（电子科学与技术专业论文）基于bzn变容管的微波器件研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e so i lv c 0i nx - b a n da n dt u n a b l eb a n d s t o pf i l t et u n e db y b z nv a r a c t o r 1 1 1 ev c o sa l ed e s i g n e do nt h eb a s i so ft h ed i s t r i b u t e dp a r a m e t e rc i r c u i t a n ds e m i - d i s t r i b u t e dp a r a m e t e rc i r c u i t a n dt h i sd i s s e r t a t i o nc o m p a r e st h ep h a s en o i s e a n dt u n a b i l i t yo ft h et w oc i r c u i t sw i t l le a c ho t h e r ，n l i sd i s s e r t a t i o nu t i l i z e st h er e l a t i o n s b e t w e e nt h eb a n d s t o pf i l t ea n dt h el o w p a s sp r o t o t y p ef i l t et od e s i g nt h eb a n d s t o pf i l m i no r d e rt oc h a n g et h ec e n t r ef r e q u e n c y , t h eb z nv a r a e t o ri su s e di nt h em i c r o s r i p c i r c u i t t i l i sd i s s e r t a t i o nf i n i s h e dt h ed e s i g na n dp h y s i c a lp r o d u c t i o no fv c o sa n dt u n a b l e b a n d s t o p f i l t e r t h e p h a s e n o i s eo ft h ed i s t r i b u t e d p a r a m e t e rv c oi s 一 9 1 8 3 d b c i - i z 10 0 k h z ，一116 8 d b c h z 1m h z ，t h et u n i n gb a n d w i d t ho ft h e d i s t r i b u t e dp a r a m e t e rv c oi s9 5 m h z ；a n dt h ep h a s en o i s eo ft h es e m i - d i s t r i b u t e d p a r a m e t e rv c oi s 一91 6 7 d b c h z 10 0 k h z ，一l1 4 3 d b c h z 1m h z ，t h et u n i n g b a n d w i d t ho ft h es e m i - d i s t r i b u t e dp a r a m e t e rv c oi s1 0 13 g h za c c o r d i n gt ot h e m e a s u r e m e n t ；f o rt h et u n a b l eb a n d s t o pf i l t e r , t h r o u g ht h es i m u l a t i o n , w h e nc h a n g e si n c a p a c i t a n c ev a r yf r o m0 1p ft oo 7p f ，t h ec e n t r ef r e q u e n c yc h a n g e sf r o m10 9 4g l - l z t 07 9 9g h z ，t h et u n i n gb a n d w i d t ho ft h et u n a b l eb a n d s t o pf i l t e ri s2 9 5g h z s o m e a d v i c e sa le p r o p o s e df o rt h ep r o b l e m si nt h i sd i s s e r t a t i o n k e yw o r d s ：b z nv a l a c t o r ；v o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r ；p h a s en o i s e ；t u n a b l eb a n d s t o p f i l t e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 盘乏氩日期：硼呵年占月f 日 ，关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：聋主乏钰导师签名：巍 日期：卅年莎月f 日 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 铌酸锌铋b z n ( b i i 5 z n l o n b l 5 0 7 ) 的介电常数较高，即使在高频下它的介电 损耗也很低，而且具有电压可调特性等，它们的电压控制特性如图1 1 【l 】所示： 三臻享 再_ _ ， 图1 - 1 b z n 的电压控制特性【1 】 因此，选择薄膜介质材料作为微波器件电容的介质材料是可行的，而且它具有介 电常数高，介电损耗小，高频响应好的特点。 频率源是大多数电子系统不可缺少的组成部分，更是无线通信系统的核心。 压控振荡器( v c o ) 是一种振荡频率随外加控制电压变化的振荡器，是频率产生 源的关键部件。在许多现代通信系统中，v c o 是可调信号源，用以实现锁相环 ( p l l ) 和其他频率合成源电路的快速频率调谐。v c o 已广泛用于手机、卫星通 信终端、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信、光学多工 器、光发射机和其他电子系统。相位噪声是v c o 的一项关键参数，低相位噪声的 v c o 将提高通信系统的频带利用率、增加数据传输系统的数据传输速率，变容二 极管是v c o 中最常用的电调器件，根据b z n 薄膜的性质，预计采用b z n 变容管 作为电调器件可以改善v c o 的相位噪声【2 j 。 b z n 变容管不仅可以应用在v c o 中，还可以应用到滤波器中，滤波器之所以 得到广泛的应用，是由于它具有选频功能，可以分隔频率，即通过所需频率的信 号，而抑制不需要频率的信号。目前由于在雷达、微波通信等部门，多频率工作 越来越普遍，对分隔频率的要求相应提高，所以需要大量的微波滤波器。微波固 体器件的应用对滤波器的发展也有推动作用，因为像参量放大器、微波固体倍频 电子科技大学硕士学位论文 器、微波固体混频器等一类电路元件都是多频率工作的，需要有相应的滤波器； 又由于这些微波固体器件相当大部分是做成微带集成电路的形式，因此微带滤波 器就迅速发展起来【引。 在设计滤波器时，元件的损耗对电路的影响比较大，对于带通滤波器，元件 的损耗除了对通带内衰减存在影响外，对通带以外也有影响，在构成带阻滤波器 时，则由于元件损耗的影响，使阻带内的衰减不是无限大，而降低为某一有限值， 为此，如果将高q 值的b z n 变容管应用到微波滤波器中，将会提高滤波器的电路 特性【3 1 。 1 2b z n 的研究介绍 b z n 薄膜材料已经成为一种热门研究材料，在不同工艺条件下不同的研究机 构对b z n 薄膜材料的性能进行了研究。w r 饥，s t r o l i e r - m c k i n s t r y 等人运用 m o d 法在p f f s i 制备了b z n 薄膜，他们研究了b z n 薄膜材料的两种结构成份： b i l 5 z n n b l 5 0 7 和b i 2 z n 2 3 n b 4 3 0 7 ，前者为焦绿石结构，介电常数较高，损耗达到 0 8 ，在7 5 0 烧结时有可调性，而后者没有；j u a nc n i n o ，m i c h a e ltl a n a g a n 等 人研究了b z n 薄膜材料的弛豫现象；j i w e il u ，d m i t r io k l e n o v 等人研究发现在 不同衬底上( a 1 2 0 3 、m g o 、s i 0 2 ) 得到的b z n 的微结构很相似；对于b z n 块材， 1 g h z 时q 等于3 3 ，目前已经报道了1 0 g h z 时q 等于8 3 。国外研究b z n 薄膜材 料的机构有t h ep e n n s y l v a n i as t a t eu n i v e r s i t y ，u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i as a n t a b a r b a r a ，n a t i o n a lu n i v e r s i t yo fs i n g a p o r e ，a j o uu n i v e r s i t y ，s e o u ln a t i o n a l u n i v e r s i t y ，c h u n g n a mn a t i o n a lu n i v e r s i t y 等，国内的有同济大学，西安交通大学， 香港理工大学等。 