C波段DRO的设计

庄绪德

（中国电子科技集团公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

频率源广泛应用于导弹、雷达以及通信系统中。其中介质振荡器（DRO）因其功耗小、成本低、结构简单、抗振性能好，且具有较低的相位噪声和较高的温度稳定性，是频率源中应用最为广泛的一种。

DRO中较为常用的两种电路形式为并联反馈式和反射式，相对于并联反馈式电路，反射式具有设计简单、调试容易等特点，本文设计了一种振荡频率为5.XX GHz的DRO，采用场效应管的共源极接法，并在基极串联特定长度的微带线与介质耦合，组成反射式电路结构。

2 介质谐振器

介质谐振器（DR）的材料对其性能有着决定性的影响[1]。衡量其性能的指标主要有3个：Q值、频率温度系数τf和介电常数εr。为达到高的Q值，要求介质谐振器材料对微波必须有低的介质损耗；为使振荡器不受环境温度的影响，维持稳定的振荡频率，要求介质谐振器有合适的频率温度系数；为使电磁能量尽可能地集中在谐振器中，应使谐振器材料的介电常数尽可能高，只有满足了上述3种条件的材料才适合用作振荡电路中的谐振器。

本文使用圆柱型DR，其谐振频率的估算公式为：

式中D是DR的半径（mm），L是DR的高度（mm），εr是相对介电常数。利用该式，在满足0.5＜D/L＜2和30＜εr＜50的情况下其计算精度可达2%。且只要选取L/D小于0.7或D/L大于1.4就可以保证谐振器的最低次模为TE10δ模[2]。

3 反射式振荡器理论

反射式DRO的电路结构原理图如图1所示，这种DRO由选频网络、有源网络及输出匹配网络组成，此处选频网络由DR耦合单微带线来完成，对来自三极管的特定频率进行反射。

图1 反射式DRO的电路结构原理图

图1中B-B’处等效电路如图2所示。

图2 介质与微带线的耦合等效电路

其中Rr、Lr、Cr是介质谐振器的等效参数，Lm等效谐振器与微带线的磁耦合。由图2可得在B-B’处的反射系数：

式中β为耦合系数，Q0为DR无载品质因数，f0为DR无载谐振频率，f为工作频率。

式中 θ=2πL1/λg，λg为微带内波长。

再考虑到由参考面A-A’处向三极管看入的输入反射系数：

则DRO应满足下列稳定振荡条件

综合式（2）、式（3）、式（4）、式（5）并分解成实部和虚部后可得：

此式即DRO稳定振荡的幅相条件。

4 DRO的设计过程及结果

反射式振荡器从起振到建立稳定振荡的过程是一个非线性过程，不利于精确设计，但它本质上是一个负阻型振荡器，设计时可以使用负阻理论进行分析。文中使用的DR为中国电子科技集团公司第55研究所生产，其介电常数为37±1，Q值大于4 000，温度系数（3±1）×10-6℃-1，直径为10.1 mm，高度为4.1 mm。具体设计过程如下。

4.1 电路结构选择

本文为反射式DRO，为获得较大的输出功率，选用共源极电路结构，通过源极串联一段微带开路线的方式来提供容性正反馈以增大有源器件的负阻，从而满足振荡条件。

4.2 小型化设计

振荡器频率处于C波段，该波段的电尺寸较大，因此导致振荡器的体积也较大，为获得较小的外形尺寸，采取了以下措施：

（1）选用合适的电路基片。在此我们选用厚0.5 mm的氧化铝陶瓷基片，介电常数为9.6，该基片在所需频率的电长度与所选DR的尺寸较为匹配，且偏置电路中的电阻可通过薄膜工艺直接制作到氧化铝陶瓷基片上，进一步缩小电路尺寸。

（2）选用合适的振荡管及功率放大器。通过对比，选用日本三菱公司的MGF1801B作为振荡器的有源器件，它是一款中功率GaAs FET，输出功率适中，无需另加放大电路即可满足要求。

（3）在偏置电路设计及输出匹配网络设计时综合考虑、合理布局，使其在满足电性能的基础上占用较小的空间。

以上各种措施保证了DRO具有较小的尺寸。

4.3 偏置电路设计

采用单电源供电的偏置结构，结合MGF1801B管子参数，可以确定偏置电路中电阻阻值，电路中采用1/4波长的高低阻抗线来隔离高频分量，提高其稳定性。

4.4 匹配网络设计

匹配网络的设计非常重要，它关系到振荡器输出功率，若失配严重也会影响振荡器的稳定性。一般情况下振荡器负载固定为50 Ω电阻，根据功率输出最大原则，负载阻抗和输出端等效阻抗应满足以下关系[3]：

另外，该DRO输出端采用单定向耦合器，增加了一个支路输出。调试过程中通过调整DR与振荡管栅极微带线的耦合距离及耦合度即可得到稳定的信号输出，通过调整DR的高度即可获得所需频率。

图3为DRO实物照片，由实物图可见该方案电路简单，仅有1个FET、一个DR及几个电阻、电容，且其尺寸较小，体积仅为20 mm×30 mm×12 mm。

图3 DRO实物

使用罗德·施瓦茨的FSU型频谱分析仪对所制作DRO的输出信号进行了测试，结果见图4。其偏离载频10 kHz的单边带相位噪声约为-106 dBc/Hz，振荡器的其余电性能指标测试的结果为：输出频率为5.XX GHz，主路输出功率为18.7 dBm，耦合支路输出功率为8.6 dBm。

5 结束语

本文对反射式振荡器进行了分析，简要介绍其设计过程，并着重进行了小型化设计。由于谐振器离腔体壁距离太小容易感生较大的表面电流，会极大地降低电路的Q值，而谐振频率为C波段的谐振器又具有较大的尺寸，如何在狭小的金属腔内避免因空间太小造成电路状态的下降是个难题。文中使用了常用的谐振器、电路基片及元器件，在有限的空间内合理布局，使振荡器具有了较小的外形尺寸，在工艺实现过程中为避免金属壳体与电路基片的热膨胀系数不同而导致基片开裂，在基片下增加了柯伐衬底作为过渡，以提高其温度适应性。

图4 DRO频谱图

另外，选取更高介电常数的谐振器和电路基片可以进一步减小振荡器的尺寸；选取具有较低噪声系数及闪烁噪声的器件、具有较高无载品质因数Q0的DR可进一步降低振荡器的相噪，需要注意的是调试时DR与微带线耦合过紧也容易导致DRO相噪恶化。

[1] 费元春. 微波固态频率源——理论·设计·应用[M]. 北京：国防工业出版社，1994.

[2] 顾其诤. 介质谐振微波电路[M]. 北京：人民邮电出版社，1986.

[3] 曲燕霞，唐宗熙，张彪. C波段介质稳频振荡器设计[J]. 电讯技术，2007.