一种2.45 GHz低成本微带压控振荡器的设计

李婵娟+邵雨萌+柴志海+傅世强

摘  要： 为了满足教学和科研的需要，基于负阻原理设计了一款工作于ISM频段2.45 GHz低成本微带压控振荡器。振荡电路采用双电源供电和共基极连接方式，利用双极性晶体管和变容二极管等分立元件制作。借助于ADS软件对电路参数及主要指标进行仿真优化，并进行了实物的加工和测试。实测结果表明，设计的压控振荡器在输入调频电压为0～6 V时，输出振荡频率覆盖2.4～2.5 GHz，输出功率大于9.2 dBm，相位噪声在偏离移中心频率100 kHz处为-90 dBc/Hz。该振荡器调谐频带线性度好，输出功率平坦度高。

关键词： 压控振荡器; 负阻原理; 双极晶体管; 变容二极管

中图分类号： TN752?34                       文献标识码： A                            文章编号： 1004?373X（2014）24?0080?04

Design of low?cost 2.45 GHz microstrip VCO

LI Chan?juan， SHAO Yu?meng， CHAI Zhi?hai， FU Shi?qiang

（College of Information Science and Technology， Dalian Maritime University， Dalian 116026， China）

Abstract：In order to satisfy the need of teaching and scientific research， a low?cost 2.45 GHz microstrip voltage controlled oscillator （VCO） working in ISM band was designed based on the principle of negative resistance. The dual power supply and common base connection modes are adopted in the oscillating circuit composed of discrete components such as bipolar transistor and varactor. The circuit parameters and specifications are simulated and optimized with the help of ADS software. The prototype circuit was fabricated and tested. Experimental results demonstrate that， when the input voltage is 0～6 V， its output frequency coverage is 2.4～2.5 GHz， output power is more than 9.2 dBm， and phase noise is ?90 dBc/Hz at 100 kHz of departing from the central frequency. The designed oscillator has fine tuning band linearity and high output power flatness.

Keywords： voltage?controlled oscillator; principle of negative resistance; bipolar transistor; varactor

0  引  言

压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）即输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，广泛应用于无线电测量仪器和通信系统电路中。尤其在锁相环电路、时钟恢复电路中，压控振荡器是关键部件，其性能优劣，直接影响到频率源的各项性能，从而决定整个系统输出信号的稳定性、噪声特性、谐波抑制特性等指标[1]。因此在电子通信技术领域，VCO具有重要地位。

由于压控振荡器具有电子调谐、体积小、功耗低、可靠性高等优点，一直以来得到了广泛的研究。文献[2]遵循一般压控振荡器设计原则，基于ADS软件设计出了一种S波段微带压控振荡器，其中心频率为3 GHz，但是其调频带宽较窄，仅为30 MHz。文献[3]则使用负阻原理和改进型克拉泼电路设计了一款高稳定度的LC压控振荡器，其频率范围为180～210 MHz。文献[4]设计了一种中心频率为4.3 GHz的简易微波压控振荡器，其调谐范围大于200 MHz，输出功率大于5.2 dBm，但是为了使电路结构简单，需要对匹配电路做一定调整，匹配电路的调整量难以确定，可能造成电路的不稳定。

近年来随着集成电路的飞速发展，VCO的设计与实现也逐渐集成化。集成化的VCO使用简单、性能稳定。目前基于CMOS工艺的VCO电路的研究是集成电路研究的一个重点。文献[5?7]均使用CMOS技术设计压控振荡器，该压控振荡器具有相位噪声较低的特点，但是其实现方式对电路设计和制作工艺的要求非常高，因此成本也相应提高。

为了满足教学和科研的需要，本文以ADS2009仿真软件为工具，基于负阻原理设计了一款覆盖2.4～2.5 GHz的低成本微带压控振荡器。振荡电路采用双电源供电和共基极连接方式，利用双极型晶体管和变容二极管等分立元件实现，取得了良好效果的同时降低了制作成本。本文分析了电路元件的选取规则，给出压控振荡器的设计步骤，并对振荡电路的各项指标进行了仿真分析研究，得出电路设计的指导性规律，避免了大量的测试调试性工作。最终加工了压控振荡器实物并进行测试验证，实验结果满足设计要求。

