中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn X 波段雷达介质振荡器设计 李秀萍，彭宝阳，李南* （北京邮电大学电子工程学院） 5 摘要：介绍了介质振荡器的理论和设计方法，选择并联反馈式结构，设计了工作频率在 10.525GHz 介质振荡器。为了提高振荡器的输出功率，通过降低了介质谐振器与微带线的耦 合度，采用高增益的场效应管，提高了振荡器输出功率。调整输出端的匹配，得到较高的输 出功率。结果表明，本文的理论分析是正确的，设计方案是可行的。成功应用在 X 波段测 速雷达系统中。 关键词：微波技术；介质谐振器；谐振法；振荡器。 中图分类号：TN952 10 15 20 The design of X band radar DRO LiXiuping, Peng Baoyang, Li Nan (School of Electronic Engineering,Beijing University of Posts and Telecommunications) Abstract: The paper introduces the theory and design method of dielectric oscillator，choosing parallel feedback structure to design a dielectric oscillator, which is working at frequency 10.525 GHz . Through reducing the coupling of the dielectric resonator and microstrip line and adopt a high gain FET, we improve the output power. I adjust the output matching network, in order to get high output power.The results show that the theoretical analysis is correct, the design scheme is feasible.Successful application in x-band doppler radar system. Key words: Microwave technology; dielectric resonator，resonance method，oscillator. 25 0 引言 微波半导体技术和微波集成电路的发展，微波设备和系统也趋向小型化轻量化和集成 化。微波介质谐振器作为稳频元件，具有较好的频率和功率稳定性，而且噪声低，体积小， 结构简单。介质振荡器的研制在国内外也引起了广泛的关注,并且它在多个领域得到了应用, 例如通信系统，雷达信标，电子对抗接收机，专用测试设备以及气象雷达等[1] [2]。此外，DRO 同现代微波集成电路之间存在极好的兼容性。在介质谐振器中，介质谐振器的参数设计是一 30 个难点，介质谐振器的尺寸以及介电常数都会影响振荡器的振荡频率。本文设计的介质振荡 器主要应用在安防雷达里面，作为安防雷达的信号源使用，成本低廉性能满足实际应用需求 [3]。本文利用 HFSS 软件对介质谐振器进行建模，确定了介质谐振器的尺寸，分析了反馈式 电路原理，对 DRO 电路进行仿真和优化，设计出了输出功率高的介质振荡器[4]。 35 1 DR 的品质因数和介电常数 介质谐振器的品质因数（Q 值）是其在电路应用中的一个重要标志，Q 值得高低直接影 响到振荡器的相位噪声。介质谐振器的无载 值为 [1] 式[1]中， 是谐振频率，W 为谐振器储能，P 为功率损耗。谐振器与微带线耦合时的 40 有载品质因数 与无载 的关系为 作者简介：李秀萍（1975），女，教授，微波无源，有源器件设计. E-mail: xpli@bupt.edu.cn - 1 - 0rWQP

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn [2] 式[2]中，K1 与 K2 分别为介质与两微带线的耦合系数。 介质谐振器 Q 值的高低直接影响到振荡器的频率稳定度，为了提高谐振器 Q 值，在使 用时应该选择合适的谐振器形状，并且在电路中选用低损耗，小介电常数的材料作为谐振器 的支持衬底[4]。 45 2 介质谐振器的介电常数 介质谐振器介电常数必须足够高才能将电磁能量储存在谐振器内部，产生谐振现象。在 微波频段，介质谐振器的相对介电常数一般为 20-100。介质谐振器的介电常数直接影响到 介质振荡器的振荡频率，孤立的圆柱形介质谐振器的谐振频率为 50 [3] 式[3]中，a 为谐振器半径，H 为谐振器高度。从上式可以看出，当尺寸一定时，谐振频 率会随着 的减小而增大[5]。 3 温度系数 温度系数是描述介质谐振频率随环境温度变化而产生频率偏移大小的物理量，公式定义 55 为 [4] 式[4]中 是环境温度的变化， 是指在温度变化 时相应的谐振频率的变化，由 于介质谐振器用在稳频作用时是一种窄带器件，环境温度的起伏变化对谐振频率会产生影 响，所以只有当温度系数较低时有实际的应用意义[5]。 60 4 反馈式振荡器的原理分析 本文中的介质振荡器采用的是并联反馈的电路形式，原理如图 1 所示。 图 1 并联反馈电路模型 65 反馈式振荡器是一个正反馈系统，利用微带与谐振器之间的耦合产生一个正反馈，由反 馈放大器的知识可知，闭环增益函数为 [5] 式[5]中 为放大器的电压, 为电压反馈的传递函数。产生频率一定的输出 信号。可以看出，要使在 时， 为有限值，必须满足： 70 [6] 上式[6]称为 Barkhausen 准则，可以得到了一个反馈式振荡器起振的振幅和相位条件： - 2 - 0121LQQKK343.45rrafHε1frffTTfT1outfinGjVAVGFjjGj（）Fj（）0inVoutV10GFjj

