一种Ka频段锁相介质振荡器的设计

邹伟渊

摘要：本文研究了一种Ka频段锁相介质振荡器，分析了取样锁相技术的原理与特性，进行了电路设计和软件仿真，并进行了实物测试。测试结果表明，该介质振荡器经二次倍频输出频率为27GHz，功率大小为9.10dBm，相位噪声达到了103.10dBc@1kHz，107.03dBc@10kHz，109.01dBc@100kHz。

关键词：Ka频段;介质振荡器;取样锁相环;低相位噪声;星载微波射频通信系统

引言

信号源是一类重要的微波组件，其中介质振荡器（DRO）制作的信号源性能良好，可用于信号源设计。同时取样锁相技术可以实现改善频率源相位噪声的目的，在信号源中应用广泛。

Ka频段设备的发展已逐渐趋于成熟，已在中继卫星、深空测控中采用了Ka频段的测控通信系统，Ka频段的测控通信系统拥有技术基础和经验[1]，为适应星座微波通信系统的发展，Ka频段振荡器的研究具有现实意义。

2020年电子科技大学蔡宗棋基于Ka频段的负阻振荡器设计了一款多普勒雷达探头[2]，其中振荡器在34GHz附近产生振荡信号，偏离载频1MHz处相位噪声可以达到117.56dBc/Hz，作者验证了利用高Q谐振器改善相位噪声的可行性，但对于外延设计涉及较少，相位噪声还可以进一步优化;2010年电子科技大学石涛设计了一个基于介质振荡器的Ka频段点频源[3]，输出频点为27.508GHz，偏离载频1kHz处的相位噪声为-82 dBc/Hz;2008年王嘉、林勇、何庆国研制的一款Ka频段介质振荡器[4]，输出频率为38.22GHz，偏离载频100kHz处的相位噪声为-80dBc。

本文设计的Ka频段锁相介质振荡器，通过取样锁相环与介质谐振腔实现频率输出，相位噪声良好。测试结果表明该锁相介质振荡器输出频率为27GHz，功率大小为9.10dBm，相位噪声达到了103.10dBc@1kHz，107.03dBc@10kHz，109.01dBc@100kHz

1 相位噪声分析

相位噪声是表征信号源质量的重要指标。对于一个理想的信号源，其频谱形似在本振频率处的冲激函数，实际上由于噪声会对信号的幅度和频率产生影响，如下图1所示。

设计过程中信号幅度可以通过再次调制适应实际需求，影响不大，主要考虑频率噪声带来的影响。

1.1 介质谐振腔的相位噪声

振荡器中的谐振单元是决定振荡器输出信号相位噪声质量好坏的核心部件。介质振荡器中谐振单元为介质谐振腔，其品质因数越高相位噪声越好，相位噪声性能往往优于一般的集总元件振荡电路，并且可以在更高的工作频段应用。介质材料具有高介电常数、高品质因数和稳定性高的特点，其中四钛酸钡和改良四钛酸钡最具代表性[5-6]，钛酸钡复合材料室温下具有高介电常数和低介电损耗的优点[7]，此外还有二氧化钛等介质材料，其制作的介质谐振腔的品质因数一般能达到数千，谐振频率信号较集总元件振荡电路具有更好的相位噪声。

1.2 锁相环的相位噪声

锁相环路总输出相位噪声包括参考信号的噪声、压控振荡器的噪声、环路滤波器的输出和鉴相器的噪声。这些噪声可分为两类[8]，一类为主要集中在带内的低通型噪声，包括参考信号、环路滤波器以及鉴相器的噪声，这要求设计时需要减小环路带宽和控制分频比，选择器件时需要考虑噪声特性;二类为带外的高通型噪聲，主要来自于压控振荡器，可以考虑增大环路带宽、选用高质量谐振单元。

2 谐振频率计算

介质谐振腔的谐振频率可以通过三种途径求解。

第一种可以用下式求解[9]。

式中α为腔外沿轴线的传播常数，β为腔内沿轴线的传播常数，L为圆柱腔体高度。

由α和β两个可以得到谐振频率的范围，通过数值求解的方法，例如区间半分法去寻找上式的根。这种方法忽略了腔体周围杂散场的影响，有将近10%的误差，对于实际应用精度不够。

