ADS設(shè)計(jì)介質(zhì)振蕩器

1、ffl ADS設(shè)計(jì)介質(zhì)振蕩器楊霖顧忠誠(總參第63研究所南京210007)摘耍，本文介紹了使用負(fù)阻法設(shè)計(jì)9GHz介質(zhì)振蕩器的實(shí)例.在設(shè)計(jì)過程中使用了 Angilcm 公司的Advanced System Design軟件，并對(duì)最終所設(shè)計(jì)的振蕩器的性能進(jìn)彳了評(píng)估. 關(guān)鍵詞，負(fù)阻介質(zhì)振蕩器ADS1. 負(fù)阻振蕩器理論基礎(chǔ)圖1在負(fù)阻振蕩器設(shè)計(jì)中,負(fù)電ifl可以通過使用帶有適、i反饋的三增口器件來方便地得到. 圖1示出了一個(gè)典吃的負(fù)陽振蕩器的框圖，使之能夠成為振蕩器的首要條件是耍保證該電路 處j;不穩(wěn)定的狀態(tài)：Rin + Ri. V 0其次，耍保證該電路是 個(gè)能夠穩(wěn)定振蕩的電路，繼U必須滿足以下條件Ri

2、n + Ri.= 0(2)Xin + Xl= 0(3)基F以上理論,我們使用ADS設(shè)計(jì)和仿真負(fù)阻器件,以滿足起振條件,即方程 ； 設(shè)計(jì)諧振器電路以滿足穩(wěn)定振蕩條件.即方程 和方程.最后再將兩部分電路合并. 用諧波平衡法対整個(gè)電路的性能在ADS中進(jìn)行仿真.2. 仿真器介紹ADS提供了多種仿真器.在振蕩器的設(shè)計(jì)中，用到了部分仿真器，我們?cè)谙露鴮⒔o 予逐一的簡單介紹.a. DC仿真器DC仿真器用仿真電路的肖流性能，在本方案中用設(shè)計(jì)負(fù)阻器件的苴流偏置電路. bS_Paramcter仿真器S參蛟仿真器用計(jì)養(yǎng)也路的S參數(shù)、Y參數(shù)和Z參數(shù).在使用S參數(shù)仿貞器時(shí)需要疋 義起、止頻率此外，需要在所需測(cè)量的電路端

3、口上添加電路端接電阻.本文中S參數(shù)仿 貞器用在設(shè)計(jì)負(fù)阻器件的過程中計(jì)算有源器件的輸入阻抗，以及在諧振器設(shè)計(jì)的過程中檢 驗(yàn)三個(gè)振蕩條件方程.c.諧波平衡仿真器諧波平衡仿典器用J仿其振蕩器電路的性能，盂耍設(shè)宣相應(yīng)的參數(shù)來定義所期里得到的 基頻.在本方案中還耍用到OSC.PORT. OSC_PORT的作用是將負(fù)阻器件與諧振器電路分 離開來，其箭頭必須指向負(fù)阻器件電路.該仿真器將用對(duì)振蕩器的最終性能評(píng)估.3- DRO設(shè)計(jì)方法概述介質(zhì)振蕩器便川介質(zhì)諧振器(通常為関柱形介質(zhì)塊)確定振蕩頻率介質(zhì)諧振器是一種 具有高電容率、低損耗材料的小的圓形介質(zhì)塊，它的基本諧振頻率由其自身的相對(duì)介電常數(shù) 和物理尺寸所決定.

4、9金屈腔諧振器類似，N諧振的產(chǎn)生是電磁波在介質(zhì)邊緣與空氣Z間連 續(xù)反射的結(jié)果.其諧振頻率也受接地金屬墻放胃的位置與介質(zhì)塊之間的緊密程度的影響.耍想使用一個(gè)介質(zhì)諧振器來確定微波振蕩器的振蕩頻率，通常將KS J-微帶傳輸線旁， 使傳輸線與介質(zhì)塊耦介這部分耦合電路在ADS屮可以用一個(gè)并聯(lián)RLC諧振器來確定其電 路模型.介質(zhì)塊與微帶傳輸線耦合的典型配置以及其等效電路在圖2中示出.用變爪器模擬 介質(zhì)諧振器與微帶線之間的耦介介質(zhì)諧振器與微帶線耦介得越緊，變壓器的匝數(shù)比就越大.等效電路a）1圖2由F圓柱形介質(zhì)塊是一種高Q （低損耗的諧振器，其Ro值很高（通常為兒十Kohm 而構(gòu)成的振蕩器的相位噪聲很低.在諧

5、振的情況2 L和C的電抗值人小相等、符號(hào)相反. 此時(shí)，介質(zhì)諧振器的等效電路可以簡化為個(gè)幾仃比較島電阻值的電阻Ro.諧振器的頻率 由以下方程（4）確定，F(xiàn)o =（4）2兀厲疋4. 設(shè)計(jì)過程4.1偏置電路在進(jìn)行設(shè)計(jì)Z前，必須選擇合適的場效W管并給其提供合適的直流偏置.在本設(shè)計(jì)中， 我們選擇了 NEC公司的笛j性能的場效NE71084.通過偏置使其工作在Vce=3V、1尸 30mA的丁作點(diǎn)上.所使用場效應(yīng)管的?？赵贏DS元件庫中可以找到.ADS中的直流仿真 器用以確保滿足場效應(yīng)管的直流偏置條件.4.2負(fù)阻電路在設(shè)汁了介適的偏盤電路之厲，將場效應(yīng)管構(gòu)建為個(gè)源極容性反饋電路.該電路能 夠產(chǎn)生負(fù)阻，以補(bǔ)充

