焦作市金川電子科技有限公司
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介質諧振器

文章來源:zgjcdz 點擊次數:116次

  近十年來,小型化、高穩定、低噪聲介質諧振器振蕩器(DRO)得到普遍的重視,成為微波信號源的重要研究課題,有了較大的發展。隨著新材料和高技術手段的不斷出現,DRO的各項性能不斷提高。十年前它的電氣性能與金屬腔振蕩器相當,而今天它已與晶體倍頻振蕩器相差無幾。

  由于介質諧振器(DR)的結構特點,使其能方便的與微帶電路藕合,構成小型化、低噪聲、高穩定、高可靠、低成本的微波源,所以它深受廣大用戶歡迎。如今它已廣泛應用于地面微波通信、海空微波通信、衛星通信及軍事高科技領域。應用的需要,進一步促進了DRO的發展。例如,它的占有頻帶從十年前的3一25GHz,發展到目前的1~soGHz;從單純的DRO源發展到各種復合源,復合多功能模塊和各種微波集成電路。

  隨著微波半導體技術和微波集成電路(MIC)以及雷達 、電子對抗 、通信等技術的發展 , 微波設備與系統也趨向小型化 、集成化和低成本化發展 , 同時對振器其性能指標提出了更高的要求 。介質諧振器(DR)以其體積小 、重量輕 、Q 值高 、結構簡單 、價格便宜等優點 ,廣泛應用于微波源設計 , 此類 振蕩器稱為介質諧振器振蕩器(DRO) 。小型化 、高穩定 、低噪聲的 DRO 成為微波信號源的重要研究課題

  在射頻電路設計中常常在兩級電路之間加入緩沖放大器隔離兩個部分的電路 。通過這種隔離方式能夠在射頻系統中減少不利因素 。不良的輸出隔離會影響和干擾振蕩器性能的各種機理 , 因此在振蕩器的輸出端常常包含一個緩沖器 。在振蕩器后一級加緩沖放大器已經得到廣泛應用。

  介質諧振器和介質材料

  介質諧振器的特性參數(DR)

  介質諧振器是用特定的陶瓷材料制成的,表面上看很像一塊光滑的小石頭,人為的做成立方體、圓柱體、球形及圓筒形等。由于它可作為微波諧振腔來應用,所以近年來得到迅速的發展。它的實際應用,導致了微波源新的高技術領域的出現和發展。

  DR等效于一個微波諧振電路,在電路中用作選頻、濾波元件。就其應用看,可從以下特性參數來表征它的性能.

  1.品質因數Q值。它等于損耗角正切值的倒數。目前適用范圍在5000~20000之間。2.諧振頻率的溫度系數r。它包含兩個部分,一個是介電常數的溫度系數rt,另一個是DR的熱膨脹系數:r。3.相對介電常數。r。適用范圍為20~90。不同的應用,對于介質的三項參數Q,ɑ,?。,的要求也不同。欲得到滿意的小型源,就要對Q,ɑ,?適當選擇,研制出合適的DR,這就必然在介質材料方面進行選擇。通常,可適當選擇不同的陶瓷材料,調配成多種成分的復合陶瓷材料而達到目的.參數,缺一不可。例如金紅石相ITOZ,在4GH:頻率下Q值高達10000[2] 。r=100,此兩項參數值是能滿足一般應用要求的。但是它的頻率溫度系數r`二40oPPM/℃,如果溫度是50℃,頻率的絕對漂移80MH:,這樣大的頻漂對大多數場合是不適用的。

  .22介質材料及當前的水平多年來,經過人們不斷努力研究,開發出了性能優良的介質材料,從1936年到60年代是取得初步成果的階段。60年代末到80年代初,材料開發有了比較大的進展,許多性能優良的適用材料被研究出來,推動了DRO的發展。近十幾年來,已研制出多種復合陶瓷材料,都具有優良的介質特性、很好的微波應用性能,將微波頻段的應用范圍擴展為l一50GH:或更寬些。如合成鈣欽礦混合材料,常用分子式為:A[B`,/3B,`2/3〕03;式中A~Ba,Br;B,=Zn,Mg,Co,Ni;B’`-Ta,Nb,這些組分的合成材料具有優良的特性。。r=20~40,在10GH:下的空載Q。=10000,溫度系數r`可通過摻進一些成分而改變。

  DR當前的水平

  現在實際應用的DR,已覆蓋2~50GH:的寬頻率范圍,隨著新研制的尺寸適宜的同軸筒狀DR的出現,使頻率又向下端擴展大約500MH2。向使用頻率的低端擴展,將使DR的尺寸越來越大(除非出現新的高性能、高。r的材料),從而失去使用的意義(因為使用DR就是為了達到小型化高性能)。向覆蓋頻率的高端擴展將導致DR的Q值銳減到不能允許的程度,失去使用意義。其次,由放DR的體積隨之變小,將導致與電路之間失去有效的禍合。除非有新材料出現,否則這兩項就是向頻率高端擴展難以跨越得影響。DR在電氣性能上大致和高Q金屬腔體相當,但在同一頻率下的體積比金屬腔小得多(線尺寸縮小√?倍),這是DRo微波源小型化優越條件之一。具有適用。r的DR,總要存在一定的輻射損耗,適當的屏蔽可相對的減少損耗且必不可少,這意味著相應地提高了Q值。剛好,使用DR構成集成的振蕩器,必有一個封裝機殼,其機殼正好可作為屏蔽盒[2] 。

