袁彪，王增雙，張加程

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引言

壓控振蕩器(VCO)是頻率信號(hào)產(chǎn)生的元件，是頻率合成器的核心部件作用是將直流功率轉(zhuǎn)化為射頻功率，主要應(yīng)用于通信系統(tǒng)收發(fā)機(jī)、測(cè)試儀表、工業(yè)控制系等系統(tǒng)。VCO 作為關(guān)鍵部件其性能直接影響整機(jī)性能的優(yōu)劣，小型化的低相噪VCO將縮小系統(tǒng)體積和提高系統(tǒng)的頻帶利用率、增加數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率[1-2]。

本文基于GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)了一種小型化、帶寬達(dá)到倍頻程的VCO。本文設(shè)計(jì)的壓控振蕩器產(chǎn)品具有全集成VCO結(jié)構(gòu)的免調(diào)試、混合集成VCO結(jié)構(gòu)的低相位噪聲和易實(shí)現(xiàn)超寬帶的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)頻率源的小型化、低相噪和超寬帶有重要的意義[3]。

1 電路設(shè)計(jì)

VCO電路主要由諧振電路、負(fù)阻電路和放大電路等構(gòu)成。本文主要從

1.1 工藝選擇

與其他芯片工藝相比，GaAs HBT具有增益高、閃爍噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，因此本次設(shè)計(jì)將采用GaAs HBT工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。該工藝HBT晶體管截止頻率為31GHz，適用于高頻電路[4]。

1.2 變?nèi)莨苣Ｐ?/h3>

諧振回路是VCO最重要的電路部分，電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵之一在于變?nèi)荻O管的選擇。變?nèi)荻?jí)管容值隨反偏電壓的變化公式：

其中Cj0為反向偏壓為0V時(shí)，變?nèi)莨艿娜葜?；VT為反向偏壓，即VCO的電調(diào)電壓；M為變?nèi)莨艿淖儽认禂?shù)，模型參數(shù)如圖2所示。

1.3 電感Q值仿真

LC諧振回路，如圖1所示。電感的Q值隨頻率上升而上升，電容Q值隨頻率上升而下降。在20GHz以下由于電容和變?nèi)莨艿钠焚|(zhì)因數(shù)（Q值）遠(yuǎn)高于電感，所以電感Q值成為影響VCO相位噪聲的關(guān)鍵因素

圖1 諧振電路

片上電感由于受到金屬線寄生電阻和襯底損耗的影響，片上電感的Q比較低（一般在15左右），而鍵合線電感由于采用金絲，損耗較小，Q較高。電感Y參數(shù)與Q的關(guān)系：

對(duì)鍵合線電感的Q值進(jìn)行仿真計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)：在5-10GHz范圍內(nèi)，鍵合線電感Q值大于35，高于芯片電感Q值。

1.4 VCO整體仿真設(shè)計(jì)

本文采用集成VCO單片上粘變?nèi)莨艿姆椒?，將除變?nèi)莨苤獾闹C振回路、負(fù)阻電路和放大器全部集成在單片上。電路采用發(fā)射極調(diào)諧形式，原理圖如圖2所示。

圖2 VCO 原理圖

電路C1、D1、L1和L2形成諧振回路，其余為負(fù)阻電路，從C2處向右看過(guò)去的阻抗實(shí)部為負(fù)值時(shí)，負(fù)阻電路才能產(chǎn)生負(fù)阻給諧振電路提供能量。

此電路具有以下特點(diǎn)：

（1）傳統(tǒng)電路每個(gè)振蕩器只有一個(gè)晶體極管，本文利用采用5個(gè)發(fā)射極尺寸為2μm×20μm×2的HBT管并聯(lián)的形式，降低三級(jí)管的消耗電阻和電流密度，降低振蕩器的相位噪聲，

（2）電路中電感L1為鍵合線電感，提高諧振回路的Q值。

（3）采用超突變結(jié)的變?nèi)莨蹹1外置，提高VCO的帶寬和線性度。

（4）相比薄膜VCO，降低寄生參數(shù)，更容易提高頻率和帶寬。

（5）集成VCO，更容易實(shí)現(xiàn)VCO的小型化。

此電路解決了全集成VCO中變?nèi)莨芫€性度差和電感Q值低的問(wèn)題，解決了混合集成VCO體積大和調(diào)試難度大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了壓控振蕩器的低相位噪聲、超寬帶和免調(diào)試[5-6]。

2 測(cè)試結(jié)果

基于GaAs HBT工藝對(duì)VCO進(jìn)行了設(shè)計(jì)和流片。采用陶瓷金屬管殼，金錫封帽，氣密封裝可靠性高。采用自動(dòng)裝架和自動(dòng)鍵合完成裝配，生產(chǎn)效率高，且免調(diào)試。最終產(chǎn)品尺寸為4mm*4mm *1.2mm，產(chǎn)品照片如圖3所示。

圖3 產(chǎn)品照片圖

測(cè)試結(jié)果表明：在+5V工作電壓條件下，電流55mA，在調(diào)諧電壓0-18V條件下，輸出頻率覆蓋5-10GHz，在-55°C～+85°C范圍內(nèi)溫度漂移60MHz左右，帶內(nèi)線性度小于1.5:1，輸出功率為+5dBm，二次諧波抑制大于15dB，相位噪聲-74dBc/Hz@10kHz，-97dBc/Hz@100kHz，-119dBc/Hz@1MHz，測(cè)試結(jié)果跟仿真基本一致，達(dá)到了預(yù)期目的，同時(shí)也驗(yàn)證了電路仿真的正確性如圖4，圖5。

圖4 頻率特性曲線

圖5 相位噪聲曲線

3 結(jié)論

本文基于GaAs HBT工藝設(shè)計(jì)了一種低相位噪聲、帶寬達(dá)到倍頻程的VCO，測(cè)試結(jié)果顯示，在+5V工作電壓條件下，帶內(nèi)線性度小于1.5:1，輸出功率為+5dBm，二次諧波抑制大于15dB，相位噪聲-74dBc/Hz@10kHz，-97dBc/Hz@100kHz，-119dBc/Hz@1MHz，封裝尺寸為4mm*4mm*1.2mm。本文設(shè)計(jì)的VCO產(chǎn)品具有全集成VCO結(jié)構(gòu)的免調(diào)試、混合集成VCO結(jié)構(gòu)的低相位噪聲和易實(shí)現(xiàn)超寬帶等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)頻率源的小型化、低相噪和超寬帶有重要的意義。