1GHz以上频段的声表面波振荡器

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介绍振荡频率在1GHz以上的小型声表面波振荡器。

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1GHz以上频段的声表面波振荡器

摘要 介绍振荡频率在1GHz以上的小型声表面波振荡器。
关键词 SAW  振荡器   频率控制  表面横波  谐振器

1          引言
19世纪60年代，英国物理学家瑞利从理论上研究了弹性固体表面上声波的传播特性，并首先发现了声表面波。60年代中期怀特等人提出用叉指换能器在压电基片上激励和检测声表面波的方法，加速了声表面波技术的发展。1969年Maines和Paige报道延迟线型的SAWO（声表面波振荡器）之后，许多国家的科研人员对其进行了广泛深入的研究，并有了较快的发展。[1] SAW逐渐显露出其独特的优越性——它的基频工作频率高。据有关资料报道，国外采用电子束直接光刻的方法，其工作频率可达4.5GHz以上，且体积小、重量轻、便于集成化、牢固可靠、抗震性能强、相位噪声低。据资料，中心频率（f0）为500MHz时，在偏离载频1KHz处，相位噪声小于-145dBc/Hz，基底噪声小于-185dBc/Hz，频谱纯净。[2]
随着科学技术的发展，通信级航空航天领域的频率范围向高频发展。而SAW器件以其多功能性应用于通信的几乎各个领域。以前频率源多采用晶体振荡器，到达千兆赫以上频率后，由于倍频关系，不仅器件的体积大，调试难度大，而且可靠性差。而SAWO的出现则大大克服了上述的缺点。
本文介绍的STWO（声表面横波振荡器）的主要性能指标：                 中心频率f0＞1GHz，输出功率P0=13±1dBm，谐波抑制大于30dB，杂波抑制≥70dB，偏离载频1KHz处，相位噪声小于－90dBc/Hz。

2          振荡电路原理[1]
2.1        SWAO的原理和类型
对于SAWO来说，根据其所用的SAW频率控制元件可分为延迟线型声表面波振荡器（SAWDLO）和谐振器型声表面波振荡器（SAWRO）。
放大器
移相器
SAWDL/SAWR
输出







图1  SAWO原理图

SAWO是采用声表面波延迟线（SAWDL）或声表面波谐振器（SAWR）作为频控元件的振荡器。图1示出了SAWO的电路基本模型。它由SAW选频器件、移相器和放大器构成。当振荡回路的总相移为2nπ，且其闭环回路增益为1时，回路产生振荡。式（2-1）（2-2）分别给出产生振荡的增益条件和相位条件。
GA＝LS+LP+LL                  （2-1）
φA+φS+φP+φL=2nπ　　　  　　　（2-2）
式中：GA为放大器增益；LS为SAW器件插入损耗；Lp为移相器损耗；LL为环路损耗；φA为放大器相移；φS为SAW谐振器相移；φA为移相器相移；φA为环路相移。以上各量都是频率的因变量。
2.2        SAWO的性能
1．工作频率和频率偏差
SAWO的工作频率和频率偏差主要决定于声表面波控制元件的性能。严格控制材料和工艺，可以使频偏控制在10－4量级。
2．短期频率稳定度
短期频率稳定度在时域范围内用阿仑方差表征，而在频域范围内使用单边带相位噪声描述。在某些雷达系统中则更关注振荡器的边带噪声，即频域稳定度。SAWO的单边带相位噪声可用式（2-3）表示，