  振蕩器的相位噪聲

  微波有源晶體管的噪聲來源主要有三個方面 : 一是熱噪聲 ,二是散彈噪聲 , 三是閃爍噪聲 。熱噪聲是晶體管中載流子不規則熱運動引起的 ,它的大小與晶體管本身的歐姆電阻有關 。散彈噪聲是由于晶體管內部復雜的載流子(電子)運動起伏所產生的 ,其大小與電流成正比 。閃爍噪聲是與頻率成反比的噪聲 , 又稱 1 / f 噪聲。它是微波晶體管振蕩器近載頻相位噪聲的主要來源 , 通過器件的非線性效應上變頻對微波頻率發揮作用 ,在遠離載頻端可以忽略關于振蕩器的相位噪聲一般的影響因素 , 因此為了提高振蕩器的相位噪聲性能 ,可以從以下幾個方面進行努力和改進。

  (1) 提高諧振電路的有載 Q 值一倍 , 可以改善相位噪聲 6 dB 。因此諧振器的 Q 值極為重要 , 為了改善相位噪聲 ,除了選擇高空載 Q 值的諧振器之外 , 在實際電路中應盡量減少有載 QL 值的惡化。

  (2) 諧振頻率增加一倍 ,相位噪聲惡化 6 dB 。提高諧振頻率輸出功率將改善相位噪聲 。輸出功率是振蕩器的重要指標 ,高輸出功率靠振蕩管本身和匹配電路來保證。

  (3) 振蕩電路溫度升高 , 相位噪聲將惡化 。在電路中應該注意有源器件的散熱問題 ,保證有源器件溫度不會太高。

  介質振蕩器 DRO 電路實現

  DRO 選用 Infineon 的 CFY25 場效應管 ,是一種中功率輸出的砷化鎵場效應管 。其具有相位噪聲低 、在設計的振蕩器頻率上易于起振 、性能良好 、同時購買方便等優點 ,適合作為本課題的有源器件 。根據仿真結果 制作的 8. 95 GH z 與兩根微帶線耦合的并聯諧振的介質諧振器,以及將介質諧振器并聯有源器件的柵極和漏極之間。

  在 DRO 電路調試過程中 , 調試時先不放人介質塊 ,振蕩源通電后 ,加上蓋板 ,形成封閉的腔體應該沒有功率輸出 ,如有功率輸出 ,說明振蕩源存在寄生振蕩 ,應該設法抑制消除。放入介質塊并調整其位置以獲得耦合 ,這時振蕩源應工作正常 , 調諧盤在400 M H z范圍內應沒有調模現象 。調整介質塊與微帶線之間耦合度β1 和 β2 , 是振蕩器的輸出功率和相位噪聲盡量滿足設計指標 。 用微波膠將介質塊粘牢 。由于振蕩器振蕩頻率易受負載牽引比較明顯 ,為了適應不同負載的變化 , 經常要加一級緩沖放大器使振蕩器與負載隔開 , 這樣也能進一步提高功率- 頻率性能 。設計緩沖放大器采用富士通的 FLK017 場效應管 ,選定管子后先對其進行直流仿真分析 , 基于 FLK017 在ADS 元件庫中晶體管模型沒有 ADS 仿真軟件中提供一種三端口的 S 參數模型。可以直接將所需要的直流工作點的 S參數導入 ,需要注意的是廠家提供的 S2P。件中的 S 參數值是默認發射極接地的情況 , 因此仿真電路中的第三個端口地。

  在 BA 電路調試過程中 ,起初 ,在所要的頻點上 ,功率輸出 - 5 dBm , 放大器變成衰減器 。在調試過程中 ,輸出 、輸入 SM A 口特別敏感 , 可能是安裝人為誤差影響比較大 , 重新將電路卸載 , 再安裝后 , 輸出功率到+4 dBm 。為獲得大功率輸出 , 對輸出 、輸入匹配電路以及敏感部位進行調試 。使輸出功率達到 8 dBm ,完成設計為目標。

  介質振蕩器具有性能優良 、電路結構簡單固定 、調試量小 、諧振器的場分析簡單 、高頻寄生參量少 、溫度適應性好等優點 。通過進一步的優化電路仿真 ,對所需的頻率電路結構固定 。可實現批量生產 , 擴大應用范圍 。因此有很好的工程應用價值 。另外 ,再優化設計電路可以進一步減小電路尺寸 ,緩放可以代替隔離器 , 將介質振蕩器后一級加緩放設計在同一個電路板上 ,并在 MM IC 中有很好的應用前景。


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