Ka波段单片压控振荡器的设计.docx

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Ka波段单片压控振荡器的设计

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李鹏亮+马伟

摘要：基于0.25μmGaAspHEMT工艺设计了Ka波段单片压控振荡器，该压控振荡器采用源极正反馈结构，变容管采用源极和漏极接地的pHEMT管。通过优化输出匹配网络和谐振网络以改善输出功率和相位噪声性能，使用蒙特卡洛成品率分析对本设计的成品率进行分析和改进。版图仿真结果显示：芯片输出频率为24.6～26.3GHz，输出功率为（10±1）dBm，谐波抑制大于19dB，芯片尺寸为1.5mm×1mm。

关键词：Ka波段；砷化镓；微波单片集成电路；压控振荡器；pHEMT

中图分类号：TN752?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2014）13?0077?04

DesignofKabandMMICVCO

LIPeng?liang，MAWei

（XianInstituteofSpaceRadioTechnology，Xian710100，China）

Abstract：AKa?bandMMICVCOwasdesignedwith0.25μmGaAspHEMTprocess.ThesourceelectrodepositivefeedbackstructureisadoptedforVCO.ThepHEMTwhosesourceelectrodeanddrainelectrodeareconnectedtothegroundisusedforthevaractor.Theresonancenetworkandthematchingnetworkareoptimizedtoimprovetheoutputpowerandthephasenoiseperformance.TheyieldoftheVCOisanalyzedandimprovedbytheMonte?Carlomethod.ThesimulationdatashowsthetypicaloutputpowerofVCOis10±1dBm，theoutputfrequencyofVCOis24.6～26.3GHz，theharmonicsuppressionisbetterthan19dB.ThechipsizeoftheMMICVCOis1.5mm×1mm.

Keywords：Ka?band；GaAs；MMIC；VCO；pHEMT

0引言

在所有现代雷达和无线通信系统中，广泛需要射频和微波振荡器，以用作频率变换和产生载波的信号源[1]。压控振荡器是可调信号源，常用以实现锁相环和其他频率合成源电路的快速频率调谐，是通信系统中的关键部件。随着通信系统的快速发展，压控振荡器的设计呈现出集成化和小型化的趋势，微波单片集成压控振荡器（MMICVCO）具有体积小，产品一致性高、可靠性高等优点，是当前VCO设计的重要方向。作为MMICVCO的有源器件多为CMOS，MESFET，pHEMT和HBT等，在微波频段大多数VCO基于MESFET工艺或HBT工艺进行设计以产生比基于pHEMT工艺的VCO更低的相位噪声[2?3]。

然而基于GaAspHEMT工艺的VCO能更方便地集成到基于同样工艺的混频器、低噪声放大器或者功放等部件中，形成单片接收机或发射机，可有效减小设计的成本[3?4]。同时，基于HBT工艺的VCO在输出功率和工作频率范围等指标上无法与基于pHEMT工艺的VCO相比，目前的GaAspHEMT工艺支持到60GHz甚至更高工作频率的设计[5?6]。另外有研究表明，基于pHEMT的振荡器相位噪声是优于基于HBT的，因为虽然HBT的低频噪声很小，但基于它的振荡器上变频因子比基于pHEMT的要大得多[7?8]。因此研制基于GaAspHEMT工艺的Ka波段单片压控振荡器具有重要的意义。

1VCO的设计方法

描述振荡器电路和工作原理的基本方法有反馈法和负阻法，二者主要区别在于设计方法的思想不同，本文基于负阻法进行设计。二端口负阻振荡器的原理框图如图1所示，它包含谐振网络、晶体三极管网络和输出网络。设晶体管网络散射矩阵为[[S]，ZL]为终端网络阻抗，[Zg]为谐振网络阻抗[9]。

对于振荡器设计来说，为了产生振荡，二端口网络的反射系数均应大于1，且稳定系数小于1。因为输入端口接谐振回路，输出端口接匹配网络和负载，都是由无源器件构成的网络，因此振荡所需的负阻主要由增加反馈网络后的晶体管网络实现。图