开题报告-2.4GHz定频频率综合器的设计与制作

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1、一、 课题来源、目的、意义，国内外基本研究概况1.1课题来源1.2课题名称 2.4GHz 定频频率综合器的设计与制作1.3课题目的和意义 低相噪频率源是雷达、无线电通信、电子对抗等电子系统实现高性能指标的关键，现代通信制导武器和电子对抗等系统都对频率合成器的噪声性能提出了愈来愈高的要求。 介质谐振器是一种高介电常数、低损耗的介质材料制成的谐振器，应用介质谐振器（DR）可以设计出一种频率稳定性好、Q值高和噪声低的新型微波振荡源，这种振荡源称为介质谐振器振荡器（DRO）。介质谐振器振荡器的主要优点是频率稳定度高、相位噪声低、体积小、结构简单、价格低廉、对机械振动和电源瞬变过程不敏感，并且可以在很宽

2、的微波频率范围内，不需要倍频就能直接产生所需频率的振荡信号。采用取样锁相技术对微波频段的介质振荡器进行锁相，通过锁相环使介质振荡器的输出频率锁定在高稳定的晶体振荡器频率上，不但具有很高的频率稳定度，而且相位噪声性能非常优越，可广泛应用于军用和民用电子设备中，具有极高的研究价值。1.4国内外基本研究概况 目前国内外的研究主要是针对介质材料以及振荡电路形式。在介质材料方面，国内外科技工作者主要针对高介电常数材料的研制，日本推出了R-09 系列材料，介电常数为 90，在 7GHz 下，Q 值为 1000，温度变化为-1010ppm/；德国西门子推出了 MD436 系列材料，介电常数为 90，在 2G

3、Hz 下，Q 值为2272，在 6GHz 下，Q 值为 1000；国内上海科技大学研制了 A7 系列材料，介电常数为70，温度变化为-55ppm/，在2GHz下，Q值为4000-5000，在4GHz下，Q 值为 3000。但进一步提高介电常数和材料的 Q 值，改善振荡器的准稳定度仍是在高介电常数材料研究方面的课题。在调整振荡电路形式方面，主要是在介质振荡器的基础上加恒温或进行锁相以提高振荡器的频率稳定度。振荡电路形式基本分为四类：加载带阻滤波器型、传输型、串联反馈型和并联反馈型，其中以反馈型电路频带较宽、调试简单、一致性好，应用最为广泛。目前国内应用的反馈电路有两种，一种是源极输出反馈型电路，

4、另一种是漏极输出反馈型电路。 通过对国内外场效应管介质振荡器科研水平、国内外恒温介质振荡器科研水平以及国内外微波通讯设备实用介质振荡器科研水平的比较可见，国内介质振荡器的科研、生产水平与国外相当。但国内必须进一步提高对电路结构的最优化处理，提高介质振荡器各项性能指标，提高科研、生产的工艺水平，使介质振荡器的实用化水平再向前迈进一步。 2.1关键理论与技术2.1.1取样锁相技术 图1 取样锁相环 取样锁相环的基本构成如图1所示。由图可以看出，取样锁相环路和普通模拟锁相环路的不同之处在于用取样保持鉴相器代替了普通模拟鉴相器；其次，增加了一个脉冲形成电路。 参考信号通过窄脉冲形成电路形成极窄脉冲，送

5、入取样保持鉴相器。在取样保持鉴相器中，通过取样电路，窄脉冲对来自VCO的正弦信号进行取样。取样电路取样得到的样品电压输出送入保持电路，经过保持电路的保持作用，再经过低通滤波放大后去控制VCO的输出。 取样保持鉴相器实质上是一个开关，通常由窄脉冲形成电路、取样开关和保持电路组成。其电路原理图如图2所示。 图2 取样保持鉴相器原理图 参考信号通过窄脉冲形成电路形成很窄的取样脉冲，该取样脉冲加到取样开关上，控制取样开关周期性的闭合，完成对输入信号的取样。通过取样来比较参考信号和输入信号的相位。而输出的取样点电压是与两个信号相位差有关的离散样品电压。当开关断开时，保持电路使样品电压在取样间隔内保持住直

