毕业设计（论文）Ku波段单刀双掷吸收式开关.doc

分类号：TN454 U D C：D10621-408-(2007)0403-0密 级：公 开 编 号：2003022238成都信息工程学院学位论文Ku波段单刀双掷吸收式开关论文作者姓名：申请学位专业：电子信息工程申请学位类别：工学学士指导教师姓名：论文提交日期：2008年06月05 日Ku波段单刀双掷吸收式开关摘 要微波振荡器主要用于微波收、发信机的本地振荡、微波测量系统的基本信号源等，其性能好坏直接影响微波系统性能的优劣和测量精度。随着毫米波技术的不断发展和工程实用化要求的进一步提高，微波系统对振荡器的要求也越来越高。介质振荡器具有频率稳定度高、易调谐、功耗低、结构简单等优点，可广泛用于移动通信、微波通信、智能天线等系统中。本课题对“X波段介质振荡器”作了研究，应用负阻法设计了9.6GHz介质振荡器，并详细分析了振荡器的基本原理及其主要技术指标。介绍了MESFET DRO和放大器的工作原理和设计方法，并给出了整个电路的仿真结果。最终经ADS仿真、优化得到输出功率Pout> 10dBm，相位噪声Pnmx < -95dBc /Hz10KHz的介质振荡器。本课题在对整个电路设计和仿真的过程中,主要应用了ADS、CST、Auto CAD专业软件。关键词：介质谐振器；DRO；放大器；相位噪声Design and simulation of dielectric resonator oscillator (DRO) at X bandAbstractMicrowave oscillator is mainly used as local oscillator of microwave transceiver and the basic signal source for microwave measuring system etc. The quality and measuring accuracy of microwave system are directly impacted by the performance of the microwave oscillator. With the developing of millimeter wave technology and the increasing practical requirements of project, the further advanced oscillator is requested. As the dielectric resonator oscillator has lots of advantages such as high frequency stability, easy tuning, low power, and simple structure, it is widely used in the system of mobile communication, microwave communication, intelligent antenna and so on. A dielectric resonator oscillator is discussed at X band in this article, and designed a DRO at 9.6GHz by using minus resistance principle, an analysis is detailedly done on basic principle and indicator of oscillator, also the result is given out for the simulation of the whole circuit. The principle and designing method of MESFET-DRO and amplifier are introduced