微帶壓控振蕩器設(shè)計(jì)與仿真

1、微帶壓控振蕩器設(shè)計(jì)與仿真        摘  要：介紹了S波段微帶壓控振蕩器的設(shè)計(jì)方法，并使用微波仿真軟件Serenade8.5對(duì)振蕩器進(jìn)行仿真分析，給出了仿真和實(shí)際電路的結(jié)果。       關(guān)鍵詞：微帶壓控振蕩器；調(diào)諧電路；設(shè)計(jì)；仿真 一、振蕩器原理分析    一定電路組態(tài)下的微波晶體管，可視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，在適當(dāng)端接下，由于其非線性負(fù)阻特性，構(gòu)成雙端口負(fù)阻振蕩器。為了產(chǎn)生并維持振蕩，振蕩回路必須形成負(fù)阻，即散射參數(shù)S11

2、和S22均應(yīng)大于1，穩(wěn)定系數(shù)k1，利用電路的潛在不穩(wěn)定性，振蕩器就能滿足振蕩條件，產(chǎn)生自激振蕩。1.振蕩條件    一個(gè)雙端口負(fù)阻振蕩器等效網(wǎng)絡(luò)如圖1，它包含晶體三極管、諧振網(wǎng)絡(luò)和輸出匹配網(wǎng)絡(luò)。晶體三極管的散射矩陣S用S11、S12、S21、S22表示，設(shè)2個(gè)端口上聯(lián)接的傳輸線特性阻抗都為Z0，線長(zhǎng)都為零，其輸入阻抗為m=RinjXin，輸入端反射系數(shù)為1，看向諧振網(wǎng)絡(luò)的阻抗為g=Rgjg,相應(yīng)的反射系數(shù)為g，圖中同時(shí)示出了輸出阻抗、輸出端反射系數(shù)、負(fù)載阻抗及負(fù)載反射系數(shù)。    設(shè)雙端口網(wǎng)絡(luò)的入射波為a1、a2，反射波為b1、b2，

3、雙端口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)定義為    因?yàn)檩斎攵丝诮又C振回路，輸出端口接匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載，都是無源網(wǎng)絡(luò)，故g和L都小于1,因此對(duì)振蕩器設(shè)計(jì)來說，為了產(chǎn)生振蕩，兩端口的反射系數(shù)均大于1,而穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)小于1。2雙端口負(fù)阻振蕩器的輸出功率    考慮一個(gè)共發(fā)射極功率振蕩器，要求傳輸給負(fù)載的有用功率最大。由于共發(fā)射極振蕩器可以視為具有輸出功率為Pout的共發(fā)射極放大器,通過正反饋電路反饋輸入功率Pin給輸入端構(gòu)成振蕩器。要求振蕩器傳輸給負(fù)載的有用功率（PoutPin）最大，也就是使放大器的（PoutPin）最大，由放大器的輸出功率經(jīng)驗(yàn)公式知：式中P

4、in是輸入功率，Pout是輸出功率，Psat是飽和輸出功率，是放大器調(diào)諧小信號(hào)轉(zhuǎn)換增益。要得到最大輸出功率，就要使（PoutPin）最大，因而可通過求導(dǎo)找到相應(yīng)的功率關(guān)系：二、微帶壓控振蕩器電路設(shè)計(jì)分析    由于微波仿真軟件的不斷完善，以及能夠提供精確的元器件模型，目前在微波電路設(shè)計(jì)中，已得到廣泛應(yīng)用。本電路采用Asoft公司的微波仿真軟件Serenade8.5來設(shè)計(jì)。    要設(shè)計(jì)的振蕩器的技術(shù)指標(biāo)為：工作頻段S波段，帶寬fo±10 MHz，輸出功率不小于100 mW，雜波抑制比大于60 dBc。1微帶振蕩器電路構(gòu)成&#

5、160;   為了獲得大的輸出功率，采用了共發(fā)射極串聯(lián)反饋振蕩器電路，如圖2所示，圖中省略了直流偏置電路。    (1)振蕩管的選擇    根據(jù)工作頻率和輸出功率要求，選擇Agilent公司硅雙極晶體管AT-42070，其fT=8 GHz，工作在2GHz時(shí)P1dB21dBm，噪聲系數(shù)為1.9dB。AT-42070的S參數(shù)如表1所示。    (2)變?nèi)荻O管的選擇    壓控振蕩器頻率的改變是借助變?nèi)荻O管電容的改變來完成的，因此壓控振蕩器的許多重要指標(biāo)如頻

6、偏、線性度、靈敏度等都與它有關(guān)。為了獲得較好的線性度和電調(diào)靈敏度，使用了雙變?nèi)荻O管串聯(lián)形式。    根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇了M/A-COM公司的GaAs超突變結(jié)變?nèi)荻O管MA46H204。管子參數(shù)為1.25，Q1500，電容變化比等于10，控制電壓范圍220 V。2微帶振蕩器電路仿真設(shè)計(jì)及步驟    根據(jù)原理電路構(gòu)成圖，將拓?fù)鋱D繪制在Serenade的原理圖編輯區(qū)內(nèi)，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定各個(gè)元件的初值，并設(shè)置好各種仿真參數(shù)。微帶壓控振蕩器電路拓?fù)淙鐖D3所示。    (1)電路起振分析  &#

7、160; 振蕩器設(shè)計(jì)分2步進(jìn)行。首先，使用Oscillator Design Aid 確定振蕩電路是否能夠在指定的頻段范圍內(nèi)振蕩。其分析如圖4所示。    然后，使用Oscillator Analysis 對(duì)振蕩電路進(jìn)行分析。    (2)電路優(yōu)化及結(jié)果    對(duì)振蕩器進(jìn)行初步分析之后，就需要進(jìn)行電路優(yōu)化。在Serenade的原理圖編輯區(qū)內(nèi)，選擇需優(yōu)化的元件，設(shè)置優(yōu)化模塊，建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。經(jīng)優(yōu)化后得到的頻譜圖如圖5所示。三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果    實(shí)際的壓控振蕩器制作在40×30mm2、=1.5的微帶陶瓷基片上。其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：    （）工作頻段：fo±10MHz    （）輸出功率：120mW    （）雜波諧波抑制比：60dBc    （）電調(diào)性能：實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表2。    圖6為實(shí)際壓控振蕩器的輸出頻譜。四、結(jié)束語    本文應(yīng)用振蕩器理論對(duì)壓控振蕩器設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，并使用微波仿真軟件對(duì)微帶壓控振蕩器進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析。從