開(kāi)題報(bào)告--2.4GHz定頻頻率綜合器的設(shè)計(jì)與制作

1、.1、 課題來(lái)源、目的、意義，國(guó)內(nèi)外基本研究概況1.1課題來(lái)源1.2課題名稱(chēng) 2.4GHz 定頻頻率綜合器的設(shè)計(jì)與制作1.3課題目的和意義 低相噪頻率源是雷達(dá)、無(wú)線電通信、電子對(duì)抗等電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能指標(biāo)的關(guān)鍵，現(xiàn)代通信制導(dǎo)武器和電子對(duì)抗等系統(tǒng)都對(duì)頻率合成器的噪聲性能提出了愈來(lái)愈高的要求。 介質(zhì)諧振器是一種高介電常數(shù)、低損耗的介質(zhì)材料制成的諧振器，應(yīng)用介質(zhì)諧振器（DR）可以設(shè)計(jì)出一種頻率穩(wěn)定性好、Q值高和噪聲低的新型微波振蕩源，這種振蕩源稱(chēng)為介質(zhì)諧振器振蕩器（DRO）。介質(zhì)諧振器振蕩器的主要優(yōu)點(diǎn)是頻率穩(wěn)定度高、相位噪聲低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、對(duì)機(jī)械振動(dòng)和電源瞬變過(guò)程不敏感，并且可以在很

2、寬的微波頻率范圍內(nèi)，不需要倍頻就能直接產(chǎn)生所需頻率的振蕩信號(hào)。采用取樣鎖相技術(shù)對(duì)微波頻段的介質(zhì)振蕩器進(jìn)行鎖相，通過(guò)鎖相環(huán)使介質(zhì)振蕩器的輸出頻率鎖定在高穩(wěn)定的晶體振蕩器頻率上，不但具有很高的頻率穩(wěn)定度，而且相位噪聲性能非常優(yōu)越，可廣泛應(yīng)用于軍用和民用電子設(shè)備中，具有極高的研究?jī)r(jià)值。1.4國(guó)內(nèi)外基本研究概況 目前國(guó)內(nèi)外的研究主要是針對(duì)介質(zhì)材料以及振蕩電路形式。在介質(zhì)材料方面，國(guó)內(nèi)外科技工作者主要針對(duì)高介電常數(shù)材料的研制，日本推出了R-09 系列材料，介電常數(shù)為 90，在 7GHz 下，Q 值為 1000，溫度變化為-1010ppm/；德國(guó)西門(mén)子推出了 MD436 系列材料，介電常數(shù)為 90，在 2

3、GHz 下，Q 值為2272，在 6GHz 下，Q 值為 1000；國(guó)內(nèi)上?？萍即髮W(xué)研制了 A7 系列材料，介電常數(shù)為70，溫度變化為-55ppm/，在2GHz下，Q值為4000-5000，在4GHz下，Q 值為 3000。但進(jìn)一步提高介電常數(shù)和材料的 Q 值，改善振蕩器的準(zhǔn)穩(wěn)定度仍是在高介電常數(shù)材料研究方面的課題。在調(diào)整振蕩電路形式方面，主要是在介質(zhì)振蕩器的基礎(chǔ)上加恒溫或進(jìn)行鎖相以提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度。振蕩電路形式基本分為四類(lèi)：加載帶阻濾波器型、傳輸型、串聯(lián)反饋型和并聯(lián)反饋型，其中以反饋型電路頻帶較寬、調(diào)試簡(jiǎn)單、一致性好，應(yīng)用最為廣泛。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的反饋電路有兩種，一種是源極輸出反饋型電路

4、，另一種是漏極輸出反饋型電路。 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外場(chǎng)效應(yīng)管介質(zhì)振蕩器科研水平、國(guó)內(nèi)外恒溫介質(zhì)振蕩器科研水平以及國(guó)內(nèi)外微波通訊設(shè)備實(shí)用介質(zhì)振蕩器科研水平的比較可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)介質(zhì)振蕩器的科研、生產(chǎn)水平與國(guó)外相當(dāng)。但國(guó)內(nèi)必須進(jìn)一步提高對(duì)電路結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化處理，提高介質(zhì)振蕩器各項(xiàng)性能指標(biāo)，提高科研、生產(chǎn)的工藝水平，使介質(zhì)振蕩器的實(shí)用化水平再向前邁進(jìn)一步。 2.1關(guān)鍵理論與技術(shù)2.1.1取樣鎖相技術(shù) 圖1 取樣鎖相環(huán) 取樣鎖相環(huán)的基本構(gòu)成如圖1所示。由圖可以看出，取樣鎖相環(huán)路和普通模擬鎖相環(huán)路的不同之處在于用取樣保持鑒相器代替了普通模擬鑒相器；其次，增加了一個(gè)脈沖形成電路。 參考信號(hào)通過(guò)窄脈沖形成電路形成極窄脈沖，

