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参考文献

摘要：
1 单片VCO设计▲
1.1 PHEMT器件直流工作点
1.2 PHEMT器件两端口S参数
1.3 PHEMT VCO的调谐
1.4 单片VCO的设计
2 结论▲
图表▲

图1 PH25NHF直流特性曲线

表1PHEMT器件小信号下的S参数

图2 PHEMT作为变容调谐管电容随电压的变化曲线及数值表

图3 晶体管振荡器的等效电路

图4 输出信号曲线

图5 输出频率随电压的变化曲线

稀有金属2004年第3期

Ka波段PHEMT MIMIC VCO设计

车延锋孙晓玮

摘要：

给出了Ka波段PHEMTMIMICVCO设计过程 , 根据直流特性曲线确定直流工作点 , 得到对应的S参数 , 再转化为Z参数 , 计算出输入输出谐振回路和输出电路的阻抗 , 用AgilentADS软件进行了仿真 , 振荡中心频率 3 3 .14GHz, 用PHEMT管作为变容管 , 调谐带宽为 2 0 0MHz。

关键词：

VCO;Ka波段;MIMIC;

中图分类号： TN702

收稿日期：2003-09-20

基金：上海市“AM”基金资助 ( 0 10 9) 项目;

Design of Ka Band PHEMT MIMIC VCO

Abstract：

Design process of Ka band PHEMT MIMIC VCO was given. DC bias operation point was confirmed according to DC output curve. S parameters were gotten with DC counterpart, then S parameters were changed into Z parameters. Input harmonic circuit and output circuit were calculated according to Z parameters. VCO circuit was simulated with agilent ADS software. Center frequency of VCO was 33.14 GHz, band wide of oscillator was 200 MHz when PHEMT was used as varactor.

Keyword：

VCO; Ka band; MIMIC;

Received： 2003-09-20

由于毫米波的分辨率高于微波, 同时又具有红外线与光波所没有的全天候能力, 因此被广泛应用于雷达、制导、通讯及遥感等领域。毫米波压控振荡器 (VCO) 是毫米波应用系统的关键部件之一在微波单片集成电路 (MMIC) 中, 用作VCO有源器件多为CMOS, MESFET, PHEMT和HBT等。而在毫米波及其以上波段, CMOS和MESFET已不能满足VCO电路性能的要求, 取而代之的是高频、高性能的PHEMT和HBT器件。选择PHEMT和HBT器件, 根据对VCO性能的不同要求确定。一般来说, 侧重高输出功率, 用HBT VCO ^[1,2] 侧重低相位噪声, 用PHEMT VCO ^[3,4,5] 。在振荡器的设计中, 有负阻法、 S参数法、 Z参数法和Y参数法, 对双端口器件多采用后三种方法中的一种。本文采用UMS工艺线提供的PHEMT模型, 设计了Ka波段PHEMT MIMIC VCO, 振荡频率33.14 GHz, 调谐带宽为200 MHz。

1 单片VCO设计

1.1 PHEMT器件直流工作点

PHEMT是单片VCO电路的关键器件。采用UMS公司提供的PH25NHF 有源器件模型 (PHEMT) 设计Ka波段MIMIC PHEMT VCO, PH25NHF栅长为0.25 μm, 栅宽为4 μm×30 μm。用Agilent ADS软件进行了直流输出特性的仿真, 仿真曲线如图1所示。从图1可以看出, 当栅极VGS<-0.8 V时, 器件处于截止区。当VDS>2 V, 漏极电流IDS随VDS而增大; 当VDS>3 V, 漏极电流IDS随VDS而增大加快。因此, 电路直流工作点选为VGS=-0.3 V, VDS=2 V。

1.2 PHEMT器件两端口S参数

对于有源器件来说, 不同的直流工作点将会得到不同的两端口散射S参数。按照上述确定的直流工作点, 得到S参数 (表1) 作为VCO设计的参数。

1.3 PHEMT VCO的调谐

在UMS给定模型库中, 没有变容管。因此, 用PHEMT作为变容调谐管, 使用时把PHEMT的源漏短路, 相当于两个并联的肖特基二极管。用Agi-lent ADS软件对其仿真, 得到电容随电压变化曲线, 如图2所示。

