optimization and realization of microwave low phase noise sawo
摘 要：介绍了1.5ghz声表面波振荡器的原理、电路设计制作以及使用serenade8.7软件对其分析和优化的仿真结果，并最终焊接调试成功中心频率为1500mhz的振荡电路，其相位噪声优于-110dbc/hz/10khz，长期频率稳定度±(3.5～5.0)×10-6/日，po>10dbm。并将实测结果与仿真结果相比较，获得较好的一致性，还对影响相位噪声的因素进行了分析讨论。
关键词：声表面波；serenade8.7；仿真；优化设计；相噪 |
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引言
---声表面波振荡器是20世纪60年代末、70年代初出现的一种新型振荡器，是一种高稳定、低噪声振荡源。声表面波振荡器以saw器件为频控元件，具有基频高、调频频偏大、稳定性好、相噪低等优点，在体积、成本方面也有着显著的优越性，是新一代cpu、dsp和dds的理想时钟源，已广泛应用于第二、第三代移动通信、遥控、遥测技术以及生化、医学等领域。
---本文从分析saw器件的性能入手，着重分析了saw振荡器的工作原理及设计方法，最终完成了中心频率在1500mhz的振荡器，近载频相位噪声低于-90dbc/hz/1khz和-110dbc/hz/10khz。
基于sawr设计声表面波振荡器
---● 声表面波谐振器的性能分析
---saw(surface acoustic wave，声表面波)器件是一种频率选择性很好的器件，采用等叉指结构，选择好两边的叉指换能器的叉指对数及间距，通过制版蒸发光刻等工艺制成。声表面波谐振器(sawr)是一种高q值声表面波谐振器，在很多方面都与石英晶体谐振器相似。它是通过将金属叉指刻蚀，在具有压电特性的基片上制成的。sawr的中心频率为vs/p，其中vs是指声表面波信号在基片上传播的速度，p是叉指周期。sawr与石英晶体的结构非常相似，由于工艺上的原因，石英晶体谐振器的基频只能达到200mhz，而sawr的频率范围从250～1200mhz，实际上，低到50mhz，高至1500mhz的sawr也已实现。因此，sawr在很大程度上弥补了石英晶体谐振器在实际应用中的不足。另一方面，sawr的无载q值在350mhz时可达12 000，而在1000mhz时也有6000左右；在较高功率条件下，sawr仍可正常工作，因此它在偏离载频处的噪声性能也相当优越。
---● 声表面波振荡器工作原理
---基于sawr设计声表面波振荡器，首要问题是选择一种合适的电路结构，使其既容易满足振荡条件，又能达到良好的性能。这里采用了闭环正反馈放大的振荡电路形式，如图1所示。
---电路主要包括sawr、移相电路、放大电路和匹配电路等。其中sawr加在反馈电路部分起频率选择的作用。在闭合环路内部要建立起振荡，必须同时满足幅度和相位条件，即：
(1)
---其中ga为两级放大器的总增益；ls、le、lo分别是sawr、移相网络和电路中其他部分的损耗；φs为sawr在振荡时的插入相移，它是频率f的线性函数；φa、φe分别是放大器和移相网络的相移，其中φe可变，对第二式的两端进行微分可得：
---(c为常数) (2)
---可见，改变移相网络的相位，就可以改变环路的振荡频率，而且相位的改变与频率的变化呈线性关系。因此，通过选择调整合适的移相网络及放大器就可以满足振荡要求。
---这种电路虽然结构相对复杂，并且有源器件多必然会引入附加噪声，但该电路比较容易满足起振条件，而且选择合适的移相网络，可以在很大范围内实现频率调节。考虑到电路的起振问题，本设计最终选择了闭环正反馈放大的振荡电路形式。
设计与制作
---本电路设计的难点在于如何降低电路的相位噪声。首先，由于sawr本身的性能，决定了它与石英晶体谐振器一样具有很高的品质因数，而且一旦选定了某一种sawr就无法再调节谐振器内部参数，只能靠改变外部电路参数来完成。为此，将电路分成几个部分，即声表面波谐振器、移相网络、闭环放大器及其匹配电路等，利用ansoft的serenade8.7软件，对各部分分别进行优化设计，再综合分析，下面分别介绍。本次设计采用从南京55所订购的1.5ghz的声表面波谐振器，其特性参数见表1。此谐振器的q值并不高，这就对噪声的要求更加严格。
---图2是声表面波谐振器的等效模型，常见的sawr的电等效模型参数值如下。