鉴于b z n 薄膜介质材料具有可调的高介电常数和低损耗，所以被选择用于制 备变容管的介质材料。虽然微电子加工工艺经过几十年的发展现在已经处于比较 成熟的阶段，但是由于我们采用的是一种新型的微波介质材料，对这种新型材料 采用微电子工艺加工仍然存在一些问题。p a o l ol 1 u 在制作l i n b 0 3 波导调节器 时，用剥离工艺法制备了1 2 t t m 厚的金属电极，在几g h z 频率下仍然能够正常使 用：h a in i ，h o o j e o n gl e e ，a i n i s s ag r a i n i r e z 选择e d p ( 一种化学腐蚀液) 和 k o h 溶液对微电子工艺中的s i 0 2 和s i 3 n 4 采用了两步腐蚀工艺 4 1 ，他们研究发现 4 0 5 0 的k o h 溶液在7 0 巧0 能够对s i 0 2 和s i 3 n 4 进行选择性腐蚀，腐蚀比大 于为l o ：l ；a y a n g u a s g i l a ，t ，j c o t r i n o a ，f y u b e l o a 等人研究了增强等离子体 2 第一苹绪论 化学气相淀积( p e c v d ) 生长的s i 0 2 薄膜的形貌口】，发现了薄膜的生长速率与压 强之自j 的关系，随着压力的增加薄膜淀积速率也跟随增加；h y o u nw o ok i r f l a ， b y o n g - s u nj u 采用c 1 2 和a r 做为刻蚀气体对p t 电极进行刻蚀：g b e s h k o v ，v l a z a f o v a 。dbd i m i t r o v 采用l p c v d 方法制备了u - s i 3 n 4 生长的s i 3 n 4 能够被 4 0 h f 溶液刻蚀掉；i c bs u n d a r a m ，r es a h 采用e c r - p e c v d 方法制备了 s i 3 n 4 【7 l ，采用湿法蚀刻s i 3 n 4 ，通常采用7 0 - 9 0 c 磷酸溶液蚀刻s i 3 n 4 ，而他们选择 的是b o e 溶液，b o e 腐蚀只需要在2 5 - 5 5 ，而且采用b o e 腐蚀的速率要远高于 磷酸溶液；j a e h o o np a r k ，j i w e il u 等人对b z n 材料和电容进行了研究口】，并且得 到了较为理想的结果；s u s a n n es t c m m e r a 等人在a u 电极上制备的b z n 电容得到 了低损耗的性能。 从目前的国内外资料来看，针对b z n 薄膜材料和器件的研究单位并不多，而 且在i e e e 上发表相关的文章也较少，在众多研究机构中，美国加州大学圣芭芭拉 分校的研究中心对b z n 电容的研究是最多的qj ，图1 - 2 是m i m 结构的b z n 电容 的剖面图： t o o c o r l t d c l ( a u “a n m 。：、啪。呻 削1 - 2m i m 结构的b z n 电容剖面图 t 壮h 日 图1 - 3b z n 电容的微波损耗特性 他们运用b z n 薄膜材料来制各m i m 电容并且对不同尺寸的电容进行测试 电子科技大学硕士学位论文 和分析，图1 - 3 是经校准处理后的蓝宝石基板m i m 结构的b z n 电容窖值和q 值 之间的关系。在2 0 g h z 时，小容值的q 值不小于2 0 0 ，最大可以达到1 0 0 0 ，比已 报道的b s t 电容的微波损耗特性要好得多i i i 。 图卜4 己报道的b s t 电容最好的微波损耗特性( 9 i 由韩国的首尔国立大学和a j o u 大学合作开发的b z n 薄膜在场强达到1 m v e m 情况下，介电可调谐率达到1 4 n ，损耗为0 0 0 3 1 ”l 。图1 - 5 示出了由韩国 木浦国立大学和首尔国立大学合作开发的b z n 叉指可调电容： 图l _ 5b z n 电容的义指结构 浚电容在2 0 v 直流电压下，中心工作频率为24 g h z 和5 8g h z 时，介电调谐率分 别达到7 2 到7 5 【l “。 由b z n 薄膜材料制作的k u 波段低损耗移相器已被报道，具体结构见图1 - 6 ， 该电路由共面波导和平行板b z n 薄膜电容构成，采用p t 作为电极，电容制作在蓝 宝石基板上，通过设计不同的电极面积，可以得到电容值范围在0 1 肝至2 p f 之间 的电容，相比平面电容，平行板结构电容在低偏压下的调谐能力更高，但是增加 加工的复杂程度【1 日。图1 - 7 是该电路的测试结果，在1 5 0 h z 时，最大插入损耗( 零 偏压下) 为3 5d b ，然而，总插入损失却是非常理想的。 