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1、东南大学 硕士学位论文 Ku和Ka波段压控振荡器与新型超宽带微带天线研究 姓名：袁月 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：徐金平 20100301 摘要 摘要 压控振荡器( V C O ) 是通信、雷达、电子对抗、测试仪表等微波系统中的关键部件， 其质量好坏直接影响整个电子系统的性能指标。目前，高性能的K a 及K u 波段V C O 国 内成熟产品较少，主要靠进口，但是常常受到西方国家不同程度的出口限制。因此，自 主研制高性能、低成本的K u 和K a 波段压控振荡器具有重要意义。超宽带天线广泛用 于宽带无线通信系统，其性能的好坏直接影响通信质量。本文主要针对K u 、K
2、a 波段压 控振荡器和超宽带天线的设计以及工程实现技术进行深入的研究，取得了新的研究进 展。论文的主要内容包括： 1 采用微带混合集成电路结构形式，选用低相位噪声H E M T 管作为有源器件，研 制出了共栅结构的K u 波段点频振荡器。该振荡器的工作频率为1 5 5 G H z ，输出功率为 7 5 0 d B m 。通过在K u 波段振荡器后接K a 波段二倍频器，研制成功了K a 波段的点频振 荡器，输出功率为1 6 d B m 。 2 在K u 波段点频振荡器的基础上，在漏极添加变容管构成可电调的谐振电路结构 用于设计K u 波段V C O 。利用A D S 对V C O 进行小信号仿
3、真，初步确定电路参数，接着 采用谐波平衡法进一步优化电路性能，最后研制出了K u 波段压控振荡器实验样品。实 测结果表明，该压控振荡器的中心工作频率为1 4 7 4 G H z ，调频带宽达到1 4 8 ，带内输 出功率为1 3 “2 d B m 。在1 3 6 4 G H z 处，自由振荡的K u 波段V C O 的相噪为 1 0 7 d B c H z 1 M H z 。在此基础上，添加K A 波段二倍频器，研制成功了K a 波段压控振 荡器。实测结果表明，该压控振荡器的调频带宽为2 7 4 l 3 2 6 9 G H z ( 相对带宽为1 7 6 ) ， 带内输出功率为3 钆8 8 1
4、d B m 。 3 提出了一种新型的双U 型缺陷地结构，并基于该缺陷地结构设计了一款具有双 阻带特性的超宽带天线。该天线尺寸为3 2 3 7 m m 2 ，实测结果表明，在2 5 - - 11 G H z 的 工作带宽( V S W R l ，F m 1 。所以振荡条件可以表示为： 后= 坐出蟮盟 l ( 2 5 ) 2 i s , 2 是l I 、7 r i I l F 。= 1 ( 2 6 ) r o m r L = 1 ( 2 7 ) 式中 D 2 墨。是2 一S 2 逆。 ( 2 8 ) 式中k 是二端I = 1 网络的稳定系数，k l 表示电路存在不稳定性，可以产生振荡，如 果不满足
5、这个条件，就应该改变公共端或加大正反馈，使其达到k l 。式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 表 示适当的端接电抗下振荡的幅相平衡条件和稳定条件。输入端口接谐振回路，输出端I = I 接终端网络，都由无源器件构成，故l r s l 和l r L I 都小于1 。这意味着要求I r d 和l r 。m I 都必须 大于1 才能满足式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 的要求。 下面将证明式( 2 6 ) 能够得到满足时，则式( 2 7 ) 亦必定成立，即振荡器在一个端I = i 产 生振荡，它必定在另一个端E l 也同时产生振荡。 假设在输入端I = 1 满足振荡条件为： k = ( 2 9
