引言
---聲表面波振蕩器是20世紀60年代末、70年代初出現(xiàn)的一種新型振蕩器,是一種高穩(wěn)定、低噪聲振蕩源。聲表面波振蕩器以SAW器件為頻控元件,具有基頻高、調(diào)頻頻偏大、穩(wěn)定性好、相噪低等優(yōu)點,在體積、成本方面也有著顯著的優(yōu)越性,是新一代CPU、DSP和DDS的理想時鐘源,已廣泛應(yīng)用于第二、第三代移動通信、遙控、遙測技術(shù)以及生化、醫(yī)學等領(lǐng)域。
---本文從分析SAW器件的性能入手,著重分析了SAW振蕩器的工作原理及設(shè)計方法,最終完成了中心頻率在1500MHz的振蕩器,近載頻相位噪聲低于-90dBc/Hz/1kHz和-110dBc/Hz/10kHz。 基于SAWR設(shè)計聲表面波振蕩器
 ---● 聲表面波諧振器的性能分析
---SAW(surface acoustic wave,聲表面波)器件是一種頻率選擇性很好的器件,采用等叉指結(jié)構(gòu),選擇好兩邊的叉指換能器的叉指對數(shù)及間距,通過制版蒸發(fā)光刻等工藝制成。聲表面波諧振器(SAWR)是一種高Q值聲表面波諧振器,在很多方面都與石英晶體諧振器相似。它是通過將金屬叉指刻蝕,在具有壓電特性的基片上制成的。SAWR的中心頻率為VS/p,其中VS是指聲表面波信號在基片上傳播的速度,p是叉指周期。SAWR與石英晶體的結(jié)構(gòu)非常相似,由于工藝上的原因,石英晶體諧振器的基頻只能達到200MHz,而SAWR的頻率范圍從250～1200MHz,實際上,低到50MHz,高至1500MHz的SAWR也已實現(xiàn)。因此,SAWR在很大程度上彌補了石英晶體諧振器在實際應(yīng)用中的不足。另一方面,SAWR的無載Q值在350MHz時可達12 000,而在1000MHz時也有6000左右;在較高功率條件下,SAWR仍可正常工作,因此它在偏離載頻處的噪聲性能也相當優(yōu)越。
---● 聲表面波振蕩器工作原理
---基于SAWR設(shè)計聲表面波振蕩器,首要問題是選擇一種合適的電路結(jié)構(gòu),使其既容易滿足振蕩條件,又能達到良好的性能。這里采用了閉環(huán)正反饋放大的振蕩電路形式,如圖1所示。
---電路主要包括SAWR、移相電路、放大電路和匹配電路等。其中SAWR加在反饋電路部分起頻率選擇的作用。在閉合環(huán)路內(nèi)部要建立起振蕩,必須同時滿足幅度和相位條件,即：
(1)
---其中GA為兩級放大器的總增益;Ls、Le、LO分別是SAWR、移相網(wǎng)絡(luò)和電路中其他部分的損耗;φS為SAWR在振蕩時的插入相移,它是頻率f的線性函數(shù);φa、φe分別是放大器和移相網(wǎng)絡(luò)的相移,其中φe可變,對第二式的兩端進行微分可得：
---(C為常數(shù)) (2)
---可見,改變移相網(wǎng)絡(luò)的相位,就可以改變環(huán)路的振蕩頻率,而且相位的改變與頻率的變化呈線性關(guān)系。因此,通過選擇調(diào)整合適的移相網(wǎng)絡(luò)及放大器就可以滿足振蕩要求。
---這種電路雖然結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,并且有源器件多必然會引入附加噪聲,但該電路比較容易滿足起振條件,而且選擇合適的移相網(wǎng)絡(luò),可以在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)�？紤]到電路的起振問題,本設(shè)計最終選擇了閉環(huán)正反饋放大的振蕩電路形式。 設(shè)計與制作
 ---本電路設(shè)計的難點在于如何降低電路的相位噪聲。首先,由于SAWR本身的性能,決定了它與石英晶體諧振器一樣具有很高的品質(zhì)因數(shù),而且一旦選定了某一種SAWR就無法再調(diào)節(jié)諧振器內(nèi)部參數(shù),只能靠改變外部電路參數(shù)來完成。為此,將電路分成幾個部分,即聲表面波諧振器、移相網(wǎng)絡(luò)、閉環(huán)放大器及其匹配電路等,利用Ansoft的Serenade8.7軟件,對各部分分別進行優(yōu)化設(shè)計,再綜合分析,下面分別介紹。本次設(shè)計采用從南京55所訂購的1.5GHz的聲表面波諧振器,其特性參數(shù)見表1。此諧振器的Q值并不高,這就對噪聲的要求更加嚴格。
---圖2是聲表面波諧振器的等效模型,常見的SAWR的電等效模型參數(shù)值如下。
---C0=2.5pF時,諧振頻率為200MHz,C0=1.1pF時,諧振頻率為1200MHz。
