用ADS设计介质振荡器

用ＡＤＳ设计介质振荡器

杨霖顾忠诚

（总参第６３研究所南京２１０００７）

摘要：本文介绍了使用负阻法设计９ＧＨｚ介质振荡器的实例。在设计过程中使用了Ａｎｇｉｌｅｎｔ公司的ＡｄｖａｎｃｅｄＳｙｓｔｅｍＤｅｓｉｇｎ软件，并对最终所设计的振荡器的性能进行了评估。

关键词：负阻介质振荡器ＡＤＳ

１．负阻振荡器理论基础

图１

在负阻振荡器设计中，负电阻可以通过使用带有适当反馈的三端口器件来方便地得

到。图１示出了一个典型的负阻振荡器的框图，使之能够成为振荡器的首要条件是要保证该电路处于不稳定的状态：

Ｒ肼＋ＲＬ＜０（１）

其次，要保证该电路是一个能够稳定振荡的电路，继而必须满足以下条件：

ＲⅣ＋ＲＬ＝０（２）

Ｘｍ＋ｘＬ＝０（３）

基于以上理论，我们使用ＡＤＳ设计和仿真负阻器件，以满足起振条件，即方程（１）；设。卅旨振器电路以满足稳定振荡条件，即方程（２）和方程（３）。最后再将两部分电路合并，用谐波平衡法对整个电路的性能在ＡＤＳ中进行仿真。

２．仿真器介绍

ＡＤＳ提供了多种仿真器。在振荡器的设计中，只用到了部分仿真器，我们在下面将给予逐一的简单介绍。

ａ．ＤＣ仿真器

ＤＣ仿真器用于仿真电路的直流性能，在本方案中用于设计负阻器件的直流偏置电路。

ｂ．Ｓ＿Ｐａｒａｍｅｔｅｒ仿真器

Ｓ参数仿真器用于计算电路的Ｓ参数、Ｙ参数和Ｚ参数。在使用Ｓ参数仿真器时需要定义起、止频率。此外，需要在所需测量的电路端口上添加电路端接电阻。本文中Ｓ参数仿真器用于在设计负阻器件的过程中计算有源器件的输入阻抗，以及在谐振器设计的过程中检验三个振荡条件方程。

ｃ．谐波平衡仿真器

谐波平衡仿真器用于仿真振荡器电路的性能，需要设置相应的参数来定义所期望得到

的基频。在本方案中还要用到ＯＳＣＰＯＲＴ。ＯＳＣ＿ＰＯＲＴ的作用是将负阻器件与谐振器电路分离开来，其箭头必须指向负阻器件电路。该仿真器将用于对振荡器的最终性能评估。

３．ＤＲＯ设计方法概述

介质振荡器使用介质谐振器（通常为圆柱形介质块）确定振荡频率。介质谐振器是一

种具有高电容率、低损耗材料的小的圆形介质块，它的基本谐振频率由其自身的相对介电常数和物理尺寸所决定。与金属腔谐振器类似，其谐振的产生是电磁波在介质边缘与空气之间连续反射的结果。其谐振频率也受接地金属墙放置的位置与介质块之间的紧密程度的影响。

要想使用一个介质谐振器来确定微波振荡器的振荡频率，通常将其置于微带传输线旁，使传输线与介质块耦合。这部分耦合电路在ＡＤＳ中可以用一个并联ＲＬＣ谐振器来确定其电路模型。介质块与微带传输线耦合的典型配置以及其等效电路在图２中示出。用变压器模拟介质谐振器与微带线之间的耦合。介质谐振器与微带线耦合得越紧，变压器的匝数比就越大。

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等效电路

图２

由于圆柱形介质块是一种高Ｑ（低损耗）的谐振器，其‰值很高（通常为几十Ｋｏｈｍ）而构成的振荡器的相位噪声很低。在谐振的情况下，Ｌ和Ｃ的电抗值大小相等、符号相反。此时，介质谐振器的等效电路可以简化为一个具有比较高电阻值的电阻Ｋ。谐振器的频率

