摘 要：微波振荡器代表所有基本微波通信系统的能源来源。研究设计8.95 GHz的低噪声砷化镓场效应管并联反馈介质谐振器振荡器，为了放大输出功率和提高负载牵引，在介质谐振器振荡器后一级加缓冲放大器，最终的输出功率是+13.33 dBm。测试证明输出信号的相位噪声偏离中心频率100 kHz可达-116.49 dBc/Hz，偏离中心频率10 kHz可达-91.74 dBc/Hz。
关键词：相位噪声; 介质谐振器振荡器; 缓冲放大器; 中心频率
中图分类号：TN752-34 文献标识码：A
文章编号：1004-373X(2011)17-0178-03
X-band Dielectric Resonator Oscillator and Buffer Amplifier
SU Yun, ZHAO Hui-ling, JIANG Dan
(College of Electronic Information, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)
Abstract： The microwave oscillators represent the basic microwave energy sources for all microwave communication systems. The design of a low phase noise (8.95 GHz) parallel feedback GaAs FET dielectric resonator oscillator (DRO) is studied. In order to magnify the output power and enhance the load pulling, a buffer amplifier is designed after the DRO, whose output power is +13.33 dBm. The DRO was measured. The result proves an oscillation at 8.95 GHz with a phase noise of -116.49 dBc/Hz at 100 kHz, and -91.74 dBc/Hz at 10 kHz.
Keywords： phase noise; dielectric resonator oscillator; buffer amplifier; centre frequency
0 引 言
随着微波半导体技术和微波集成电路(MIC)以及雷达、电子对抗、通信等技术的发展，微波设备与系统也趋向小型化、集成化和低成本化发展，同时对振荡器其性能指标提出了更高的要求。介质谐振器(DR)以其体积小、重量轻、Q值高、结构简单、价格便宜等优点，广泛应用于微波源设计，此类振荡器称为介质振荡器(DRO)。小型化、高稳定、低噪声的DRO成为微波信号源的重要研究课题［1-2］。
在射频电路设计中常常在两级电路之间加入缓冲放大器隔离两个部分的电路。通过这种隔离方式能够在射频系统中减少不利因素。不良的输出隔离会影响和干扰振荡器性能的各种机理，因此在振荡器的输出端常常包含一个缓冲器。在振荡器后一级加缓冲放大器已经得到广泛应用。
1 振荡器的相位噪声
微波有源晶体管的噪声来源主要有三个方面：一是热噪声，二是散弹噪声，三是闪烁噪声。热噪声是晶体管中载流子不规则热运动引起的，它的大小与晶体管本身的欧姆电阻有关。散弹噪声是由于晶体管内部复杂的载流子(电子)运动起伏所产生的，其大小与电流成正比。闪烁噪声是与频率成反比的噪声，又称1/f噪声［3］。它是微波晶体管振荡器近载频相位噪声的主要来源，通过器件的非线性效应上变频对微波频率发挥作用，在远离载频端可以忽略［4］。
关于振荡器的相位噪声一般的影响因素，因此为了提高振荡器的相位噪声性能，可以从以下几个方面进行努力和改进［5］。
(1) 提高谐振电路的有载Q值一倍，可以改善相位噪声6 dB。因此谐振器的Q值极为重要，为了改善相位噪声，除了选择高空载Q值的谐振器之外，在实际电路中应尽量减少有载QL值的恶化。
(2) 谐振频率增加一倍，相位噪声恶化6 dB。提高谐振频率输出功率将改善相位噪声。输出功率是振荡器的重要指标，高输出功率靠振荡管本身和匹配电路来保证。
(3) 振荡电路温度升高，相位噪声将恶化。在电路中应该注意有源器件的散热问题，保证有源器件温度不至于太高。
2 介质振荡器DRO电路实现
本文设计的DRO选用Infineon的CFY25场效应管，是一种中功率输出的砷化镓场效应管。其具有相位噪声低、在设计的振荡器频率上易于起振、性能良好、同时购买方便等优点，适合作为本课题的有源器件。根据仿真结果［6］制作的8.95 GHz与两根微带线耦合的并联谐振的介质谐振器［7］如图1所示，以及将介质谐振器并联有源器件的栅极和漏极之间，介质振荡器仿真电路模型如图2所示。
在DRO电路调试过程中， 调试时先不放人介质块，振荡源通电后，加上盖板，形成封闭的腔体应该没有功率输出，如有功率输出，说明振荡源存在寄生振荡，应该设法抑制消除［8］。放入介质块并调整其位置以获得最佳耦合，这时振荡源应工作正常，调谐盘在400 MHz范围内应没有调模现象。调整介质块与微带线之间耦合度［8］β1和β2，是振荡器的输出功率和相位噪声尽量满足设计指标。最后，用微波胶将介质块粘牢。
由于振荡器振荡频率易受负载牵引比较明显，为了适应不同负载的变化，经常要加一级缓冲放大器使振荡器与负载隔开，这样也能进一步提高功率-频率性能。设计缓冲放大器采用富士通的FLK017场效应管，选定管子后先对其进行直流仿真分析，基于FLK017在ADS元件库中晶体管模型没有ADS仿真软件中提供一种三端口的S参数模型［9］。可以直接将所需要的直流工作点的S参数导入，需要注意的是厂家提供的S2P文件中的S参数值是默认发射极接地的情况，因此仿真电路中的第三个端口接地。本文设计所选的直流工作点是VDS=10 V，I=36 mA。缓冲放大器仿真电路如图3所示。
在BA电路调试过程中，起初，在所要的频点上，功率输出-5 dBm，放大器变成衰减器。在调试过程中，输出、输入SMA口特别敏感，可能是安装人为误差影响比较大，重新将电路卸载，再安装后，输出功率到+4 dBm。为获得最大功率输出，对输出、输入匹配电路以及敏感部位进行调试。使输出功率达到8 dBm，完成设计的目标。
在实验中会发生千奇百怪的现象，只有反复调试、不断摸索才能达到预期的设计目标。
3 DRO和BA的测试曲线
对介质振荡器实物进行测试，得到结果为：在偏离中心频率100 kHz的相位噪声可达-116.49 dBc/Hz，如图4所示；在偏离中心频率10 kHz相位噪声可达-91.74 dBc/Hz，如图5所示。
对缓冲放大器实物进行测试，得到结果为：在所要的频点上输出功率为8 dBm，如图6所示。
4 联合两个电路测试结果
联合DRO和BA电路，最终得到输出功率为13.33 dBm，如图7所示。
5 结果分析
由上述实验数据可以看出，无论是DRO的相位噪声或是DRO后一级加BA的联合测试的功率输出都能满足设计的要求，完成DRO和BA的设计指标。
本文结构的介质振荡器具有性能优良、电路结构简单固定、调试量小、谐振器的场分析简单、高频寄生参量少、温度适应性好等优点。通过进一步的优化电路仿真，对所需的频率电路结构固定。可实现批量生产，扩大应用范围。因此有很好的工程应用价值。
另外，再优化设计电路可以进一步减小电路尺寸，缓放可以代替隔离器，将介质振荡器后一级加缓放设计在同一个电路板上，并在MMIC中有很好的应用前景。
参 考 文 献
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作者简介：
苏 云 女,1982年出生，安徽巢湖人，硕士研究生。主要研究方向为有源电路、频率源。
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