Ku波段介质振荡器(DRO)研制实例

Ku波段介质振荡器(DRO)研制实例

卢士强杨国渝

（电子科技大学微波工程系邮编：610054 ）

摘要：本文介绍了用三维场精确仿真介质谐振器，并运用负阻理论和谐波平衡法来设计12.75GHz的GaAs MESFET介质稳频振荡器（DRO）。设计过程使用了Agilent公司的ADS(Advanced Systerm Design )软件对DRO进行了非线性分析和优化设计。最终对振荡器的性能进行了评估。

关键词：负阻、介质谐振器、振荡器、场效应管、谐波平衡法。

一． 引言

振荡器是微波毫米波系统的关键部件之一，其性能好坏直接关系到系统的性能指标。介质振荡器具有低相噪、高频率稳定度和结构简单等优点。因此，介质振荡器已成为一种应用广泛的毫米波频率源。

以往的DRO设计，一般通过理论计算DR（介质谐振器）部分，然后通过等效电路转为近似路仿真，然后再经过反复的调试实验，才能成为正品。本文则运用了三维场的仿真来精确计算DR以及其与微带线耦合的空间的三维场，代替了以往的近似路仿真，从而使振荡器的设计更加准确。最后运用ADS的软件优化功能，达到最终目标。

二． DRO振荡器设计过程

GaAs MESFET振荡器常常用于中等功率以下的频率源，工作频率可达35GHz。其具体设计形式有许多不同形式，本文采用一种常用的易于调试的负反馈电路。如图1所示：

图1 FET DRO振荡器电路图图2 DRO振荡器等效电路图

具体步骤如下：

1选用适当的MESFET和适当的电路拓扑结构，一般采用共漏或共源结构，有时也可以根据具体情况采用共栅电路。加入网络正反馈或负反馈后，满足FET在栅极反射系数ГIN>1,从而使FET处于不稳定区域内。

2调节输出匹配电路，满足从栅极看向器件、负载的电阻为负阻。即要满足稳定振荡条件：R in＋R L＝0 X in＋X L ＝0 。

3通过给定的FET小信号S参数设计完成上两个步骤后，再对GaAs FET振荡器进行大信号S

参数仿真设计。即在ADS 软件中，运用谐波平衡法进行最后的整个电路的优化仿真设计。主要包括相噪优化、功率优化、频率点优化等。

三． DR （介质谐振器）的三维仿真

DR （介质谐振器）是DRO 设计中一个最为重要的部件。圆柱形介质块是一种高Q 的谐振器，其R 0值很高，通常为几十KOhm 谐振时L 和c 电抗值大小相等符号相反，其谐振频率由下式确定，F o ＝

LC π21

。 DR 的与微带的耦合结构如图3a 所示，其等效电路如图3b 所示。

图3a DR 介质谐振器结构图

图3b DR 等效电路 图3c 等效二端口网络

图3b 是把DR 等效为路结构计算的。我们通过CST 软件仿真，可以得到如图3c 所示的一个二端口网络，来取代原电路的DR 部件。然后运用ADS 软件进行电路优化设计。

四. DRO 实际应用设计

首先，我们选择了安捷伦公司的ATF26884高性能的场效应管。其静态工作点在V CE ＝5V 、I d ＝30mA 。圆柱介质块：D ＝4.2mm , H=2.4mm, h=8mm, εr =30。 运用CST 对DR 与微带耦合的结果如图4。

图4 DR的仿真结果

经过ADS对电路的大信号优化仿真，得到了DRO的偕波平衡仿真结果和瞬态仿真结果，如图5，图6，图7所示。从中可以看到DRO从起振到稳定振荡的全过程。在12.75GHz ，输出功率超

过了13dBm，相噪小于－105dBc 。

图5输出振荡频率和功率

图6 输出相位噪声

图7 振荡器的起振过程

参考文献

[1] 费元春.微波固态频率源理论、设计、应用[M].北京：国防工业出版社，1994。

[2] Jones, R ,“Low phase noise dielectric resonator oscillator ”，Frenquecy Control , 1990 。

[3] Oliver Bernard，“Simulate and build a Ku－band DRO”，Microwave&RF，MAY2000。

作者简介：

卢士强 ，男，山东茌平县人，硕士研究生。主要研究方向为：微波毫米波电路与微波毫米波电路与系统的研究。Email：lulu98777@

杨国渝, 男，四川省成都市人，教授，硕导，主要从事微波毫米波电路及系统等方向的研究应用。Email: yangluo619@

The design of the Ku band Dielectric Resonator Oscillator

Lu Shiqiang (Master) Yang Guoyu (Professor)

(The Department of the Microwave and Engineering of UESTC of China Postalcode : 610054 ) Abstract: The article introducs how to accurately simulate the Dielectric Resonator ,and how to design the GaAs MESFET Dielectric Resonator Oscillator (DRO) in the 12.75GHz by Negative Resistance theory and Harmonic Balance theory. The soft of Advanced Systerm Design of the Agilent will be used in the nolinerity analyses and optimization design of the DRO . At last , the article estimates the behavior of the DRO .

Key Words : Negative Resistance , Dielectric Resonator , Oscillator , Field Effect Transistor , Harmonic Balance theory 。

Lu Shiqiang, Male, Born in 1979, Postgraduate. His research interest is Microwave & MW circuits and Microwave & MM wave circuits and systems. Email: lulu98777@

Yang Guoyu, Male, Born in 1947, Professor, PHD. His research interest is microwave and MM-wave circuits and systerms。Email: yangluo619@