6、) 则根据式( 2 3 ) 有： r i n = 趾皿1 - S a F L = 罐 ( 2 1 0 ) = 导虹叱 (211)DF 一= = = = - = 一 IZ 1l - r i nS l L 5 、。 将式( 2 11 ) 展开可得到： F s S I D F L F s = 1 一叉2 r L 8 第2 章基于H E M T 的K u 波段和K a 波段压控振荡器 又由式( 2 4 ) 有： F L ( 是2 一D F s ) = 1 一S l l F s r L = 西1 - S 瓦1 l F s ( 2 1 2 ) r o u 。氓+ 而S 1 2 S 2 1 F s2 鬻 (
7、 2 3 ) 1 1 一S l F s 一= z = o 1 1 。u t是2 一D F s 比较式( 2 1 2 ) 和式( 2 1 4 ) 可得到： r 。u t F L = 1 图2 1 二端口负阻振荡器模型 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 此即证明了输出端口也满足振荡条件。因此，在二端口负阻振荡器中任一端口发生 振荡，则另一端口也必然振荡。 2 3 2 双口负阻振荡器的输出功率 考虑共源极振荡器，具有T 型或兀型输出网络。它可以视为具有输出功率为P 叫的 共源极放大器，通过正反馈电路反馈P i 。的输入功率给栅极输入端构成振荡器。对于振 荡器来说，要求传输给负载的有用功率( P
8、 o 小P i 。) 为最大，也就是说使放大器的功率 妒。u t - P i 。) 最大1 1 。由共源极放大器输出功率的经验公式知 。枷- e x p 孚) ( 2 1 6 ) 越 式中，P S 砒是放大器的输出功率；G = 1 5 2 1 1 2 是放大器调谐小信号转换增益，由于目 标是使( P o 吡- P i n ) 最大，因而可通过求导( o e 。卯i 。) 找到相应的功率关系 拿= 堑 ( 2 1 7 ) 匕 G 、。 9 东南大学硕士学位论文 当( P o 眦) 为最大值时，放大器输出功率是 P o u t - 匕( 1 一石1 ) 因而由上两式，可得到振荡器的最大输出功率为
9、= m 一已= 缸( 1 一石1 一l n “c ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 2 3 3 用S 参数设计二端口振荡器的步骤 双口振荡器的设计步骤可以归纳如下【1 1 1 2 1 1 1 2 3 1 1 2 4 J ： ( 1 ) 选择合适的晶体管，它应在工作频率上具有足够大的增益和输出功率能力。 ( 2 ) 选择电路方案，它应该使二端口网络在工作频率上k 1 。在最简单情况下，它可 以是5 0 0 h m 负载。 ( 4 ) 使输入端E l 与谐振网络谐振，以得到k F s = 1 。 ( 5 ) 虽然小信号设计在实践中取得较好的效果。但是，不能使输出功率和相位噪声 达到最佳值
10、，而采用大信号S 参数测量技术和借助C A D 技术优化振荡器输出功率和相 位噪声的设计方法，使电路获得最大负阻和有载Q 值。 2 4 变容二极管模型 任何关于半导体器件的C A D 技术都需要有能够准确描述器件电学性能的模型，模 型的准确性直接影响模拟结果的准确性，所以在电路模拟之前多花一点时间建立一个准 确的器件模型是很有必要的。A D S 中集成了大量的定义元件模型库，使得该软件应用起 来相当方便。 但是，在目前的A D S 软件包中还没有预定义的变容二极管模型，虽然有普通二极 管模型，但我们不能用普通二极管的模型来仿真变容二极管，因为普通二极管模型没有 考虑结电容随电压变化这个特性，所