5、送入取樣保持鑒相器。在取樣保持鑒相器中，通過(guò)取樣電路，窄脈沖對(duì)來(lái)自VCO的正弦信號(hào)進(jìn)行取樣。取樣電路取樣得到的樣品電壓輸出送入保持電路，經(jīng)過(guò)保持電路的保持作用，再經(jīng)過(guò)低通濾波放大后去控制VCO的輸出。 取樣保持鑒相器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)開(kāi)關(guān)，通常由窄脈沖形成電路、取樣開(kāi)關(guān)和保持電路組成。其電路原理圖如圖2所示。 圖2 取樣保持鑒相器原理圖 參考信號(hào)通過(guò)窄脈沖形成電路形成很窄的取樣脈沖，該取樣脈沖加到取樣開(kāi)關(guān)上，控制取樣開(kāi)關(guān)周期性的閉合，完成對(duì)輸入信號(hào)的取樣。通過(guò)取樣來(lái)比較參考信號(hào)和輸入信號(hào)的相位。而輸出的取樣點(diǎn)電壓是與兩個(gè)信號(hào)相位差有關(guān)的離散樣品電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，保持電路使樣品電壓在取樣間隔內(nèi)保持住

6、直到下一次取樣時(shí)刻。當(dāng)輸入信號(hào)的頻率與取樣脈沖同頻(或成整數(shù)倍關(guān)系)時(shí)，由于每次取得電壓都是同一點(diǎn)，保持電路的輸出將是一個(gè)直流電壓;若兩個(gè)信號(hào)的頻率不相等且不成整數(shù)倍關(guān)系時(shí)，保持電路將取樣得到的離散電壓變成連續(xù)的階梯電壓，從而大大提高取樣保持鑒相器輸出電壓中的平均誤差成分，提高環(huán)路的控制能力，同時(shí)由于保持電路的濾波作用，對(duì)高頻分量的抑制能力也大大提高。 取樣保持鑒相器輸出的誤差電壓經(jīng)直流/差拍放大和環(huán)路濾波后，對(duì)壓控振蕩器的頻率和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。只要振蕩頻率在取樣脈沖頻率的n次諧波附近，就可能通過(guò)環(huán)路本身的控制作用使振蕩頻率最終鎖定在取樣脈沖頻率的n次諧波上，從而實(shí)現(xiàn)了取樣倍頻的功能。相比較數(shù)字

7、分頻鎖相環(huán)，取樣鎖相環(huán)路由于沒(méi)有分頻器的存在，而減少了分頻器對(duì)相位噪聲的惡化。相比較高次倍頻環(huán)，取樣鎖相環(huán)路的電路只有VCO一個(gè)高頻部件，電路簡(jiǎn)單，且由于環(huán)路的窄帶濾波作用，對(duì)雜散和諧波的抑制較好。2.1.2介質(zhì)諧振振蕩器介質(zhì)諧振器由高介電常數(shù)的陶瓷材料加工而成，這種未金屬化的高介電常數(shù)和低損耗的介質(zhì)，即非理想導(dǎo)體壁構(gòu)成的空腔，具有電壁空腔的類(lèi)似特性，一旦有適當(dāng)頻率的電磁波饋入，將在腔的電壁上來(lái)回反射，在腔內(nèi)發(fā)生電磁諧振。 常用的介質(zhì)諧振器形狀有矩形、圓柱形和圓環(huán)形三種，其中使用更為普遍的是圓柱形介質(zhì)諧振器。圓柱形介質(zhì)諧振器以多種模式諧振，其工作主模是TE01模，這種模式最容易與微帶線耦和。通