由b s t 薄膜制各的移相器在1 0 g h z 时插损为3d b ，而由b z n 薄膜制各的移 第一章绪论 相器在1 0g h z 时插损为1 8d b ，因此，可以预计采用b z n 电容作为v c o 的可调 器件，能够改善v c o 的相位噪声。 b z n c a p a c i t o r 图1 - 6b z n 薄膜材料制作的k u 波段低损耗移相器【1 2 1 f r e q u - - y 【g h i z 】 图1 7 由b z n 薄膜制备的移相器电路测试结烈1 2 】 1 3b z n 的发展前景 对b z n 薄膜器件和基于器件的系统研究都具有重要的现实意义和经济效益 此项研究结果可以广泛地用于国防和通信领域，比如电子侦察、航空航天、国防 武器装备的更新等。 1 4 本文的结构安排 全文共分六章，各章的具体安排是： 第一章绪论，主要介绍了本选题的背景及意义，介绍了b z n 薄膜材料的国内 外研究现状和发展前景。 第二章压控振荡器的基本原理和相位噪声分析，介绍了压控振荡器的振荡条 件以及常用的设计结构，阐述了相位噪声的基本定义及其对电路的影响还有降低 电子科技大学硕士学位论文 相位噪声的方法，最后介绍了设计v c o 的步骤。 第三章调谐阶跃阻抗谐振器的分析，介绍了具有内部耦合的微带谐振器以及 如何设计这类谐振器，并运用h f s s 对其进行了仿真。 第四章基于b z n 变容管的v c o 的电路设计，采用a d s 和h f s s 对v c o 电 路联合仿真，并给出了两种结构v c o 的实物图及测试结果，最后对测试结果进行 了分析，并对电路中存在的问题提出了改进方法。 第五章调谐带阻滤波器的基本原理与设计，介绍了带阻滤波器和集总原型低 通滤波器之间的变化关系、实现中心频率可调的方法以及元件损耗对滤波器电路 特性的影响，最后介绍了设计调谐带阻滤波器的方法。 第六章结论与展望，对全文进行了总结，并提出了下一步工作方向。 6 第二章压控振荡器的基本原理和相位噪声分析 第二章压控振荡器的基本原理和相位噪声分析 2 1 压控振荡器的数学模型 压控振荡器是一种电压一频率变换装置，它的振荡频率随着控制电压“。( f ) 线 性变化，具体变换关系如下【1 3 】： q ( f ) = + k o 。( f ) ( 2 1 ) 式中 蛾，( f ) 是v c o 的瞬时角频率； 疋为增益系数或称控制灵敏度，单位是 r a d s v 】 实际应用中的v c o 的线性控制范围是有限的，超出控制范围后，控制灵敏度 ( 或增益系数) 将会下降。图2 1 ( a ) 中的实线为实际v c o 的控制特性，虚线为 式( 2 1 ) 的线性控制特性。从图中可见，在以为中心的一个范围内，两线是吻合 的，故在分析的时候，可以用式( 2 1 ) 作为v c o 的控制特性。 由于v c o 的输出反馈到鉴相器上，对鉴相器的输出电压u a ( t ) 起作用的是相 位，不是频率，而相位与频率之间的关系为： q ( f ) ：d o - ( t ) ( 2 2 ) 口f 则根据式( 2 - 1 ) 和( 2 2 ) ，假设k 为常数，可以得到v c o 的相位为 秒( f ) = r q ( f ) d f = r o o t + c o e u a f ) 打 ( 2 3 ) v c o 的相位增量为 幺( f ) = k o 【心( r ) d r ( 2 - 4 ) 改写成如下的算子形式 p 8 1 ( t ) = 竺“。( f ) ( 2 5 ) p v c o 的数学模型如图2 1 ( b ) ，由于相位与角频率之间的积分关系，v c o 具 有一个积分因子1 o ，锁相环路中要求v c o 输出的是相位，所以，这个积分作用 是v c o 所固有的，正因为这样，通常称v c o 是锁相环路中的固有积分环节【1 3 】。 一个振荡器可以视为是一个单端口或者二端口的网络，下面将对单端口网络 和二端口网络进行讨论。 7 电子科技大学硕士学位论文 jlq p 一一 。 o 蚱“ ， ，田盲 ( b ) 图2 1v c o 的控制特性及其数学模型 ( a ) v c o 的控制特性；( b ) v c o 的数学模型 2 2 单端口负阻振荡器 图2 - 2 示出了单端v ir f 负阻振荡器电路，其中z m = a , + j x m ，为有源器件的输 入阻抗。通常，该阻抗与电流和频率均有关，这一关系式可以写为z i n ( i ，jc o ) = r i n ( i ， j 国) 斗j x j n ( i ，jc o ) 。器件终端连接的是无源负载阻抗z l = r l + j x l 。运用基尔霍夫电压 定律可以得到下式 ( z l + z i n ) i = 0 ( 2 6 ) 若产生振荡，这就使i 不为零，则必须满足如下的条件： r l + r i = 0 x t + x i n = 0 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 因为负载z l = r l + j x l 是无源的，r l 0 ，所以式子( 2 7 ) 表明r i n 。 