11、以必须通过自定义的方法来建立变容二极管的A D S 模型。本节将讨论变容管的等效电路，以及在A D S 中建立变容管模型的方法。 1 0 第2 章基于H E M T 的K u 波段和K a 波段压控振荡器 2 4 1 变容管的等效电路 变容二极管是一种电抗可变的非线性电路元件，其可变电抗是通过改变变容管上外 加电压来实现的。变容管是由P N 结或金属半导体结构成的，其理想化模型可表示成 一个结电容G 和电阻R 。相串联的电路，如果考虑封装电感。和封装电容C p ，则其等效 电路可表示为图2 2 。其伏安特性与一般的半导体二极管没什么区别，不同的是变容管 的P N 结势垒电容c i 随外加反向偏
12、置电压变化而改变，R 。是P 型和N 型半导体的体电 阻和引线接触电阻之和。R 。随外加偏压变化很小，通常把它看作常量【1 1 f 2 5 1 1 2 6 1 。 L 。R 。C ! i c p l | 图2 2 燹容管等效电路 2 4 2 变容管的主要参数 变容管用在压控振荡器中的几个重要参数包括电容变比r 、品质因数Q 、截止频率 五和自谐振频率等【2 5 1 。 ( 1 ) 电容变比在压控振荡器中，变容管的结电容随外加反向偏压变化而变化，设对 应最大偏压和最小偏压时的结电容分别为C m 戤和c m i n ，则电容变比为 ， f = = k - , m a x ( 2 2 0 ) n 、
13、7 L ，m i n f 愈大，表示结电容在一定电压范围内相对变化愈大，可实现的电调范围就愈宽。 但是，工作范围受限于下列事实：变容二极管调谐电压叠加交流电压后，不允许驱动二 极管进入正向区，也不能进入击穿区，否则，将产生整流效应，二极管偏置将移动，并 对它的品质因数产生很大的影响。 【2 ) 品质因数变容管的品质因数定义为 1 1 Q 2 芴丽 ) 。2 万厂C 。足 、7 由于结电容q 与偏压有关，因此Q 值随偏压而变，反向偏压越大，C ! i 越小，则Q 值越高。Q 值还与测试频率( 非工作频率) 有关，频率越低，Q 值越高。 ( 3 ) 截止频率变容管的Q 值随工作频率升高而下降，Q
14、值等于1 时的频率称为变容 东南大学硕士学位论文 管的截止频率五。 z = 芴1 覆 ) 截止频率取决于变容管的损耗电阻R 。和结电容c j 。一般规定在变容管反向击穿电 压时的截止频率叫额定截止频率，此时C j = - - - C m i l I 。由此截止频率确定了变容管工作频率 的上限，一般工作频率远小于五。 ( 4 ) 自谐振频率由图2 2 可见，封装变容管的等效电路具有谐振电路的形式。由L 。、 c j 和R 。组成的串联电路为变容管的串联谐振电路，其自谐振频率为 矗- = 司1 雨 亿2 3 ) 由L 。、q 、R 。和C p 组成的并联电路为变容管的并联谐振电路，其自谐振频率为
15、f D 2 = ( 2 2 4 ) 提高变容管的自谐振频率对提高压控振荡器的工作频率、增大带宽和降低噪声都具 有重要意义。一般，对倍频程带宽的V C O ，常采用变容管管芯，以减小封装参数的影 响。此外还应考虑到射频电压对变容管的作用，要求振荡器工作在弱电平，即射频电压 小，相对激励振幅低，使变容管产生的谐波电容趋于零，这祥才有可能获得纯净频谱的 振荡，输出低的调频噪声。 2 4 3 变容管的A D S 模型 1 ) S D D 模型 A D S 提供了一种快速方便的建立非线性器件模型的方法，即用S D D ( S y m b o l i c a l l y d e f i n e dd e
16、v i c e s ) 来定义器件的非线性特性。S D D 是通过定义器件端口电流和端口电压之 间的关系表达式来描述器件特性的，所以在使用S D D 时，只需要知道各端口电流电压 方程即可。端口k 的电流作为各端口电压的函数，可表示如下： l k ，刁= f C v l ，一v 2 ，一1 2 ) ( 2 2 5 ) 其中，一v l ，一v 2 一 v n 为( 1 、2 - - n ) 各端口电压，f 为权函数。在A D S 中有两个内定 义的权函数，权函数0 和权函数1 。权函数0 定义为恒定值l ，表示不加权；权函数l 1 2 第2 章基于H E M T 的K u 波段和K a 波段压控振荡器 定义为一。
