劉雨笑，陳嬋娟

（中國電子科技集團公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

近年來場效應(yīng)管介質(zhì)振蕩器由于體積小、效率高、成本低、頻率穩(wěn)定性比較好，在通信、雷達、電子對抗設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。X波段捷變頻率源是為了完成信號的遠(yuǎn)距離高速傳輸而研制的產(chǎn)品，主要由介質(zhì)振蕩器、十選一高速開關(guān)以及功率放大器三部分組成。

2 原理介紹和設(shè)計

2.1 原理簡介

該捷變頻率源由TTL信號控制，快速變換輸出10個不同的頻率信號，達到數(shù)字信號產(chǎn)生、傳輸?shù)哪康?。由此，我們設(shè)計的頻率源由10個不同頻率的振蕩器、十選一開關(guān)以及功率放大器三部分組成，其電原理圖如圖1所示。

它的工作邏輯是：10個振蕩器同時加電工作，輸出頻率信號到十選一開關(guān)，由TTL信號控制開關(guān)選通一路信號輸出到功率放大器，功率放大器放大該信號并輸出。

圖1 捷變頻率源原理圖

2.2 電路設(shè)計

2.2.1 振蕩器設(shè)計

該振蕩器采用反饋式電路（如圖2所示），反饋網(wǎng)絡(luò)由場效應(yīng)管的漏極、柵極微帶線和介質(zhì)諧振器構(gòu)成（圖2中1、2、3部分）。反饋式振蕩器的特點是有很寬的調(diào)諧帶寬，易于起振；并且振蕩頻率主要由介質(zhì)諧振器的諧振頻率決定，頻率穩(wěn)定度也取決于介質(zhì)諧振器。在反饋式振蕩器中，選用可在工作頻段上正常工作的場效應(yīng)管，通過介質(zhì)諧振器（圖2中1）將選定的頻率信號反饋到放大器的輸入端，如滿足振蕩的平衡條件，則建立穩(wěn)定的振蕩。

上式分別為振蕩器相位和振幅平衡條件，式中φA、φD分別為放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)的相移，GA、LD分別為放大器的增益和反饋網(wǎng)絡(luò)的衰減（詳細(xì)公式推算見《微波固態(tài)振蕩器原理》）。

圖2 反饋型振蕩器電路示意圖

根據(jù)振蕩的平衡條件，通過微波軟件的優(yōu)化，可確定場效應(yīng)管的柵極微帶線的特性阻抗為40 Ω，漏極微帶線的特性阻抗為50 Ω，源極微帶線有一個從30 Ω變換到50 Ω的直線漸變阻抗變換器。根據(jù)以上各微帶線的阻抗值，就可以在所需頻段上設(shè)計出微帶線的尺寸。再選用相應(yīng)頻率的介質(zhì)諧振器置于場效應(yīng)管的柵、漏之間形成反饋網(wǎng)絡(luò)（圖2中1），振蕩器就可以產(chǎn)生所需的頻率信號。

2.2.2 開關(guān)部分設(shè)計

開關(guān)的作用是選通所需的頻率信號，既要保證有較小的插入損耗，又要保證各路信號之間有較高的隔離度。從隔離度指標(biāo)進行設(shè)計，主要考慮開關(guān)管的數(shù)量。根據(jù)經(jīng)驗，為保證隔離度大于65 dBc，應(yīng)采用4級開關(guān)管。開關(guān)電路的設(shè)計采用單個支路的開關(guān)管芯“三串聯(lián)加一并聯(lián)”的形式（如圖3中V1~V4），得到的隔離度大于80 dBc。再借助微波軟件對各個開關(guān)管的間距和連接的金絲長度進行優(yōu)化，得到的開關(guān)插入損耗小于5 dBc。

圖3 開關(guān)原理圖

2.2.3 功放部分的設(shè)計

為滿足產(chǎn)品整體輸出功率大于10 dBm的要求，功放的增益應(yīng)大于20 dB。根據(jù)經(jīng)驗，我們采用2個場效應(yīng)管級聯(lián)的電路。使用微波軟件優(yōu)化2個場效應(yīng)管的輸入端和輸出端的匹配微波電路，可以保證功放在所需頻段內(nèi)的增益大于25 dB。

3 主要研究、試驗工作

3.1 高低溫環(huán)境下振蕩器的穩(wěn)定度實現(xiàn)

產(chǎn)品要求高低溫環(huán)境下（-50~100 ℃）頻率變化小于±1 MHz，但是介質(zhì)振蕩器自身性能為±2.5 MHz。為滿足要求，我們采用熱敏元件對頻率漂移進行溫度補償。使用變?nèi)莨軄砦_振蕩器，改變變?nèi)莨艿钠珘壕涂梢愿淖冋袷幤鞯念l率。再用熱敏電阻來調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿钠珘?，就可以達到調(diào)整振蕩器頻率的目的。經(jīng)過多次高低溫試驗，可以確定所需的溫度補償電路（如圖4）。經(jīng)過補償?shù)恼袷幤髟诟叩蜏叵骂l率變化小于±0.3 MHz。

3.2 雜波抑制的實現(xiàn)

經(jīng)過測試，開關(guān)的隔離度已達到80 dBc，但是在初始樣品整體測試時雜波抑制只有40 dBc。經(jīng)分析雜波抑制不達標(biāo)的原因是：各振蕩器一直處于工作狀態(tài)，頻率信號并沒有完全沿著微波電路進行傳播，而是繞過開關(guān)電路在空間中傳播，形成了“雜波”。可見“雜波抑制”表面上看是開關(guān)部分要解決的問題，實際是整體設(shè)計的問題。

圖4 溫度補償電路

為此，我們改進了產(chǎn)品的整體設(shè)計：在振蕩器之間建立隔板并增加蓋板，使每個振蕩器處于獨立的空間；減小開關(guān)的各輸入接口的尺寸；加厚開關(guān)的腔體和蓋板，減小信號泄露；使用吸收材料填充產(chǎn)品內(nèi)部的空隙，減少了雜波的串?dāng)_（見圖5）。改進后產(chǎn)品的雜波抑制可以達到70 dBc。

4 研制結(jié)果

通過理論分析計算以及精心的電路設(shè)計和調(diào)試，該捷變頻率源性能穩(wěn)定、可靠。捷變頻率源成品見圖5。

研制結(jié)果的具體指標(biāo)如下：

頻率穩(wěn)定度≤±0.3 MHz，輸出功率≥15 dBm，相位噪聲≤-75 dBc/Hz/10 kHz，雜波抑制≥70 dBc。

5 結(jié)束語

文章提出一種設(shè)計X波段捷變頻率源的方法，由此設(shè)計出的產(chǎn)品性能優(yōu)良，可靠性高，主要用于信號發(fā)送設(shè)備。

圖5 捷變頻率源內(nèi)部結(jié)構(gòu)

[1] 《中國集成電路大全》編委會. 微波集成電路[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995.

[2] 潘儒滄，刁育才. 微波固態(tài)振蕩器原理[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，1990.

[3] 顧其諍. 微波集成電路設(shè)計[M]. 北京：人民郵政出版社，1978.