现代通信用新型YIG调谐振荡器
2005-09-14 09:07:13
来源：电子变压器与电感网
现代通信用新型YIG调谐振荡器
本文从现代通信对信号源的基本要求出发，介绍了一种频宽可调、相位噪声低的固态信号源—永磁调谐YIG振荡器（PMO）
1、前言
由于现代科技特别是电子信息技术的迅速发展，使人类活动的世界变得越来越小，巨大的地球成为“地球村”。这种“地球村”的出现是现代通信技术高度发展的结果，使得人们之间的交往更加便捷、频繁。
通信是人们传送信息的过程，而信息包括了语言、图像、文字、符号、数据等。通信的主要作用是扩展人类活动的空间距离，为人们争取更多的时间。所以通信为人类了解自然、认识世界和探索宇宙提供了不可缺少、灵活多样的工具和手段。
现代通信技术则要满足多种要求:适应广泛应用、远距离传送、网络化、高速自动与智能化、安全、保密性好、经济可靠等的需要，所以至目前，通信已分为有线与无线两大类别，并由模拟式发展到了数字式通信系统，后者最能满足前述各种要求。
大容量、高数据速率则是数字无线通信的发展趋势，因而对信号源提出了低相位噪声、低的假信号，带宽大于200MHz的宽调谐带宽等要求，以适应通信设备小型、轻量的发展。目前在低数据速率无线通信中所使用的信号源基本上都是介质谐振子振荡器（DRO），压控振荡器（VCO）或是二者的结合。由于它们所固有的特性则不能满足高数据速率系统的要求。
本文从现代通信对信号源的基本要求出发，介绍一种新型固态源——永磁调谐YIG振荡器。
2、高速数字无线系统对信号源的要求
目前绝大多数点对点、点对多点无线高数据速率16-64正交调幅（QAM）系统中，对频宽小于200MHz，都是采用频率固定、机械调谐的介质谐振子振荡器（DRO）。显然DRO频宽窄，需用多个DRO才能覆盖所需用的频段，相位噪声高，其优点则是价廉、简单，只适宜在相位噪声要求不高、低速率系统中使用。
大容量无线电系统则要求振荡器调谐带宽要大于200MHz并具有低相位噪声性能，为此通常采用压控晶体振荡器（VCO）与DRO联合使用或采用低噪声VCO。
然而在频移键控（FSK）或者移相键控（PSK）中，已把VCO基合成器成功地用到了低速率无线系统上，一个中高容量数字无线电在6-38GHz频段内，频偏10kHz的相位噪声应小于 -85~ -90DBC/Hz，现有的VCO、DRO基合成器均难以满足这个要求。
YIG调谐振荡器（YTO），由于YIG小球谐振子具有很高的Q值，调谐带宽宽，稳定性好，噪声分布曲线好，频谱纯，已在频率合成器、频谱分析仪、网络分析仪等高精仪器中获得广泛应用。
表1是三种X波段（10.7GHz）振荡器的频偏和综合相位噪声的比较，可见YTO具有很好的优势。
总之，对于高数据速率、低相位噪声、调谐带宽宽的无线通信系统中的信号源，YTO是首选承担者。
3、一种新型YTO——永磁调谐振荡器
3.1 基本工作原理
传统YTO的调谐磁场是采用电磁铁系统。要达到高稳定、低相位噪声的要求，则需要由高稳定的激励器和波纹很小的电源来作保证的。如果用永磁体代替电磁铁来提供调谐磁场源的话，则省去了激励器和加热器，从而降低了功耗并减少了相位噪声，这就是永磁调谐YIG振荡器（PMO）。图1，图2是它的工作原理及其结构示意图，它与传统YTO一样，属负阻型类振荡器范畴。它包括缓冲放大器在内的负阻电路、贮能元件——YIG小球、提供YIG小球磁场源的永磁体三大部分。负阻电路由共基极低噪声硅双极结型晶体管构成振荡源，后面可用GaAs MMIC缓冲功放与负载隔离，如能优先基极电感（LB）和输出电容（Cc）即可获得所需要的带宽和最大功率输出。贮能元件—YIG小球是置于磁场中呈现亚铁磁共振的谐振子; 通过尺寸、表面光洁度和4πMs选择，可获得所需范围的频谱纯度; 将小球沿<111>晶轴定向以保证温度稳定性，获得最佳振荡条件。用不同磁场强度的永磁代替电磁铁和激励器组件，以实现所需频段内的调谐。
3.2 特点
功耗低PMO的主要优点是不需要恒流源，从而大大降低了器件的功耗; 不要加热器，又降低了功耗。例如普通电磁铁YTO，在+20℃时，主调谐线圈直流电阻10Ω，+70℃时是12Ω，调谐灵敏度是20MHz/mA。在10GHz时，该线圈的最大功耗是3W，加上激励器、加热器和驱动电源，普通YTO需耗总功率9.8W。而PMO，只需1.2W(+12Vdc，100mA)，若不带缓放只需0.3W，仍有+5dBm输出，但存在着较高的频率牵引。
体小量轻最初研制的PMO试样重0.6盎斯（17克），长1.9cm，直径1.1cm(不含端子和SMA接头)，事实上通过改进还可做成更轻更小。
便于调频或锁相由于没有机械调谐而消除了散颤噪声。
3.3 性能
PMO最初的性能是在2-10GHz调谐范围，后来很快就成为DRO的替代品.表2是Micro lambda 公司2-18GHz MLPM系列YIG PMO产品的技术指标。
这些振荡器已成功地用作频率合成器了，并获得了良好的低相噪。
Verticom INC制造的MTS-1500系列PM式YIG频率合成器，符合高数据速率、多种调制的点对点或点对多点系统的严格要求，具有16，64，128，256正交调幅（QAM）的噪声裕度，较好的频率效率和较高的数据速率，频率范围为4~50GHz，工作温度范围为-30~ +70℃。
4、结语
PMO具有宽调谐范围，低相位噪声性能，功耗低，体小量轻，在大容量、高数据速率无线通信系统中成为首选对象并得到成功应用。
参考文献
[1] Members of the Technical staff watkins Johnson
Co.，MSN & CT，vol.17，No2，1987，30
[2] Micro lambda Inc.Fremont ，CA，Microwave J.June
1995，102.
