低相噪低温漂介质振荡器设计

张文锋 高晓强

摘  要：该文设计了一款低相噪、低温漂同轴介质振荡器，该振荡器主要包括三部分：负阻电路部分、同轴介质谐振部分、输出缓冲放大部分。其中，负阻部分和缓冲放大部分使用MMIC工艺实现，谐振部分采用同轴介质和薄膜工艺实现，整体组装采用微组装工艺，在实现产品小型化的同时，达到了低相噪、低温漂的设计目标。最终产品的尺寸为：14 mm×14 mm×5 mm。测试结果表明：在电源电压+9 V、电调电压0～9 V条件下，该产品的输出频率为2.958～2.988 GHz，相位噪声为-107 dBc/Hz@10 kHz，温漂为：3 MHz。

关键词：负阻单片  同轴介质谐振器  低相位噪声  低温漂

中图分类号：TN752                        文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）05（a）-0010-05

Abstract： In this paper， a low phase noise， low temperature drift CRO is designed. The oscillator mainly includes three parts： negative resistance circuit part， coaxial dielectric resonance part， output buffer amplifier part. Among them， the negative resistance part and buffer amplification part are realized by MMIC process， the resonant part is realized by coaxial medium and thin film process， and overall assembly is realized by micro-assembly process. While realizing the product miniaturization， the design goal of low phase and low temperature drift is achieved. The size of the final product is 14 mm×14 mm×5 mm. The test results show that the output frequency of the product is 2.958～2.988 GHz， the phase noise is -107 dBc/Hz@10 kHz， and the temperature drift 3 MHz under the condition of the power supply voltage +9 V and the electric regulating voltage 0～9 V.

Key Words： Negative resistance MMIC; Coaxial dielectric resonator; Low phase noise; Low temperature drift

随着现代通信系统、雷达系统的蓬勃发展，对频率源器件的相位噪声以及尺寸要求越来越高，压控振荡器作为频率源的核心器件，其相位噪声的好坏以及尺寸的大小会直接影响频率源系统最终的相位噪声性能以及尺寸[1]。如何在改善输出信号相位噪声指标的同时实现压控振荡器小型化，是未来的发展方向之一。

同轴介质谐振器具有较高的Q值，因此应用该谐振器制作的振荡器与LC振荡器相比具有优良的相位噪声。传统的介质振荡器通常由PCB板、塑封器件、封装电容、封装电感等构成，可靠性不高，因此探索一套介质振荡器新的设计方法至关重要。

该文提出的低相噪、低温漂介质振荡器基于MMIC和薄膜工艺，最终采用陶瓷管壳气密封装，在保证相位噪声性能的同时，实现了产品的小型化，提高了产品的可靠性，质量等级达到了宇航等级。

1  介质振荡器原理简介

介质振荡器主要由负阻电路部分、同轴介质谐振部分、输出缓冲放大部分三部分组成。其中，负阻电路部分主要由三極管及其外围电路构成，其功能为：为电路提供能量，以补偿谐振器的损耗，从而维持稳定的振荡;输出缓冲放大为电路提供良好的匹配，以保证振荡的稳定性和输出功率的平坦度，主要由输出耦合电容、三极管以及衰减器等构成;谐振网络的功能为选频和储能，确定振荡器的振荡频率，主要由同轴介质CR以及变容二极管和相关电容、电感器件构成[2]。

2  负阻电路及输出缓放电路设计

2.1 工艺选择

该次设计将负阻电路以及输出缓放电路集成在一个MMIC芯片上，因此芯片工艺的选择至关重要。

与其他工艺相比，GaAs HBT工艺具有以下优点：（1）HBT 的电流垂直流过异质结界面，界面陷阱效应小，所以闪烁噪声远远小于 HEMT 和MOS 器件，非常适合低相位噪声器件的设计;（2）GaAs的衬底是半绝缘的，可以制造出更高性能的器件，且器件之间的隔离性能也更好;（3）GaAs 材料的热稳定性好，用它制造的器件和集成电路可以工作在较高的温度下。因此，最终选用GaAs HBT工艺制作负阻电路和输出缓放电路[3]。