协 通常a 1 0 0 。因此，只要a ( 五+ 瓦) a 缈远大于0 ，式( 2 1 3 ) 就能成立，这 就意味着，提高电路的q 值，就能增大振荡器的稳定性【1 4 1 。 2 3 二端口负阻振荡器 r 陆l o t nr t 图2 - 3 二端口振荡器的框图 考虑如图2 - 3 所示的一般二端口振荡器电路，要保证“稳态”的振荡发生，需 满足如下的三个条件【1 5 】： 1 、不稳定器件存在 k i ( 2 - 1 4 ) 2 、振荡器的输入端满足 r n r 9 2 1 ( 2 一1 5 ) 3 、振荡器的输出端满足 r 0 u t r g = l( 2 - 1 6 ) 足= ! 二! 兰! ! | 二! 二! 兰三三i 二! 全匕 2 i s , 2 s 2 l i = s l l y 2 2 一s 1 2 s 2 1 r 肼= s i , 4 i r - 一s r 2 2 一r f t = + 墅1 - s 盘u r g 1 0 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 第二章压控振荡器的基本原理和相位噪声分析 另外，由于发生器调谐网络与负载匹配网络均为无源的，所以 i f g 1 ( 2 2 4 ) 2 4 相位噪声 由振荡器( 或其他信号源) 所产生的噪声在实际应用中，有着如下的重要影 响：1 、增加了接收机的噪声电平：2 、将不希望得到的邻近信号一起进行下变频， 因此相位噪声限制了接收机的选择性；3 、相位噪声会引起在检测数字调制信号时 的不确定性。相位噪声主要是由振荡器的信号频率( 或相位) 短期随机起伏引起 的【1 4 1 。 一个理想的振荡器的频率谱是由单个万函数所组成，但是现实中振荡器的频谱 更像图2 4 所示，由振荡器的互调产物或者谐波所引起的寄生信号像分立的尖峰一 样，出现在频谱中，在输出信号附近出现的宽的连续分布的谱是由热和其他噪声 源所引起的随机起伏。 图2 _ 4 典型的嘶荡器的输出谱【1 4 1 为了去除分立寄生信号，本设计采用了如下的方法，即在电源输入端采用低 通滤波器滤除电源杂波，以防止杂波和振荡器输出信号之间的互调，具体的方案 将在第四章具体阐述。 电子科技大学硕士学位论文 2 4 1 相位噪声的表示 在偏离信号频率厶处，一个相位调制边带的单位带宽功率与信号总功率之比 为相位噪声。 通常，振荡器的输出电压可以表示为 1 , o ( 0 = v o 1 + a ( t ) c o s ( c o o t + 8 ( 0 】 ( 2 2 5 ) 其中，彳( f ) 为输出信号的振幅起伏，p ( f ) 为输出信号的相位变化。一般情况下，振 幅的变化是容易控制的，对系统性能的影响也是比较小的。相位变化可以是随机 的( 由于热或者其他随机噪声源) ，也可以是分立的。由式( 2 2 5 ) 可以看出，在 频率变化中，是很难分辨出瞬态相位的具体变化【1 4 l 。 振荡器频率的变化可以表示为载波的频率调制，假定 a ， 秒( f ) = 手s i n c o t = 巳s i n c o d 其中厶= 1 2 7 r 为调制频率，相位偏离最大为巳= a f f ，如果设彳( f ) = o ，即忽 略振幅的起伏，同时假定相位的偏离小到可以使吃远小于1 ，那么，由上面两式可 以得到 ( f ) = v o c o s f 一鲁脚s ( + 弘一c o s ( 一) 】) 上式表明，由于振荡器输出信号的相位( 或者频率) 的很小偏离，使调制边带位 于载波两侧的c o o 处。由温度或者器件噪声的随机改变所引起的输出谱形状在 图2 _ 4 中可以看到。 根据相位噪声的定义，上式波形对应的相位噪声为 w ，= 鲁= 笠4 协2 6 ， 2 4 2 相位噪声对射频通信的影响 从下图中的理想情况，可以看到需要的信号与一个冲击脉冲发生卷积，从而 变换到一个较低( 和一个较高) 的频率，波形并未发生改变。然而在实际应用中， 有用信号的相邻信道可能伴随着一个很大的干扰信号，而且本振相位噪声( 图 2 5 ( b ) ) 较大。当本振输出与这两个信号进行混频时，下变换后的频带中，包含两 个相互重叠的频谱，导致干扰信号带尾的强噪声干扰了有用信号。这种效应称作 “互易混频”1 1 6 j 。 1 2 第二章压控振荡器的基本原理和相位噪声分析 所要求的 1 百亏 上乌； 下变频盾 的信号的信号 图2 - 5 理想振荡器的下变频及互易混频 ( a ) 理想振荡器的下变频：互易混频 如果本振输出中包括了不可忽略的相位噪声，则下变换和上变换时，信号都 将被破坏。这可以由图2 5 看出。 