摘要：利用負阻原理設計了5．9 GHz介質振蕩器(DRO)，采用HFSS軟件對介質諧振塊(DR)進行三維仿真，應用Agilent公司的ADS軟件對DRO進行了優(yōu)化設計和非線性分析，用該方法制作的并聯(lián)反饋式DRO性能良好，輸出功率為10 dBm，相位噪聲達到-100 dBc／Hz@10kHz，-124dBc／  Hz@100kHz。
關鍵詞：負阻；介質振蕩器(DRO)；三維仿真；相位噪聲

    隨著現(xiàn)代無線通信事業(yè)的發(fā)展，移動通信、雷達、制導武器和電子對抗等系統(tǒng)對本振源提出了越來越高的要求。介質振蕩器(DRO)由于其優(yōu)異的噪聲性能、頻譜純度和穩(wěn)定度成為了一種應用廣泛的微波毫米波頻率源。本文突破了以往對于DRO的設計，將DR部分通過理論計算，轉化為等效電路的設計方法，嘗試了首先利用三維場仿真軟件HFSS對DR(介質塊)及其與周邊微帶線的耦合空間進行仿真計算，得到相應參數(shù)后，再將DR模型代入ADS仿真軟件中進行設計與優(yōu)化，并給出了5．9 GHz介質振蕩器設計實例，其性能良好。

1 DRO振蕩器設計原理與步驟
    采用源極輸出并聯(lián)反饋式電路，其有載Q值高，相位噪聲低，結構簡單，便于精確設計，并且源極輸出雖然功率較小，但只需單電源，且負載與諧振電路間存在一定解耦，適合作接收機本振，如圖1所示。該電路采用源極輸出式，DR同時耦合于微帶線的兩側，并且通常采用高增益放大器，允許DR與微帶線間耦合極松，使DR具有一個較高的有載品質因數(shù)值，從而使振蕩器有較低的相位噪聲，這里DR相當于一個帶阻濾波器。

    反饋型振蕩器其實質是負阻型振蕩器，設計時可利用負阻原理進行分析，將振蕩器變換為一個雙端口網(wǎng)絡，如圖2所示，如果終端端口滿足了振蕩電路的平衡條件，負載端口也就自然滿足了平衡條件；反之亦然，即：
   
    因此兩端口負阻振蕩電路的設計步驟如下：
    1)選擇在振蕩頻率下能夠處于非穩(wěn)定狀態(tài)的晶體管。
    2)設計終端網(wǎng)絡使得輸人端口的電壓反射系數(shù)|ΓIN|>1，可以適當采用引入反饋的方法提供輸入端口的電壓反射系數(shù)。
    3)設計負阻網(wǎng)絡使其能與等效單端口負阻網(wǎng)絡ZIN滿足振蕩條件，選擇合適的負載網(wǎng)絡以獲得最大的功率輸出。
    基于以上理論，使用ADS軟件設計和仿真負阻器件，以滿足起振條件，即|ΓIN|>1，并且設計諧振器電路以滿足穩(wěn)定振蕩條件，即式(1)和式(2)。最后將負阻器件和諧振電路這兩部分電路合并，用諧波平衡法對整個電路的性能在ADS中進行仿真。

2 介質諧振器(DR)的建模
    介質諧振器是由一小段長度為L的圓形、矩形或環(huán)形低損耗高介電常數(shù)且高Q的、對溫度變化穩(wěn)定的介質波導制成的，介質諧振器的諧振頻率主要取決于它的幾何尺寸及其周圍環(huán)境。使用時，常將它置于波導內或微帶線基片上。孤立的介質諧振器諧振頻率(單位為GHz)由式(3)給出。

    為了進行振蕩器的設計，需要用S參數(shù)來描述DR的特性，在諧振頻率附件，微帶線與圓柱諧振器之間的電場耦合可以等效為一個并聯(lián)RLC電路。在本設計中我們利用仿真軟件HFSS精確計算DR以及其與微帶線耦合的空間的三維場，并可以提取模型得到s2p文件，此s2p文件則代表了介質反饋網(wǎng)絡的S參數(shù)模型，將此文件代入ADS軟件進行電路優(yōu)化設計和非線性分析，這種方法代替了近似電路仿真，從而使振蕩器的設計更加準確。利用HFSS仿真軟件設計的DR仿真模型如圖3所示，其仿真結果如圖4所示。