too. After Simulating and optimizing by using ADS, a DRO can be got, whose output power is bigger than 10dBm, phase noise is less than -95dBc /Hz10KHz. In the process of design and simulation for the whole circuit, many professional software including ADS, CST, and Auto CAD is used.Key words: medium resonator; DRO; amplifier; phase noise目 录论文总页数：29页1引言11.1PIN 开关概述11.2本课题研究的内容11.3本课题研究的现状、难点及意义22PIN二极管的基本理论32.1振荡器的基本原理32.1.1正反馈模型32.1.2负阻模型42.1.3平衡条件52.1.4稳定条件62.2振荡器的基本指标62.2.1 相位噪声的定义62.2.2 相位噪声的表示法72.3振荡器的相位噪声模型93KU波段单刀双掷吸收式开关设计133.1负阻振荡器基本理论133.2介质谐振网络163.2.1 介质谐振器163.2.2 介质谐振器仿真及其网络模型193.3GaAs MESFET晶体管振荡器设计203.3.1 振荡器仿真与设计203.3.2GaAs MESFET选取与分析213.3.3振荡器的小信号（S参数）设计223.3.4振荡器的谐波平衡法分析223.4GaAs MESFET晶体管放大器设计233.4.1输入、输出匹配的设计233.4.2振荡器和放大器联合仿真243.5相位噪声分析25结 论26参考文献27致 谢28声 明291 引言1.1 DRO概述介质谐振器(DR)u由高介电常数、低损耗的微波陶瓷材料制作而成，它能极其容易地实现微波频率源的低相位噪声。其介电常数常高达30至90，在微波频段的无载品质因数可达10000以上。这种谐振器可在较宽的微波频段与微波晶体管集成电路相结合，形成结构紧凑、性能优良的介质谐振器稳频固态源(DRO)。而电介质谐振腔振荡器dielectric resonator oscillator（DRO）是一个高Q值、温度稳定的振荡器，在微波领域有很多实际应用。DR的谐振频率温度系数可正可负，这便可以大大提高DRO的频率温漂性能。电介质谐振腔振荡器中的晶体管既可以用BJT，也可以用GaAs FET；用BJT的DRO振荡频率高达15GHz；采用GaAs FET的DRO，振荡频率可以扩展到35GHz。典型的功率电平可以达到1015dBm。目前，DRO可在一到几十吉赫兹范围内直接产生所需频率，其频率稳定度高、噪声低。据报道，11.85GHz并联反馈型DRO在环境温度2060范围内频率变化仅为150kHz，频率温度系数为0.16ppm/。采用恒温的方法还可使其温度系数改善到0.02ppm，并具有良好的相位噪声特性，在偏离载频10KHz处，单边带(SSB)相位噪声为-130dBCHz。一种用变容管电调的L波段DRO电路，在频率1280MHz实现的相对电调带宽虽只有0.027，但相位噪声极低，在偏离载频10KHz处，SSB相位噪声为142dBCHz。这些优点使DRO在现代雷达、航空、通信等电子领域获得了广泛的应用。1.2 国内外发展动态随着毫米波技术的不断发展和工程实用化要求的进一步提高，对振荡器的要求也越来越高。除振荡器本身的性能指标，如频率精度、稳定度、相位噪声、杂散、谐波和输出功率等外，还有一些工程实用要求，如体积、重量、可靠性、集成化、效率等等。介质振荡器具有频率稳定度高，易调谐，功耗低等优点，可广泛用于移动通信，微波通信，智能天线等系统中。但其频率稳定度易随温度的变化产生较大的频率漂移，因此难以满足一些要求频率高稳定，高准确的应用场合。为了满足更高性能的需要，必须对介质振荡器采用更为复杂和严格的稳频措施。