2 4 3 振荡器的q 值 l c 振荡器的相位噪声常常取决于q 值，我们可以预计，如果谐振器的q 值 越高，则谐振峰就越尖锐，同时相位噪声的裙摆就会越低。 q 值物理定义是2 万乘以( 每周期储存的能量消耗的能量) 。对于一个l c 谐 振器来说，q 值所表征的是能量在电感和电容之间来回传输的过程中损失了多少。 谐振电路通常都会有带通滤波器的功能。q 值也可以用来定义为频响特性幅 度的陡峭程度。具体讲，如图2 6 所示，谐振中心频率除以双边- - 3 d b 带宽即为q 值，对于简单的l c 谐振电路，这两种定义是等同的【1 6 】。 o 图2 6q 值的一种定义 在振荡器中，q 值的另一种定义更加有用，如图2 7 所示，这里的振荡器被看 电子科技大学硕士学位论文 作是一个反馈系统，当谐振时，电路的开环传输函数的相位( 缈) 。q 值就可以定 义为 q = 堕2i l 丝d r o l i ( 2 - 2 7 ) 该q 值称作开环q 值。对于稳定的振荡，环路总的相移应该为0 ，那么，该定义 有一种有趣的解释。假设振荡器的振荡频率相对有一个q l 曼d , 的变化，那么，如 果相位的斜率非常大，一个非常大的相移将会产生。这样就违反了振荡器的振荡 条件，从而迫使振荡频率重新回到【1 6 】，因此，开环q 值衡量的是振荡频率的稳 定度。 棚脚o ：么删 图2 7 基于开路相位斜率的q 值 2 4 4 相位噪声的l e e s o n 模型 振荡器可以等效为一个具有反馈通道的放大器，如图2 8 所示，假定放大器的 电压增益已经包含反馈传输函数h ( 国) ，那么该振荡器的电压传输函数为： v o ( 咖高 ( 2 - 2 8 ) 若考虑在反馈环中加入具有高q 的谐振器，根据r l c 并联谐振电路的电压传递函 数，则h ( 国) 可以表示为： ( 缈) ：三一 ( 2 2 9 ) 、7 1 + 2 j q a ( o 嘞 其中，是谐振频率，而国= 缈一嘞为相对谐振频率的偏副1 4 1 。 无嗓放大器 图2 8 表征振荡器相位噪声的反馈放大器模型 由于输入功率谱密度和输出功率谱密度与电压传递函数幅值的平方有关，所 1 4 第二章压控振荡器的基本原理和相位噪声分析 以可以利用式( 2 2 8 ) 和式( 2 2 9 ) 表示为： ，n 2 邑( 国) = ( 1 + 鲁) 品( 缈) ( 2 3 0 ) z 2 l o i 其中，s o ( 国) 为输入功率谱密度，邑( 国) 为输出功率谱密度。 晶体管放大器加入频率为厶的正弦信号时的噪声谱如图2 - 9 所示。由于有源器 件中载流子密度的随机起伏，晶体管产生的附加噪声除了k t b 热噪声，还包括低 于五的频率处的l l f 噪声。该l l f 噪声会因为晶体管的非线性而调制在外加信号 石上，形成五附近的1 f 噪声边带。由于l f 噪声是靠近载波频率处相位噪声的 主要成分，因此将1 f 噪声包含在模型中是非常重要的。我们考虑如图2 1 0 所示 的输入功率谱密度，其中k t o f i p o 为热噪声，而k a f 为载波附近的l l f 噪声分量。 所以，振荡器输入端的功率谱密度可以用下式表裂1 4 】： s o t 缈) ：( 1 + _ k c o 口) 婴 ( 2 3 1 ) 倒 r o 其中，k 是计算l l f 噪声强度的常数，而= 2 万五为l f 噪声的半功率点频率。 该频率主要取决于振荡器所选用的晶体管的类型。如双极型晶体管的半功率点频 率范围为5 - - 5 0 k h z ，g a a sf e t 半功率点频率的范围为2 1 0 m h z ，而硅结型f e t 半功率点频率的范围为5 0 一1 0 0 h z 。 l ： 图2 9 外加输入信号放大器的噪声功率与频率的关系【1 4 1 图2 1 0 放大器理想化的噪声功率谱密度1 川 结合式( 2 3 1 ) 和式( 2 3 0 ) ，可以得到输出相位噪声的功率谱密度如下式 1 5 电子科技大学硕士学位论文 驰，= 警 鲁+ 岳+ 砬k r 0 0 2 c o , z ， ：k r o _ _ _ r _ fo + 堕+ 善+ 啤) ( 2 3 2 ) 只 a 缈a o ) 2a 以0 3 该结果所对应的曲线图如图2 1 1 和图2 1 2 所示。在频率靠近载波频率五处，噪声 功率按一1 8 d b 倍频程或“厂3 下降，根据式( 2 3 2 ) 占优势的一项( 针对中间的两 项) ，可以分为以下两种情况。第一种情况，如果谐振器q 值较低，以至五 正， 那么，频率在五和，：之间的噪声功率将按照一1 2 d b 倍频程或1 f 2 下降。如果谐 振器的q 值较高，以至石 z 时的响应1 4 1 石 五五 图2 1 2 以 图3 1 2 用于v c 0 中的s i r 的h f s s 模型 第三章调谐阶跃阻抗谐振器的分析 由于发生谐振时，谐振器阻抗接近为零，传输系数的模最大，根据s 2 l 可以算出外 部耦合线线长约为o 6 m m ，内部耦合线线长约为o 3 m m ，建立如图3 1 2 所示的模 型，该结构的等效电路如图3 1 3 所示，由仿真结果( 图3 1 4 和图3 1 5 ) 可以看出， 该电路基本符合设计要求。 