C波段高稳定陶瓷谐振振荡器设计

王红梅，温艳兵，王毅刚，马建军

（中国电子科技集团公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

随着微波半导体技术和集成电路的飞速发展，微波设备和系统也趋向小型化、轻量化和集成化。微波陶瓷谐振振荡器（CRO）使用高Q值的陶瓷谐振器（CR）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[1]。本文结合C波段CRO的电路仿真、制作从多个方面论述了实践中提高频率稳定度的方法。

2 基本原理

振荡器是由一个有源器件（二极管或三极管）和确定频率的无源谐振元件及输出匹配网络组成的，见图1。

图1 负阻振荡器等效网络[2]

从图1可以看出谐振网络、晶体管及输出网络的变化都会对振荡器频率稳定造成影响。由公式:可以看出电感L和电容C直接决定着频率，而它们又随温度、湿度、大气压力、振动等环境因素变化而变化，导致频率跟着变化。尤其是随着频率增高，电抗元件的高频损耗加大，Q值下降，所以在频率、带宽满足的前提下应尽量选择高Q值的谐振器。

3 电路设计及仿真

这里我们制作了一种C波段压控振荡器，由于在全温范围内频率稳定度指标为f±15MHz、调频线性小于1.1、总调谐带宽近200MHz，所以首先考虑到用石英谐振器、介质谐振器（DR）等固体谐振系统代替由电感、电容构成的电磁谐振系统，因为这类振荡器都是高Q值、低损耗，较易实现较高的频率稳定度、频率准确度及低相噪，且体积、耗电均很小。通过比较发现，石英谐振器的谐振频率过低，而介质谐振器在C波段体积又过大，只有陶瓷谐振器（CR）尺寸合适，为此我们在调谐回路引入了陶瓷谐振器（CR）。CR类似于硬同轴线，其中心导体的末端与同轴线的外部相连。因为CR的同轴装置是由镀银的高ε、低损耗材料制成，电磁场仅包含在同轴内部，只有很少的辐射，所以适用于高Q值、高稳定度的振荡器。CR通常工作在λ/4模式或λ/2模式。这里我们选用了TEMEX公司的CR，εr=37，工作在λ/4模式。

3.1 电路形式的选择

共基极电路易起振，调谐带宽宽；共集电极电路输出功率大、调谐带宽小，考虑到带宽，这里采用了共集电极、基极调谐、射极输出的电路，见图2。

图2 电原理图

3.2 晶体管工作点的选择

晶体管的参数（输入输出阻抗等）受工作点影响很大，其结电压会随着温度升高而以一定比率降低，使结电容增大，造成频率下降，所以本例中我们除了选择高稳定的稳压块给振荡管供电外，还在稳压块引脚处并联了相差两个数量级的电容去耦来减小纹波，使相噪更好，频稳度更高；同时利用PN结在高低温下压差变化的特性，特别减小了射极下偏置电阻值，这样工作电流的改变，起到了补偿频率变化的作用，尤其是在低温下。晶体管工作在+5V，电流仅为10mA，这样也防止了因电流过大引起晶体管结温升高而导致的频漂。

3.3 回路耦合设计

负载的变化会直接反映到振荡回路中，既影响谐振频率，又使Q值变化，从而改变频率，故从振荡回路的低阻抗点输出信号可减小负载的影响。这里由于体积所限输出采用了衰减后再加放大器，而不是常规的在振荡器与负载间加隔离器，这样负载与谐振回路的耦合更弱，影响更小。谐振回路也采用了弱耦合，CR与变容管之间只用了0.2pF的片电容。

3.4 压控支路的温度补偿

这里变容管选择了1084，系常γ超突变结砷化镓变容二极管，其Q值高于硅变容二极管。由于变容管非线性，偏压低时变容管曲线斜率大，压控斜率也大，偏压高时正相反；且温度变化会使变容管接触电位和介电常数发生变化，引起结电容的变化，且呈正温度系数关系。所以我们将一只负温度系数的陶瓷电容串入变容管谐振回路，在全温范围取得较好的补偿效果。同时由于该变容管变比大，而我们只需200MHz带宽，所以对压控支路进行了分压，并在分压支路引入热敏电阻进行了温度补偿，见图3。

图3 压控支路

考虑到宽温范围，该补偿网络选用了双热敏电阻单T型网络，这种形式适用于二次曲线的补偿，其中R1、R2、R3为固定电阻，上偏置R4（T）为负温度系数热敏电阻，下偏置R5（T）为正温度系数热敏电阻。为防止过度补偿，这里还用了一个固定电阻R6与热敏电阻R5（T）并联，以降低R5（T）随温度变化的灵敏度。

3.5 电路仿真

仿真电路及仿真结果见图4、图5。

图4 仿真电路

图5 仿真结果

3.6 试验结果

通过以上的分析与仿真，我们制作的C波段CRO取得了较为满意的指标，V-P、V-f特性见图6，全温范围温漂≤50×10-6/℃，带内线性≤1.1，频率稳定度≤±15MHz，带宽稳定度≤±2MHz。

图6 实测曲线

谐波抑制≥20dBc，杂波抑制≥60dBc，相噪≤-108dBc/Hz/10kHz。

4 结论

从以上分析可知，提高振荡器频率稳定度的方法就是提高振荡回路的Q值，比如选择高Q的变容管、电容、电感等元件；因Q正比于，可增加电感量；振荡管工作点的选择及电路形式也至关重要。这里再补充一点，最好在装配好一个振荡器后先进行一定时间的高温电老化，使所用元器件的状态更稳定，这样也有利于频率稳定度的提高。总之，根据产品的指标可以综合运用多种方法，以取得满意的效果。

[1] George D. Vendelin，Anthony M. Pavio，等.线性与非线性微波电路设计[M]. 北京：电子工业出版社，2010.

[2] 费元春，陈世伟，孙燕玲，等. 微波固态频率源——理论·设计·应用[M]. 北京：国防工业出版社，1994.