摘 要： 基于0.25 μm GaAs pHEMT工艺设计了Ka波段单片压控振荡器，该压控振荡器采用源极正反馈结构，变容管采用源极和漏极接地的pHEMT管。通过优化输出匹配网络和谐振网络以改善输出功率和相位噪声性能，使用蒙特卡洛成品率分析对本设计的成品率进行分析和改进。版图仿真结果显示：芯片输出频率为24.6～26.3 GHz，输出功率为（10±1） dBm，谐波抑制大于19 dB，芯片尺寸为1.5 mm×1 mm。
关键词： Ka波段； 砷化镓； 微波单片集成电路； 压控振荡器； pHEMT
中图分类号： TN752?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）13?0077?04
Design of Ka band MMIC VCO
LI Peng?liang， MA Wei
（ Xi’an Institute of Space Radio Technology， Xi’an 710100， China）
Abstract： A Ka?band MMIC VCO was designed with 0.25 μm GaAs pHEMT process. The source electrode positive feedback structure is adopted for VCO. The pHEMT whose source electrode and drain electrode are connected to the ground is used for the varactor. The resonance network and the matching network are optimized to improve the output power and the phase noise performance. The yield of the VCO is analyzed and improved by the Monte?Carlo method. The simulation data shows the typical output power of VCO is 10±1 dBm， the output frequency of VCO is 24.6～26.3 GHz， the harmonic suppression is better than 19 dB. The chip size of the MMIC VCO is 1.5 mm×1 mm.
Keywords： Ka?band； GaAs； MMIC； VCO； pHEMT
0 引 言
在所有现代雷达和无线通信系统中，广泛需要射频和微波振荡器，以用作频率变换和产生载波的信号源[1]。压控振荡器是可调信号源，常用以实现锁相环和其他频率合成源电路的快速频率调谐，是通信系统中的关键部件。随着通信系统的快速发展，压控振荡器的设计呈现出集成化和小型化的趋势，微波单片集成压控振荡器（MMIC VCO）具有体积小，产品一致性高、可靠性高等优点，是当前VCO设计的重要方向。作为MMIC VCO的有源器件多为CMOS，MESFET，pHEMT和HBT等，在微波频段大多数VCO基于MESFET工艺或HBT工艺进行设计以产生比基于pHEMT工艺的VCO更低的相位噪声[2?3]。
然而基于GaAs pHEMT工艺的VCO能更方便地集成到基于同样工艺的混频器、低噪声放大器或者功放等部件中，形成单片接收机或发射机，可有效减小设计的成本[3?4]。同时，基于HBT工艺的VCO在输出功率和工作频率范围等指标上无法与基于pHEMT工艺的VCO相比，目前的GaAs pHEMT工艺支持到60 GHz甚至更高工作频率的设计[5?6]。另外有研究表明，基于pHEMT的振荡器相位噪声是优于基于HBT的，因为虽然HBT的低频噪声很小，但基于它的振荡器上变频因子比基于pHEMT的要大得多[7?8]。因此研制基于GaAs pHEMT工艺的Ka波段单片压控振荡器具有重要的意义。
1 VCO的设计方法
描述振荡器电路和工作原理的基本方法有反馈法和负阻法，二者主要区别在于设计方法的思想不同，本文基于负阻法进行设计。二端口负阻振荡器的原理框图如图1所示，它包含谐振网络、晶体三极管网络和输出网络。设晶体管网络散射矩阵为[[S]， ZL]为终端网络阻抗，[Zg]为谐振网络阻抗[9]。
对于振荡器设计来说，为了产生振荡，二端口网络的反射系数均应大于1，且稳定系数小于1。因为输入端口接谐振回路，输出端口接匹配网络和负载，都是由无源器件构成的网络，因此振荡所需的负阻主要由增加反馈网络后的晶体管网络实现。图1中的[Zout]和[ZL]可表示为：
[Zout（ω）=Rout（ω）+Xout（ω）ZL（ω）=RL（ω）+XL（ω）] （1）
图1 二端口负阻振荡器原理框图
由振荡器的负阻原理可以得到起振条件、平衡条件和负载功率最大化的起振条件为[9]：
[Rout（ω）+RL（ω）<0Xout（ω）+XL（ω）=0] （2）
振荡的平衡条件为：
[Rout（ω）+RL（ω）=0Xout（ω）+XL（ω）=0] （3）
使负载功率最大的起振条件为：
[RL（ω）=-13Rout（ω）] （4）
2 MMIC VCO的设计和原理分析
本设计基于UMS公司的0.25 μm GaAs pHEMT工艺，该工艺具有极高特征频率和极低噪声的特性，且工艺成熟，可设计最高工作频率到60 GHz。设计的电路原理图如图2所示。