 ---RM=120Ω
---由于這些數(shù)值只是近似計算,和器件的真實值存在一定的偏差,這也是造成實際結(jié)果和優(yōu)化結(jié)果有差異的一個重要原因。
---對于移相網(wǎng)絡(luò),為了簡化設(shè)計、降低成本,并使電路實現(xiàn)小型化,選擇了串聯(lián)LC電調(diào)移相電路,串聯(lián)LC移相網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。其中可變電容選用了一對節(jié)電容變化適當?shù)淖內(nèi)荻䴓O管CJ,改變加在CJ上的反向控制電壓,就改變了CJ的大小,從而改變移相網(wǎng)絡(luò)的相位參數(shù),進而改變振蕩環(huán)路的頻率輸出。
---對于閉環(huán)內(nèi)的放大器,由于在閉環(huán)內(nèi)建立起振蕩應(yīng)滿足相位平衡條件,因此放大器本身的相位變化也必然要引起輸出頻率的變化。這種相位變化主要來源于電源電壓的變化、溫度的變化、元件的老化等。因此閉環(huán)放大器應(yīng)選擇其相頻特性在振蕩器中心頻率附近較大范圍內(nèi)保持平坦,使電源電壓等因素對頻率變化影響最小。除此之外,選擇低噪聲、適當增益、VSWR小的放大器也尤為重要。另外,為簡化匹配電路的設(shè)計,可以選擇輸入輸出阻抗均為50Ω的單片放大器。當然,以上幾點特性不容易同時滿足,最終設(shè)計時選擇了HP公司的INA2186單片放大器,如圖4所示。
---另外,為了減少電源紋波對電路的影響,采用了穩(wěn)壓電源,并在電路中用穩(wěn)壓塊進行二次穩(wěn)壓。 用Serenade進行設(shè)計、仿真及優(yōu)化
 ---本次設(shè)計主要利用了Ansoft公司的Serenade 8.7軟件對電路進行模擬仿真。設(shè)計指標包括：工作頻率為1.5GHz,輸出功率大于10dBm,噪聲優(yōu)于-90dBm/Hz/1kHz和-110dBm/Hz/10kHz,輸入輸出阻抗為50Ω。電路原理圖如圖5所示。
---通過使用Serenade 8.7對所設(shè)計電路進行合理的仿真優(yōu)化,仿真結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。由仿真結(jié)果可以看出,諧振頻率在1.4990GHz處,偏離載頻1kHz處的相位噪聲為-110dBc/Hz/1kHz,P0=10dBm。  實測結(jié)果及性能分析
● 實測結(jié)果
---最終的SAW振蕩器電路的總面積為30mm×30mm,其主要性能指標如下。
---中心頻率為1500MHz;相位噪聲小于-90dBc/Hz/1kHz,小于-110dBc/Hz/10kHz;長期頻率穩(wěn)定度為±(3.5～5.0)×10-6/日;雜散電平小于-60dBm。
● 噪聲性能分析
---根據(jù)頻域分析法,可以得出振蕩器的噪聲模型如式3。 ---(3)
---其中L(fm)osc是振蕩器的單邊帶相位噪聲;fm為距離載頻的偏移量;F1、F2分別為閉環(huán)放大器和輸出放大器噪聲系數(shù);k為波爾茲曼常數(shù);T0為絕對溫度(°K);POS和Gn分別是閉環(huán)放大器的標稱輸出功率和增益;f1為放大器的閃爍噪聲區(qū)和白噪聲區(qū)交點處的頻率;LC為振蕩器輸出到末級緩沖放大器的耦合損耗;Br為諧振器的3dB帶寬,取決于諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)QU和插入損耗Lres,可由式4決定。
---(4)
---式中f0為中心頻率。由此可以得出結(jié)論：振蕩器的相位噪聲與諧振回路的有載Q值、閉環(huán)放大器的噪聲系數(shù)、增益、功率,耦合電路的插入損耗,輸出放大器的噪聲系數(shù)等因素都有關(guān)。因此,為降低振蕩器的相位噪聲,應(yīng)從以下幾方面入手：優(yōu)選高QL值諧振器件,使電路實現(xiàn)較低的相位噪聲;優(yōu)選低噪聲系數(shù)寬頻帶放大器件,并使其工作在線性區(qū)間;使各個有源器件工作在合適的工作狀態(tài);選擇高Q值元器件,減少插入損耗等。  
結(jié)束語
---由于外部因素的影響,實際測試的相位噪聲要比仿真結(jié)果稍差,其余指標實測結(jié)果和仿真結(jié)果都是趨于一致的。
---總之,閉環(huán)正反饋放大式振蕩電路達到了晶體振蕩器的長期頻率穩(wěn)定度,適宜在移動通信、遙控、遙測等領(lǐng)域應(yīng)用。 |
