3G压控振荡器的设计

压控振荡器的设计与仿真

摘要：介绍了S波段压控振荡器的设计方法，并使用微波仿真软件ADS对振荡器进行仿真分析，给出了仿真和实际电路的结果。

关键词：压控振荡器，谐振电路，仿真设计，优化 一． 振荡器原理介绍

一定电路组态下的微波晶体管，可视为一个二端口网络。为了产生并维持振荡，振荡回路必须形成负阻,即散射参数Ｓ11和Ｓ22均应大于1,稳定系数k小于1，利用电路的潜在不稳定性,振荡器就能满足振荡条件,产生自激振荡。

1． 振荡条件

一个双端口负阻振荡器包含晶体三极管、谐振网络和输出匹配网络。晶体三极管的散射矩阵[S]用S11、S12、S21、S22表示,设2个端口上联接的传输线特性阻抗都为Z0,线长都为零,其输入阻抗为Zm=Rin+jXin,输入端反射系数为Γ1,看向谐振网络的阻抗为Zg=Rg+jXg,相应的反射系数为Γg,图中同时示出了输出阻抗、输出端反射系数、负载阻抗及负载反射系数。

设双端口网络的入射波为a1、a2,反射波为b1、b2,双端口网络的散射参数定义为b1=S11a1+S12a2 (1) b2=S21a1+S22a2 (2) 利用(1)、(2)式和L

a2a1,g,得到: b2b1

b1S12S22L1S11S'11 (3)

a11S22L

2

b2S12S22g

S22S'22 (4) a21S11g

振荡条件表示为：

1S11S22Dk1 （5）

2S12S21PoscPoutPinPsat(1

1lnG) GG

（6）

222

LS'221 （7）

因为输入端口接谐振回路,输出端口接匹配网络和负载,都是无源网络,故|Γg|和|ΓL|都小

于1,因此|S′11|>1,|S′22|>1。对振荡器设计来说,为了产生振荡,两端口的反射系数均大于1,而稳定系数应小于1。

下图所示的是振荡器的物理模型，主要由谐振网络、晶体管和输入网络这三部分组成。

2．双端口负阻振荡器的输出功率

PoutPsat(1exp

GPin

) Psat

2

式中Pin是输入功率,Pout是输出功率,Psat是饱和输出功率,G=S12是放大器调谐小信号转换增益。要得到最大输出功率,就要使(Pout-Pin)最大,因而可通过求导相应的功率关系:

Pout

找到Pin

PinlnG

 PoutG

当(Pout-Pin)为最大值时，放大器输出功率为：

PoutPsat(1

1

) G

1lnG) GG

由上两个得到，振荡器的最大输出功率为

PoscPoutPinPsat(1

二．压控振荡器电路设计和仿真分析

本节论述的振荡器采用共基极反馈振荡器，这种类型的振荡器的物理模型如

下图所示。本电路设计采用ADS,主要技术指标为：工作在3GHZ,带宽300GHZ，输出功率大于60mW,杂波抑制比大于60dBc。

微固态振荡源的传统设计方法，是设计者从给定的技术指标出发，选择振荡器件及电路形式，按简化的等效电路或图解方法，按照现有的设计资料或者以往的经验，初步设计制成电路，调测其特性，然后根据所测性能与技术要求进行比较。如果不满足给定指标，再修改电路直到满足要求为止。而引入了微波电路设计CAD后，这个过程可以作出适当的调整，调整为：定模、分析、最优化。

1． 晶体管的选取

本节的振荡器采用HP公司生产的AT41411硅双极管，主要的指标有： 低噪音特性：1GHz时噪音系数是1.4dB；2GHz时噪音系数是1.8dB； 高增益：1GHz是增益为18dB；2GHz时增益为13dB； 截至频率是：7GHz，有足够宽的频带； 直流偏置：Vce＝8V；Ic＝10 mA 封装形式：STO143

因为该振荡器工作的频率有3GHz这么高，这个时候晶体管之间的结电容和封装管子引入的引线电感和分布电容就必须要考虑了。HP_AT41411在ADS的器件库里面带有，可以直接使用。我设计的振荡器的框架如下：

2．仿真步骤和电路优化 具体电路如下：

把结电容和封装电感、电容考虑进去后，需要设计的只有：偏置电路、变容管的VC特性和振荡器的调试以及相位噪音分析。

偏置电路的设计可以使用ADS中优化的方法，设置好优化目标后，进行仿真，得到两个优化电阻分别是R1=420欧姆,R2=630欧姆。

在设置谐振回路时，开始时取C1=10pF,L1=1000nH,直流电源为10V，对图中m1到m2的时间间隔内进行频谱分析，得到仿真后的结果如下图所示，振荡频率稳定在2.525GHZ。经过对上面三个参数进行修改后发现，改变Vdc和L1可以改变谐振频率，但是不能抑制谐波分量，最后把C1调节到4 pF后发现谐振频率被调节到了3.03 GHZ，而且有效的抑制了其他的谐波分量，调整先后的仿真结果对比如下：

