隨著近幾年無線通信的發(fā)展，各種通信系統(tǒng)對VCO的調諧帶寬和相位噪聲提出了更高的要求。基于薄膜工藝的LC集成壓控振蕩器有很高的可靠性，但實現(xiàn)不了高Q值的片上電感，因此這種VCO的相位噪聲較差?；赑CB工藝的表貼VCO有更好的相位噪聲性能，但由于寬帶電路匹配困難，電路工作狀態(tài)不太穩(wěn)定，國內尚沒有成熟的能夠覆蓋L波段的VCO產(chǎn)品面世。國外各大射頻器件廠商已經(jīng)開發(fā)出了多款L波段寬帶的VCO，其相位噪聲在偏離載頻10 kHz時為一100 dBc／Hz左右。本文基于一種新的電路結構，成功實現(xiàn)了L波段系列寬帶VCO，其工作狀態(tài)穩(wěn)定，電性能指標優(yōu)良。
1 負阻振蕩器工作原理
集成寬帶壓控振蕩器電路通?；陔p端口負阻振蕩原理，為變容二極管調諧的LC振蕩器，它由具有負阻特性的微波固態(tài)器件和適當?shù)耐怆娐放c之配合所組成，通過電路與固態(tài)器件之間的相互作用，把直流電源的功率轉換成微波功率，其原理框圖如圖l所示。
雙端口負阻電路的振蕩條件為
式中D=S11S22一S12S21。
2 電路設計
2．1 寬帶電路設計
傳統(tǒng)的寬帶VCO大多采用共基極電路組態(tài)，而選用基極射極雙端調諧方式可以獲得更快的調諧靈敏度，在合理的電調范圍內實現(xiàn)了穩(wěn)定的超倍頻程的工作帶寬。如果在反饋支路中，引入一變容管則可以進一步改善寬頻帶范圍內匹配狀況。同時，在振蕩管的集電極引入一小電容直接到地，通過調整此電容的值來進一步調整振蕩管的輸出匹配狀態(tài)，使VCO獲得穩(wěn)定的超倍頻程工作帶寬。整個電路的基本拓撲結構如圖2所示。
2．2 低相噪設計
壓控振蕩器的相位噪聲可近似地由式(4)給出
VCO的相位噪聲主要由諧振回路的Q值，壓控靈敏度K0，振蕩管的噪聲系數(shù)等參數(shù)決定。對于并聯(lián)諧振的壓控振蕩器，得到其等效電路如圖3所示。諧振器的品質因數(shù)(Q值)為
由式(5)可知，諧振器Q值由電容電感串聯(lián)電阻決定。目前的集成電路工藝實現(xiàn)不了高Q值的電感，諧振器的Q值主要受電感的Q值影響。
此外適當?shù)卦龃箅姼兄狄部梢蕴岣逹值，但是這只在一定的范圍內成立。選取合適的電感與變容管至關重要。以f=1 GHz來粗略計算電感電容值，得L=2．5 nH?？紤]到塑封器件的寄生效應以及通孔電感的存在，常規(guī)的薄膜表貼電感或是繞線電感已不適合應用了，考慮采取一段短的到地微帶線來實現(xiàn)諧振器電感L2，此法可以獲得較小的電感值且Q值較高。合理選擇此電感大小對相噪有重要意義，電感L3為塑封器件引線電感實現(xiàn)。
振蕩管選擇噪聲系數(shù)低、1／f噪聲低的硅雙極三極管，變容管盡量選取串聯(lián)電阻較小的突變結管。合理地選擇器件，可進一步降低VCO的相位噪聲。
3 CAD仿真優(yōu)化設計
采用微波射頻仿真工具作為仿真設計工具，合理選取電路工作點和各個元件初始參數(shù)，利用軟件自帶的元器件庫，可以比較準確地搭建起仿真原理圖。對電路進行諧波平衡法仿真，可以方便地得到上電路的振蕩頻率、相噪、諧波等指標，電路起振曲線如圖4所示。
由于在仿真時僅僅進行了電路仿真，許多的寄生效應沒有考慮，在較寬頻帶內得到的仿真結果與實際情況在數(shù)值上有一定差別，但是它可以方便地給出各種元件組合所能達到的效果，此外仿真還能給出有無寄生振蕩等其他信息。
4 電路制作及測試結果分析
在CAD軟件仿真的基礎上，進行實物制作。利用此種電路拓撲，通過選擇不同形狀大小的微帶電感和變容管元件，開發(fā)出了800～1 600 MHz、1 000～2 000 MHz、1 200～2 100 MHz三種寬帶VCO產(chǎn)品。圖5給出了l 000～2 000 MHz VCO的實物圖，圖6給出了1000~2 000 MHz VCO在VT=6 V時的實測相噪曲線。在偏離載頻10 kHz處相位噪聲為一102 dBc／Hz。由于大幅提高了諧振電路的Q值，其相位噪聲較原有的基于薄膜工藝的同類產(chǎn)品提高了5 dB以上。同時由于采用了雙端口調諧及可變電容反饋的引入，使其能在倍頻程帶寬內穩(wěn)定地工作。
5 結論
此種電路結構在雙端口調諧的基礎上，通過引入可變電容反饋，實現(xiàn)了電路的超寬帶。合理選擇諧振器電容電感比，并利用在低損耗的介質基板上實現(xiàn)小的電感以獲得高Q的諧振器，從而降低了VCO相位噪聲。基于此方法能夠較為方便地實現(xiàn)L波段系列寬帶低相噪VCO，基于此法開發(fā)出的三種寬帶低相噪VCO產(chǎn)品已經(jīng)獲得了應用。
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