用单一的介质振荡器DRO、压控振荡器VCO等，都难以达到这些优良的性能。锁相技术的迅速发展，为提高微波振荡源的性能提供了一条新途径。其基本设想是不让各级噪声和功率下调逐级积累。具体说，它是用一个小功率的晶振倍频参考源去锁定大功率微波振荡器的相位。为了得到良好的性能指标，目前国际上均采用以晶振作为参考来锁定振荡器的锁相方法来完成的。初步得到了满意的结果，它可以广泛应用于通信、电子对抗等领域。因此，目前使用锁相技术设计制造性能优良的微波振荡器是微波系统中的一个重要课题。1.3 本课题研究的意义本文应用负阻法设计了一个微波X波段（中心频率为9.6GHz）频率源，整个电路主要分为三个部分。（1）前级的带阻滤波器部分，主要作用是滤掉振荡器产生的寄生振荡信号，阻止有用信号的泄漏；（2）中间的振荡部分，使用ATF26884型号的Gallium Arsenide FET构成场效应管振荡电路，振荡产生设计所需的9.6GHz信号；（3）后级的缓冲放大器部分用于将负载与DRO隔离,有效减缓负载对DRO的频率牵引,从而起到稳频作用，且对整个系统的输出功率进行放大。本文详细分析了用负阻法设计振荡器（DRO）的基本原理和设计方法，并给出了具体的仿真和设计过程以及电路结构。在仿真和设计过程中，主要应用了ADS和CST软件。本课题对以后设计低噪声、高频率稳定度的微波毫米波频率源有一定的参考价值。2 振荡器的基本理论2.1 振荡器的基本原理从能量的观点来看，正弦波振荡器是不需要输入信号控制就能自动地将直流电源的能量转变为特定频率和振幅的正弦交变能量的电路。振荡器按其构成原理可以分为正反馈型振荡器和负阻型振荡器两种模型，两种类型对应了两种分析方法。我们可以采用高频电路中惯用的正反馈型振荡器的分析方法，也可以采用负阻振荡器的分析方法，具体采用哪一种方法，视具体电路和哪种方法更简便而定。S参量是贯穿本文的、非常有用的工具，在讨论微波晶体管振荡器时仍然被采用。2.1.1 正反馈模型反馈型振荡器是基于放大和反馈的机理而构成的,对于任何一个带有反馈的放大电路，都可以画成如图21所示，其输入输出满足以下关系：图21 振荡器的反馈系统模型 （21） （22） （23） （24）根据反馈系统的理论，反馈放大器的闭环增益函数为： （25）开环增益函数为： （26）当时，反馈放大器的闭环增益为无穷大，这说明当输入信号为零时，放大器具有有限输出，即电路产生了振荡。当振荡时，角频率往往是我们感兴趣的目标，从振荡平衡条件可知，这个角频率主要是由F和G的相移决定的，为此可以从上式得到振荡器的幅度振荡平衡条件为： （27）相位平衡条件为： （28）实际的振荡器中，在所需的振荡点上，放大器的相移一般是个定值，变化不大，为了满足上式，只有来变化反馈网络的相移，使最终的总相移达到，而往往是的敏感函数，所以振荡频率主要是由来决定的，即由外接的反馈网络来决定的。实际的振荡器中，反馈网络往往是个带通谐振器，有用LC，RC的，也有用石英晶体，介质的。但不管那种谐振器，在振荡点附近，它们都表现出强烈的相位选择特性，且这种相位选择特性越好（Q值越好），其输出信号的频谱就越纯，即相噪越好。所以从这点上来说，振荡器更多的是个相位的选择系统，只有在谐振点附近，其才可能满足总相移为，达到振荡。对于的振荡器幅度平衡条件，在输出稳定时，放大器的增益（大于0dB）主要是为了补偿谐振网络的插损，使其满足上式。在此式中，谐振网络的插损一般是个定值，放大器的增益则是变化的。刚建立振荡时，很大，使，以后，随着输出功率的增大，放大器逐渐进入非线性工作区域，由于非线性作用，增益逐渐减少，直至为止，此时输出稳定。由上边的分析可以看出，输出的稳定是以放大器最终进入非线性状态为前提，所以稳定输出的功率主要决定于放大器的非线性情况，因此实际中的振荡器的输出功率可以以放大器的非线性度量指标输出压缩点作为参考，一般最大输出功率在输出附近。2.1.2 负阻模型在微波频段，除了从反馈的角度来分析设计振荡器外，常用的比较方便的分析设计方法还有负阻法。