810 dBm , 增益为 910 dB , 并且具有较好的
单向性 。调整场效应管的偏置电压 、耦合和匹配微
带的线长 , 以满足起振条件 , 继续进行微调以得到
增益函数为
Af
=
Vout Vin
=
1
-
G(jω) G(jω) F (jω)
(3)
式中 : G(jω) 为放大器的电压增益 ; F (jω) 为电压反
馈的传递函数 。从式 (3) 可知振荡器起振的条件为
1 94 半导体技术第 34 卷第 2 期
2009 年 2 月
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
关键词 : 介质谐振器 ; 谐振法 ; 振荡器 ; 相位噪声 中图分类号 : TN572 文献标识码 : A 文章编号 : 10032353X (2009) 0220193204
Design of X2Band Dielectric Resonator Oscillator
Liu Wei , Tang Zongxi , Zhang Biao
测试使用频谱仪 RS FSP40 , 在振荡器电路中 分别放入 3 种型号的谐振器 , 调节介质谐振器上方 的调谐螺钉 , 对 DRO 进行机械调谐 , 测试得到机 械调频范围如表 2 。所需频率 1118 GHz 在机械调谐 范围之内 , 使用 1 号谐振器制作的 DRO 机械调频 范围最大 , 可以达到 800 MHz , 相位噪声最低 。
刘伟 等 : X 波段介质振荡器的设计
式中 , Qc 是由谐振器周围的导体损耗决定的 Q 值 ; Qr 是由辐射损耗决定的 Q 值 ; Qd 是由所有介 质损耗决定的 Q 值 。当不考虑谐振器周围的其他 介质损耗时 , Qd 等于谐振器材料损耗角正切 tanδ 的倒数 。为了提高谐振器的 Q 值[2] , 在使用时应 该选择合适的谐振器形状 , 将谐振器放在屏蔽的腔 体中 , 并且在电路中应选用低损耗 、小介电常数的 材料作为谐振器的支撑衬底 。
测试系统是利用介质谐振器法设计和制作的 , 此方法是将圆柱形高介电常数 、低损耗材料制作的 介质谐振器放在两个金属板之间进行测量[324] , 如
图 1 所示 。介质谐振器有较高介电常数 , 所以选取 TE0mn圆电模式 , 这时介质谐振器具有较高的 Q 值 , 且金 属 板 与 介 质 谐 振 器 平 面 之 间 的 空 气 间 隙 对 TE0mn模影响极小 , 故测试的准确度较高 。
Key words : dielectric resonator ; resonate method ; oscillator ; phase noise EEACC : 2890
0 引言
随着微波半导体技术和微波集成电路的发展 , 微波设备和系统也趋向小型化 、轻量化和集成化 。 微波介质谐振振荡器 (DRO) 使用高 Q 值 (5 000～ 10 000) 的介质谐振器作为稳频元件 , 具有较好的 频率及功率稳定性 , 且噪声低 、体积小 、结构简 单[1] 。此外 , DRO 同现代微波集成电路间存在极 好的兼容性 , 已成为当今研究的热点之一 。在介质 谐振器的使用中 , 谐振器材料的测试是一个难点 。 本文利用介质谐振器法对三种规格的介质谐振器材