卫星EHF波段接收机的Ka波段锁相环振荡器介质谐振器振荡器

摘要

本文介绍了一种基频为19.250 GHz的Ka波段锁相环DRO的设计与制作，用于EHF波段接收机的下变频器(LNB)低噪声块的本振。已经建立了适当的电路模型来描述介质谐振器和振荡器核心中使用的有源元件的行为。DRO表征和测量结果与仿真结果非常吻合。利用非常高的相位噪声，获得了良好的相位噪声性能问介质谐振器。

1.介绍

在卫星网络链路中，LNB接收机本振的相位噪声性能和所需的光谱纯度是非常重要的问题[1- - - - - -3.]．在这种情况下，一个基本的本地振荡器锁定到一个非常稳定的外部参考可能是最好的架构解决方案。

本文介绍了一种Ka波段锁相环(PLL)介质谐振振荡器(DRO)的设计和制作，该振荡器用于EHF波段接收机的下变频器(LNB)的低噪声块中作为本振。

为了在低相位噪声和输出杂散方面获得最佳性能，选择了基频(19250ghz)的介质谐振振荡器结构。利用非常高的相位噪声，获得了良好的相位噪声性能问介质谐振器。为了分析介质谐振器和振芯有源元件的特性，建立了相应的电路模型。利用先进设计系统(ADS)仿真工具中的谐波平衡求解器进行了电路仿真。

振荡器电路是由安装在多层基板上的SMT组件制作的:这代表了EHF应用的一个相当不同寻常的实现。设计了两个样机，并进行了完整的特性测试，测试结果与仿真结果非常吻合，然后将锁相环DRO集成到一个用于EHF波段卫星通信终端的低噪声块下变频中。

设计、模拟、制造和测量工作在意大利Misterbianco (CT)的Selex-Communications现场进行。

2.振荡器的设计

基本振荡频率为19250ghz。DRO电路的架构是基于串联反馈网络，在负载变化对振荡频率的漂移较小方面表现出良好的性能[4- - - - - -7]．选用了GaAs场效应管(Excelics EPB018A7)作为有源元件，不仅易于组装，而且在工作频率下具有良好的增益和噪声性能。

因为制造商提供的这个组件的稀缺信息(仅限)年代给出了压缩点1 dB时的参数和增益)，因此有必要建立一个合适的非线性模型用于仿真。作为起点，我们使用Triquint自己的先进设计系统模拟工具中的模型(图1）.为了考虑封装的寄生效应，对这个模型进行了改进，在三个器件端子和其他电容上增加串联电感和电阻(见图)2）.

模型参数已经通过使用制造商提供的信息进行了评估。选用高介电常数陶瓷材料的介质谐振器作为谐振元件;它的特点是高温稳定性和介电常数在30到40之间。为了获得高值的质量因子(1000-40000)，使用了金属盖。由于DRO与其他元件之间的高阻抗路径耦合，可以实现所需的相位噪声特性。为了模拟介质谐振器在振荡器电路中的行为，提出了一种合适的方法年代建立参数模型。该模型预测在谐振器附近放置两条微带线，并利用一个适当的块来描述介质谐振器与微带线之间的耦合效应年代参数。

该模型的仿真结果给出了预期的19.250 GHz的谐振频率。

为了获得良好的相位噪声性能，振荡器采用锁相环结构锁定在外部参考上。锁相环的框图如图所示3.．在主锁相环电路中，DRO输出与10mhz参考相比较。外部参考信号首先被另一个锁相环电路(清洁电路)过滤，用于锁定电压控制晶体振荡器(VCXO)的输出信号。电荷泵输出用于驱动负载微带短节的变容管，该变容管位于整个DRO所在的腔内。然后根据相位噪声指标优化环路带宽。微控制器如图所示3.管理两个锁相环的频率分配。

3.技术

安装在传统硬基板(氧化铝)上的裸模装置通常用于EHF应用。另一方面，在低频应用的非常复杂的电路中，通常使用多层基片和表面安装技术。为了实现这一锁相环DRO振荡器，我们选择了一种新的陶瓷多层基片和封装表面安装器件(SMD)，现在可用于高频应用。通过这种方法，所有复杂的振荡器电路都在一个小面积内使用易于安装和低成本的材料制作而成。该多层基板由陶瓷层(ε_r= 9.9)，并在其上实现了微带线，4个FR4 (ε_r= 4.4)用于其他互连的层。最终的紧凑布局如图所示4．在腔内可以看到介质谐振器。即使在这些频率分布的直流块由于其低插入损耗通常被使用，在我们的情况下，一个更紧凑的解决方案采用陶瓷电容。制作的原型如图所示5．该板被安置在金属结构内，由圆柱形金属防水盖封闭(图)5）.

4.模拟和测量数据

这两个电路模型已用于整个振荡器电路的仿真(图6）.为了达到所需的相位噪声和输出功率，对各集总和分布元件进行了优化。计算得到的相位噪声和输出信号频谱如图所示7．LNB输出接口测得的相位噪声和输出谱如图所示8．20700 MHz的连续波输入信号由源发生器提供。测量结果在相位噪声和光谱纯度方面都表现出非常好的性能。

5.LNB测试结果

上述锁相环DRO已集成在EHF波段卫星通信终端的下变频的低噪声模块中。表中总结了获得的最显著的性能1．

测量的相位噪声符合DVB-S2标准中推荐的端到端前向性能。LNB噪声系数和增益如图所示9．

6.结论

本文介绍了一种最先进的用于EHF低噪声块下变换器的锁相DRO。电路模型恰当地描述了介质谐振器和振荡器核心中使用的有源元件的行为，为加快设计过程提供了一种很好的方法。DRO已应用于EHF波段卫星通信终端的低噪声降压变换器中。所获得的相位噪声使这个LNB接收机特别适合于DVB-S2应用。

参考文献

1. r·g·罗杰斯低相位噪声微波振荡器设计， Artech House，波士顿，马萨诸塞州，美国，1991年。
2. B. Hitch和T. Holden，“用于空间使用的锁相DRO/CRO”第51届IEEE国际频率控制研讨会论文集，第1015-1023页，美国佛罗里达州奥兰多，1997年5月。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. 申东辉，刘国强，张德平，李美奇，阎立博，“空间应用的26.4 GHz锁相振荡器”，载第十七届亚太微波会议论文集(APMC '05)中国，苏州，2005年12月，第5卷第4页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. w·h·海沃德射频设计导论，美国无线电中继联盟，纽ington，康涅狄格州，美国，1994。
5. r·w·瑞亚振荡器设计与仿真，印度孟买，1995年。
6. 美国l·罗德微波与无线合成器:理论与设计， Wiley-Interscience，纽约，纽约，美国，1997。
7. e·a·甜,MIC和MMIC放大器和振荡器电路设计， Artech House，波士顿，马萨诸塞州，美国，1990年。

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