在这种分析设计中，常把振荡电路分成两部分，一是有源电路，二是谐振网络。有源电路产生一个负阻，在平衡状态下抵消谐振器电路中的等效电阻，或者说谐振电路中的能量损耗由有源电路补偿。谐振网络在振荡频率点发生剧烈的相位变化，选择满足振荡相位的信号，使其发生正反馈，达到振荡。为此可设有源器件端输入阻抗为，谐振网络端阻抗为，当振荡平衡时。此即为振荡条件。 图22 振荡器的负阻模型2.1.3 平衡条件图22示出了单端口负阻振荡器的一般等效电路。这里讨论的是以器件阻抗和电路阻抗相串联的电路。图中表示负阻器件的阻抗。一般说来，它是电流振幅和频率的函数。通常，由于它是频率的慢变化函数，故在振荡器一般工作频带内，可以不考虑频率的影响，将它看作只是振幅的函数（在宽带情况，则同时是，的函数）。图22中，由器件向谐振电路看去的总阻抗为，是负载电阻，且。由于谐振回路的滤波作用，流过器件的电流可以只考虑基波分量，高次谐波可略去，故稳态振荡时，电流为 （29）器件上的电压包括基波分量和谐波分量，且谐波幅度不一定很小，故器件上电压和电路两端电压可分别表示为 （210） （211）由于是自激振荡器，电路中没有外加交变电压，根据基尔霍夫电压定律，故有 （212）将式（210），（211）代入式（212），分别乘以和，并在一个基波周期内积分得到 （213a） （213b）这就是负阻振荡器达到稳态时必须满足的条件。其中式（213a）称为振幅平衡条件；式（213b）称为相位平衡条件。上式说明：在稳态振荡时，器件的负阻值必须和电路的电阻值相等；器件电抗和电路电抗数值相等且符号相反。换言之，对于稳定振荡，回路总阻抗必等于零。 （214）或 对于宽频带负阻振荡器，将是与频率有关的函数（变为）要求设计一个网络，使其，满足式（213a）或（213b）。这变成一个对负阻的宽带匹配问题。2.1.4 稳定条件当振荡器工作在某一工作点（例如、）时，如果由于外来的扰动使振幅对平衡值偏离一个小的增量，这时可能出现两种情况：一种情况是引起振幅偏离平衡值的扰动一旦消失，振荡就恢复到原来状态，这样的工作点叫稳定工作点；另一种情况是振荡不能恢复到原来的状态，或是工作在另一种状态，或者停止振荡，这样的工作点叫不稳定工作点，是振荡器不希望的。分析研究表明，要使一个振荡器工作在稳定状态，应满足下面的判别式: （215）式中 （216）式（215）称作振荡的稳定条件。2.2 振荡器的基本指标2.2.1 相位噪声的定义相位噪声是指在系统内各种随机噪声作用下引起的，表现为信号瞬时频率或相位起伏，它决定着频率源的短期稳定度，是高稳定高纯度频率源的一项十分重要的指标。所谓频率短期稳定度, 是指由随机噪声引起的相位起伏或频率起伏。至于因为温度、老化等引起的频率慢漂移,则称之为频率长期稳定度。通常我们主要考虑的是频率短期稳定度问题，可以认为相位噪声就是频率短期稳定度。相位噪声分为三种类型，即带内噪声、带外噪声和相位抖动。所谓带内噪声是指其功率谱正好落在有用信号频带内的相位噪声；带外噪声是指其功率谱落在有用信号频带外的相位噪声；相位抖动是指其功率谱落在小于有用信号最低频率处的相位噪声。2.2.2 相位噪声的表示法在实际中，相位噪声的表示方法可以分为频域法和时域法两种。频域法是用相对频率或相位起伏的单边带功率谱密度来表示。时域法是用相对频率起伏的时间取样方差来表征的，通常以微秒，毫秒来计算。这两种方法可以通过傅立叶变换联系起来，所以就实质来讲，它们表示的物理本质是一样的。下边就从常用的频域法给予说明。由于相位噪声的存在，在频域中输出信号的频谱就不再是一条单根的直线，而是以调制边带的形式连续的分布在载波的两边，造成频谱的扩展。在频谱分析仪上观察实际信号的相位噪声其频谱图常如23所示，曲线以载波 为中心对称，是双边的。为了研究问题方便，实际上只要取一个边带就足够了，所以把一个边带称作单边带相位噪声（SSB），如图24所示。