X波段负阻振荡器设计

  中国科学院微电子研究所 新一代通信射频芯片技术北京市重点实验室，北京100029

  基于负阻振荡理论设计了一款X波段负阻振荡器，设计旨在提高振荡器的工作效率和加强二次谐波抑制。通过对晶体管直流偏置状态与振荡器工作效率关系的研究，选择正真适合的直流偏置状态提高了振荡器的工作效率。在输出匹配网络中加载一段1/8工作波长的开路线、选择一个合适的隔直电容，有效抑制二次谐波。实测根据结果得出，该X波段负阻振荡器振荡频率为10.81 GHz，输出功率为8.02 dBm，二次谐波抑制度为48 dBc，振荡器的效率为45%，偏离振荡频率100 kHz和1 MHz处的相位噪声分别为-91.90 dBc/Hz和-123.43 dBc/Hz。该实测结果论证了上述设计方法的有效性，对负阻振荡器的设计提供了一定的参考意义。

  中文引用格式：曾文谊，杨浩，戴志伟. X波段负阻振荡器设计[J].电子技术应用，2016，42(8)：60-62，66.

  振荡器是无线通信系统中的一个核心模块，通常应用于锁相环系统中，为收发机提供稳定的本地载波信号[1]。如何设计一款低相位噪声[2-3]、高效率[4]、高谐波抑制[5-7]的振荡器一直是微波电路研究的重点。平面微波振荡器由于工作频率较高，用以谐振和匹配的微带线网络尺寸通常较小，因而具有小型化、低成本的特点，从而备受相关研究人员的关注。有源器件如双极性晶体管和场效应晶体管，作为振荡器的核心部件，通过适当地偏置和正反馈使其工作于不稳定区来产生负阻，从而将直流功率转化为射频输出功率。所以最终选择一款低噪声、高增益和低直流功耗的晶体管将有利于提高振荡器的相位噪声、输出功率和工作效率。振荡器输出信号中除基波外还包含多次谐波分量，而二次谐波在所有高次谐波中功率最大，因而对振荡器的影响最大。通常用于振荡器的晶体管对二次谐波具有一定的抑制度，但抑制效果通常不太理想。

  一款高效率、高二次谐波抑制的振荡器有助于延长移动通信系统的电池使用寿命和降低对后级滤波器的要求。本文针对振荡器工作效率和二次谐波抑制，分别从晶体管直流偏置状态和输出匹配网络做到合理选择和设计，实现了振荡器的高效率以及高二次谐波抑制。

  典型的双端口晶体管振荡器电路模型如图1所示。在晶体管负阻振荡器中，我们常常利用正反馈使共源或共栅的晶体管工作在不稳定区，再选择正真适合的终端网络

  ，使得从晶体管输入处看进去的负阻较大。假设从晶体管输入处看进去的阻抗Zin为：

  其中Rin为晶体管输入阻抗Zin的实部，Xin为Zin的虚部，RL为谐振网络阻抗ZL的实部，XL为ZL的虚部。

  当振荡产生在谐振网络和晶体管之间时，同时在输出匹配网络也产生振荡[8]。

  1.2 负阻振荡器设计与仿线所示为负阻振荡器原理图。选用CEL公司的NE3514晶体管来产生负阻，NE3514晶体管为HJFET(异质结型场效应晶体管)，该晶体管在典型直流工作条件下，在11 GHz附近的增益大于12 dB，噪声系数小于0.4 dB，因此适合用于高效率低相位噪声振荡器的设计。晶体管采用共栅结构，在晶体管栅极增加一段微带线和一个对地电容Cg，能够增加其不稳定性。输出端加载1/8工作波长开路线的匹配方式，能有效抑制二次谐波。

  表2所示为晶体管在栅源电压VGS=-0.5 V时，振荡器工作效率随漏源电压变化的对比表。由表2能够正常的看到，晶体管在VDS=1.5 V和VDS=2 V时的效率较高，考虑到实际PCB板和电阻电容等的寄生损耗，实际射频输出功率会比仿真结果小，直流功耗偏置状态太低还会导致晶体管不容易起振。综合以上因素考虑，本文选取晶体管的直流偏置状态为VGS=-0.5 V，VDS=2 V。

  图5 加载1/8工作波长输出匹配网络的S参数仿线中隔直电容的仿真采用村田公司的官方网站提供的模型，选取不同的电容，利用ADS仿真得出其在基频和二倍频处的阻抗，如表3所示。选取基频处阻抗值最小，而二倍频处阻抗值最大的电容0.5 pF作为输出的隔直电容。由图5中实线可得该带隔直电容的输出匹配网络能进一步有效抑制二次谐波，使得二次谐波的抑制达到了25 dBc以上。分析可知这里利用了电容在基频附近的自谐振，使基频几乎能无损耗的通过，而高于电容的自谐振频率时，该电容的寄生电感起最大的作用，其阻抗随频率的增加而增加，使得在二次谐波频率处其阻抗较大，从而加强了二次谐波抑制。

  利用ADS中的联合仿真功能对振荡器进行谐波平衡仿线 dBm，二次谐波抑制度为46.187 dBc。

  图7为振荡器的实物图，整个PCB板的大小为19 mm×20 mm，测试结果分别如图8和图9所示。

  其中PN（Δf）为频偏处相位噪声（dBc/Hz），ΔP为偏离振荡频率Δf处的功率值与振荡频率处输出功率的比值，RBW为分辨率带宽，C为频谱仪的修正因子，通常取为2.5 dB。

  表4所示为本文设计振荡器与参考文献中振荡器的性能对比（参考文献来自2014-2015年）。由对比结果能够准确的看出，利用文中所提出的方法设计的振荡器在工作效率和二次谐波抑制度方面具有很大的优势。

  本文基于负阻振荡理论，利用ADS仿真工具设计了一款X波段负阻振荡器。从改善工作效率和二次谐波抑制的角度对振荡器进行设计。通过对晶体管直流偏置状态与振荡器工作效率关系的仿真研究，选择正真适合的晶体管直流偏置状态明显提高了振荡器的工作效率。通过对晶体管输出匹配网络结构可以进行合理设计，发现加载1/8工作波长开路线的输出匹配网络能有效抑制二次谐波。而选择一个合适的输出隔直电容，在保证基频最大输出功率的同时，能逐步加强二次谐波抑制。最终的实测结果验证了上述方法的有效性，对高效率、高二次谐波抑制的振荡器设计提供了很好的指导意义。

  [1] 池保勇，余志平，石秉学.CMOS射频集成电路分析与设计[K].北京：清华大学出版社，2006：367.