Ku波段超低相噪振荡器研制

发布时间：2020-09-15 13:14

　　振荡器作为雷达、信号发生器的核心部件,被广泛应用于各种电子系统中。新型的高灵敏度探测雷达系统对振荡器的相位噪声要求苛刻,系统性能的保证必须依靠振荡器的低相位噪声。因此,全世界的相关研究学者一直致力于研制出超低相噪的振荡器。本文将研制一款基于蓝宝石介质谐振器的振荡器系统。本文从经典的振荡器振荡条件、相位噪声Leeson模型出发,分析影响振荡器相位噪声的相关参数,进而分析谐振器的高Q回音壁模式。介绍了回音壁模式的命名、场的分布情况以及通过仿真分析了影响回音壁模式的参数及分布趋势。本文的核心在于设计一款工作于Ku波段的基于蓝宝石介质的高Q谐振器,蓝宝石介质回音壁模式的损耗极低,在常温下,无载Q值能达到2×10~5,在77K条件下,无载Q值可以达到5×10~7。从理论分别对谐振器的场分布情况、回音壁模式的场分布图、谐振频率、Q值和相位噪声的关系进行了详细的分析。详细地利用HFSS软件进行仿真。在设计时,充分权衡系统的大小、环路增益、耦合方式、加工成本等因素,最终完成了对谐振频率在12.62GHz的蓝宝石谐振器的研制,有载Q值在谐振频率处达到了72520。根据研制出来的高Q蓝宝石谐振器,对系统输出的相位噪声进行仿真。此外,围绕着谐振器的谐振频率对振荡环路其余部件进行方案选取,完成了低噪声放大器、腔体滤波器、移相器以及耦合器的设计与研制。低噪声放大器在对环路增益满足环路起振的条件下,采用小型化、优越性能的放大器MMIC芯片。根据谐振频率设计一个性能优越、有较好抑制能力的环路滤波器以及移相器。考虑到环路增益,耦合器的设计更多地考虑直通支路的插入损耗,因此设计并加工了一款耦合量为30dB的非对称多节耦合器。最终将所有部件进行级联,构建组成蓝宝石超低相噪常温振荡器系统。通过调节环路的增益以及环路相位噪声以满足巴克豪森起振条件,最后对系统进行性能测试,最终实现的指标为:输出频率12.62GHz,输出功率-17.2dBm,相位噪声为-129dBc/Hz@10kHz、-136dBc/Hz@100kHz、-146dBc/Hz@1MHz。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN752;TN957
【部分图文】：

框图,系统方案,框图,蓝宝石

器的相位噪声的理论分析，确定实施方案。通过分析蓝宝石谐振器的工作模式，完成蓝宝石及腔体结构上的确定及优化，根据谐振器的输出模式进行环路其他部件的理论分析及研制，最终确定的系统方案如下图1-2所示。图 1-2 系统方案框图4

曲线,放大器增益,相位噪声,曲线

第二章振荡器基本理论图 2-9 相位噪声变化与放大器增益 G 的关系曲线从图2-9可以看出，在放大器增益小于 7dB 时，相位噪声恶化很严重，曲线变化较大。而当放大器增益大于 7dB 的时候，相噪恶化平缓，变化较慢。但是实际上的环路中放大器增益与相噪恶化曲线在增益偏大的部分不会像图2-9中的曲线那样，因为图2-9并没有考虑到放大器的非线性度和压缩点，属于理想放大器。实际上，振荡器工作于大信号条件，若增益过高导致放大器非线性程度加深，此时的相位噪声趋于恶化。综合目前对相位噪声的分析，明确影响相位噪声的各个参数后，便可知道在振荡器环路的设计上

仿真结果,预期指标,均匀网络,电磁仿真

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18-80-70-60-50S(GHz)IE3DHFSSS41图 4-11 IE3D 设计仿真和 HFSS 初验证 S 参数对比图图4-11中可以明显看出，IE3D 经过初步设计和初步优化后，设计指但将模型导入 HFSS 软件进行验证后，S31比预期指标 30dB 高了 3d差。这是因为为了能快速的得到近似模型，在 IE3D 中只采用了均匀分且基于均匀网络的 EM 电磁仿真器受最大精度和效率的限制，因实际模型会有一定的偏差，但好处是仿真更灵活高效，能够快速掌参数的意义。下一步需要基于此模型在 HFSS 中进行优化设计，优如图所示4-12。

【参考文献】