按照国际的定义，单边带相位相位噪声定义为偏离载波频率Hz，在1Hz带宽内一个相位调制边带的功率与总的信号功率之比，即 （217） 图23 相位噪声边带 图24 单边带相位噪声对于实际的信号，其相位噪声常由两种因素引起，一种是因为信号幅度的随机变化而引起，另一种是由于信号相位的随机变化而引起的，其示意图如图25所示： 图25引起相位噪声的两种因素考虑到在实用的振荡器中振幅的随机起伏一般很小，故分析调频噪声时可略去不计调幅噪声的影响。此时可设振荡器的瞬时输出电压为 （218）式中为输出电压的振幅；为输出电压的标称频率；为输出电压的相位起伏，它是随机噪声对频率进行调制引起的相位抖动。为了便于分析，通常把一定频带内的噪声功率等效为某一单一正弦波调频时的单边带功率。于是，单一正弦波调制的频偏也就对应于这个频带的均方根频偏，这样就归结为求单一正弦波调制时的频偏和单边带功率的关系。对于正弦频率调制信号，其瞬时频率为 （219）式中 最大频偏，调制频率。瞬时相位为： （220）式中=为最大相位偏移，或叫调制指数。于是，可得到相位调制信号为： （221）在这里可以使用贝塞尔函数把式（221）展成级数： （222）实际上1 rad，所以 因此，式（222）可以简化成 （223） （224）由式（223）和（224）可见，相位调制与载波是正交的，而且两个边带信号是反相的。一个边带信号幅度与载波信号幅度之比为：如果用功率表示，可得到 或用对数表示对于随机相位噪声（起伏），调制指数可用等效值来代替，是均方根值，即有效值。在1Hz带宽内，可以给出 （225）如果用表示相位噪声功率谱密度，则由式（225）可以导出用表示的，即 其对数表示是 （226）从上式可以看出，相位噪声功率谱密度和单边带相位噪声并没有本质的区别，相位噪声功率谱一般可以用相位解调器直接测量，从而可以达到测量相位噪声的目的。2.3 振荡器的相位噪声模型因为实际的振荡器可以模拟为一个具有反馈的放大器，所以在把上述放大器的相位噪声模型代入到实际的振荡电路后，就可得到振荡器的相位噪声模型如下：图26在上述模型中，谐振器常为带通网络，但如以载波频率为中心，对分布在载波两边的相位噪声频率来说，谐振器可以等效为一个低通网络，其传递函数为： （227）式中，是谐振器的半带宽。此时上述模型可进一步等效为： 图 27对于上述的模型，由线性系统理论可知把上式转换为相位功率谱密度为： （228）式中：由式228给出，最后为： （229）上式表明放大器输出端的相为噪声在谐振器的半带宽（）内，由于正相位反馈，放大器输入端上的相位扰动被增强了。根据和之间的关系，有两种值得我们关心情况，如图2-8 所示： 图28振荡器相位噪声等效反馈模型(1) 在低Q值情况下，谐振器的Q值不影响谱相位噪声，但当f接近载频时，功率谱密度将显示出与和有关的依赖关系；（2）对于高Q值情况，谐振器的Q值明显影响谱相位噪声，在接近载频时，与和有关。将式（2-28）代入式（2-29）可得出总的相位噪声为：（230）在上式中（有载）可表示成： （231）式中，是存储在和中的无功能量： （232） （233）3 介质振荡器（DRO）和放大器的设计3.1 负阻振荡器基本理论 图3-1 负阻振荡器的等效框图在负阻振荡器设计中，负电阻可以通过使用带有适当反馈的三端口器件得到。图3-1中所示的为一个典型的单端口负阻振荡器的框图。负阻器件可以用与幅度和频率有关的阻抗表示 (31)其中A是的幅度，而 (32)振荡器由负阻器件与一个无源负载阻抗连接组成，令负载阻抗为 (33)对于单端口网络，如果有 (34)则电路是稳定的，而当 (35)时，则电路将在幅值上式表明了对电流幅度和频率的依赖性。由于 (36) (37)将式(3-6)和(3-7)代入式(3-5)，可将(3-5)表示为 (38)然后，将(3-1)和(3-3)代入式(3-8)，并分开实部和虚部，振荡条件可以写成为 (39) 和 (310)如果，且在某些频率范围内（），网络纯电阻是负值，即 (311)那么该单端口网络在这些频率范围内被定义为非稳态。在这样的条件下，一个增长的正弦电流将流过电路，即产生振荡。