（2-3）
式中：γ为常数；Q为SAW选频器的品质因数；k是波尔兹曼常数；G为放大器的增益，稍大于SAW频控元件的插入损耗；T为绝对温度；NF为放大器噪声系数；PC为振荡器的饱和功率；f为工作频率；Δf为偏移频率。由式（2-3）可见，SAWO的边带相位噪声性能不仅与频控元件的品质因数Q和插入损耗有关，而且与电路的噪声系数及饱和功率有关。因此在制作低噪声SAWO时，要采用高Q值、低损耗的SAW频控元件，而且要求电路的噪声系数和饱和功率大。
3．  中期频率稳定度及老化特性
SAWO的中期频率稳定度及老化主要决定于SAW频控元件的性能，涉及压电材料的性能及元件制备工艺的影响。
3          振荡器的设计
3.1        频控元件的选用
要求作为频率源的振荡器具有良好的稳定性及相位噪声，则尽量选用稳定性高，Q值高的SAW器件。可采用的有SAWDL和SAWR。SAWR的Q值高、差损小，是作为点频振荡器的最佳的SAW频控元件。
3.2        频控元件的设计
要求SAWO达到良好的温度特性，主要取决于SAW器件其温度特性。用于SAW器件的材料有石英、LiNbO3、LiTaO3等。其中以石英材料的温度性能最为稳定。最近也有在单晶硅上生长一层钻石薄膜作为基材的报道，以其频率高、性能稳定而有良好的应用前景。[3]目前，谐振器中应用最广泛的是石英晶体。石英材料的声速和温度系数以其切型的不同而不同。ST切石英片，其一阶温度系数为0，二阶温度系数为（1~3）×10－8℃。其中，AT切和BT切石英都各自表现出良好的温度稳定度和很高的声速（约5100m/s），适用于高频器件。为了减少传输损耗，Auld[4]（最初使用的是各向同性材料）采用刻蚀沟槽栅格的方法将声波限定在材料表面。再后来的AT切石英的研究中[5]，沟槽栅格被换能器电极或金属条取代。此时的声波被称为“表面横波”，同时应用于谐振器。Avramov[6]的关于谐振器设计的研究表明，表面横波谐振器（STWR）不但其谐振频率更高，而且其功率传输水平也要优于双端对SAW谐振器，此外，它具有更好的短期稳定度。
本研究中即采用AT切的STWR来作为频控元件。STWR直接提供1GHz以上的基频，插损小于10dB，有载Q值约2500，其结构如图2所示：






图2  STWR的结构图
3.3        电路的设计
在电路设计上，由于频率达到千兆赫兹以上，电路的分布参数就不可忽略，以及内外部的电磁场串扰，都会严重影响振荡器的性能，甚至会导致不能正常起振。因此，电路的布局、元器件的选用、参数的计算都很重要。
根据指标要求，在振荡环路中采用了低噪声固定增益单片放大器[2]，在500MHz~2000MHz的固定增益为14dB。采用低噪声固定增益单片放大器的优点在于便于阻抗匹配，固定增益，电路形式简单，便于调试。缺点在于功耗较晶体管电路要大，噪声相对稍大，输出功率较小。对于本研究来说，采用低噪声固定增益单片放大器完全可以满足指标要求。
输出级采用一个高功率输出的放大器和一个低通滤波器，以提高谐波抑制度。电路原理如图3所示：
STWR
输出
A1
A2







图3  电路原理图
此外，电路采用集总参数和微带电路[7]并用的布局方式，以减小分布参数的影响；所用元器件采用小尺寸的表面贴的封装，使电路体积小型化。
4          试验结果



图4  STWO的频谱响应
图5  STWO的相噪特性曲线
从试验结果来看，STWO的相位噪声低，体积小，频率稳定。是优良的高频频率源。
5          总结
该课题的研究，为SAW器件的引用拓宽了领域，同时也证明了SAW的广阔应用前景。

6          感谢
SAW谐振器由范子坤老师设计并提供，特此感谢。在电路设计的过程中，得到王玉龙老师、费元春老师指导，以及彭文武、郭刚、杨森麟等同志的大力协助。衷心感谢以上老师及同事的指导和帮助，使本课题的研究工作能顺利的完成。

参考文献
1. 张沛霖、钟维烈等，“压电材料与器件物力”，山东科学技术出版社，济南，1997。p.628-631。
2. 周绍明、蒋创新、李兵等，“千兆赫表面横波振荡器”，压电与声光，June 1997，Vol.19 No.3。p.145-148。
3.David P. Morgan，“HISTORY OF SAW DEVICES”，IEEE Intl. Frequency Control Symposium, Pasadena, May 1998
4.B.A.Auld, J.J.Gagnepain and M.Tan. Electronics Lett., 12, 650-651 (1976)。
5. T.L.Bagwell and R.C.Bray. IEEE Ultrasonics Symp., 1987, p.319-324。
6. I.D.Avramov. “Gigahertz range resonant devices for oscillator applications using shear horizontal acoustic waves”. IEEE Trans. UFFC, 40, 459-468 (1993). Also, I.D.Avramov, F.L.Walls, T.E.Parker and G.K.Montress. “Extermely low thermal noise floor, high power oscillators using surface transverse wave devices”. ibid., 43, 20-29 (1996)。
7. I.J.Bahl and P.Bhartia，“Microwave Solid State Circuit Design”，A Wiley-Interscience Publication，1988 ISBN 0-471-83189-1，p474.6-58，p.374。

xiaobaiyang3

谢谢分享!

380401421

楼主的东西都是免RD币，实在是好人。