optimization and realization of microwave low phase noise sawo
摘 要：介绍了1.5ghz声表面波振荡器的原理、电路设计制作以及使用serenade8.7软件对其分析和优化的仿真结果，并最终焊接调试成功中心频率为1500mhz的振荡电路，其相位噪声优于-110dbc/hz/10khz，长期频率稳定度±(3.5～5.0)×10-6/日，po>10dbm。并将实测结果与仿真结果相比较，获得较好的一致性，还对影响相位噪声的因素进行了分析讨论。
关键词：声表面波；serenade8.7；仿真；优化设计；相噪 |
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引言
---声表面波振荡器是20世纪60年代末、70年代初出现的一种新型振荡器，是一种高稳定、低噪声振荡源。声表面波振荡器以saw器件为频控元件，具有基频高、调频频偏大、稳定性好、相噪低等优点，在体积、成本方面也有着显著的优越性，是新一代cpu、dsp和dds的理想时钟源，已广泛应用于第二、第三代移动通信、遥控、遥测技术以及生化、医学等领域。
---本文从分析saw器件的性能入手，着重分析了saw振荡器的工作原理及设计方法，最终完成了中心频率在1500mhz的振荡器，近载频相位噪声低于-90dbc/hz/1khz和-110dbc/hz/10khz。
基于sawr设计声表面波振荡器
---● 声表面波谐振器的性能分析
---saw(surface acoustic wave，声表面波)器件是一种频率选择性很好的器件，采用等叉指结构，选择好两边的叉指换能器的叉指对数及间距，通过制版蒸发光刻等工艺制成。声表面波谐振器(sawr)是一种高q值声表面波谐振器，在很多方面都与石英晶体谐振器相似。它是通过将金属叉指刻蚀，在具有压电特性的基片上制成的。sawr的中心频率为vs/p，其中vs是指声表面波信号在基片上传播的速度，p是叉指周期。sawr与石英晶体的结构非常相似，由于工艺上的原因，石英晶体谐振器的基频只能达到200mhz，而sawr的频率范围从250～1200mhz，实际上，低到50mhz，高至1500mhz的sawr也已实现。因此，sawr在很大程度上弥补了石英晶体谐振器在实际应用中的不足。另一方面，sawr的无载q值在350mhz时可达12 000，而在1000mhz时也有6000左右；在较高功率条件下，sawr仍可正常工作，因此它在偏离载频处的噪声性能也相当优越。
---● 声表面波振荡器工作原理
---基于sawr设计声表面波振荡器，首要问题是选择一种合适的电路结构，使其既容易满足振荡条件，又能达到良好的性能。这里采用了闭环正反馈放大的振荡电路形式，如图1所示。
---电路主要包括sawr、移相电路、放大电路和匹配电路等。其中sawr加在反馈电路部分起频率选择的作用。在闭合环路内部要建立起振荡，必须同时满足幅度和相位条件，即：
(1)
---其中ga为两级放大器的总增益；ls、le、lo分别是sawr、移相网络和电路中其他部分的损耗；φs为sawr在振荡时的插入相移，它是频率f的线性函数；φa、φe分别是放大器和移相网络的相移，其中φe可变，对第二式的两端进行微分可得：
---(c为常数) (2)
---可见，改变移相网络的相位，就可以改变环路的振荡频率，而且相位的改变与频率的变化呈线性关系。因此，通过选择调整合适的移相网络及放大器就可以满足振荡要求。
---这种电路虽然结构相对复杂，并且有源器件多必然会引入附加噪声，但该电路比较容易满足起振条件，而且选择合适的移相网络，可以在很大范围内实现频率调节。考虑到电路的起振问题，本设计最终选择了闭环正反馈放大的振荡电路形式。
设计与制作
---本电路设计的难点在于如何降低电路的相位噪声。首先，由于sawr本身的性能，决定了它与石英晶体谐振器一样具有很高的品质因数，而且一旦选定了某一种sawr就无法再调节谐振器内部参数，只能靠改变外部电路参数来完成。为此，将电路分成几个部分，即声表面波谐振器、移相网络、闭环放大器及其匹配电路等，利用ansoft的serenade8.7软件，对各部分分别进行优化设计，再综合分析，下面分别介绍。本次设计采用从南京55所订购的1.5ghz的声表面波谐振器，其特性参数见表1。此谐振器的q值并不高，这就对噪声的要求更加严格。
---图2是声表面波谐振器的等效模型，常见的sawr的电等效模型参数值如下。
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