开始时，振幅A很小，表示为如下形式 (312)从式(3-11)可知，只要环路电阻是负值，就将持续振荡。当环路电阻为零时，电流的幅度最终将达到一个稳定数值（即和）。为了满足式(3-12)中的初始振荡条件，建立振荡，并满足式(3-9)和(3-10)，阻抗必须随幅度和频率变化。由于与幅度和频率有关，由式(3-9)和(3-10)确定的振荡频率可能不稳定。但如果的频率依赖性对附近的微小变化可以忽略，那么可以证明当等式(3-9)和(3-10)成立并且下列条件满足时，（313)稳定振荡是可以获得的。式(3-13)的推导过程在此省略。 在任何情况下，只要 （即()是个常数），式(3-13) 都是成立的。同时，如果 ()是个常数，式(3-9)中的就可以直接由的常数值替代。在一个确定的振荡器设计中，有源器件对小信号的输入阻抗是已知的。设计时选择的值以取得最大振荡功率。如果负阻是幅度A的线性递减函数（见图3-2）,则可将表示成 (314)其中是在A=0点的数值，而是A的最大数值。图3-2 负阻与电流幅度对应关系图3-2中，由传输到的功率（对于）是因此，最大振荡功率的A值为 该式给出了达到最大功率A的设计数值，写成。即 在点，的数值是 因此，为了得到最大振荡功率，的数值相应为 (315)显然，当负的输入电阻随着幅度线性变化时，式(3-15)有效。实际上，根据式(3-15)选择即可得到最佳结果。使电路能够成为振荡器的首要条件是要保证该电路处于不稳定的状态：其次，要保证该电路是一个能够稳定振荡的电路，继而必须满足以下条件：基于以上理论，我们使用ADS设计和仿真负阻器件，以满足起振条件；设计谐振器电路以满足稳定振荡条件。最后再将两个部分电路合并，用谐波平衡法对整个电路的性能在ADS中进行仿真。3.2 介质谐振网络3.2.1 介质谐振器在微波频段，我们经常使用相对介电常数2080的几种材料构成电介质谐振器（DR）。对于微波晶体管振荡器，DR采用固态柱体形状，可以覆盖的频率范围大约由1GHz到40GHz。实际上，它们的工作频率可以高达100GHz。在低频段，考虑到谐振器的尺寸太大，电介质谐振器可以做成一种同轴管状（即中空形的），使实际应用可达到500MHz以下。电介质谐振器以多种模式谐振。在柱状谐振器中最通用的模式为一种TE模（尤其是TE01）。这种模式最容易与微带线耦合。电介质谐振器与微带线的耦合过程，如图3-3所示，其中显示了TE01模式电场的分布情况。电场线以z轴为同心圆，因此电场没有z分量。磁力线如图3-3所示。图3-3 圆柱状谐振器TE01摸的场分布图3-4显示了电介质谐振器与微带线的耦合过程。电介质谐振器放在衬底上，与微带线距离为d。距离d和DR的性质决定了耦合量。显然，DR与微带线之间为磁场耦合。金属屏蔽是为了减小辐射损耗，并且因此增大谐振器的Q值。微带线中的电磁场在DR中激发出TE01模。接着，DR在谐振频率上反射RF能量，最终形成高Q值谐振器。 图3-4 DRO的机械调谐装置图3-4表明DR与特征阻抗为Z0的微带线之间的耦合情况，而微带线的一端连接Z0(通常Z050)。DR与微带线耦合的等效电路如图3-5(b)所示。其中在XX处有一个并联调谐回路与传输线串联。等效电路的R、L和C的数值依赖于DR的特性和距离d。圆柱形介质块是一种高Q的谐振器，其R0值很高，通常为几十K Ohm，谐振时L和C电抗值大小相等符号相反，谐振频率f和阻抗Z由下式给出 ： （316）由上式，谐振腔的带宽（BW）和谐振频率为 和 其中，=，令，式（3-16）可以写成 （317）其中为调谐回路的空载Q值。也就是 （318）由于工作频率非常接近（即），式（3-17）可以近似为 （319）其中 图3-5 (a) 电介质谐振器与微带耦合 (b) 在参考平面XX上的等效电路在参考平面XX输入阻抗为 或者归一化阻抗 (320)定义耦合系数为 (321)式（3-20）就可以用的形式写出显然，在处，（或者0），得到。