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn [7] [8] 在实际的振荡器的设计中，振幅起振条件必须满足： 75 [9] 电路中存在的微弱噪声信号由于正反馈作用会不断被放大。由放大器工作原理可知，放 大器处于饱和区的时候，输入信号 再继续增大，输出功率不会继续增加，从而导致增益 不断减小，当减小到一定的幅度时，会达到起振条件。振荡器环路同时达到振幅和 相位条件后，振荡器环路同时达到振幅和相伴条件后，振荡器输出信号频率振幅不再增加， 80 频率也保持稳定，振荡器就有一具稳定的输出。 5 介质振荡器设计 文中采用的介质谐振器相对介电常数约为 36，品质因数约为 3000，高度与直径的比值 约为 0.5，保证了该介质谐振器的主模为 TE01 模式。建立仿真模型如图 2 所示，反馈网络 由介质谐振器的两根微带线共同组成。 85 90 95 图 2 介质谐振器仿真模型 由场结构可知，DR 与微带线之间是磁耦合，微带线的一端开路，耦合点与开路端的 λ ／4，相当于短路点，耦合最强[6]。该谐振振网络为一个二端口网络，我们最关心的是其散 射参数 S21，即反馈网络传输系数 Av(jω)。该谐振峰越陡峭，说明谐振网络的品质因数越高。 仿真完成后，可将该模型及其 S 参数生成一个 S2P 文件，作为一个器件供 ADS 调用[7]。 反馈网络的仿真完成后，下面进行有源网络的仿真。有源网络由场效应管和偏置电路组 成，文中选用的晶体管是 NE3514S02，该晶体管的工作频率为 2-16GHz，在 20GHz 约为 10dB。 将反馈网络的模型加入，对整个反馈回路进行开环仿真，首先调整输出匹配支节的位置和长 度，使振荡频点的开环增益尽可能大，即满足环路增益大于 1 的条件；然后调整与反馈网络 相连的微带线长度，使得反馈回路的传输系数 S21 相位为零，即满足环路相移为 0 的条件[8] [9]。电路原理图如图 3 所示。 仿真结果如图 6 所示，可以看到，输出功率达到 12.3dBm。 - 3 - 1GFjj2,0,1,GFnnjj1GFjjinVGj（）

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 100 图 3 介质振荡器仿真原理图 图 4 振荡器瞬态仿真结果 图 5 瞬态仿真频谱 图 6 介质振荡器实物 图 7 振荡器实际测试频谱 105 图 6 为实际加工出来的 DRO;图 7 为实际测试的 DRO 频率域输出功率，实际测试输出 功率 11.7dBm。 6 结论 本文分析了并联介质振荡器工作原理，理论分析了影响输出功率大小的因素。利用 ADS 与 HFSS 软件，采用并联反馈电路结构，通过调整介质谐振器的耦合系数，振荡器的 110 输出端口匹配。使得 DRO 的输出功率达到 12dBm。仿真跟实测比较吻合，该介质振荡器成 功应用于测速雷达雷达系统中。 - 4 - 

中国科技论文在线 [参考文献] (References) http://www.paper.edu.cn 115 120 125 [1] MIZAN M, STURZEBECIIER D,IIIGGINS T. An X-band high power dielectric resonator for future military systems[J].IEEE Trans on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control,2013,40（5）：483-487. [2] H.P.Forstner,H.D.Wohlmuth,H.Knapp, et al. A 19GHz DRO Downconverter MMIC for 77GHz Automotive Radar Frontend in a SiGeBipolar Production Technology. IEEE Bipolar Circuit and Technology meeting 2008:117-120. [3] COURTNEYW E.Analysis and evaluation of a method of measuring the complex permittivity of microwave insulator[J].IEEE Trans on MTT,1970,18 (8):476-485. [4] 顾其诤.介质谐振微波电路[M].北京:人民邮电出版社，1986：4-39. [5] 唐宗熙.电介质材料微波介电常数测试方法与测试系统研究[D].成都：电子科技大学，2001. [6] BAII IL，BIIARTLA P.微波固态电路设计[M]北京：电子工业出版社，2006. [7] 廖承恩.微波技术基础（第一版）.西安：西安电子科技大学出版社，2003 [8] 顾其净.介质谐振器微波电路.北京：人民邮电出版社，1986 [9] 唐宗熙.电介质材料微波介电常数测试方法与测试系数研究：[博士学位论文]成都：电子科技大学，2001 - 5 -