8、過(guò)選擇合適的外形比，可以使介質(zhì)諧振器只在我們需要的某個(gè)模式下工作，此時(shí)介質(zhì)諧振器可以等效為一個(gè) RLC 串聯(lián)諧振電路。 圖3 DR與微帶線耦合的模型及其等效電路介質(zhì)振蕩器是利用高Q值的介質(zhì)諧振器作為穩(wěn)頻元件結(jié)合有源器件得到的一種振蕩源。目前常用的介質(zhì)諧振器振蕩器主要有以下三種類(lèi)型 ：加載帶阻型、傳輸型、反饋型。加載帶阻濾波器型介質(zhì)振蕩器會(huì)產(chǎn)生滯遲特性，是單頻振蕩工作，并且其輸出功率要比未加載時(shí)的輸出功率小，有一部分功率被介質(zhì)諧振器吸收。而傳輸型介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路無(wú)滯遲區(qū)域，但振蕩器隨溫度變化漂移，不易穩(wěn)定。所以，我們選擇反饋型介質(zhì)振蕩器。在反饋型結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)諧振器在振蕩電路中作為選頻元件使用

9、。常用的反饋在串聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)又分為串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋兩種，如圖4所示，諧振器作為選頻匹配網(wǎng)絡(luò)，起帶阻濾波器的作用；而并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)中，諧振器作為選頻反饋網(wǎng)絡(luò)，起帶通濾波器的作用。串聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)的相噪優(yōu)于并聯(lián)反饋型，而從穩(wěn)定性角度分析，并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)易于調(diào)試，不易跳模；串聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)起振時(shí)對(duì)介質(zhì)諧振器的位置要求非常苛刻，調(diào)試難度較大，而且容易跳模。因?yàn)閮煞N方案各有優(yōu)劣，所以我們對(duì)兩種反饋結(jié)構(gòu)都進(jìn)行仿真，然后比較。 圖4.1 串聯(lián)反饋型介質(zhì)振蕩器 圖4.2 并聯(lián)反饋型介質(zhì)振蕩器在介質(zhì)振蕩器中使用變?nèi)荻?jí)管就可以實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧 。變?nèi)莨芸梢园惭b在介質(zhì)諧振器的內(nèi)部，更常見(jiàn)的方法是將變?nèi)莨苓B接在一根和介質(zhì)諧振器耦合的

10、微帶線的終端。當(dāng)加至二極管兩端的電壓改變，DRO的輸出頻率也就得到改變。2.2研究方案 要實(shí)現(xiàn)一個(gè)2.4GHz定頻頻率綜合器的設(shè)計(jì)，本論文采取的是取樣鎖相介質(zhì)振蕩器方式。由于取樣鎖相方式不存在分頻器，所以分頻器的限制因素就沒(méi)有了。同時(shí)由于取樣鎖相方式中只有VCO是微波部件，其他部分都在頻率較低的中頻工作，因而電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并減少了調(diào)試難度。另外根據(jù)本論文只需要產(chǎn)生點(diǎn)頻信號(hào)源，而介質(zhì)振蕩器正好非常適用于點(diǎn)頻系統(tǒng)，所以確定了取樣鎖相介質(zhì)振蕩器來(lái)產(chǎn)生所需的信號(hào)輸出。 取樣鎖相介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真分兩部分進(jìn)行：一個(gè)部分是電壓調(diào)諧介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)與仿真，另一個(gè)部分是取樣鎖相電路的設(shè)計(jì)與仿真。2.2

11、.1介質(zhì)振蕩器設(shè)計(jì) 反饋介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)應(yīng)包含三個(gè)部分：介質(zhì)諧振器及調(diào)諧部分，有源晶體管部分，輸出匹配部分。設(shè)計(jì)流程如下：1) 根據(jù)DR與微帶線耦合的理論, 建立帶有變?nèi)荻O管的DR與微帶線耦合的模型。2)將HFSS的仿真結(jié)果以S參數(shù)文件格式導(dǎo)出, 并以S2P的文件格式導(dǎo)入高頻電路仿真軟件ADS中。 3)在介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)中，為了使介質(zhì)諧振器發(fā)揮穩(wěn)頻作用，應(yīng)選用單向性好的晶體管，也就是說(shuō)管子的S12應(yīng)盡量小。否則，由于晶體管的內(nèi)反饋，介質(zhì)諧振器有可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)反饋穩(wěn)頻的功能。因此，在本課題中我們選用了 FET 管而不是BJT 管。4)偏置電路設(shè)計(jì)5)在設(shè)計(jì)偏置電路之后，將場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)建為一個(gè)漏極容