优化后的结果如下：

可以看到，谐振频率较好的到达了3.03GHZ。至此，完成了振荡器的基本设计，下面对其进行谐波平衡仿真。得到的时域波形和谐波频率如下：

下面是噪声分析，这里的pnmx是相位噪音，单位为dBc/Hz；anmx是调幅噪音，单位为dBc/Hz；pnfm是附加相位噪音，单位为dBc/Hz。其中pnfm和anmx都是通过频率灵敏度分析来获得的，pnmx是通过混频分析获得的。

得到的频率-功率曲线如图所示：

谐波抑制上有很好的效果。在实测过程中发现，振荡频率捎有变化，不能完全稳定，现在正在进一步调试当中。 四．结束语

本文给出了微波压控振荡器的具体设计步骤，该方法具有很好的通用性，能够设计出微波波段的压控振荡器，从结果来看，电路仿真和实验结果基本上一致，而且通过此次仿真设计，也再一次验证了ADS软件在微波电路设计中的强大功能，说明使用仿真软件设计微波电路有很好的实际应用价值。 参考文献：

[1] 费元春等.微波固态频率源.国防工业出版社,1994.

[2] 周邦华.微波固态FM压控振荡器的设计.电子技术参考,1995. [3] 陈振国.微波技术基础与应用.北京邮电大学出版社.2002. [4] 周月臣.微波电路.北京邮电大学出版社.1991.

谐波抑制上有很好的效果。在实测过程中发现，振荡频率捎有变化，不能完全稳定，现在正在进一步调试当中。

四．结束语

本文给出了微波压控振荡器的具体设计步骤，该方法具有很好的通用性，能够设计出微波波段的压控振荡器，从结果来看，电路仿真和实验结果基本上一致，而且通过此次仿真设计，也再一次验证了ADS软件在微波电路设计中的强大功能，说明使用仿真软件设计微波电路有很好的实际应用价值。

参考文献：

[1] 费元春等.微波固态频率源.国防工业出版社,1994.

[2] 周邦华.微波固态FM压控振荡器的设计.电子技术参考,1995.

[3] 陈振国.微波技术基础与应用.北京邮电大学出版社.2002.

[4] 周月臣.微波电路.北京邮电大学出版社.1991.

作者：赵行之，任武

称呼：赵先生

文章名称：压控振荡器的设计与仿真

联络地址：北京理工大学电子工程系2003级研究生2班（邮编：100081） 题号：10

单位：北京理工大学电子工程系

电话：010-86661485

手机：[1**********]

电子邮件：[email protected]

压控振荡器的设计与仿真

摘要：介绍了S波段压控振荡器的设计方法，并使用微波仿真软件ADS对振荡器进行仿真分析，给出了仿真和实际电路的结果。

关键词：压控振荡器，谐振电路，仿真设计，优化 一． 振荡器原理介绍

一定电路组态下的微波晶体管，可视为一个二端口网络。为了产生并维持振荡，振荡回路必须形成负阻,即散射参数Ｓ11和Ｓ22均应大于1,稳定系数k小于1，利用电路的潜在不稳定性,振荡器就能满足振荡条件,产生自激振荡。

1． 振荡条件

一个双端口负阻振荡器包含晶体三极管、谐振网络和输出匹配网络。晶体三极管的散射矩阵[S]用S11、S12、S21、S22表示,设2个端口上联接的传输线特性阻抗都为Z0,线长都为零,其输入阻抗为Zm=Rin+jXin,输入端反射系数为Γ1,看向谐振网络的阻抗为Zg=Rg+jXg,相应的反射系数为Γg,图中同时示出了输出阻抗、输出端反射系数、负载阻抗及负载反射系数。

设双端口网络的入射波为a1、a2,反射波为b1、b2,双端口网络的散射参数定义为b1=S11a1+S12a2 (1) b2=S21a1+S22a2 (2) 利用(1)、(2)式和L

a2a1,g,得到: b2b1

b1S12S22L1S11S'11 (3)

a11S22L

2

b2S12S22g

S22S'22 (4) a21S11g

振荡条件表示为：

1S11S22Dk1 （5）

2S12S21PoscPoutPinPsat(1

1lnG) GG

（6）

222

LS'221 （7）

因为输入端口接谐振回路,输出端口接匹配网络和负载,都是无源网络,故|Γg|和|ΓL|都小

于1,因此|S′11|>1,|S′22|>1。对振荡器设计来说,为了产生振荡,两端口的反射系数均大于1,而稳定系数应小于1。

下图所示的是振荡器的物理模型，主要由谐振网络、晶体管和输入网络这三部分组成。

2．双端口负阻振荡器的输出功率

PoutPsat(1exp

GPin

) Psat

2

式中Pin是输入功率,Pout是输出功率,Psat是饱和输出功率,G=S12是放大器调谐小信号转换增益。要得到最大输出功率,就要使(Pout-Pin)最大,因而可通过求导相应的功率关系:

