聲表面波振蕩器的優化設計與實現

2020-12-06 電子產品世界

引言

聲表面波振蕩器是20世紀60年代末、70年代初出現的一種新型振蕩器，是一種高穩定、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、調頻頻偏大、穩定性好、相噪低等優點，在體積、成本方面也有著顯著的優越性，是新一代cpu、dsp和dds的理想時鐘源，已廣泛應用於第二、第三代移動通信、遙控、遙測技術以及生化、醫學等領域。
---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，近載頻相位噪聲低於-90dbc/hz/1khz和-110dbc/hz/10khz。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/20715.htm

基於sawr設計聲表面波振蕩器

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，採用等叉指結構，選擇好兩邊的叉指換能器的叉指對數及間距，通過製版蒸發光刻等工藝製成。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製成的。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與石英晶體的結構非常相似，由於工藝上的原因，石英晶體諧振器的基頻只能達到200mhz，而sawr的頻率範圍從250～1200mhz，實際上，低到50mhz，高至1500mhz的sawr也已實現。因此，sawr在很大程度上彌補了石英晶體諧振器在實際應用中的不足。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越。

聲表面波振蕩器工作原理

基於sawr設計聲表面波振蕩器，首要問題是選擇一種合適的電路結構，使其既容易滿足振蕩條件，又能達到良好的性能。這裡採用了閉環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。在閉合環路內部要建立起振蕩，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、移相網絡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；φa、φe分別是放大器和移相網絡的相移，其中φe可變，對第二式的兩端進行微分可得：

(c為常數) (2)

可見，改變移相網絡的相位，就可以改變環路的振蕩頻率，而且相位的改變與頻率的變化呈線性關係。因此，通過選擇調整合適的移相網絡及放大器就可以滿足振蕩要求。

這種電路雖然結構相對複雜，並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絡，可以在很大範圍內實現頻率調節。考慮到電路的起振問題，本設計最終選擇了閉環正反饋放大的振蕩電路形式。

設計與製作

本電路設計的難點在於如何降低電路的相位噪聲。首先，由於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因數，而且一旦選定了某一種sawr就無法再調節諧振器內部參數，只能靠改變外部電路參數來完成。為此，將電路分成幾個部分，即聲表面波諧振器、移相網絡、閉環放大器及其匹配電路等，利用ansoft的serenade8.7軟體，對各部分分別進行優化設計，再綜合分析，下面分別介紹。本次設計採用從南京55所訂購的1.5ghz的聲表面波諧振器，其特性參數見表1。此諧振器的q值並不高，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


由於這些數值只是近似計算，和器件的真實值存在一定的偏差，這也是造成實際結果和優化結果有差異的一個重要原因。

對於移相網絡，為了簡化設計、降低成本，並使電路實現小型化，選擇了串聯lc電調移相電路，串聯lc移相網絡如圖3所示。其中可變電容選用了一對節電容變化適當的變容二極體cj，改變加在cj上的反向控制電壓，就改變了cj的大小，從而改變移相網絡的相位參數，進而改變振蕩環路的頻率輸出。

對於閉環內的放大器，由於在閉環內建立起振蕩應滿足相位平衡條件，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於電源電壓的變化、溫度的變化、元件的老化等。因此閉環放大器應選擇其相頻特性在振蕩器中心頻率附近較大範圍內保持平坦，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，採用了穩壓電源，並在電路中用穩壓塊進行二次穩壓。

用serenade進行設計、仿真及優化

本次設計主要利用了ansoft公司的serenade 8.7軟體對電路進行模擬仿真。設計指標包括：工作頻率為1.5ghz，輸出功率大於10dbm，噪聲優於-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對所設計電路進行合理的仿真優化，仿真結果如圖6、圖7和圖8所示。由仿真結果可以看出，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。

實測結果及性能分析

實測結果
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；相位噪聲小於-90dbc/hz/1khz，小於-110dbc/hz/10khz；長期頻率穩定度為±(3.5～5.0)×10-6/日；雜散電平小於-60dbm。

噪聲性能分析

根據頻域分析法，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分別為閉環放大器和輸出放大器噪聲係數；k為波爾茲曼常數；t0為絕對溫度(°k)；pos和gn分別是閉環放大器的標稱輸出功率和增益；f1為放大器的閃爍噪聲區和白噪聲區交點處的頻率；lc為振蕩器輸出到末級緩衝放大器的耦合損耗；br為諧振器的3db帶寬，取決於諧振器的無載品質因數qu和插入損耗lres，可由式4決定。

(4)式中f0為中心頻率。由此可以得出結論：振蕩器的相位噪聲與諧振迴路的有載q值、閉環放大器的噪聲係數、增益、功率，耦合電路的插入損耗，輸出放大器的噪聲係數等因素都有關。因此，為降低振蕩器的相位噪聲，應從以下幾方面入手：優選高ql值諧振器件，使電路實現較低的相位噪聲；優選低噪聲係數寬頻帶放大器件，並使其工作在線性區間；使各個有源器件工作在合適的工作狀態；選擇高q值元器件，減少插入損耗等。


結束語

由於外部因素的影響，實際測試的相位噪聲要比仿真結果稍差，其餘指標實測結果和仿真結果都是趨於一致的。

總之，閉環正反饋放大式振蕩電路達到了晶體振蕩器的長期頻率穩定度，適宜在移動通信、遙控、遙測等領域應用。
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