由於介質振盪器具有頻率穩定度高、 噪聲低、 體積小、 結構簡單、 價格低廉、 對機械振動和電源瞬變過程不敏感等優點，因此對於介質振盪器的研製在國內外也引起了廣泛的關注， 並且它在多個領域得到了套用，例如通信系統、 雷達信標、 電子對抗接收機、 飛彈應答機、專用測試設備以及氣象雷達等。
基本介紹
- 中文名：介質振盪器
- 外文名：Dielectricoscillator
反饋網路特性參數提取,DRO 閉環仿真設計方法,DRO 開環仿真設計方法,鎖相介質振盪器的設計,
相干布局囚禁 (CP T ) 是原子與相干光相互作用所產生的一種量子干涉現象。 CP T原子鐘是一種利用 C P T現象實現的原子鐘,由於其具有體積小、功耗低和啟動快的特點 ,而得到快速的發展並獲得日益廣泛的套用 。CP T原子鐘可以套用不同的原子實現, 其中最普遍的是 87 R b 原子。對於 87 Rb原子 , C P T原子鐘的頻率鎖定過程要求微波信號以 3 417. 343 75MHz 為中心頻率 、在 ±1k Hz 範圍內小步長進行掃描而獲得 C P T峰信號,套用 C P T峰作為微波鑒頻信號 , 通過控制電路將微波頻率鎖定於 CP T峰的極值所對應的微波頻率,從而實現原子鐘的閉環鎖定。介質 振 盪器 (DRO) 作為一種微波信號合成技術, 具有體積小和電路設計簡單等優點 ,現在已廣泛套用於通信系統 ,電子對抗、飛彈、雷達等等。為了實現微型 C P T原子鐘 ,就需要研製出合適的微型微波電路方案 ,DRO微波方案是可供選擇之一。
振盪器是微波、 毫米波系統的關鍵部件之一， 它的指標直接關係到系統性能的優劣。由於介質振盪器具有頻率穩定度高、 噪聲低、 體積小、 結構簡單、 價格低廉、 對機械振動和電源瞬變過程不敏感等優點，因此對於介質振盪器的研製在國內外也引起了廣泛的關注， 並且它在多個領域得到了套用，例如通信系統、 雷達信標、 電子對抗接收機、 飛彈應答機、專用測試設備以及氣象雷達等。
由於介質振盪器研製涉及到複雜的非線性問題， 因此有些觀點認為 DRO 的設計工作更像是一門手藝， 而工程設計不嚴格。目前很多關於 DRO 設計方面的文獻試圖提出新的方法扭轉這一局面，但是他們要么在介質與微帶的耦合結構分析時簡化等效，要么在電晶體( 或場效應器件等) 建模、 電路建模仿真方面含混省略， 而這恰恰是 DRO 設計的關鍵及難點，所以這些方法仍然不能作為一種令人信服的準確設計方法。DRO 設計中幾個關鍵的難點問題，即: ①反饋結構參數提取，②電晶體放大部分的增益與相位控制，③DRO 的閉環和開環仿真實現。
由於介質振盪器研製涉及到複雜的非線性問題， 因此有些觀點認為 DRO 的設計工作更像是一門手藝， 而工程設計不嚴格。目前很多關於 DRO 設計方面的文獻試圖提出新的方法扭轉這一局面，但是他們要么在介質與微帶的耦合結構分析時簡化等效，要么在電晶體( 或場效應器件等) 建模、 電路建模仿真方面含混省略， 而這恰恰是 DRO 設計的關鍵及難點，所以這些方法仍然不能作為一種令人信服的準確設計方法。DRO 設計中幾個關鍵的難點問題，即: ①反饋結構參數提取，②電晶體放大部分的增益與相位控制，③DRO 的閉環和開環仿真實現。
反饋網路特性參數提取