6、到下一次取样时刻。当输入信号的频率与取样脉冲同频(或成整数倍关系)时，由于每次取得电压都是同一点，保持电路的输出将是一个直流电压;若两个信号的频率不相等且不成整数倍关系时，保持电路将取样得到的离散电压变成连续的阶梯电压，从而大大提高取样保持鉴相器输出电压中的平均误差成分，提高环路的控制能力，同时由于保持电路的滤波作用，对高频分量的抑制能力也大大提高。 取样保持鉴相器输出的误差电压经直流/差拍放大和环路滤波后，对压控振荡器的频率和相位进行调节。只要振荡频率在取样脉冲频率的n次谐波附近，就可能通过环路本身的控制作用使振荡频率最终锁定在取样脉冲频率的n次谐波上，从而实现了取样倍频的功能。相比较数字分

7、频锁相环，取样锁相环路由于没有分频器的存在，而减少了分频器对相位噪声的恶化。相比较高次倍频环，取样锁相环路的电路只有VCO一个高频部件，电路简单，且由于环路的窄带滤波作用，对杂散和谐波的抑制较好。2.1.2介质谐振振荡器介质谐振器由高介电常数的陶瓷材料加工而成，这种未金属化的高介电常数和低损耗的介质，即非理想导体壁构成的空腔，具有电壁空腔的类似特性，一旦有适当频率的电磁波馈入，将在腔的电壁上来回反射，在腔内发生电磁谐振。 常用的介质谐振器形状有矩形、圆柱形和圆环形三种，其中使用更为普遍的是圆柱形介质谐振器。圆柱形介质谐振器以多种模式谐振，其工作主模是TE01模，这种模式最容易与微带线耦和。通过

8、选择合适的外形比，可以使介质谐振器只在我们需要的某个模式下工作，此时介质谐振器可以等效为一个 RLC 串联谐振电路。 图3 DR与微带线耦合的模型及其等效电路介质振荡器是利用高Q值的介质谐振器作为稳频元件结合有源器件得到的一种振荡源。目前常用的介质谐振器振荡器主要有以下三种类型 ：加载带阻型、传输型、反馈型。加载带阻滤波器型介质振荡器会产生滞迟特性，是单频振荡工作，并且其输出功率要比未加载时的输出功率小，有一部分功率被介质谐振器吸收。而传输型介质稳频振荡器电路无滞迟区域，但振荡器随温度变化漂移，不易稳定。所以，我们选择反馈型介质振荡器。在反馈型结构中，介质谐振器在振荡电路中作为选频元件使用 。

9、常用的反馈在串联反馈结构又分为串联反馈和并联反馈两种，如图4所示，谐振器作为选频匹配网络，起带阻滤波器的作用；而并联反馈结构中，谐振器作为选频反馈网络，起带通滤波器的作用。串联反馈结构的相噪优于并联反馈型，而从稳定性角度分析，并联反馈结构易于调试，不易跳模；串联反馈结构起振时对介质谐振器的位置要求非常苛刻，调试难度较大，而且容易跳模。因为两种方案各有优劣，所以我们对两种反馈结构都进行仿真，然后比较。 图4.1 串联反馈型介质振荡器 图4.2 并联反馈型介质振荡器在介质振荡器中使用变容二级管就可以实现电调谐 。变容管可以安装在介质谐振器的内部，更常见的方法是将变容管连接在一根和介质谐振器耦合的微

10、带线的终端。当加至二极管两端的电压改变，DRO的输出频率也就得到改变。2.2研究方案 要实现一个2.4GHz定频频率综合器的设计，本论文采取的是取样锁相介质振荡器方式。由于取样锁相方式不存在分频器，所以分频器的限制因素就没有了。同时由于取样锁相方式中只有VCO是微波部件，其他部分都在频率较低的中频工作，因而电路结构相对简单，并减少了调试难度。另外根据本论文只需要产生点频信号源，而介质振荡器正好非常适用于点频系统，所以确定了取样锁相介质振荡器来产生所需的信号输出。 取样锁相介质振荡器的设计与仿真分两部分进行：一个部分是电压调谐介质振荡器的设计与仿真，另一个部分是取样锁相电路的设计与仿真。2.2.

