傳輸型耦合介質振蕩器的計算機輔助設計
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1 引 言
隨著微波半導體技術和微波集成電路的發展，微波設備和系統也趨向于小型化、輕量化、固態化和集成化。微波系統中的微波源也對其諧振器的小型化、高Q值提出了迫切的要求。微波介質諧振器振蕩器(DRO)由于使用高Q值(5 000～10 000)的微波介質諧振器作為穩頻元件，故具有頻率穩定度高、體積小、重量輕、價格低、結構簡單等突出優點，已廣泛應用于現代衛星通信和其他微波系統中，成為新一代的微波固態源。
根據DR對振蕩電路的不同耦合方式和所起的作用，DRO通常可采用兩種類型的電路來實現：
(1)DR作為無源穩頻元件耦合于晶體管自激振蕩器，如帶阻濾波器加載型DRO。
(2)DR作為晶體管振蕩器反饋網絡或匹配網絡的元件以確定振蕩頻率，如串、并聯反饋型和傳輸型DRO。
其中帶阻濾波器加載型頻帶窄，存在跳模、頻率調諧回滯現象，而反饋型具有頻帶寬、輸出功率大等優點，應用很廣。因此，本文所沒計的DRO由選用串聯反饋型，其諧振電路采用傳輸型耦合的DR。
2 DRO工作原理
本文所設計DRO的原理圖如圖1所示。
DRO由兩部分組成，一為有源網絡部分，包括場效應管、源極串聯反饋網絡和漏極輸出匹配網絡(偏置電路圖中未畫出)。源極串聯反饋網絡為一段開路傳輸線，他等效為一純電抗，作為產生負阻的串聯反饋元件。輸出匹配網絡使DRO獲得最大的輸出功率。二為介質諧振器和耦合加載網絡，本文采用傳輸型耦合DR，他通過一段微帶傳輸線接到場效應管的柵極以滿足DRO穩定振蕩的相位條件。要使振蕩器工作于最佳狀態，根據文獻[3]，必須合理地選擇串聯反饋開路傳輸線長度、柵極傳輸線長度、輸出匹配網絡以及DR與微帶線之間的耦合系數，才能滿足DRO振蕩的幅相條件。由于有多個變量發生變化，并且使用兩根微帶線與DR耦合，人工計算很難進行，因此通常采用微波軟件進行計算機輔助設計。
3 傳輸型耦合DR的設計
傳輸型耦合DR將DR同時置于兩根50 Ω微帶線之間，如圖1中所示，L2和L3約為λg/4，以激勵起使諧振器與微帶線產生磁耦合的TE01δ模。
圓柱形介質諧振器的諧振頻率可根據式(1)估算：
式中，c為真空中的光速，d為圓柱形介質的直徑，εr為圓柱形介質的相對介電常數。
為了得到主模為TE01δ的諧振，圓柱形介質諧振器的高度hd與直徑d之間通常滿足下列關系式：
hd/d=0.5 (2)
根據以上估算結果，在10 mil的duriod介質板上利用Ansoft軟件進行優化分析，如圖2所示。
最終確定DR的參數為：材料BaNiO3(εr=30)，直徑d=5.12 mm，高度hd=2.74 mm，微帶線長度L=4.5 mm。其正向傳輸曲線如圖3所示。
可見，傳輸型耦合DR可等效為一窄帶帶通濾波器。
4 DRO的優化設計與結果分析
我們選用NEC公司的HEMT管芯NE32400，其工作頻率可達到18 GHz。設計中考慮了連接管芯金絲電感和過孔電感的影響，并且設計了柵極和漏極的偏置電路。根據前面的分析結果，采用微波軟件優化源極開路線長度、DR與微帶線的耦合距離、輸出匹配網絡以及DR與柵極間微帶線的長度，以獲得DRO的最佳性能。最終設計的DRO如圖4所示。
所設計DRO的功率譜和相位噪聲分別如圖5和圖6所示，可以看出，該DRO電路振蕩的中心頻率 f0=12 GHz，輸出功率P0=8.6 dBm，二次諧波功率為-35.7 dBm，具有很好的頻率抑制度。在偏離載頻100Hz處的相位噪聲小于-80 dBc/Hz，100 kHz處的相位噪聲小于-140 dBc/Hz，可見，該DRO電路是一個高Q值振蕩器，具有噪聲低的優點。
5 結語
DRO的研制具有一定的復雜性，采用理論分析與計算機輔助設計技術可以簡化設計過程，獲得良好的性能指標。
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