由于介质振荡器具有频率稳定度高、 噪声低、 体积小、 结构简单、 价格低廉、 对机械振动和电源瞬变过程不敏感等优点，因此对于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、 导弹应答机、专用测试设备以及气象雷达等。

相干布局囚禁 (CP T ) 是原子与相干光相互作用所产生的一种量子干涉现象。 CP T原子钟是一种利用 C P T现象实现的原子钟,由于其具有体积小、功耗低和启动快的特点 ,而得到快速的发展并获得日益广泛的应用 。CP T原子钟可以应用不同的原子实现, 其中最普遍的是 87 R b 原子。对于 87 Rb原子 , C P T原子钟的频率锁定过程要求微波信号以 3 417. 343 75MHz 为中心频率 、在 ±1k Hz 范围内小步长进行扫描而获得 C P T峰信号,应用 C P T峰作为微波鉴频信号 , 通过控制电路将微波频率锁定于 CP T峰的极值所对应的微波频率,从而实现原子钟的闭环锁定。介质 振 荡器 (DRO) 作为一种微波信号合成技术, 具有体积小和电路设计简单等优点 ,现在已广泛应用于通信系统 ,电子对抗、导弹、雷达等等。为了实现微型 C P T原子钟 ,就需要研制出合适的微型微波电路方案 ,DRO微波方案是可供选择之一。

振荡器是微波、 毫米波系统的关键部件之一， 它的指标直接关系到系统性能的优劣。由于介质振荡器具有频率稳定度高、 噪声低、 体积小、 结构简单、 价格低廉、 对机械振动和电源瞬变过程不敏感等优点，因此对于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、 导弹应答机、专用测试设备以及气象雷达等。

由于介质振荡器研制涉及到复杂的非线性问题， 因此有些观点认为 DRO 的设计工作更像是一门手艺， 而工程设计不严格。目前很多关于 DRO 设计方面的文献试图提出新的方法扭转这一局面，但是他们要么在介质与微带的耦合结构分析时简化等效，要么在晶体管( 或场效应器件等) 建模、 电路建模仿真方面含混省略， 而这恰恰是 DRO 设计的关键及难点，所以这些方法仍然不能作为一种令人信服的准确设计方法。DRO 设计中几个关键的难点问题，即: ①反馈结构参数提取，②晶体管放大部分的增益与相位控制，③DRO 的闭环和开环仿真实现。

DR 耦合结构即为 DRO 电路的反馈网络， 它是一个无源二端口网络，其传输特性只与本身的结构参数有关， 而与后续连接的晶体管放大部分无关，因此可以首先将它剥离出来进行电磁分析和仿真，以获取反馈网络的 S 参数。CST 软件进行电磁仿真时建立的三维结构图， 两条平行微带线的阻抗均为 50 欧姆， 一个微带线开路， 另一个端接 50Ω 电阻到地。调整两条平行耦合微带线的间距、 DR上方金属调谐盘的高度、 DR 的高度，可以得到不同情况下耦合结构的 S 参数，进而得到多种情况下反馈网络的 φR、 LR。耦合结构的谐振频率在 5．809GHz， 插入损耗 － 5．889dB。将仿真结果导出为 S2P 文件， 然后导入到后续的电路仿真中，便可以将此耦合结构作为一个固定的子电路模块使用。

晶体管非线性模型建立

晶体管是 DRO 中的一个关键部件， 要进行 DRO 的计算机仿真设计，就必须首先建立其电路模型。晶体管管芯的 Gummel － Poon模型( 简称 GP 模型) ，其常用的 SPICE 参数有 30 个左右， 如表征正向直流特性的 IS、 NF、 BF、 ISE、 NE、 IKF、 VAF， 表征反向直流特性的 NR、 ISC、 NC、 BR、 IKR、 VAR 等。由于器件管芯在封装时会引入寄生参量， 因此也必须加以考虑， 进而建立包含封装寄生参数的晶体管等效电路。通常管芯 SPICE 参数值、 封装后寄生参数的大小， 晶体管生产厂家均会提供，这样一个非线性晶体管模型就建立完成，可以将它作为一个子电路加入到后续的电路仿真中。

闭环谐波平衡仿真

在电路仿真中采用商用 AWR 电路仿真软件， 建立闭环电路仿真拓扑模型。其中 DR 耦合结构采用 CST 电磁仿真时获得的 S 参数模型，以一个二端口元件的形式加进来， 晶体管采用前面建立的非线性模型， 以一个三端口元件的形式加入到仿真电路中。晶体管的基极采用单短路枝节匹配，集电极采用单开路枝节匹配。优化基极、 集电极匹配电路， 通过闭环谐波平衡仿真得到 DRO 的特性。电路在 5． 734GHz 振荡，与DR 耦合结构的谐振频率 5． 809G 非常接近。DRO的输出功率可以达到 17． 3dBm， 相位噪声指标为 － 91dBc /Hz /10kHz、－ 114dBc /Hz /100kHz，性能优良， 满足一般雷达和通信系统等的要求。