DR 耦合結構即為 DRO 電路的反饋網路， 它是一個無源二連線埠網路，其傳輸特性只與本身的結構參數有關， 而與後續連線的電晶體放大部分無關，因此可以首先將它剝離出來進行電磁分析和仿真，以獲取反饋網路的 S 參數。CST 軟體進行電磁仿真時建立的三維結構圖， 兩條平行微帶線的阻抗均為 50 歐姆， 一個微帶線開路， 另一個端接 50Ω 電阻到地。調整兩條平行耦合微帶線的間距、 DR上方金屬調諧盤的高度、 DR 的高度，可以得到不同情況下耦合結構的 S 參數，進而得到多種情況下反饋網路的 φR、 LR。耦合結構的諧振頻率在 5．809GHz， 插入損耗 － 5．889dB。將仿真結果導出為 S2P 檔案， 然後導入到後續的電路仿真中，便可以將此耦合結構作為一個固定的子電路模組使用。
DRO 閉環仿真設計方法
電晶體非線性模型建立
電晶體是 DRO 中的一個關鍵部件， 要進行 DRO 的計算機仿真設計，就必須首先建立其電路模型。電晶體管芯的 Gummel － Poon模型( 簡稱 GP 模型) ，其常用的 SPICE 參數有 30 個左右， 如表征正向直流特性的 IS、 NF、 BF、 ISE、 NE、 IKF、 VAF， 表征反向直流特性的 NR、 ISC、 NC、 BR、 IKR、 VAR 等。由於器件管芯在封裝時會引入寄生參量， 因此也必須加以考慮， 進而建立包含封裝寄生參數的電晶體等效電路。通常管芯 SPICE 參數值、 封裝後寄生參數的大小， 電晶體生產廠家均會提供，這樣一個非線性電晶體模型就建立完成，可以將它作為一個子電路加入到後續的電路仿真中。
電晶體是 DRO 中的一個關鍵部件， 要進行 DRO 的計算機仿真設計，就必須首先建立其電路模型。電晶體管芯的 Gummel － Poon模型( 簡稱 GP 模型) ，其常用的 SPICE 參數有 30 個左右， 如表征正向直流特性的 IS、 NF、 BF、 ISE、 NE、 IKF、 VAF， 表征反向直流特性的 NR、 ISC、 NC、 BR、 IKR、 VAR 等。由於器件管芯在封裝時會引入寄生參量， 因此也必須加以考慮， 進而建立包含封裝寄生參數的電晶體等效電路。通常管芯 SPICE 參數值、 封裝後寄生參數的大小， 電晶體生產廠家均會提供，這樣一個非線性電晶體模型就建立完成，可以將它作為一個子電路加入到後續的電路仿真中。
閉環諧波平衡仿真
在電路仿真中採用商用 AWR 電路仿真軟體， 建立閉環電路仿真拓撲模型。其中 DR 耦合結構採用 CST 電磁仿真時獲得的 S 參數模型，以一個二連線埠元件的形式加進來， 電晶體採用前面建立的非線性模型， 以一個三連線埠元件的形式加入到仿真電路中。電晶體的基極採用單短路枝節匹配，集電極採用單開路枝節匹配。最佳化基極、 集電極匹配電路， 通過閉環諧波平衡仿真得到 DRO 的特性。電路在 5． 734GHz 振盪，與DR 耦合結構的諧振頻率 5． 809G 非常接近。DRO的輸出功率可以達到 17． 3dBm， 相位噪聲指標為 － 91dBc /Hz /10kHz、－ 114dBc /Hz /100kHz，性能優良， 滿足一般雷達和通信系統等的要求。
以上是基於電晶體非線性模型時 DRO 的仿真設計方法。由於目前很多電晶體、 場效應管的生產廠家不提供晶片的非線性模型及參數， 而只提供其 S 參數供用戶使用， 所以研究基於器件小信號 S 參數的 DRO 設計方法也是具有非常重要的現實意義。