叩n 主 图3 1 3 仿真模型等效电路图 p o r t 2 “ ； ； i j 。夹_ r ：! 卜ol ； ：一 分zi ：一： 一 一j 卜：l ：j。 。 ， 一 。 ； 乎一| 十一u f ， h _ 罨夕 l ：f 量 r ”一 。引i 、f ：一： ：。卜。 卜 ；p 4 t ? ：ft ： 7 iii _ i 分!；。 ； 。 一0 。o ： 图3 1 4s 瓜的s 2 i ：。 厂i _ i b； “r j ；i f t 一l 一一；- ”0 一一一j 一一l 一一一 。ij二； i “ j l； i 0j ； + ， il 一：卜l ： 0；， te ：0 “ l ； i ；， ： 一一。一 悃1 0 棚 图3 1 5s 瓜的s l l 2 5 电子科技大学硕士学位论文 3 7 小结 本章首先介绍了阶跃阻抗谐振器的分类，讨论了半波长型s i r 的谐振条件， 然后对本设计中用到的调谐s i r 进行了分析，并对其进行了仿真，从仿真结果可 以看到，谐振频率为9 1 6 g h z ，属于x 波段，符合分布参数v c o 对谐振部分的要 求。 第四章基于b z n 变容管v c o 的电路设计 第四章基于b z n 变容管v c 0 的电路设计 4 1v c 0 的设计指标 v c o 电路的阶段性的电路指标如下： 中心频率：8 1 2 g h z 相位噪声：小于- 9 0 d b c 10 0 k h z 调谐带宽：大于1 0 0 m h z 输出功率：大于0 d b m 4 2 相关器件的选择 4 2 1 晶体管的选择 本设计所选用的晶体管是由美国m i m i x 公司生产的砷化镓场效应晶体管裸芯 片c f 0 0 1 0 1 ，工作频率可达4 4 g h z ，作为低相噪振荡器使用可以工作到1 2 g h z 。 并且m i m i x 公司提供的是该管的管芯，这样就有效地减小了由封装引入的寄生参 量对调谐性能的影响。 管芯版图如图4 _ 1 所示，管芯尺寸单位为1 l r n n a i l ，芯片是通过七个焊盘与电 路连接，面积为4 0 0 x 2 5 0 u m 2 ，其中源极s 有三个焊盘，漏极d 和栅极g 各有两 个焊盘，大小均为5 0 x 5 0 u m 2 ，这三个焊盘与微带线之间是通过金丝键合来连接的。 图4 - 1c f 0 0 1 - 0 1 芯片版图 2 7 1 i 姗l 电子科技大学硕士学位论文 在本课题中，仿真软件a d s 提供了该管芯的s 参数模型以及s p i c e 模型， 这为仿真带来了很大方便。 c f 0 0 1 0 1 的d a t a s h v v t 见表4 - l 。 表4 1c f 0 0 1 - 0 1 的参数 s 弦硼h 童岫以。购 c f o o i - q i i o n 湘| - 蛔叼l 删 唧 却岫 ，瞳霸- 一c 喇融 a 嘲 u 瞳 - 狮u u h 哳 o i 嘲 帅r 扣一 2 2 v 嘴- 如v 。l 璐- ，5 m v g m n 3 n 由f o m i 惦，s 矾 2 0 一 7 j i 胃翻户 s 0 0 h m i n m t o n 锄拍蕾t 3 o v o s l i d 6 0 v i 4 0 m a 1 0 oc 1 8象5 1 0 囊 6 o p 1 a p o w e r o , * p u l o1c l b g o 2 0翻 9 o v d s 6 , 0 v i d s - m a 钿 t v 哺c o n 瞳出 0 帕 v o s 3 0 v v g s - 0 v d 鸽 o m nc u m m l啊 柏1 2 0 v d s i m 3 0 v v g s - 0 v v ， p 瞻h o ev o u m mv n 7 - o 一2 j v o s - 3 0 v i 鸥。 m a i i v g o伽_ 妇蜘v 蝌g h 舳 v 5 - & o l g o - 1 0 0 嵋 r l r t w n wr 蛐叼 c f w1 4 2 2 变容管的选择 由于b z n 电容的制作还没有完成，本设计采用了由a e r o f l e x 公司生产的 g a a s 超突变结变容管m g v l2 5 2 0 来代替b z n 电容。 表4 2 是该管的参数，其结构见图舡2 。 