以上是基于晶体管非线性模型时 DRO 的仿真设计方法。由于目前很多晶体管、 场效应管的生产厂家不提供芯片的非线性模型及参数， 而只提供其 S 参数供用户使用， 所以研究基于器件小信号 S 参数的 DRO 设计方法也是具有非常重要的现实意义。

基于晶体管小信号 S 参数进行 DRO 的线性化仿真设计，可以将复杂的非线性问题转换为简单的线性仿真。直接将晶体管 S 参数导入 AWR 软件工程中， 在子电路库中将会出现这个晶体管的模型供电路仿真使用。同样建立开环线性仿真的电路拓扑。利用虚地理论将闭环系统断开为一个二端口网络， 即一个放大器和一个选频反馈网络的形式， 其中的选频网络参数就是前面 CST 仿真得到的 DR耦合结构 S 参数。

振荡条件分析

对闭环自激的开环分析，可用控制论中的尼奎斯特判据得到严格的起振条件判据。尼奎斯特判据是利用极坐标下的围线图表示，这和特性参数的波特图有一一对应的关系，为振荡器的分析提供极大的方便。当传输特性参数的相位为负斜率， 且零相位处增益大于 1 时， 此频率就是一个稳定振荡频点。

利用开环测得的 S21 来描述闭环稳定条件有很大的误差，因为开环网络的 S 参数是在输入输出端匹配的条件下得出来的。 当开环系统闭环后，由于输出输入阻抗条件变化， 使开环 S 参数不再适用，因此引入了同输入输出端口阻抗无关的 G 参数。

仿真结果

将前面基于晶体管非线性模型仿真获得的晶体管基极、集电极匹配电路参数不做修改直接用于线性仿真，根据开环 G 参数分析方法，可以得出该 DRO 在 5． 796GHz 稳定振荡，与前面非线性模型的仿真结果基本吻合，只相差了 62MHz，几乎可以忽略。根据上述电路仿真结果， 实际制作了 DRO 样机，实测 结 果: 振 荡 频 率 5． 898GHz， 相 位 噪 声 － 80dBc /Hz /10kHz，二次谐波抑制 － 15dBc。实测结果与仿真结果是比较吻合的，而且设计电路安装后几乎不用调试即可稳定起振，设计效率大大提高。

系统研究了介质振荡器的精确仿真设计方法。前一种基于晶体管非线性模型的方法略微复杂一些， 它可以观察输出频谱情况和相位噪声性能， 对 DRO 性能的仿真分析更加全面。当厂家不提供晶体管非线性模型和参数时， 可采用后一种基于晶体管线性 S 参数的仿真设计方法， 这种方法只能仿真振荡的基频频率，其它指标性能无法观察。因此这两种方法各具特色， 具有一定的互补性， 设计时要根据具体的已知条件来选择。通过两种方法仿真结果的对比分析， 彼此印证了两种仿真方法的有效性和准确性。

介质振荡器的设计

一个基本的振荡器包括三个关键部分, 即放大电路、 反馈网络和选频网络, 本文采用高 Q 介质作为反馈网络和谐振回路 , 所研制介质振荡器采用并联反馈电路形式。

介质振荡器的计算机辅助设计

采用 HFSS 与 ADS 软件进行三维、 二维电路联合仿真, 先由 HFSS 仿真优化介质谐振器的并联反馈结构, 将散射参数导出 ;然后将散射参数导入 ADS 软件中 , 进行振荡器电路仿真 ;最终根据仿真优化, 完成介质谐振器的设计, 并引导实际电路的调试研制。

HFSS 软件下建立的仿真模型以及经过优化后散射参数曲线, 模型中谐振器经石英垫片放置于氧化铝陶瓷基片上 。其优化主要考虑三方面 , 即介质谐振器的尺寸所确定的谐振频率、 外腔体尺寸对其谐振的影响以及微带线与谐振器的距离 、 石英垫片的厚度对谐振器有载 Q 值及谐振模式的影响。从仿真结果来看 , 介质谐振器的品质因数很高 , 即具有很好的选频特性。

散射参数带入 ADS 后的仿真电路拓扑的优化主要考虑两方面, 即反馈环路内微带线的电长度对其相位的影响及输出端微带线的电长度对其相位噪声的影响 。通过优化反馈环路内微带线的电长度, 使闭环相位为 0 , 以在所需频率上产生稳定振荡, 通过优化输出端微带线电长度以得到最佳相位噪声。