由以下方程（４）确定：

Ｒ：———丢（４）

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４．设计过程

４．１偏置电路

在进行设计之前，必须选择合适的场效应管并给其提供合适的直流偏置。在本设计中，我们选择了ＮＥＣ公司的高性能的场效应管ＮＥ７１０８４。通过偏置使其工作在Ｖ。Ｅ－３Ｖ、王ｃ＝３０ｍＡ的工作点上。所使用场效应管的模型在ＡＤＳ元件库中可以找到。ＡＤＳ中的直流仿真器用以确保满足场效应管的直流偏置条件。

４．２负阻电路

在设计了合适的偏置电路之后，将场效应管构建为一个源极容性反馈电路。该电路能够产生负阻，以补充谐振器中的能量损耗。负阻部件是通过对低噪声Ｇ。ＡｌＦＥＴ进行源极电容性反馈实现的。ＦＥＴ电路的不稳定性以及经过放大的热噪声，使振荡器能够从自然噪声中建立振荡，继而最终达到稳态的振荡。

负阻部件的简化等效电路如图３所示，本仿真电路使用了双电源设置ＦＥＴ的Ｖ。和Ｉｄ。。

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图３

为了确定使ＦＥＴ产生负阻所需要的容性源极反馈的优化值，要进行初始化仿真。这是通过观察晶体管的栅极的反射系数的幅度来确定的，场效应管的漏极输出端接５００ｈｍ的负载阻抗。如果Ｓ，。的幅度大于单位１，表明在该频率点有负阻产生。在通常的小信号振荡器设计中，Ｓ。。的经验值最小应为１．２，并且其曲线应以振荡频率为中心左右对称。图６示出了仿真结果，清晰地表明在所感兴趣的９ＧＨｚ频率上的Ｓ１Ｉ为２．３２３，存在适当的负阻。

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ｆｒｅｑ．ＧＨｚ

图４

４．３介质谐振器的仿真模型

介质谐振器所选择的材料具有的相对介电常数（８，）为３０，在９ＧＨｚ频率上的Ｑ值大于１０００（３。通过选择介质块的物理尺寸和腔体的金属盖与介质块的距离，可以将振荡器调整到所需要的频率。金属盖到介质块的距离越近，可以得到的谐振频率就越高。但是当金属盖距离介质块越近的时候，频率变化的速率会随之增加，相位噪声性能随之降低。

模拟介质谐振器与微带线耦合的变压器的匝数比依赖于谐振器与微带线的耦合距离。谐振器与微带线越接近，耦合度越高，因而变压器的匝数比也越高。在本设计中我们可以直接使用ＡＤＳ中自带的并联ＲＬＣ谐振器模型ｃＲｅｓＰ。为了简化仿真过程，假定匝数比ｎ为１。

４．４完整电路

将谐振器与负阻部件通过ＯＳＣ＿ＰＯＲＴ相连接便构成了振荡器的完整电路，如图５所示。振荡器的仿真是基于所使用的场效应管的小信号Ｓ参数模型的。振荡器的小信号仿真要以确保在所期望的振荡频率上以下两个条件同时得到满足的基础上进行：

・存在剩余负阻

●总电抗为零

剩余负阻是振荡器建立振荡的需要。在仿真过程中，使用ＡＤＳ中的Ｓ参数仿真器得到电路的输入阻抗。从仿真结果来看，在９ＧＨｚ的频率点上电路的ｒｅａｌ（Ｚ（２，２））＋ｒｅａｌ（Ｚ（１，１））为一０．６６６，接近于零，即当振荡达到稳态时剩余负阻将为零。满足振荡条件方程（２）的要求。在该频率点上，ｉｍａｇ（Ｚ（２，２））＋ｉｍａｇ（Ｚ（１，１））为一０．１６２，满足振荡条件方程（３）。在实际电路的