ADS设计介质振荡器
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
l 存在剩余负阻 l 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-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-0.162 满足振荡条件方程 3 在实际电路的设计过 程中,使电抗为零的简单方法是保证介质块置于靠近振荡场效应管的正确位置上
图5 给部件建立模型的时候必须注意他们的寄生参数会使得最终的振荡器特性的寄生响应 增加 然而 只要精细设计这些网络及部件的参数,最终振荡电路的性能不会受到很大影响
5 仿真结果
仿真得到的整个 DRO 的谐波平衡仿真结果及瞬态仿真结果如图 6 图 7 所示 从该图 中可以清楚地看出 DRO 从起振到稳定振荡的全过程 在 9GHz 的频率上 其输出功率超 过 8dBm 由于时间关系 振荡器的相位噪声性能还未进行仿真
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
350
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
pf_nec_NE71084_19921216 A3
Term Term2 Num=2
Z=50 Ohm
DC_Feed DC_Feed1
V_DC SRC2 Vdc=0.4 V
TLIN TL1 Z=50.0 Ohm
E=90 F=9 GHz
C C3 C=47 pF
C C4 C=0.212736 pF
Vout
352
TRANSIENT
Tran Tran1 StopTime=100.0 nsec MaxTimeStep=1.0 nsec
cResP RLCp2 Q=10000 fo=9 GHz Rp=10e3 Ohm
S-PARAMETERS
S_Param SP1 Start=100 MHz Stop=15 GHz Step=10 MHz
图6
图7
参考文献
1 王蕴仪等 微波器件与电路 1981 2 J.M.Floch, “Technique allows simple design of microwave DROs,” Microwaves and RF, pp. 107-111, March 1995. 3 Design Consideration for a Ku-Band DRO in Digital Communication System APPLICATION NOTE ,AN1035 ,California Eastern Laboratories 99 5
353
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 Advanced System Design 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
RIN + 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
RIN + RL = 0
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 GaAs FET 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 VD 和 Ids
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 OSC_PORT 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
HARMONIC BALANCE
HarmonicBalance HB1 Freq[1]=9 GHz Order[1]=3 OscMode=yes
DC_Feed DC_Feed2
V_DC SRC1 Vdc=3 V
C C3
C=47 pF
Vout
R R1 R=50 Ohm
OscPort Osc1 V= Z=1.1 Ohm NumOctaves=2 Steps=10 FundIndex=1
F0
=
2 ⋅π ⋅
1 L0
⋅C0
4
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 VCE=3V Ic 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
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 r 为 30 在 9GHz 频率上的 Q 值大 于 10000 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
351
S-PARAMETERS
S_Param SP1 Start=100 MHz Stop=15 GHz Step=10 MHz
cResP RLCp2 Q=10000 fo=9 GHz
Rp=10e3 Ohm
Term Term1 Num=1
Z=50 Ohm
DC_Feed DC_Feed2
V_DC SRC1 Vdc=3 V
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
板图ห้องสมุดไป่ตู้
ｎ：１
Ｒ０
等效电路
Ｃ０
Ｌ０
图2 由于圆柱形介质块是一种高 Q 低损耗 的谐振器 其 R0 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 R0 谐振器的频率 由以下方程 4 确定
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
MaxLoopGainStep=
DC_Block DC_Block1
DC_Feed DC_Feed1
pf_nec_NE71084_19921216 A3
V_DC SRC2 Vdc=0.4 V
TLIN
TL1 Z=50.0 Ohm E=90
F=9 GHz
C C4 C=0.212736 pF
DC
DC DC1 SweepVar=
Term Term3 Num=3 Z=50 Ohm
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 50ohm 的负 载阻抗 如果 S11 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 S11 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 S11 为 2.323 存在适当的负阻
(2)
XIN + 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
设计谐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
图5 给部件建立模型的时候必须注意他们的寄生参数会使得最终的振荡器特性的寄生响应 增加 然而 只要精细设计这些网络及部件的参数,最终振荡电路的性能不会受到很大影响
5 仿真结果
仿真得到的整个 DRO 的谐波平衡仿真结果及瞬态仿真结果如图 6 图 7 所示 从该图 中可以清楚地看出 DRO 从起振到稳定振荡的全过程 在 9GHz 的频率上 其输出功率超 过 8dBm 由于时间关系 振荡器的相位噪声性能还未进行仿真
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
350
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
pf_nec_NE71084_19921216 A3
Term Term2 Num=2
Z=50 Ohm
DC_Feed DC_Feed1
V_DC SRC2 Vdc=0.4 V
TLIN TL1 Z=50.0 Ohm
E=90 F=9 GHz
C C3 C=47 pF
C C4 C=0.212736 pF
Vout
352
TRANSIENT
Tran Tran1 StopTime=100.0 nsec MaxTimeStep=1.0 nsec
cResP RLCp2 Q=10000 fo=9 GHz Rp=10e3 Ohm
S-PARAMETERS
S_Param SP1 Start=100 MHz Stop=15 GHz Step=10 MHz
图6
图7
参考文献
1 王蕴仪等 微波器件与电路 1981 2 J.M.Floch, “Technique allows simple design of microwave DROs,” Microwaves and RF, pp. 107-111, March 1995. 3 Design Consideration for a Ku-Band DRO in Digital Communication System APPLICATION NOTE ,AN1035 ,California Eastern Laboratories 99 5
353
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 Advanced System Design 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
RIN + 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
RIN + RL = 0
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 GaAs FET 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 VD 和 Ids
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 OSC_PORT 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
HARMONIC BALANCE
HarmonicBalance HB1 Freq[1]=9 GHz Order[1]=3 OscMode=yes
DC_Feed DC_Feed2
V_DC SRC1 Vdc=3 V
C C3
C=47 pF
Vout
R R1 R=50 Ohm
OscPort Osc1 V= Z=1.1 Ohm NumOctaves=2 Steps=10 FundIndex=1
F0
=
2 ⋅π ⋅
1 L0
⋅C0
4
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 VCE=3V Ic 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
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 r 为 30 在 9GHz 频率上的 Q 值大 于 10000 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
351
S-PARAMETERS
S_Param SP1 Start=100 MHz Stop=15 GHz Step=10 MHz
cResP RLCp2 Q=10000 fo=9 GHz
Rp=10e3 Ohm
Term Term1 Num=1
Z=50 Ohm
DC_Feed DC_Feed2
V_DC SRC1 Vdc=3 V
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
板图ห้องสมุดไป่ตู้
ｎ：１
Ｒ０
等效电路
Ｃ０
Ｌ０
图2 由于圆柱形介质块是一种高 Q 低损耗 的谐振器 其 R0 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 R0 谐振器的频率 由以下方程 4 确定
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
MaxLoopGainStep=
DC_Block DC_Block1
DC_Feed DC_Feed1
pf_nec_NE71084_19921216 A3
V_DC SRC2 Vdc=0.4 V
TLIN
TL1 Z=50.0 Ohm E=90
F=9 GHz
C C4 C=0.212736 pF
DC
DC DC1 SweepVar=
Term Term3 Num=3 Z=50 Ohm
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 50ohm 的负 载阻抗 如果 S11 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 S11 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 S11 为 2.323 存在适当的负阻
(2)
XIN + 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
设计谐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