介質振蕩器

相干布局囚禁 (CP T ) 是原子與相干光相互作用所產生的一種量子干涉現象。 CP T原子鐘是一種利用 C P T現象實現的原子鐘，由於其具有體積小、功耗低和啟動快的特點 ,而得到快速的發展並獲得日益廣泛的應用。CP T原子鐘可以應用不同的原子實現, 其中最普遍的是 87 R b 原子。對於 87 Rb原子 , C P T原子鐘的頻率鎖定過程要求微波信號以 3 417. 343 75MHz 為中心頻率、在 ±1k Hz 範圍內小步長進行掃描而獲得 C P T峰信號，應用 C P T峰作為微波鑒頻信號 , 通過控制電路將微波頻率鎖定於 CP T峰的極值所對應的微波頻率，從而實現原子鐘的閉環鎖定。介質 振 盪器 (DRO) 作為一種微波信號合成技術, 具有體積小和電路設計簡單等優點 ,現在已廣泛應用於通信系統 ,電子對抗、導彈、雷達等等。為了實現微型 C P T原子鐘 ,就需要研製出合適的微型微波電路方案 ,DRO微波方案是可供選擇之一。

振蕩器是微波、毫米波系統的關鍵部件之一，它的指標直接關係到系統性能的優劣。

由於介質振蕩器研製涉及到複雜的非線性問題，因此有些觀點認為 DRO 的設計工作更像是一門手藝，而工程設計不嚴格。目前很多關於 DRO 設計方面的文獻試圖提出新的方法扭轉這一局面，但是他們要麼在介質與微帶的耦合結構分析時簡化等效，要麼在晶體管( 或場效應器件等) 建模、電路建模模擬方面含混省略，而這恰恰是 DRO 設計的關鍵及難點，所以這些方法仍然不能作為一種令人信服的準確設計方法。DRO 設計中幾個關鍵的難點問題，即: ①反饋結構參數提取，②晶體管放大部分的增益與相位控制，③DRO 的閉環和開環模擬實現。

DR 耦合結構即為 DRO 電路的反饋網路，它是一個無源二埠網路，其傳輸特性只與本身的結構參數有關，而與後續連接的晶體管放大部分無關，因此可以首先將它剝離出來進行電磁分析和模擬，以獲取反饋網路的 S 參數。CST 軟體進行電磁模擬時建立的三維結構圖，兩條平行微帶線的阻抗均為 50 歐姆，一個微帶線開路，另一個端接 50Ω 電阻到地。調整兩條平行耦合微帶線的間距、 DR上方金屬調諧盤的高度、 DR 的高度，可以得到不同情況下耦合結構的 S 參數，進而得到多種情況下反饋網路的 φR、 LR。耦合結構的諧振頻率在 5．809GHz，插入損耗 － 5．889dB。將模擬結果導出為 S2P 文件，然後導入到後續的電路模擬中，便可以將此耦合結構作為一個固定的子電路模塊使用。

晶體管非線性模型建立

晶體管是 DRO 中的一個關鍵部件，要進行 DRO 的計算機模擬設計，就必須首先建立其電路模型。晶體管管芯的 Gummel － Poon模型( 簡稱 GP 模型) ，其常用的 SPICE 參數有 30 個左右，如表徵正向直流特性的 IS、 NF、 BF、 ISE、 NE、 IKF、 VAF，表徵反向直流特性的 NR、 ISC、 NC、 BR、 IKR、 VAR 等。由於器件管芯在封裝時會引入寄生參量，因此也必須加以考慮，進而建立包含封裝寄生參數的晶體管等效電路。通常管芯 SPICE 參數值、封裝后寄生參數的大小，晶體管生產廠家均會提供，這樣一個非線性晶體管模型就建立完成，可以將它作為一個子電路加入到後續的電路模擬中。

閉環諧波平衡模擬

在電路模擬中採用商用 AWR 電路模擬軟體，建立閉環電路模擬拓撲模型。其中 DR 耦合結構採用 CST 電磁模擬時獲得的 S 參數模型，以一個二埠元件的形式加進來，晶體管採用前面建立的非線性模型，以一個三埠元件的形式加入到模擬電路中。晶體管的基極採用單短路枝節匹配，集電極採用單開路枝節匹配。優化基極、集電極匹配電路，通過閉環諧波平衡模擬得到 DRO 的特性。電路在 5． 734GHz 振蕩，與DR 耦合結構的諧振頻率 5． 809G 非常接近。DRO的輸出功率可以達到 17． 3dBm，相位雜訊指標為 － 91dBc /Hz /10kHz、－ 114dBc /Hz /100kHz，性能優良，滿足一般雷達和通信系統等的要求。