12、性反饋電路。該電路能夠產(chǎn)生負(fù)阻，以補(bǔ)充諧振器中的能量損耗。負(fù)阻部件是通過(guò) DR 同時(shí)與柵極和漏極的兩根微帶線進(jìn)行耦合，對(duì) GaAs FET 進(jìn)行漏極電容性反饋實(shí)現(xiàn)的。6）加入反饋網(wǎng)絡(luò)后，晶體管滿(mǎn)足了不穩(wěn)定條件，然后通過(guò)其不穩(wěn)定區(qū)域來(lái)設(shè)計(jì)輸入輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)，至此負(fù)阻部件的設(shè)計(jì)完成7)利用ADS軟件對(duì)介質(zhì)壓控振蕩器的電壓頻率特性，相位噪聲、輸出功率等進(jìn)行分析。2.2.2取樣鎖相電路的設(shè)計(jì)1）參考信號(hào)的選擇參考信號(hào)不宜選的太小，太小則影響最大取樣的次數(shù)和取樣的上限輸出頻率，同時(shí)降低取樣鎖相環(huán)的穩(wěn)定度;也不宜取得太大，取得太大則取樣效率低，雖然可以用放大器放大，但就引入了附加的噪聲，當(dāng)然

13、從降低取樣次數(shù)(等效于分頻比)來(lái)看，希望盡量的大些。同時(shí)所選用的參考信號(hào)相位噪聲也要盡量的低，因?yàn)樗鼪Q定了整個(gè)鎖相環(huán)路的輸出相位噪聲。2）窄脈沖形成電路的設(shè)計(jì)用階躍恢復(fù)二極管(SRD)來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于在正弦信號(hào)的所用下，階躍恢復(fù)二極管會(huì)呈現(xiàn)于普通二極管不同的特性。對(duì)普通二極管，正向時(shí)導(dǎo)通，反向時(shí)截止(僅僅有極小的反向飽和電流)，而階躍恢復(fù)二極管在電壓反向時(shí)，并不立即截止，而繼續(xù)有很大的反向電流流過(guò)，直到某一時(shí)刻才迅速跳變?yōu)榻刂?，所以在其兩端形成一個(gè)很窄的階躍脈沖波形。該延遲過(guò)程的時(shí)間稱(chēng)為存儲(chǔ)延遲時(shí)間TI，該截止過(guò)程的時(shí)間定義為關(guān)斷轉(zhuǎn)換時(shí)間Tt。這兩種時(shí)間的長(zhǎng)短都與外電路的電阻值和階躍恢復(fù)二極管本身

14、的結(jié)電容有關(guān)。3） 取樣鑒相器的設(shè)計(jì)本課題中我們擬選用的取樣鑒相器為 M-Pulse 公司生產(chǎn)的 MP7200，最高工作頻率可達(dá) 18GHz，其工作電路如圖5所示。由于取樣鑒相器的輸入阻抗在 4到 10之間，而參考信號(hào)端的輸出阻抗一般為 50，因此需要用變壓器對(duì)其進(jìn)行阻抗匹配。介質(zhì)振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè) 10pF 的隔直電容進(jìn)入取樣鑒相器，鑒相得到的誤差電壓通過(guò)兩個(gè)射隨器輸出到環(huán)路濾波器，這里的兩個(gè)射隨器不僅起著隔離射頻信號(hào)的作用，還可以使取樣鑒相器的輸出阻抗得到匹配。此外，通過(guò)調(diào)整兩個(gè)射隨器輸出端之間的電位器，可將取樣鑒相器中肖特基二極管對(duì)的不對(duì)稱(chēng)性對(duì)電路的影響減小到最低。 圖5 MP7200工作電路4）環(huán)路濾波器的設(shè)計(jì)環(huán)路濾波器一般都設(shè)計(jì)成具有低桶濾波特性，它可以起到低通濾波作用，更重要的是它對(duì)環(huán)路參數(shù)調(diào)整起著決定性的作用。它對(duì)環(huán)路的各項(xiàng)性能指標(biāo)都有著重要的影響。常用的環(huán)路濾波器有RC積分濾波器，無(wú)源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器三種。由于取樣鑒相器輸出的鑒相電壓普遍較低，因此使用直流增益較高的有源環(huán)路濾波器，可以在環(huán)路鎖定時(shí)對(duì)鑒相電壓進(jìn)行放大。5）定向耦合器以及隔離器介質(zhì)振蕩器的輸出端需要接一個(gè) 10dB 的定向耦合器，在介質(zhì)振蕩器的輸出端和定向耦合器之間加一個(gè)隔離器，可以有效地避免負(fù)載的頻率牽引作用擴(kuò)鋪電