微带压控振荡器设计与仿真蒋本林

微带压控振荡器设计与仿真蒋本林(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621900)摘要：介绍了S波段微带压控振荡器的设计方法，并使用微波仿真软件Serenade8.5对振荡器进行仿真分析，给出了仿真和实际电路的结果。一、振荡器原理分析一定电路组态下的微波晶体管，可视为一个二端口网络，在适当端接下，由于其非线性负阻特性，构成双端口负阻振荡器［１］。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＜1，利用电路的潜在不稳定性，振荡器就能1.振荡条件一个双端口负阻振荡器等效网络如图1，它包含晶体三极管、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12．双端口负阻振荡器的输出功率考虑一个共发射极功率振荡器，要求传输给负载的有用功率最大。由于共发射极振荡器可以视为具有输出功率为Pout的共发射极放大器,通过正反馈电路反馈输入功率Pin给输入端构成振荡器。要求振荡器传输给负载的有用功率（Pout－Pin）最大，也就是使放大器的（Pout－Pin）最大，由放大器的输出功率经验公式知：式中Pin是输入功率，Pout是输出功率，Psat是饱和输出功率，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，因而可通过求导找到相应的功率关系：二、微带压控振荡器电路设计分析由于微波仿真软件的不断完善，以及能够提供精确的元器件模型，目前在微波电路设计中，已得到广泛应用。本电路采用Asoft公司的微波仿真软件Serenade8.5来设计。要设计的振荡器的技术指标为：工作频段S波段，带宽fo±10MHz，输出功率不小于100mW，杂波抑制比大于60dBc1为了获得大的输出功率，采用了共发射极串联反馈振荡器电路［２］，如图2所示，图(1)振荡管的选择根据工作频率和输出功率要求，选择Agilent公司硅双极晶体管AT-42070，其fT=8GHz，工作在2GHz时P1dB＝21dBm，噪声系数为1.9dB。AT-42070的S参数如表1所示。(2)变容二极管的选择压控振荡器频率的改变是借助变容二极管电容的改变来完成的，因此压控振荡器的许多重要指标如频偏、线性度、灵敏度等都与它有关。为了获得较好的线性度和电调灵敏度，使用了双变容二极管串联形式。根据设计要求，选择了M/A-COM公司的GaAs超突变结变容二极管MA46H204。管子参数为γ＝1.25，Q＝1500，电容变化比等于10，控制电压范围2～20V2根据原理电路构成图，将拓扑图绘制在Serenade设定各个元件的初值，并设置好各种仿真参数。微带压控振荡器电路拓扑如图3所示。(1)电路起振分析振荡器设计分2步进行。首先，使用OscillatorDesignAid确定振荡电路是否能够在指定的频段范围内振荡。其分析如图4然后，使用OscillatorAnalysis对振荡电路进行分析。(2)电路优化及结果对振荡器进行初步分析之后，就需要进行电路优化。在Serenade的原理图编辑区内，选择需优化的元件，设置优化模块，建立优化目标函数。经优化后得到的频谱图如图5所示。三、实验结果实际的压控振荡器制作在40×30mm2、δ=1.5（１）工作频段：fo±10MHz（２）输出功率：≥120mW（３）杂波谐波抑制比：≥60dBc（４）电调性能：实验测试结果见表2。图6四、结束语本文应用振荡器理论对压控振荡器设计进行了讨论，并使用微波仿真软件对微带压控振荡器进行了设计分析。从设计实例和实验结果可见，电路仿真与实验结果基本上是一致的，1994［２］周邦华.微波固态FM压控振荡器的设计［Ｊ］.电子技术参考，1995，（３）．电讯技术