声表面波振荡器的优化设计与实现

引言

声表面波振荡器是20世纪60年代末、70年代初出现的一种新型振荡器，是一种高稳定、低噪声振荡源。声表面波振荡器以saw器件为频控元件，具有基频高、调频频偏大、稳定性好、相噪低等优点，在体积、成本方面也有着显著的优越性，是新一代cpu、dsp和dds的理想时钟源，已广泛应用于第二、第三代移动通信、遥控、遥测技术以及生化、医学等领域。
---本文从分析saw器件的性能入手，着重分析了saw振荡器的工作原理及设计方法，最终完成了中心频率在1500mhz的振荡器，近载频相位噪声低于-90dbc/hz/1khz和-110dbc/hz/10khz。

基于sawr设计声表面波振荡器

声表面波谐振器的性能分析

saw(surface acoustic wave，声表面波)器件是一种频率选择性很好的器件，采用等叉指结构，选择好两边的叉指换能器的叉指对数及间距，通过制版蒸发光刻等工艺制成。声表面波谐振器(sawr)是一种高q值声表面波谐振器，在很多方面都与石英晶体谐振器相似。它是通过将金属叉指刻蚀，在具有压电特性的基片上制成的。sawr的中心频率为vs/p，其中vs是指声表面波信号在基片上传播的速度，p是叉指周期。sawr与石英晶体的结构非常相似，由于工艺上的原因，石英晶体谐振器的基频只能达到200mhz，而sawr的频率范围从250～1200mhz，实际上，低到50mhz，高至1500mhz的sawr也已实现。因此，sawr在很大程度上弥补了石英晶体谐振器在实际应用中的不足。另一方面，sawr的无载q值在350mhz时可达12 000，而在1000mhz时也有6000左右；在较高功率条件下，sawr仍可正常工作，因此它在偏离载频处的噪声性能也相当优越。

声表面波振荡器工作原理

基于sawr设计声表面波振荡器，首要问题是选择一种合适的电路结构，使其既容易满足振荡条件，又能达到良好的性能。这里采用了闭环正反馈放大的振荡电路形式，如图1所示。

电路主要包括sawr、移相电路、放大电路和匹配电路等。其中sawr加在反馈电路部分起频率选择的作用。在闭合环路内部要建立起振荡，必须同时满足幅度和相位条件，即：

(1) 其中ga为两级放大器的总增益；ls、le、lo分别是sawr、移相网络和电路中其他部分的损耗；φs为sawr在振荡时的插入相移，它是频率f的线性函数；φa、φe分别是放大器和移相网络的相移，其中φe可变，对第二式的两端进行微分可得：

(c为常数) (2)

可见，改变移相网络的相位，就可以改变环路的振荡频率，而且相位的改变与频率的变化呈线性关系。因此，通过选择调整合适的移相网络及放大器就可以满足振荡要求。

这种电路虽然结构相对复杂，并且有源器件多必然会引入附加噪声，但该电路比较容易满足起振条件，而且选择合适的移相网络，可以在很大范围内实现频率调节。考虑到电路的起振问题，本设计最终选择了闭环正反馈放大的振荡电路形式。

设计与制作

本电路设计的难点在于如何降低电路的相位噪声。首先，由于sawr本身的性能，决定了它与石英晶体谐振器一样具有很高的品质因数，而且一旦选定了某一种sawr就无法再调节谐振器内部参数，只能靠改变外部电路参数来完成。为此，将电路分成几个部分，即声表面波谐振器、移相网络、闭环放大器及其匹配电路等，利用ansoft的serenade8.7软件，对各部分分别进行优化设计，再综合分析，下面分别介绍。本次设计采用从南京55所订购的1.5ghz的声表面波谐振器，其特性参数见表1。此谐振器的q值并不高，这就对噪声的要求更加严格。

图2是声表面波谐振器的等效模型，常见的sawr的电等效模型参数值如下。

c0=2.5pf时，谐振频率为200mhz，c0=1.1pf时，谐振频率为1200mhz。

rm=120ω


由于这些数值只是近似计算，和器件的真实值存在一定的偏差，这也是造成实际结果和优化结果有差异的一个重要原因。

对于移相网络，为了简化设计、降低成本，并使电路实现小型化，选择了串联lc电调移相电路，串联lc移相网络如图3所示。其中可变电容选用了一对节电容变化适当的变容二极管cj，改变加在cj上的反向控制电压，就改变了cj的大小，从而改变移相网络的相位参数，进而改变振荡环路的频率输出。

对于闭环内的放大器，由于在闭环内建立起振荡应满足相位平衡条件，因此放大器本身的相位变化也必然要引起输出频率的变化。这种相位变化主要来源于电源电压的变化、温度的变化、元件的老化等。因此闭环放大器应选择其相频特性在振荡器中心频率附近较大范围内保持平坦，使电源电压等因素对频率变化影响最小。除此之外，选择低噪声、适当增益、vswr小的放大器也尤为重要。另外，为简化匹配电路的设计，可以选择输入输出阻抗均为50ω的单片放大器。当然，以上几点特性不容易同时满足，最终设计时选择了hp公司的ina2186单片放大器，如图4所示。

另外，为了减少电源纹波对电路的影响，采用了稳压电源，并在电路中用稳压块进行二次稳压。

用serenade进行设计、仿真及优化

本次设计主要利用了ansoft公司的serenade 8.7软件对电路进行模拟仿真。设计指标包括：工作频率为1.5ghz，输出功率大于10dbm，噪声优于-90dbm/hz/1khz和-110dbm/hz/10khz，输入输出阻抗为50ω。电路原理图如图5所示。

通过使用serenade 8.7对所设计电路进行合理的仿真优化，仿真结果如图6、图7和图8所示。由仿真结果可以看出，谐振频率在1.4990ghz处，偏离载频1khz处的相位噪声为-110dbc/hz/1khz，p0=10dbm。

实测结果及性能分析

实测结果
最终的saw振荡器电路的总面积为30mm×30mm，其主要性能指标如下。

中心频率为1500mhz；相位噪声小于-90dbc/hz/1khz，小于-110dbc/hz/10khz；长期频率稳定度为±(3.5～5.0)×10-6/日；杂散电平小于-60dbm。

噪声性能分析

根据频域分析法，可以得出振荡器的噪声模型如式3。

(3) 其中l(fm)osc是振荡器的单边带相位噪声；fm为距离载频的偏移量；f1、f2分别为闭环放大器和输出放大器噪声系数；k为波尔兹曼常数；t0为绝对温度(°k)；pos和gn分别是闭环放大器的标称输出功率和增益；f1为放大器的闪烁噪声区和白噪声区交点处的频率；lc为振荡器输出到末级缓冲放大器的耦合损耗；br为谐振器的3db带宽，取决于谐振器的无载品质因数qu和插入损耗lres，可由式4决定。

(4)式中f0为中心频率。由此可以得出结论：振荡器的相位噪声与谐振回路的有载q值、闭环放大器的噪声系数、增益、功率，耦合电路的插入损耗，输出放大器的噪声系数等因素都有关。因此，为降低振荡器的相位噪声，应从以下几方面入手：优选高ql值谐振器件，使电路实现较低的相位噪声；优选低噪声系数宽频带放大器件，并使其工作在线性区间；使各个有源器件工作在合适的工作状态；选择高q值元器件，减少插入损耗等。

结束语

由于外部因素的影响，实际测试的相位噪声要比仿真结果稍差，其余指标实测结果和仿真结果都是趋于一致的。

总之，闭环正反馈放大式振荡电路达到了晶体振荡器的长期频率稳定度，适宜在移动通信、遥控、遥测等领域应用。