在電路仿真中採用商用 AWR 電路仿真軟體， 建立閉環電路仿真拓撲模型。其中 DR 耦合結構採用 CST 電磁仿真時獲得的 S 參數模型，以一個二連線埠元件的形式加進來， 電晶體採用前面建立的非線性模型， 以一個三連線埠元件的形式加入到仿真電路中。電晶體的基極採用單短路枝節匹配，集電極採用單開路枝節匹配。最佳化基極、 集電極匹配電路， 通過閉環諧波平衡仿真得到 DRO 的特性。電路在 5． 734GHz 振盪，與DR 耦合結構的諧振頻率 5． 809G 非常接近。DRO的輸出功率可以達到 17． 3dBm， 相位噪聲指標為 － 91dBc /Hz /10kHz、－ 114dBc /Hz /100kHz，性能優良， 滿足一般雷達和通信系統等的要求。
以上是基於電晶體非線性模型時 DRO 的仿真設計方法。由於目前很多電晶體、 場效應管的生產廠家不提供晶片的非線性模型及參數， 而只提供其 S 參數供用戶使用， 所以研究基於器件小信號 S 參數的 DRO 設計方法也是具有非常重要的現實意義。
DRO 開環仿真設計方法
基於電晶體小信號 S 參數進行 DRO 的線性化仿真設計，可以將複雜的非線性問題轉換為簡單的線性仿真。直接將電晶體 S 參數導入 AWR 軟體工程中， 在子電路庫中將會出現這個電晶體的模型供電路仿真使用。同樣建立開環線性仿真的電路拓撲。利用虛地理論將閉環系統斷開為一個二連線埠網路， 即一個放大器和一個選頻反饋網路的形式， 其中的選頻網路參數就是前面 CST 仿真得到的 DR耦合結構 S 參數。
振盪條件分析
對閉環自激的開環分析，可用控制論中的尼奎斯特判據得到嚴格的起振條件判據。尼奎斯特判據是利用極坐標下的圍線圖表示，這和特性參數的波特圖有一一對應的關係，為振盪器的分析提供極大的方便。當傳輸特性參數的相位為負斜率， 且零相位處增益大於 1 時， 此頻率就是一個穩定振盪頻點。
利用開環測得的 S21 來描述閉環穩定條件有很大的誤差，因為開環網路的 S 參數是在輸入輸出端匹配的條件下得出來的。 當開環系統閉環後，由於輸出輸入阻抗條件變化， 使開環 S 參數不再適用，因此引入了同輸入輸出連線埠阻抗無關的 G 參數。
對閉環自激的開環分析，可用控制論中的尼奎斯特判據得到嚴格的起振條件判據。尼奎斯特判據是利用極坐標下的圍線圖表示，這和特性參數的波特圖有一一對應的關係，為振盪器的分析提供極大的方便。當傳輸特性參數的相位為負斜率， 且零相位處增益大於 1 時， 此頻率就是一個穩定振盪頻點。
利用開環測得的 S21 來描述閉環穩定條件有很大的誤差，因為開環網路的 S 參數是在輸入輸出端匹配的條件下得出來的。 當開環系統閉環後，由於輸出輸入阻抗條件變化， 使開環 S 參數不再適用，因此引入了同輸入輸出連線埠阻抗無關的 G 參數。
仿真結果
將前面基於電晶體非線性模型仿真獲得的電晶體基極、集電極匹配電路參數不做修改直接用於線性仿真，根據開環 G 參數分析方法，可以得出該 DRO 在 5． 796GHz 穩定振盪，與前面非線性模型的仿真結果基本吻合，只相差了 62MHz，幾乎可以忽略。根據上述電路仿真結果， 實際製作了 DRO 樣機，實測 結 果: 振 盪 頻 率 5． 898GHz， 相 位 噪 聲 － 80dBc /Hz /10kHz，二次諧波抑制 － 15dBc。實測結果與仿真結果是比較吻合的，而且設計電路安裝後幾乎不用調試即可穩定起振，設計效率大大提高。