1  基本原理及元件选型

1.1  负阻原理

负阻即相对于线性系统中的正阻而言，正阻消耗功率，负阻通过直流电源能量转化其他形式的能量提供功率。若把负阻器件接到射频传输系统中，由传输线理论可知，反射系数可表示为：

[Γ=Z-Z0Z+Z0=-R-Z0-R+Z0]      （1）

式中Z0为传输线的特性阻抗，它始终是一个正值，可以看出反射系数的模是大于1的数。

射频双端口振荡器，由晶体管、谐振网络和负载网络三部分构成，如图1所示。谐振网络和负载网络的反射系数为ГS和ГL，晶体管输入端和输出端的反射系数为Гin和Гout，由文献[8]可知：

[Γin=S11+S12S21ΓL1-S22ΓL]          （2）

[Γout=S22+S12S21ΓS1-S11ΓS]          （3）

由于振荡器的谐振网络和负载网络为无源网络，有ГS<1和ГL<1，因此为了产生振荡，需要存在不稳定的有源器件，即要求晶体管Гin>1和Гout>1。

图1所示的双端口振荡器产生振荡，需要满足以下3个条件：

（1） 存在不稳定有源器件，二端口有源电路的稳定因子K必须小于1，即K<1;

（2） 谐振电路的输入反射系数与晶体管有源电路的输入反射系数的乘积等于1，即ΓSΓin=1;

（3） 输出负载网络的输出反射系数与晶体管有源电路的输出反射系数的乘积等于1，即ΓLΓout=1。

而要让振荡器电路起振的条件为ΓSΓin>1。

1.2  元件选型

由于设计的压控振荡器中心频率是2.45 GHz，覆盖ISM频段，调频范围为100 MHz。双极型晶体管具有低噪声特性，所以晶体管选择BJT管。查看Avago公司的AT?41486的技术手册可知，AT?41486的最高工作频率为10 GHz，符合设计时的2～3倍冗余，而且在2.0 GHz时噪声系数典型值为1.7 dB、增益典型值为13 dB、输出功率典型值为18 dBm，在工作频率上具有足够大的增益和输出功率能力，满足设计要求。

变容管的选取应能在所需的频率下工作，有合适的结电容、较大的Q值，同时击穿电压高，为了获得良好的电调线性，最好采用n=2超突变结变容管。经过多次尝试后，选取Skyworks公司SMV2022作为变容二极管。参考SMV2022技术手册中变容二极管电容值随反向偏压的变化，在低偏压时电容随电压变化的斜率较高，而高偏压时电容随电压变化的斜率较低，为了得到线性的压频响应曲线，将变容管与一小电容串联进行电抗补偿，使得压控灵敏度趋于一致。另外由于工作在2.45 GHz较高频段，选择变容二极管和串联小电容时，串联后总电容越小振荡频率越高，总电容变化范围越大，获得调谐带宽越宽。

2  电路设计及仿真分析

压控振荡器电路结构有许多种，当工作频段较高时，共基极电路能提供较高的增益、效率及稳定性，适合在较高振荡频率、较宽工作频段的情况下应用。因此，微波频段晶体管振荡器大部分都采用共基极电路[9]。

基于负阻原理，将晶体管及直流偏置电路与谐振网络结合起来，加入输出负载网络，组成压控振荡器的基本仿真电路图，如图2所示。

双极型晶体管AT?41486发射极有两个管脚，在实际工作中应该将电路分别接在两个管脚上，采用±6 V双电源供电，直流工作点选取为4 V，20 mA，经计算集电极偏置电阻100 Ω，由实际可得到的R1=51 Ω和R2=51 Ω串联构成，发射极偏置电阻为233 Ω，由实际可得到的R3=470 Ω和R4=470 Ω并联构成，L1～L3均为扼流电感，提供晶体管偏置电路通路;为了使振荡频率随外加调频电压变化更线性，可分别将发射极连接的变容二极管串联小电容C2和C3实现，为了增加晶体管电路的不稳定性，在晶体管基极接了一段接地渐进微带线Taper1当作正反馈电感，此电感与变容管等效出来的电容构成了电路的谐振网络部分，L4和L5为扼流电感，提供变容二极管偏置电路通路;负载网络则通过电容C1耦合输出，之所以将集电极偏置电阻分出一部分R2拿到输出主路，是为了控制输出功率电平，并保持最佳输出功率平坦度。