11、1介质振荡器设计 反馈介质振荡器的设计应包含三个部分：介质谐振器及调谐部分，有源晶体管部分，输出匹配部分。设计流程如下：1) 根据DR与微带线耦合的理论, 建立带有变容二极管的DR与微带线耦合的模型。2)将HFSS的仿真结果以S参数文件格式导出, 并以S2P的文件格式导入高频电路仿真软件ADS中。 3)在介质振荡器的设计中，为了使介质谐振器发挥稳频作用，应选用单向性好的晶体管，也就是说管子的S12应尽量小。否则，由于晶体管的内反馈，介质谐振器有可能无法实现反馈稳频的功能。因此，在本课题中我们选用了 FET 管而不是BJT 管。4)偏置电路设计5)在设计偏置电路之后，将场效应管构建为一个漏极容性

12、反馈电路。该电路能够产生负阻，以补充谐振器中的能量损耗。负阻部件是通过 DR 同时与栅极和漏极的两根微带线进行耦合，对 GaAs FET 进行漏极电容性反馈实现的。6）加入反馈网络后，晶体管满足了不稳定条件，然后通过其不稳定区域来设计输入输出匹配网络，进行最优化设计，至此负阻部件的设计完成7)利用ADS软件对介质压控振荡器的电压频率特性，相位噪声、输出功率等进行分析。2.2.2取样锁相电路的设计1）参考信号的选择参考信号不宜选的太小，太小则影响最大取样的次数和取样的上限输出频率，同时降低取样锁相环的稳定度;也不宜取得太大，取得太大则取样效率低，虽然可以用放大器放大，但就引入了附加的噪声，当然从

13、降低取样次数(等效于分频比)来看，希望尽量的大些。同时所选用的参考信号相位噪声也要尽量的低，因为它决定了整个锁相环路的输出相位噪声。2）窄脉冲形成电路的设计用阶跃恢复二极管(SRD)来实现。由于在正弦信号的所用下，阶跃恢复二极管会呈现于普通二极管不同的特性。对普通二极管，正向时导通，反向时截止(仅仅有极小的反向饱和电流)，而阶跃恢复二极管在电压反向时，并不立即截止，而继续有很大的反向电流流过，直到某一时刻才迅速跳变为截止，所以在其两端形成一个很窄的阶跃脉冲波形。该延迟过程的时间称为存储延迟时间TI，该截止过程的时间定义为关断转换时间Tt。这两种时间的长短都与外电路的电阻值和阶跃恢复二极管本身的

14、结电容有关。3） 取样鉴相器的设计本课题中我们拟选用的取样鉴相器为 M-Pulse 公司生产的 MP7200，最高工作频率可达 18GHz，其工作电路如图5所示。由于取样鉴相器的输入阻抗在 4到 10之间，而参考信号端的输出阻抗一般为 50，因此需要用变压器对其进行阻抗匹配。介质振荡器的输出信号经过一个 10pF 的隔直电容进入取样鉴相器，鉴相得到的误差电压通过两个射随器输出到环路滤波器，这里的两个射随器不仅起着隔离射频信号的作用，还可以使取样鉴相器的输出阻抗得到匹配。此外，通过调整两个射随器输出端之间的电位器，可将取样鉴相器中肖特基二极管对的不对称性对电路的影响减小到最低。 图5 MP720

15、0工作电路4）环路滤波器的设计环路滤波器一般都设计成具有低桶滤波特性，它可以起到低通滤波作用，更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用。它对环路的各项性能指标都有着重要的影响。常用的环路滤波器有RC积分滤波器，无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器三种。由于取样鉴相器输出的鉴相电压普遍较低，因此使用直流增益较高的有源环路滤波器，可以在环路锁定时对鉴相电压进行放大。5）定向耦合器以及隔离器介质振荡器的输出端需要接一个 10dB 的定向耦合器，在介质振荡器的输出端和定向耦合器之间加一个隔离器，可以有效地避免负载的频率牵引作用扩铺电路的设计。6）扩铺电路的设计 在取样锁相电路中，如果刚通电时的初始频差过大，仅靠环路自身的频率牵引作用需要很长时间才能入锁，有时甚至无法锁定。此外，外部环境的影响比如温度变化也会导致环路失锁。因此，在环路中加入专门的扩捕电路是很有必要的。扩捕电路的工作原理是：当环路失锁时，扩捕电路会产生一个扫描电压加在介质振荡器的调谐端上，使其频率在很大的范围内变化。当某个时刻介质振荡器的频率刚好为参考信号频率的整数倍时，环路锁定，扩捕电路停止工作。 2.3设计指标3.研究计划