將前面基於電晶體非線性模型仿真獲得的電晶體基極、集電極匹配電路參數不做修改直接用於線性仿真，根據開環 G 參數分析方法，可以得出該 DRO 在 5． 796GHz 穩定振盪，與前面非線性模型的仿真結果基本吻合，只相差了 62MHz，幾乎可以忽略。根據上述電路仿真結果， 實際製作了 DRO 樣機，實測 結 果: 振 盪 頻 率 5． 898GHz， 相 位 噪 聲 － 80dBc /Hz /10kHz，二次諧波抑制 － 15dBc。實測結果與仿真結果是比較吻合的，而且設計電路安裝後幾乎不用調試即可穩定起振，設計效率大大提高。
系統研究了介質振盪器的精確仿真設計方法。前一種基於電晶體非線性模型的方法略微複雜一些， 它可以觀察輸出頻譜情況和相位噪聲性能， 對 DRO 性能的仿真分析更加全面。當廠家不提供電晶體非線性模型和參數時， 可採用後一種基於電晶體線性 S 參數的仿真設計方法， 這種方法只能仿真振盪的基頻頻率，其它指標性能無法觀察。因此這兩種方法各具特色， 具有一定的互補性， 設計時要根據具體的已知條件來選擇。通過兩種方法仿真結果的對比分析， 彼此印證了兩種仿真方法的有效性和準確性。
鎖相介質振盪器的設計
介質振盪器的設計
一個基本的振盪器包括三個關鍵部分, 即放大電路、 反饋網路和選頻網路, 本文採用高 Q 介質作為反饋網路和諧振迴路 , 所研製介質振盪器採用並聯反饋電路形式。
一個基本的振盪器包括三個關鍵部分, 即放大電路、 反饋網路和選頻網路, 本文採用高 Q 介質作為反饋網路和諧振迴路 , 所研製介質振盪器採用並聯反饋電路形式。
介質振盪器的計算機輔助設計
採用 HFSS 與 ADS 軟體進行三維、 二維電路聯合仿真, 先由 HFSS 仿真最佳化介質諧振器的並聯反饋結構, 將散射參數導出 ;然後將散射參數導入 ADS 軟體中 , 進行振盪器電路仿真 ;最終根據仿真最佳化, 完成介質諧振器的設計, 並引導實際電路的調試研製。
HFSS 軟體下建立的仿真模型以及經過最佳化後散射參數曲線, 模型中諧振器經石英墊片放置於氧化鋁陶瓷基片上 。其最佳化主要考慮三方面 , 即介質諧振器的尺寸所確定的諧振頻率、 外腔體尺寸對其諧振的影響以及微帶線與諧振器的距離 、 石英墊片的厚度對諧振器有載 Q 值及諧振模式的影響。從仿真結果來看 , 介質諧振器的品質因數很高 , 即具有很好的選頻特性。
散射參數帶入 ADS 後的仿真電路拓撲的最佳化主要考慮兩方面, 即反饋環路內微帶線的電長度對其相位的影響及輸出端微帶線的電長度對其相位噪聲的影響 。通過最佳化反饋環路內微帶線的電長度, 使閉環相位為 0 , 以在所需頻率上產生穩定振盪, 通過最佳化輸出端微帶線電長度以得到最佳相位噪聲。
HFSS 軟體下建立的仿真模型以及經過最佳化後散射參數曲線, 模型中諧振器經石英墊片放置於氧化鋁陶瓷基片上 。其最佳化主要考慮三方面 , 即介質諧振器的尺寸所確定的諧振頻率、 外腔體尺寸對其諧振的影響以及微帶線與諧振器的距離 、 石英墊片的厚度對諧振器有載 Q 值及諧振模式的影響。從仿真結果來看 , 介質諧振器的品質因數很高 , 即具有很好的選頻特性。
散射參數帶入 ADS 後的仿真電路拓撲的最佳化主要考慮兩方面, 即反饋環路內微帶線的電長度對其相位的影響及輸出端微帶線的電長度對其相位噪聲的影響 。通過最佳化反饋環路內微帶線的電長度, 使閉環相位為 0 , 以在所需頻率上產生穩定振盪, 通過最佳化輸出端微帶線電長度以得到最佳相位噪聲。