    在實際選取介質諧振器時應考慮到生產(chǎn)廠家具體模具的尺寸，從而選取合適的尺寸。本設計介質諧振器尺寸為：圓柱形介質塊，D=9．02 mm，H=5．00 mm，h=10．20 mm，εr=36，其中D為介質塊半徑，H為其高度，h為介質塊頂部到諧振腔的距離。一般情況，腔體的寬度為3～5倍的介質直徑、高度為2～3倍介質的高度時，可以保證DRO可靠起振。對于介質諧振器的諧振頻率通常應比所要設計的頻率低50～100 MHz，在應用時，如果諧振頻率偏低則可以輕微磨介質諧振器的高度，如果諧振頻率偏高則必須由生產(chǎn)廠家來調整。

3 DRO仿真電路設計
3．1 靜態(tài)偏置電路
    在進行設計之前，必須選擇合適的場效應管并給其提供合適的直流偏置。在ADS元件庫中找到各器件模型，利用直流仿真器確定場效應管的配置電路。
3．2 負阻電路
    在設計偏置電路之后，將場效應管構建為一個漏極容性反饋電路。負阻部件是通過DR同時與柵極和漏極的兩根微帶線進行耦合，對GaAs FET進行漏極電容性反饋實現(xiàn)的。仿真電路采用單電源設置FET的Vds和Id。在漏極加入負阻器件使FET產(chǎn)生負阻，可以通過晶體管的柵極的反射系數(shù)幅度來確定，使S(1，1)的幅值大于1，通常要大于1．2，此時場效應管的源極輸出端接50 Ω的負載阻抗。加入反饋網(wǎng)絡后，晶體管滿足了不穩(wěn)定條件，然后通過其不穩(wěn)定區(qū)域來設計輸入輸出匹配網(wǎng)絡，進行最優(yōu)化設計，至此負阻部件的設計完成。
3．3 完整電路
    將介質諧振器與負阻部件通過OSC_PORT相連接便構成了振蕩器的完整電路，在所期望的振蕩頻率上以下兩個條件同時需要得到滿足：
    1)存在剩余負阻；
    2)總電抗為零。
    剩余負阻是振蕩器建立振蕩器的需要，當負載獲得振蕩電路最大功率輸出時，負載實部阻抗應為負阻器件實部阻抗的三分之一。在仿真過程中，使用ADS中的S參數(shù)仿真器得到電路的輸入阻抗。在實際電路的設計過程中，還需要調整介質諧振器與振蕩場效應管的正確位置。給部件建立模型時必須注意它們的寄生參數(shù)會使得最終的振蕩器特性的寄生響應增加，例如3次諧波對最終振蕩電路的影響，然而通過精細設計這些網(wǎng)絡與部件的參數(shù)，最終振蕩電路的性能不會受到很大的影響。
    利用ADS軟件的諧波平衡分析方法，可以得到以下的仿真結果：在5．9GHz的頻率上，其輸出功率超過9dBm，相位噪聲為-125dBc／Hz@10k Hz，-145dBc／Hz@100kHz。

4 設計實例
    在本設計中，基板板材介電常數(shù)9．6，F(xiàn)ET選擇采用三菱公司的場效應管MGF1801進行設計，通過偏置使其工作在Vds=6 V，Id=100 mA的工作點上。不加介質塊時，應不產(chǎn)生振蕩或者振蕩頻率遠離所需振蕩頻率；加上介質塊后，蓋上諧振腔蓋板后，調節(jié)螺桿，如果螺桿向下旋進時頻率增加，則說明介質塊的諧振頻率牽引住了電路的自激頻率，此時可以調整到所需振蕩頻率，如果螺桿向下旋進時頻率減小或時增時減，則說明介質塊的諧振頻率沒有牽引住電路的自激頻率，應調整介質塊的位置：當調至所需頻率后，再看頻率是否穩(wěn)定，此時振蕩頻率應在所需頻率處有小范圍地上下浮動。通過調試可以得到以下的測試結果：圖5所示為并聯(lián)反饋型結構DRO的實物圖，圖6所示為DRO的輸出功率測試結果和100 kHZ時的相位噪聲測試結果。在5．9 GHz的頻率上，其輸出功率超過10 dBm，相位噪聲為-100 dBc／Hz@10 kHz，-124dBc／  Hz@100kHz，頻率穩(wěn)定度為8．4×10-6。

5 結束語
    在負阻原理的基礎上，利用HFSS和ADS軟件設計實現(xiàn)了一款頻率為5．9GHz的介質振蕩器，其性能良好，實驗結果達到了設計要求。與傳統(tǒng)的等效電路設計方法相比，該方法更為快捷、簡單，該形式的振蕩器簡單、便于調試，對于雷達接收機本振的設計具有重要的參考價值。