表4 2m g v l 2 5 2 0 的参数 c j ( p f ) 变比q m o d e l封装 m i nn o mm a xm m t y pt y p m i n m g v l2 5 2 o 4 5o 5o 5 54 o5 o8 64 0 0 0c 0 l a 0 v r = 测试条件v r = 4 v ，f = l m h zv r = 2 - 1 2 v 2 - 2 0 v r - - 4 v f = 5 0 m h z v 第四章基于b z n 变容管v c o 的电路设计 - t 而0 3 0 5t - 姐瞄曰至 口季 图4 - 2m g v l 2 5 - 2 0 的结构 ( a ) 管子正极图；( b ) 具体尺寸图 4 2 3 介质基片的选择 本设计采用采用的介质基片适用于微波电路的陶瓷基片，这种介质片在微波 频段所表现出来的综合性能较好，相对电介常数为9 6 ，损耗角正切值为0 0 0 0 2 ， 选择这种材料的主要原因是，较小的介电损耗和较高的介电常数都有利于提高微 带谐振器的q 值，这样就可以提高v c o 的稳定性。 4 3 电源输入端的低通滤波器 在2 4 节中提到过，为了防止产生分立寄生信号，在电源输入端加入了一个三 阶低通滤波器，主要用以滤除电源杂波，本节将研究该部分的电路设计。 考虑到电容和电感的标称值，设计了如下的电路，其中，截止频率为7 7 3 k h z ， 电路结构和仿真结果分别如图禾3 和图4 4 所示。 s p a 嘞_ n ：匝亚兰竺囝s 泖t a r t 堋= o g m h z 1 殳口 s t e p = 1 k h z - r e r ：r n 。 t e r m 2 n u m = 2 z = 5 0 0 h m 图4 - 3 低通滤波器的电路结构 电子科技大学硕士学位论文 ，_ 、 p n c ，) 、一， 1 0 m 1 弋 。 n l 、 ：r e q = 7 7 3 0 k h z， ：i b ( s ( 2 ，1 ) ) = - 3 0 0 2 i ll o 024681 0 f r e q ，m h z 图4 - 4 低通滤波器的仿真结果 4 4v c o 电路的偏置电路 ，0 嘲瓤搋挚 ：粤淼，：j i s ；co ：o ： ：二慧。4 _ 车器v ! 豳： 詈v d c = 幅l 铽訇id c - 囵v 蝴a r 2o i ：刿： 图4 5c f 0 0 l 旬l 的直流偏置电路图 第四章基于b z n 变容管v c o 的电路设计 = ， f ， ( a ) l f r e q ip r o b e 2 i l0 0 0 0 0 4 0 4 4m a if r e q v d s 1 0 0 0 0 0h z 6 0 5 9 i m v d s = v d - v s ( b ) 图4 6v c o 偏置电路及直流工作点 ( a ) 偏置电路形式：( b ) 直流工作点 4 5 稳定性分析 对于振荡器来说，k 寸7 i ， ， 0，7 图4 一1 6 从输出端看进去的s l l 图4 1 6 给出了该电路的s i l ，根据目标频率上的s 1 1 求出l s l l ，然后将5 0 q 匹 配到1 s i l 在s m 图4 - 1 7 分布参数v c o 的结构图 3 5 电子科技大学硕士学位论文 由于谐振器的q 值很高，分布参数v c o 的调谐范围不是很大，通过仿真发现， 当电容在0 2 p f - - o 2 1 p f 变化时，v c o 才能起振，仿真不同电容值情况下的谐振 器，生成不同的s 2 p 文件，代入上面的电路结构中，就可以得出该电路的相位噪 声、输出功率以及输出频率，如图4 - - 1 8 、图4 1 9 和图4 2 0 所示。 m l n o l s e f r e q = 1 口0o k l - l z d n r r l x = - 13 2 7d b c m 3 n o l s e f r e q = 1 0 0 0 m h z d r i f t s = - 15 5 0d b c 3 o】040 0o j m r m i s e f t e q 。蝌乜 图4 - 1 8 分布参数v c o 的相位噪声 n2 i l z r h n a r m l n o e x ：l l o b m t v o u t l = 1 21 6 4 h m i n 嘲 n 9 盯m n d 日薹霄e a 00 0 0 0 0电 90 10 g电 21 80 2 0电 3 2 70 3 0电 43 80 4 0电 54 50 5 0电 b5 40 6 0电 78 3 0 7 0电 虱4 - 1 9 电容值为0 2 p f 时分布参数v c o 的相位噪声 n a r m i n c l lt 噜a 00 0 0 0 0电 18g 2 0乜 2178 日o电 32 68 2 0电 43 57 7 0电 54 47 1g电 b 5 36 5 g电 76 25 9 0乜 图4 2 0 电容值为o 2 1 p f 时分布参数v c o 的功率和频率 窖舌，)l匕西奄 第四章基于b 烈变容管v c o 的电路设计 从仿真结果图可以看出，当电容值为0 2 p f 和0 2 i p f 时，对应的频率分别为 9 0 1