第二种可以用下式对一个孤立的圆柱谐振腔谐振频率进行估算[10]。

式中a为圆柱腔体的半径，L为圆柱腔体高度，为材料介电常数。这种方法精度约为2%。

第三种通过电磁仿真软件HFSS求解，通过剖分网络和微元法分析，设置合适的求解模式、边界条件和材料参数即可得出精确的结构。这种方法最为常用，结果精度高。

3 锁相介质振荡器的设计

考虑锁相介质振荡器的单边带相位噪声表达式为

式中fm为频率偏移，L（fm）为单片带噪声，fvco、fref分别为压控振荡器与参考信号频率。

分析上式，设计时需要考虑的因素有两个：压控振荡器频率与参考频率比值与参考信号的相位噪声。本设计中参考为高质量的外部信号发生器给出100MHz信号，参考信号的单边带噪声对输出信号影响不大;为了降低压控振荡器频率与参考频率比值，可以采用取样鉴相的方式取代直接分频鉴相。低频的参考信号进入取样鉴相器后产生重复频率与参考频率相同相同的的窄脉冲，这些窄脉冲再对压控振荡器的反馈信号进行取样，形成控制电压控制压控振荡器，使得最终输出信号与参考信号的整数倍一致。取样鉴相直接与压控振荡器信号高频鉴相，降低项对于总相位噪声的影响。取样鉴相器有一个阶跃恢复二极管、一组肖特基二极管对和两个开关电容构成，电路模型如下图2所示。

介质振荡器的电路设计如图3所示。

将振荡三极管、偏置电路和后级衰减放大电路利用MMIC技术，集成到一个GaAs芯片上，实现负阻振荡电路的功能。介质振荡器和电路基片之间使用混合集成电路中常用的84-3型环氧胶进行粘连，经过两个小时150℃高温烘烤的固化过程，84-3环氧胶在集成工艺中应用广泛，与陶瓷材料的应力匹配好，能够保证介质粘连强度和稳定性。

4 仿真与测试

介质振荡器的实现采用AsGa负阻芯片与介质谐振腔串联，实现13.5GHz的信号输出，经二次倍频得到27GHz信号。在HFSS仿真软件中建立介质振荡器与微带线的耦合模型仿真其选频特性。选择介电常数为3.66的罗杰斯RO4350介质板，微带线调整为半个波长，建立下图4所示的三维结构模型。

微调谐振腔与微带线的耦合间距，谐振腔的半径与高度，得到仿真结果如图5所示。

仿真结果表明，S21在13.5GHz处达到了峰值-0.4136dB，所需频率由介质谐振腔“挑选”了出来。下图6为此时场分布。

上圖可以看出此时电磁能量基本位于腔内，泄露很少。

最终测试结果为输出中心频点为27.000016917GHz，现场测试如图7：

相位噪声测试结果如表1

下图8为介质振荡器的实物图片，最终实物尺寸为60mm×48mm×10mm，符合小型化设计。

5 结论

本文介绍了一种Ka频段锁相介质振荡器的设计，通过理论研究和仿真设计，最终实物取得了较好的相位噪声，可为通信系统提供良好的信号源。

参考文献：

[1]刘嘉兴. 再论发展Ka频段测控通信网的思考[J]. 电讯技术， 2008， 48（12）：8.

[2]蔡宗棋. 低相噪微波毫米波振荡器研究[D]. 电子科技大学： 电子科技大学，2021.

[3]石涛. 低相噪毫米波点频源研究[D]. 电子科技大学： 电子科技大学，2011.

[4]王嘉，林勇，何庆国，. Ka波段介质谐振器的研究[J]. 半导体技术，2008，（10）.

[5]Masse D J，Pucel R A， Readey D W ， et al. A new low-loss high-k temperature-compensated dielectric for microwave applications[J]. Proceedings of the IEEE， 2005， 59（11）：1628-1629.

[6]Plourde J K ， Linn D F ， Jun. O H M ， et al. ChemInform Abstract： BARIUM TITANIUM OXIDE （BA2TI9O20） AS A MICROWAVE DIELECTRIC RESONATOR[J]. ChemischerInformationsdienst， 1976， 7（2）：no-no.

[7]李嘉皓. 钛酸钡基陶瓷的制备及其电卡性能的研究[D]. 青岛大学： 青岛大学，2021.

[8]《微波集成电路大全》编委会.中国集成电路大全：微波集成电路[M].国防工业出版社，1995.

[9]波扎.微波工程：第三版=Microwave Engineering：英文 [M].电子工业出版社，2006.

[10]巴尔.微波固态电路设计[M]=Microwave solid state circuit design[M].电子工业出版社，2006.