0 引言

　　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。一般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利于延长移动通信系统的电池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进行合理选择和设计，实现了振荡器的高效率以及高二次谐波抑制。

1 负阻振荡器分析与设计

　　1.1 负阻振荡器原理分析

　　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，再选择合适的终端网络，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：

图1  双端口晶体管振荡器电路

　　谐振网络阻抗ZL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。

　　则在实际应用时，通常选取谐振网络的阻抗ZL应满足：

　　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真

　　如图2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。

图2  负阻振荡器原理图

　　根据式(1)～式(4)，谐振网络的阻抗应满足：

　　1.2.1 直流偏置对振荡器工作效率影响

　　表1所示为晶体管在漏源电压VDS=2 V时，振荡器工作效率随栅源电压变化的对比表。由表1可以看到，随着栅源电压的增加，振荡器的直流功耗在增加，但其输出射频功率并没有明显的变化，导致工作效率降低。

　　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可以看到，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。

　　1.2.2 改善振荡器二次谐波抑制度方法

　　图3为加载1/8工作波长开路线输出匹配网络的原理图，图4为输出匹配网络经过一个隔直电容到负载的原理图。利用ADS仿真软件对它们进行S参数仿真，仿真结果如图5所示。

图3  不带隔直电容的输出匹配网络原理图

图4  带隔直电容的输出匹配网络原理图

　　由图5中虚线可知图3加载1/8工作波长开路线的输出匹配网络对二次谐波抑制约为15 dBc。分析可知该1/8工作波长开路线在二次谐波频率处相当于1/4波长开路线，也即是相当于一个对地的带通滤波器，因而有效地抑制了二次谐波。

图5  加载1/8工作波长输出匹配网络的S参数仿真

　　图4中隔直电容的仿真采用村田公司网站提供的模型，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主要作用，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真，仿真结果如图6所示，仿真振荡频率为10.97 GHz，输出功率8.685 dBm，二次谐波抑制度为46.187 dBc。

图6  谐波平衡仿真

2 测试结果与分析

　　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。

图7  负阻振荡器实物图

图8  振荡频率及二次谐波抑制度实测结果

（a）偏离振荡频率100 kHz相噪

（b）偏离振荡频率1 MHz相噪

图9  实测相位噪声

　　栅极所加电压VGS=-0.5 V，漏极所加电压VDS=2 V时，测得工作电流为7 mA。振荡器的直流功耗仅为14 mW。由图8可得振荡频率为10.81 GHz，输出功率为8.02 dBm，二次谐波抑制度为48 dBc，振荡器的工作效率为45%。

　　根据频谱仪测量相位噪声公式[9]：

　　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。

　　结合图9测试结果可算得偏离振荡频率100 kHz和1 MHz处的相位噪声分别为-90.19 dBc/Hz和-123.43 dBc/Hz。

　　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）。由对比结果可以看出，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。

3 结论

　　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，选择合适的晶体管直流偏置状态显著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，能进一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。

　　参考文献

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　　[5] 周文骏，张雪峰，陈建新.具有深度二次谐波抑制的低相位噪声射频振荡器[J].南京理工大学学报，2015，39(4)：477-482.

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