2.2 负阻电路设计

常见负阻电路有两种：三极管发射极输出负阻和三极管基极输出负阻。该文将采用发射极输出负阻，其电路拓扑如图1所示。

该文设计的介质振荡器输出频率为2.958～2.988 GHz，因此设计负阻频率覆盖范围应包含2.958～2.988 GHz。

2.3 输出缓冲放大电路设计

输出缓冲放大电路的作用为：提高振荡电路与负载的隔离度，降低负载牵引对振荡器的影响，缓冲放大电路最终采用电路拓扑见图2。

利用EDA仿真软件进行仿真设计，调整各个元器件参数，缓冲放大器的最终仿真结果见图3。

从仿真曲线中够可以看出，该缓冲放大器在3 GHz的正向增益为16.5 dB，反向隔离为-20 dB，满足设计要求。

2.4 负阻电路+输出缓冲放大电路芯片制作

将设计完成的负阻电路版图和缓冲放大器电路版图集成在同一芯片上并流片，最终得到的负阻单片[4]如图4所示，芯片尺寸为1.8 mm×1.4 mm。

3  同轴介质谐振电路设计

同轴介质谐振器通常情况下有两种使用方式：一种为1/4波长短路使用，即一个端口短路，另一端口开路且表面金属化;另一种使用方式为1/2波长开路使用，即两个端口均开路且表面金属化[5]。

在EDA仿真软件中对同轴介质进行建模仿真，调整介质长度，其仿真结果见图5。

从仿真结果中可以看出该谐振器的谐振频率为3.04 GHz，满足设计要求。

对仿真数据进行处理，得到谐振器的等效电感见图6所示。

从曲线中可以看出，在小于谐振频率时，谐振器的阻抗为感性，且等效电感值随着频率的升高而增大。

在介质振荡器的设计过程中，通常同轴介质等效为高Q的电感，介质振荡器的振荡器频率略低于同轴介质的谐振频率。

为了进行频率调整和调谐，除同轴介质外，引入额外的电感、电容和变容二极管构成谐振电路，谐振电路将采用薄膜电路进行制作。

4  介质振荡器整体电路结构设计

介质振荡器整体电路结构拓扑见图7。

在CRO的工作过程中，从介质端口向介质看介质实质等效为电感L（f），向其他电路单元看，其他电路单元等效为电容C，电感和电容构成L-C并联谐振，因此CRO的工作频率因为并联电容而低于介质的自谐振频率[6]，并遵循公式：

对介质进行建模仿真，介质等效感值L（f1）随频率的变化曲线见图6。下面对介质振荡器的工作状态进行分析。

假设CRO工作在频率f1，此时对应的等效电感值为L（f1），等效电容为C，当由于外界变化（包括温度变化）导致振荡频率上升时，振荡频率上升使介质的等效电感增大，从而又使振荡频率减低，反之亦然，正是由于等效电感与频率的函数关系使整个振荡系统处于负反馈状态，提高振荡系统的稳定性。

同时，从图6中可以看出，越接近谐振频率，等效电感随频率变化的越快，因此越接近谐振频率，负反馈越强烈，振荡稳定性越好，由外界干扰引起的频率变化越小。

综上，在介质振荡器的设计过程中，可通过选取合适长度的介质从而达到低温漂的设计效果。

5  测试结果

该文基于GaAs HBT设计了集成负阻电路和缓冲放大电路的负阻单片，并进行了流片;基于同轴介质谐振器和薄膜工艺制作了谐振电路，最终通过微组装工艺装配从而得到了最终的介质振荡器产品，产品尺寸为：14 mm×14 mm×5 mm，采用陶瓷管壳气密封装，产品质量等级达到宇航级，其最终产品的照片见图8。

该介质振荡器测试系统主要用到的仪器设备有：直流稳压电源、电流表、频谱仪、信号源分析仪。

对该介质振荡器进行测试，测试曲线见图9。

从测试曲线中可看出，该介质振荡器在在电源电压+9 V、电调电压0～9 V条件下，该产品的输出频率为2.958～2.988 GHz，相位噪声为-107 dBc/Hz@10 kHz。另外在-55 ℃～+85 ℃条件下测试，温漂为3 MHz，达到了设计目标。

6  結论

该文基于GaAs HBT工艺、薄膜工艺以及同轴介质谐振器设计了一款低相噪、低温漂介质振荡器，该产品在电源电压+9 V、电调电压0～9 V条件下，输出频率为2.958～2.988 GHz，相位噪声为-107 dBc/Hz@10 kHz。另外，在-55 ℃～+85 ℃条件下测试，温漂为3 MHz。该低相噪、低温漂介质振荡器对降低频率源的相位噪声有重要意义。

参考文献

[1] 杨岚清，赵世巍.K波段推推介质振荡器设计[J].电子元件与材料，2020，39（5）：73-78.

[2] 周祥.x波段低相噪蓝宝石介质振荡器的研制[D].电子科技大学，2018.

[3] 高晓强，张加程，王增双，等.低电调电压全集成10～20GHz VCO的设计与实现[J].半导体技术，2020，46（1）：30-35，46.

[4] 张海拓.基于CRO的低相噪频率合成器设计[J].电子技术与软件工程，2017（15）：80.

[5] 刘勇.微波介质振荡器抗振结构的模态分析及其设计[J].科技资讯，2019，17（12）：67-68.

[6] 张朋奇.极低相噪稳频技术研究[D].电子科技大学，2018.