以上是基於晶體管非線性模型時 DRO 的模擬設計方法。由於目前很多晶體管、場效應管的生產廠家不提供晶元的非線性模型及參數，而只提供其 S 參數供用戶使用，所以研究基於器件小信號 S 參數的 DRO 設計方法也是具有非常重要的現實意義。

基於晶體管小信號 S 參數進行 DRO 的線性化模擬設計，可以將複雜的非線性問題轉換為簡單的線性模擬。直接將晶體管 S 參數導入 AWR 軟體工程中，在子電路庫中將會出現這個晶體管的模型供電路模擬使用。同樣建立開環線性模擬的電路拓撲。利用虛地理論將閉環系統斷開為一個二埠網路，即一個放大器和一個選頻反饋網路的形式，其中的選頻網路參數就是前面 CST 模擬得到的 DR耦合結構 S 參數。

振蕩條件分析

對閉環自激的開環分析，可用控制論中的尼奎斯特判據得到嚴格的起振條件判據。尼奎斯特判據是利用極坐標下的圍線圖表示，這和特性參數的波特圖有一一對應的關係，為振蕩器的分析提供極大的方便。當傳輸特性參數的相位為負斜率，且零相位處增益大於 1 時，此頻率就是一個穩定振蕩頻點。

利用開環測得的 S21 來描述閉環穩定條件有很大的誤差，因為開環網路的 S 參數是在輸入輸出端匹配的條件下得出來的。當開環系統閉環后，由於輸出輸入阻抗條件變化，使開環 S 參數不再適用，因此引入了同輸入輸出埠阻抗無關的 G 參數。

模擬結果

將前面基於晶體管非線性模型模擬獲得的晶體管基極、集電極匹配電路參數不做修改直接用於線性模擬，根據開環 G 參數分析方法，可以得出該 DRO 在 5． 796GHz 穩定振蕩，與前面非線性模型的模擬結果基本吻合，只相差了 62MHz，幾乎可以忽略。根據上述電路模擬結果，實際製作了 DRO 樣機，實測 結 果: 振 盪 頻 率 5． 898GHz，相 位 噪 聲 － 80dBc /Hz /10kHz，二次諧波抑制 － 15dBc。實測結果與模擬結果是比較吻合的，而且設計電路安裝後幾乎不用調試即可穩定起振，設計效率大大提高。

系統研究了介質振蕩器的精確模擬設計方法。前一種基於晶體管非線性模型的方法略微複雜一些，它可以觀察輸出頻譜情況和相位雜訊性能，對 DRO 性能的模擬分析更加全面。當廠家不提供晶體管非線性模型和參數時，可採用后一種基於晶體管線性 S 參數的模擬設計方法，這種方法只能模擬振蕩的基頻頻率，其它指標性能無法觀察。因此這兩種方法各具特色，具有一定的互補性，設計時要根據具體的已知條件來選擇。通過兩種方法模擬結果的對比分析，彼此印證了兩種模擬方法的有效性和準確性。

介質振蕩器的設計

一個基本的振蕩器包括三個關鍵部分, 即放大電路、反饋網路和選頻網路, 本文採用高 Q 介質作為反饋網路和諧振迴路 , 所研製介質振蕩器採用並聯反饋電路形式。

介質振蕩器的計算機輔助設計

採用 HFSS 與 ADS 軟體進行三維、二維電路聯合模擬, 先由 HFSS 模擬優化介質諧振器的並聯反饋結構, 將散射參數導出 ;然後將散射參數導入 ADS 軟體中 , 進行振蕩器電路模擬 ;最終根據模擬優化, 完成介質諧振器的設計, 並引導實際電路的調試研製。

HFSS 軟體下建立的模擬模型以及經過優化后散射參數曲線, 模型中諧振器經石英墊片放置於氧化鋁陶瓷基片上。其優化主要考慮三方面 , 即介質諧振器的尺寸所確定的諧振頻率、外腔體尺寸對其諧振的影響以及微帶線與諧振器的距離、石英墊片的厚度對諧振器有載 Q 值及諧振模式的影響。從模擬結果來看 , 介質諧振器的品質因數很高 , 即具有很好的選頻特性。

散射參數帶入 ADS 后的模擬電路拓撲的優化主要考慮兩方面, 即反饋環路內微帶線的電長度對其相位的影響及輸出端微帶線的電長度對其相位雜訊的影響。通過優化反饋環路內微帶線的電長度, 使閉環相位為 0 , 以在所需頻率上產生穩定振蕩, 通過優化輸出端微帶線電長度以得到最佳相位雜訊。