图1 PH25NHF直流特性曲线

Fig.1 DC characteristic curve of PH25NHF

表1PHEMT器件小信号下的S参数

Table 1Small signal S parameters of PHEMT

f/ GHz	S
f/ GHz	S (1, 1)	S (1, 2)	S (2, 1)	S (2, 2)
30.00	0.730/-134.769	0.157/15.964	2.180/75.481	0.404/-74.509
31.00	0.728/-136.475	0.158/15.145	2.124/73.672	0.400/-75.486
32.00	0.725/-138.108	0.158/14.363	2.071/71.901	0.397/-76.436
33.00	0.723/-139.673	0.159/13.614	2.020/70.166	0.394/-77.362
34.00	0.722/-141.175	0.159/12.896	1.972/68.464	0.391/-78.266
35.00	0.720/-142.671	0.159/12.207	1.956/66.793	0.389/-79.149
36.00	0.718/-144.055	0.160/11.546	1.883/65.151	0.387/-80.014
37.00	0.717/-145.341	0.160/10.910	1.842/63.537	0.385/-80.863
38.00	0.716/-146.628	0.160/10.298	1.802/61.949	0.383/-81.696
39.00	0.715/-147.871	0.160/9.708	1.765/60.384	0.382/-82.515
40.00	0.714/-149.071	0.160/9.139	1.729/58.843	0.381/-83.320

仿真给出了外加直流电压从-1.6～0 V变化范围。从曲线图或数值表可以看出, 对应电压变化范围从-1.6～0 V, 电容变化范围为0.09～0.2253PF; 而曲线的线性段为-1～-0.5 V, 对应的电容为0.1155～0.2318PF。此线性段变化范围就是系统所需要的用于调谐的范围。

图2 PHEMT作为变容调谐管电容随电压的变化曲线及数值表

Fig.2 Capacitance versus voltage with PHEMT as varactor

1.4 单片VCO的设计

振荡器的设计有多种方法, 本文采用Z参数法来设计VCO。图3是晶体管振荡器的等效电路。晶体管的S参数在表1中已经给出。

选择表1中频率为35 GHz的S参数, 将其转化为Z参数。得到频率为35 GHz时Z参数为: Z₁₁=20.079-j9.054; Z₁₂=10.711-j3.385; Z₂₁=108.392+j81.828; Z₂₂=61.509-j28.227。知道了晶体管的Z参数后, 改变图3中的X₁和X₂, 可以得到晶体管输出端的最大负阻Z_D。 Z_D由下式计算:

Z_D= (Z₂₂+jX₂) -[ (Z₁₂+jX₂) * (Z₂₁+jX₂) ]/

[Z₁₁+j (X₁+X₂) ] (1)

这个计算很麻烦, 但借助计算机容易得出当X₁=94; X₂=-108时, 最大负阻Z_D=-373.044+j243.316。为了获得最大振荡输出功率, 在负载串联的电路中, 应选取下列值:

Re (Z_L) =-1/3*[Re (Z_D) ]=74.6 Ω

Im (Z_L) =-Im (Z_D) =-243.316 Ω

图3 晶体管振荡器的等效电路

Fig.3 Equivalent circuit of transistor

根据上述计算, 获得了X₁, X₂和Z_L的数值后, 用ADS软件进行电路仿真。用ADS软件中的振荡器探针和谐波平衡法仿真器可以给出了它的仿真输出频谱的频域和时域曲线, 如图4所示。其中图4 (a) 是时域曲线, 表示输出电压Vout随时间T的变化曲线。图4 (b) 是频域曲线, 表示不同频率点的输出信号功率。从图中看出振荡器的基频为33.14 GHz, 它的二次、三次谐波几乎相同, 都比基波低30 dB左右。图5是输出频率随变容管外加电压的变化曲线, 电压变化1.5 V, 频率变化200 MHz。