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介质谐振器

发布:pwvpcydo 浏览:1554次

  近十年来,小型化、高稳定、低噪声介质谐振器振荡器(DRO)得到普遍的重视,成为微波信号源的重要研究课题,有了较大的发展。随着新材料和高技术手段的不断出现,DRO的各项性能不断提高。十年前它的电气性能与金属腔振荡器相当,而今天它已与晶体倍频振荡器相差无几。

  由于介质谐振器(DR)的结构特点,使其能方便的与微带电路藕合,构成小型化、低噪声、高稳定、高可靠、低成本的微波源,所以它深受广大用户欢迎。如今它已广泛应用于地面微波通信、海空微波通信、卫星通信及军事高科技领域。应用的需要,进一步促进了DRO的发展。例如,它的占有频带从十年前的3一25GHz,发展到目前的1~soGHz;从单纯的DRO源发展到各种复合源,复合多功能模块和各种微波集成电路。

  随着微波半导体技术和微波集成电路(MIC)以及雷达 、电子对抗 、通信等技术的发展 , 微波设备与系统也趋向小型化 、集成化和低成本化发展 , 同时对振器其性能指标提出了更高的要求 。介质谐振器(DR)以其体积小 、重量轻 、Q 值高 、结构简单 、价格便宜等优点 ,广泛应用于微波源设计 , 此类 振荡器称为介质谐振器振荡器(DRO) 。小型化 、高稳定 、低噪声的 DRO 成为微波信号源的重要研究课题

  在射频电路设计中常常在两级电路之间加入缓冲放大器隔离两个部分的电路 。通过这种隔离方式能够在射频系统中减少不利因素 。不良的输出隔离会影响和干扰振荡器性能的各种机理 , 因此在振荡器的输出端常常包含一个缓冲器 。在振荡器后一级加缓冲放大器已经得到广泛应用。

  介质谐振器和介质材料

  介质谐振器的特性参数(DR)

  介质谐振器是用特定的陶瓷材料制成的,表面上看很像一块光滑的小石头,人为的做成立方体、圆柱体、球形及圆筒形等。由于它可作为微波谐振腔来应用,所以近年来得到迅速的发展。它的实际应用,导致了微波源新的高技术领域的出现和发展。

  DR等效于一个微波谐振电路,在电路中用作选频、滤波元件。就其应用看,可从以下特性参数来表征它的性能.

  1.品质因数Q值。它等于损耗角正切值的倒数。目前适用范围在5000~20000之间。2.谐振频率的温度系数r。它包含两个部分,一个是介电常数的温度系数rt,另一个是DR的热膨胀系数:r。3.相对介电常数。r。适用范围为20~90。不同的应用,对于介质的三项参数Q,ɑ,?。,的要求也不同。欲得到满意的小型源,就要对Q,ɑ,?适当选择,研制出合适的DR,这就必然在介质材料方面进行选择。通常,可适当选择不同的陶瓷材料,调配成多种成分的复合陶瓷材料而达到目的.参数,缺一不可。例如金红石相ITOZ,在4GH:频率下Q值高达10000[2] 。r=100,此两项参数值是能满足一般应用要求的。但是它的频率温度系数r`二40oPPM/℃,如果温度是50℃,频率的绝对漂移80MH:,这样大的频漂对大多数场合是不适用的。

  .22介质材料及当前的水平多年来,经过人们不断努力研究,开发出了性能优良的介质材料,从1936年到60年代是取得初步成果的阶段。60年代末到80年代初,材料开发有了比较大的进展,许多性能优良的适用材料被研究出来,推动了DRO的发展。近十几年来,已研制出多种复合陶瓷材料,都具有优良的介质特性、很好的微波应用性能,将微波频段的应用范围扩展为l一50GH:或更宽些。如合成钙钦矿混合材料,常用分子式为:A[B`,/3B,`2/3〕03;式中A~Ba,Br;B,=Zn,Mg,Co,Ni;B’`-Ta,Nb,这些组分的合成材料具有优良的特性。。r=20~40,在10GH:下的空载Q。=10000,温度系数r`可通过掺进一些成分而改变。

  DR当前的水平

  现在实际应用的DR,已覆盖2~50GH:的宽频率范围,随着新研制的尺寸适宜的同轴筒状DR的出现,使频率又向下端扩展大约500MH2。向使用频率的低端扩展,将使DR的尺寸越来越大(除非出现新的高性能、高。r的材料),从而失去使用的意义(因为使用DR就是为了达到小型化高性能)。向覆盖频率的高端扩展将导致DR的Q值锐减到不能允许的程度,失去使用意义。其次,由放DR的体积随之变小,将导致与电路之间失去有效的祸合。除非有新材料出现,否则这两项就是向频率高端扩展难以跨越得影响。DR在电气性能上大致和高Q金属腔体相当,但在同一频率下的体积比金属腔小得多(线尺寸缩小√?倍),这是DRo微波源小型化优越条件之一。具有适用。r的DR,总要存在一定的辐射损耗,适当的屏蔽可相对的减少损耗且必不可少,这意味着相应地提高了Q值。刚好,使用DR构成集成的振荡器,必有一个封装机壳,其机壳正好可作为屏蔽盒[2] 。