6、諧振器中的能飛損耗.負(fù)陽部fl是通過對(duì)低噪聲GA FET進(jìn)彳J：源極電 容性反饋實(shí)現(xiàn)的.FCT電路的不穩(wěn)定性以及經(jīng)過放大的熱噪聲，使振蕩器能夠從自然噪聲中 建立振蕩，繼而般終達(dá)到穩(wěn)態(tài)的振蕩.負(fù)阻部件的簡化等效電路如圖3所示，本仿真電路使用了雙電源設(shè)置FET的VD和SS-PARAMETERSDC_FedDC Feed2松V_DCSRC1 VOC-) VSP1Start-100 MHxSlop- O QHJSlep10 MHjpf MC NE710S4 19B21216A3fC3 C-47pFVojII |Z-50 OTr-DC_Feed OC FeedlV_DC8RC2-*-VdC-0 4 VC

7、-0.21273CTUNTL1Z-30.0 OtimE-90F-9 GHzTermTertn3Num-3Z-50 Ohm圖3為了確定便FET產(chǎn)生負(fù)l；ll所需耍的容性源極反饋的優(yōu)化值，要進(jìn)行初始化仿真.這是 通過觀察晶體管的柵極的反射系數(shù)的幅度來確定的，場效應(yīng)管的漏極輸出端接50ohm的負(fù) 我阻抗如果Sh的幅度人J：單位h表明在該頻率點(diǎn)仃負(fù)阻產(chǎn)生.在通常的小信號(hào)振蕩器 設(shè)計(jì)中，Sn的經(jīng)驗(yàn)值最小應(yīng)為12并F1K曲線應(yīng)以振蕩頻率為中心左右對(duì)稱圖6示出了 仿真糾果，淸晰地表明在所感興趣的9GHz頻率上的Sh為2.323,存在適當(dāng)?shù)呢?fù)阻.Orreq. GH2圖44.3介質(zhì)諧振器的仿真模型介質(zhì)諧振器所選

8、擇的材料H旳的相對(duì)介電常數(shù)(r)為30, 9GHz頻率上的Q值大 F loooo.通過選樣介質(zhì)塊的物理尺寸和腔體的金屬蓋與介質(zhì)塊的距離，可以將振蕩器 到所需婆的頻率金屬蓋到介質(zhì)塊的距離越近,可以得到的諧振頻率就越高.們是當(dāng)金屬蓋 距離介質(zhì)塊越近的時(shí)候，頻率變化的速率會(huì)隨Z增加，相位噪川性能隨Z降低.模擬介質(zhì)諧振器與微帶線耦合的變斥器的匝數(shù)比依賴J諧振器與微帶線的耦合距離. 諧振器與微帯線越接近，耦合度越高，因而變壓器的匝數(shù)比也越高.在本設(shè)計(jì)中我們可以直 接使用ADS中自帶的并聯(lián)RLC諧振器?？誧RcsP.為了簡化仿真過程，假定匝數(shù)比n為1. 4.4完整電路將諧振器與負(fù)阻部件通過OSC.PORT

9、相連接便構(gòu)成了振蕩器的完整電路，如圖5所示. 振蕩器的仿真是基于所使用的場效應(yīng)管的小信號(hào)S :模型的。振蕩器的小信號(hào)仿要以 確保在所期里的振蕩頻率上以下兩個(gè)條件同時(shí)得到滿足的展礎(chǔ)上進(jìn)彳九 存在剩余負(fù)阻 總電抗為零剩余負(fù)阻是振蕩器建立振蕩的需要.在仿真過程中，便用ADS中的S參數(shù)仿真器得到電 路的輸入阻抗從仿真結(jié)果來看,在9GHz的頻率點(diǎn)上電路的real(Z(2.2)+rcal(Z(l)為O666. 接近冬，即當(dāng)振蕩達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)剩余負(fù)阻將為冬.滿足振蕩條件方程(2)的耍求在該頻 率點(diǎn)上imag(Z(2.2)+im“g(Z(l)為0162 ,滿足振蕩條件方程 .在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)過 程中使電抗為零的簡

10、單力丿是保證介質(zhì)塊置皿近振蕩場效應(yīng)管的正確位置上.圖5給部件建立模熨的時(shí)候必須注意他們的寄生參數(shù)會(huì)使得最終的振蕩器特性的寄生響應(yīng) 増加.然I仏 只耍梢細(xì)設(shè)計(jì)這些網(wǎng)絡(luò)及部件的參數(shù)最終振蕩電路的性能不會(huì)受到很大影響.5. 仿真結(jié)果仿其紂到的整個(gè)DRO的諧波平衡仿真結(jié)果及瞬態(tài)仿其結(jié)來如圖6、圖7所示.從該圖 中可以清楚地看出，DRO從起振到穩(wěn)定振蕩的全過稈.在9GHz的頻率上，氏輸出功率超 tt+8dBm.山J時(shí)間關(guān)系，振蕩器的相位噪聲性能還未進(jìn)行仿真.ml圖61.0 :InQNg 工一占 P*35300 1 (Itin)0 nsec圖7參考文獻(xiàn)1. 王追儀等微波器件與電路19812. J M.FIocIl Technique allows simple design of microwave DROs. Micro waves and RF. pp