所以，当时，在平面XX上的反射系数为 (322)一般情况下，平面XX上反射系数由下式给出 因此，由传输线输入端看到的反射系数，标注为, (323)在谐振频率上（即或者0），(2-23)式可以简化， (324)这个简化式说明，如果是常数，而传输线的电长度由变化到，的数值在Smith圆图的一个圆上，那么，通过选择，反射系数可以实现任意的无源阻抗。这可用于对特定的输入阻抗选择耦合量和传输线的电长度。上述讨论说明参数、和描述了DR的工作特性。这些参数既可以测量得到，也可以由生产厂家给出。下一步，图3-5中的R、L和C的数值可以由参数、和计算得到。R的值由式(3-16)得到，而L和C的值由式(3-18)得到。根据图3-5(b)，在谐振频率上，调谐电路的S参数（既DR与传输线的耦合）为 (325)可以用参数和来表示。即 对于近耦合谐振腔，的典型数值为2到20。的数值可由测量得到。图3-6给出典型的以dB为单位的曲线。 图3-6 典型的曲线插入损耗： ： 因此，由除以插入损耗的带宽求得。图3-5（a）给出DR的实际电路。在图3-5(a)和(b)中的结构中，DR起到一个串联反馈元件的作用，得到稳定振荡。将DR连接到终端，DR和晶体管造成负载端口的负电阻。DRO可以通过调节金属螺杆在窄的频率范围调谐频率。螺旋调节越深，DR的谐振频率越高。通过调节可以得到谐振频率的0.1%2%带宽。3.2.2 介质谐振器仿真及其网络模型实际的谐振形式有很多种。本文采用的圆柱介质块：D(直径)5.88mm,H（厚度）=2.54mm,h（介质与螺杆距离）=19mm,=39.9，选取的谐振网络如下图所示： 图3-7 DR介质谐振器结构图首先，在CST中,我们建立一个如图3-8的结构模型，并设计两个离散端口，然后，通过有限元积分法在所需频段仿真电磁场环境，得到如下的S参数结果：图3-8 CST中的DR模型 图3-9 CST中的DR模型仿真结果 这样，我们完成了反馈网络的优化仿真，并提取它的Spice模型，不妨命名为DR Spice。那么，我们将在ADS中使用的这个DR Spice文件就代表了我们的介质反馈网络的S参数模型。3.3 GaAs MESFET晶体管振荡器设计3.3.1 振荡器仿真与设计目前射频振荡器的结构已经标准化，一般在晶体管作为有源器件的情况下，考必兹型、哈特莱型及克拉拨型是通用的负阻振荡器结构。下面介绍振荡器S参数分析和谐波平衡法仿真，这些方法都要借助先进的微波射频 EDA 软件来完成，比如 Agilent 公司的 ADS 软件和Ansoft 公司的 Serenade 软件都具有S参数和谐波平衡法分析工具。一、 S参数分析方法 S参数设计方法只需要半导体厂商提供的器件的小信号 S 参数就可分析振荡器的起振条件，预测振荡器的振荡频率。在缺乏器件的大信号非线性模型时，小信号S参数分析是预测振荡器的振荡频率的一项相对容易的手段。 S参数设计方法的第一步是产生负阻以保证振荡器起振，然后再进入稳态。具体实施方法是在需要振荡的频率上调整电路各元件使得电路的输入、输出反射系数在所需要的频段大于1（即产生负阻），从而满足起振条件。 接下来就是通过观察输入阻抗来分析完全的闭环振荡电路，使得在谐振处阻抗虚部过零点，同时保持实部仍然为负阻。Agilent 公司的 ADS 软件提供有S参数振荡分析的工具。二、 谐波平衡分析方法 谐波平衡分析需要使用非线性分析工具，在本文里使用的是 ADS 软件的Harmonic Balance Simulator，与S参数分析相比较，分析中需要变化的是：1、 将小信号（S参数）晶体管模型换为大信号非线性模型；2、 直流偏置及相关元件需要加入（偏置电阻、隔直和扼流元件）。3、 非线性控制器的加入。谐波平衡分析法还可分析输出功率和谐波，如果有器件的准确噪声模型的话，还可分析振荡器的相位噪声。谐波平衡仿真能比较准确地分析和预测振荡频率、输出功率、谐波。相位噪声也可以通过它仿真。虽然相噪很大程度上依赖于器件非线性模型的闪烁噪声，但许多半导体厂商在提供模型的时候仍然忽略闪烁噪声数据。在缺乏非线性仿真工具时，S参