  振荡器的相位噪声

  微波有源晶体管的噪声来源主要有三个方面 : 一是热噪声 ,二是散弹噪声 , 三是闪烁噪声 。热噪声是晶体管中载流子不规则热运动引起的 ,它的大小与晶体管本身的欧姆电阻有关 。散弹噪声是由于晶体管内部复杂的载流子(电子)运动起伏所产生的 ,其大小与电流成正比 。闪烁噪声是与频率成反比的噪声 , 又称 1 / f 噪声。它是微波晶体管振荡器近载频相位噪声的主要来源 , 通过器件的非线性效应上变频对微波频率发挥作用 ,在远离载频端可以忽略关于振荡器的相位噪声一般的影响因素 , 因此为了提高振荡器的相位噪声性能 ,可以从以下几个方面进行努力和改进。

  (1) 提高谐振电路的有载 Q 值一倍 , 可以改善相位噪声 6 dB 。因此谐振器的 Q 值极为重要 , 为了改善相位噪声 ,除了选择高空载 Q 值的谐振器之外 , 在实际电路中应尽量减少有载 QL 值的恶化。

  (2) 谐振频率增加一倍 ,相位噪声恶化 6 dB 。提高谐振频率输出功率将改善相位噪声 。输出功率是振荡器的重要指标 ,高输出功率靠振荡管本身和匹配电路来保证。

  (3) 振荡电路温度升高 , 相位噪声将恶化 。在电路中应该注意有源器件的散热问题 ,保证有源器件温度不会太高。

  介质振荡器 DRO 电路实现

  DRO 选用 Infineon 的 CFY25 场效应管 ,是一种中功率输出的砷化镓场效应管 。其具有相位噪声低 、在设计的振荡器频率上易于起振 、性能良好 、同时购买方便等优点 ,适合作为本课题的有源器件 。根据仿真结果 制作的 8. 95 GH z 与两根微带线耦合的并联谐振的介质谐振器,以及将介质谐振器并联有源器件的栅极和漏极之间。

  在 DRO 电路调试过程中 , 调试时先不放人介质块 ,振荡源通电后 ,加上盖板 ,形成封闭的腔体应该没有功率输出 ,如有功率输出 ,说明振荡源存在寄生振荡 ,应该设法抑制消除。放入介质块并调整其位置以获得耦合 ,这时振荡源应工作正常 , 调谐盘在400 M H z范围内应没有调模现象 。调整介质块与微带线之间耦合度β1 和 β2 , 是振荡器的输出功率和相位噪声尽量满足设计指标 。 用微波胶将介质块粘牢 。由于振荡器振荡频率易受负载牵引比较明显 ,为了适应不同负载的变化 , 经常要加一级缓冲放大器使振荡器与负载隔开 , 这样也能进一步提高功率- 频率性能 。设计缓冲放大器采用富士通的 FLK017 场效应管 ,选定管子后先对其进行直流仿真分析 , 基于 FLK017 在ADS 元件库中晶体管模型没有 ADS 仿真软件中提供一种三端口的 S 参数模型。可以直接将所需要的直流工作点的 S参数导入 ,需要注意的是厂家提供的 S2P。件中的 S 参数值是默认发射极接地的情况 , 因此仿真电路中的第三个端口地。

  在 BA 电路调试过程中 ,起初 ,在所要的频点上 ,功率输出 - 5 dBm , 放大器变成衰减器 。在调试过程中 ,输出 、输入 SM A 口特别敏感 , 可能是安装人为误差影响比较大 , 重新将电路卸载 , 再安装后 , 输出功率到+4 dBm 。为获得大功率输出 , 对输出 、输入匹配电路以及敏感部位进行调试 。使输出功率达到 8 dBm ,完成设计为目标。

  介质振荡器具有性能优良 、电路结构简单固定 、调试量小 、谐振器的场分析简单 、高频寄生参量少 、温度适应性好等优点 。通过进一步的优化电路仿真 ,对所需的频率电路结构固定 。可实现批量生产 , 扩大应用范围 。因此有很好的工程应用价值 。另外 ,再优化设计电路可以进一步减小电路尺寸 ,缓放可以代替隔离器 , 将介质振荡器后一级加缓放设计在同一个电路板上 ,并在 MM IC 中有很好的应用前景。


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