Pout

找到Pin

PinlnG

 PoutG

当(Pout-Pin)为最大值时，放大器输出功率为：

PoutPsat(1

1

) G

1lnG) GG

由上两个得到，振荡器的最大输出功率为

PoscPoutPinPsat(1

二．压控振荡器电路设计和仿真分析

本节论述的振荡器采用共基极反馈振荡器，这种类型的振荡器的物理模型如

下图所示。本电路设计采用ADS,主要技术指标为：工作在3GHZ,带宽300GHZ，输出功率大于60mW,杂波抑制比大于60dBc。

微固态振荡源的传统设计方法，是设计者从给定的技术指标出发，选择振荡器件及电路形式，按简化的等效电路或图解方法，按照现有的设计资料或者以往的经验，初步设计制成电路，调测其特性，然后根据所测性能与技术要求进行比较。如果不满足给定指标，再修改电路直到满足要求为止。而引入了微波电路设计CAD后，这个过程可以作出适当的调整，调整为：定模、分析、最优化。

1． 晶体管的选取

本节的振荡器采用HP公司生产的AT41411硅双极管，主要的指标有： 低噪音特性：1GHz时噪音系数是1.4dB；2GHz时噪音系数是1.8dB； 高增益：1GHz是增益为18dB；2GHz时增益为13dB； 截至频率是：7GHz，有足够宽的频带； 直流偏置：Vce＝8V；Ic＝10 mA 封装形式：STO143

因为该振荡器工作的频率有3GHz这么高，这个时候晶体管之间的结电容和封装管子引入的引线电感和分布电容就必须要考虑了。HP_AT41411在ADS的器件库里面带有，可以直接使用。我设计的振荡器的框架如下：

2．仿真步骤和电路优化 具体电路如下：

把结电容和封装电感、电容考虑进去后，需要设计的只有：偏置电路、变容管的VC特性和振荡器的调试以及相位噪音分析。

偏置电路的设计可以使用ADS中优化的方法，设置好优化目标后，进行仿真，得到两个优化电阻分别是R1=420欧姆,R2=630欧姆。

在设置谐振回路时，开始时取C1=10pF,L1=1000nH,直流电源为10V，对图中m1到m2的时间间隔内进行频谱分析，得到仿真后的结果如下图所示，振荡频率稳定在2.525GHZ。经过对上面三个参数进行修改后发现，改变Vdc和L1可以改变谐振频率，但是不能抑制谐波分量，最后把C1调节到4 pF后发现谐振频率被调节到了3.03 GHZ，而且有效的抑制了其他的谐波分量，调整先后的仿真结果对比如下：

优化后的结果如下：

可以看到，谐振频率较好的到达了3.03GHZ。至此，完成了振荡器的基本设计，下面对其进行谐波平衡仿真。得到的时域波形和谐波频率如下：

下面是噪声分析，这里的pnmx是相位噪音，单位为dBc/Hz；anmx是调幅噪音，单位为dBc/Hz；pnfm是附加相位噪音，单位为dBc/Hz。其中pnfm和anmx都是通过频率灵敏度分析来获得的，pnmx是通过混频分析获得的。

得到的频率-功率曲线如图所示：

谐波抑制上有很好的效果。在实测过程中发现，振荡频率捎有变化，不能完全稳定，现在正在进一步调试当中。 四．结束语

本文给出了微波压控振荡器的具体设计步骤，该方法具有很好的通用性，能够设计出微波波段的压控振荡器，从结果来看，电路仿真和实验结果基本上一致，而且通过此次仿真设计，也再一次验证了ADS软件在微波电路设计中的强大功能，说明使用仿真软件设计微波电路有很好的实际应用价值。 参考文献：

[1] 费元春等.微波固态频率源.国防工业出版社,1994.

[2] 周邦华.微波固态FM压控振荡器的设计.电子技术参考,1995. [3] 陈振国.微波技术基础与应用.北京邮电大学出版社.2002. [4] 周月臣.微波电路.北京邮电大学出版社.1991.

谐波抑制上有很好的效果。在实测过程中发现，振荡频率捎有变化，不能完全稳定，现在正在进一步调试当中。

四．结束语

本文给出了微波压控振荡器的具体设计步骤，该方法具有很好的通用性，能够设计出微波波段的压控振荡器，从结果来看，电路仿真和实验结果基本上一致，而且通过此次仿真设计，也再一次验证了ADS软件在微波电路设计中的强大功能，说明使用仿真软件设计微波电路有很好的实际应用价值。

参考文献：

[1] 费元春等.微波固态频率源.国防工业出版社,1994.

[2] 周邦华.微波固态FM压控振荡器的设计.电子技术参考,1995.

[3] 陈振国.微波技术基础与应用.北京邮电大学出版社.2002.

[4] 周月臣.微波电路.北京邮电大学出版社.1991.

作者：赵行之，任武

称呼：赵先生

文章名称：压控振荡器的设计与仿真

联络地址：北京理工大学电子工程系2003级研究生2班（邮编：100081） 题号：10

单位：北京理工大学电子工程系

电话：010-86661485

手机：[1**********]

电子邮件：[email protected]