利用瞬态仿真和谐波平衡仿真控件，对电路性能进行仿真研究。图3为压控振荡器的仿真结果图，可以看出，振荡器输出时域波形包络比较稳定，起振时间比较短，大概6 ns便稳定下来，振幅也比较理想;振荡器输出频谱也比较好，二次谐波比基波低15 dB。

在振荡器设计过程中，通过大量的仿真实验可以总结出以下几点设计规律：

（1） 改变变容二极管两端微带线的长度，使带宽变窄了，分析是所加微带线相当于增加了寄生电感，抵消了部分变容二极管电容，使二极管总电容变化范围减小，故而调频范围降低。

（2） 基极用终端短路微带线代替电感，此微带线长度不但控制起振条件，对调频带宽也有影响，增加微带线长度振荡频率下降。

（3） 与变容二极管串联的小电容对调节振荡频率也起关键作用，电容值越小，在满足振荡器起振条件的前提下，振荡频率越高。在实际测试压控振荡器振荡频率时，由于电路板已经确定，可以通过变容二极管串联的小电容调节振荡中心频率。

3  电路制作及实验结果

由于用微带线连接各个元器件，必定导致电路振荡中心频率的改变，通过调整不同位置微带线的长宽及与变容二极管串联的小电容的容值，并结合ADS2009软件仿真优化，最终电路布局完成后，根据ADS得到的数据加工成微带电路板，实物电路的照片如图4所示。实物电路在FR4板上实现，四周打满均匀的接地通孔，起到一定的电磁屏蔽作用。

利用Agilen公司的E4440A频谱分析仪测试压控振荡器输出频谱，测试结果如图5所示。使用电压源产生不同的调频电压，分别记录下每个调频电压下压控振荡器输出频率及输出功率。最终根据测试数据绘制出压控振荡器输出频率和输出功率随调频电压变化曲线如图6所示。

测试结果表明，当调频电压在0～6 V变化时，振荡器输出频率变化范围覆盖2.4～2.5 GHz，满足ISM频段要求，振荡频率随调频电压变化线性度比较理想，输出功率大于9.2 dBm，具有很好的功率平坦度，相位噪声测试结果在偏移中心频率100 kHz处为-90 dBc/Hz。

4  结  论

本文基于负阻原理设计制作了一款中心频率为2.45 GHz的微带压控振荡器，为使带宽高、噪声低，振荡电路采用双电源供电和共基极连接方式，通过对变容二极管和晶体三极管的精心选型，实现了低电压0～6 V情况下的宽范围2.4～2.5 GHz的频率调谐，且调频线性度较好。实际测试结果表明，该振荡器输出功率大于9.2 dBm且平坦度较高，相位噪声较低。整个压控振荡器电路结构简单、易于制作、成本较低，满足教学和科研的需要。

参考文献

[1] 熊俊俏，夏敏.900 MHz压控振荡器设计[J].电讯技术，2010，50（6）：66?70.

[2] 刘凤格.一种S频段微带压控振荡器的设计与实现[J].电视技术，2008，48（10）：99?102.

[3] 彭观善，冯正和，陈雅琴.用负阻原理设计高稳定度VCO[J].电子技术应用，2004（4）：25?27.

[4] 鲁建彬，朱成，祝潇，等.一种简易微波VCO的设计[J].微波学报，2013（3）：51?55.

[5] 许亚兰，江金光，刘俐.一种用于GPS波段的低相噪VCO设计[J].电子技术应用，2012，38（2）：47?49.

[6] 王天心，刘瑞金，杨莲兴.一个2.4 GHz CMOS LC压控振荡器的设计[J].微电子学，2006，36（4）：502?505.

[7] 冯海洋，杜慧敏，张博，等.Ku波段0.18 μm CMOS 压控振荡器电路设计[J].电子技术应用，2014，40（4）：32?34.

[8] 雷振亚.微波工程导论[M].北京：科学出版社，2010.

[9] 陈为怀，李玉梅.微波振荡源[M].北京：人民邮电出版社，1984.