[3] 马昌贵 磁性行业简报 ，1997，No11，13
[4] 余声明 电子科学，1984，No1.
[5] Vince Grande， Mircowave &RF，1990，29(9)，162.
本文从现代通信对信号源的基本要求出发，介绍了一种频宽可调、相位噪声低的固态信号源—永磁调谐YIG振荡器（PMO）
1、前言
由于现代科技特别是电子信息技术的迅速发展，使人类活动的世界变得越来越小，巨大的地球成为“地球村”。这种“地球村”的出现是现代通信技术高度发展的结果，使得人们之间的交往更加便捷、频繁。
通信是人们传送信息的过程，而信息包括了语言、图像、文字、符号、数据等。通信的主要作用是扩展人类活动的空间距离，为人们争取更多的时间。所以通信为人类了解自然、认识世界和探索宇宙提供了不可缺少、灵活多样的工具和手段。
现代通信技术则要满足多种要求:适应广泛应用、远距离传送、网络化、高速自动与智能化、安全、保密性好、经济可靠等的需要，所以至目前，通信已分为有线与无线两大类别，并由模拟式发展到了数字式通信系统，后者最能满足前述各种要求。
大容量、高数据速率则是数字无线通信的发展趋势，因而对信号源提出了低相位噪声、低的假信号，带宽大于200MHz的宽调谐带宽等要求，以适应通信设备小型、轻量的发展。目前在低数据速率无线通信中所使用的信号源基本上都是介质谐振子振荡器（DRO），压控振荡器（VCO）或是二者的结合。由于它们所固有的特性则不能满足高数据速率系统的要求。
本文从现代通信对信号源的基本要求出发，介绍一种新型固态源——永磁调谐YIG振荡器。
2、高速数字无线系统对信号源的要求
目前绝大多数点对点、点对多点无线高数据速率16-64正交调幅（QAM）系统中，对频宽小于200MHz，都是采用频率固定、机械调谐的介质谐振子振荡器（DRO）。显然DRO频宽窄，需用多个DRO才能覆盖所需用的频段，相位噪声高，其优点则是价廉、简单，只适宜在相位噪声要求不高、低速率系统中使用。
大容量无线电系统则要求振荡器调谐带宽要大于200MHz并具有低相位噪声性能，为此通常采用压控晶体振荡器（VCO）与DRO联合使用或采用低噪声VCO。
然而在频移键控（FSK）或者移相键控（PSK）中，已把VCO基合成器成功地用到了低速率无线系统上，一个中高容量数字无线电在6-38GHz频段内，频偏10kHz的相位噪声应小于 -85~ -90DBC/Hz，现有的VCO、DRO基合成器均难以满足这个要求。
YIG调谐振荡器（YTO），由于YIG小球谐振子具有很高的Q值，调谐带宽宽，稳定性好，噪声分布曲线好，频谱纯，已在频率合成器、频谱分析仪、网络分析仪等高精仪器中获得广泛应用。
表1是三种X波段（10.7GHz）振荡器的频偏和综合相位噪声的比较，可见YTO具有很好的优势。
总之，对于高数据速率、低相位噪声、调谐带宽宽的无线通信系统中的信号源，YTO是首选承担者。
3、一种新型YTO——永磁调谐振荡器
3.1 基本工作原理
传统YTO的调谐磁场是采用电磁铁系统。要达到高稳定、低相位噪声的要求，则需要由高稳定的激励器和波纹很小的电源来作保证的。如果用永磁体代替电磁铁来提供调谐磁场源的话，则省去了激励器和加热器，从而降低了功耗并减少了相位噪声，这就是永磁调谐YIG振荡器（PMO）。图1，图2是它的工作原理及其结构示意图，它与传统YTO一样，属负阻型类振荡器范畴。它包括缓冲放大器在内的负阻电路、贮能元件——YIG小球、提供YIG小球磁场源的永磁体三大部分。负阻电路由共基极低噪声硅双极结型晶体管构成振荡源，后面可用GaAs MMIC缓冲功放与负载隔离，如能优先基极电感（LB）和输出电容（Cc）即可获得所需要的带宽和最大功率输出。贮能元件—YIG小球是置于磁场中呈现亚铁磁共振的谐振子; 通过尺寸、表面光洁度和4πMs选择，可获得所需范围的频谱纯度; 将小球沿<111>晶轴定向以保证温度稳定性，获得最佳振荡条件。用不同磁场强度的永磁代替电磁铁和激励器组件，以实现所需频段内的调谐。
3.2 特点
功耗低PMO的主要优点是不需要恒流源，从而大大降低了器件的功耗; 不要加热器，又降低了功耗。例如普通电磁铁YTO，在+20℃时，主调谐线圈直流电阻10Ω，+70℃时是12Ω，调谐灵敏度是20MHz/mA。在10GHz时，该线圈的最大功耗是3W，加上激励器、加热器和驱动电源，普通YTO需耗总功率9.8W。而PMO，只需1.2W(+12Vdc，100mA)，若不带缓放只需0.3W，仍有+5dBm输出，但存在着较高的频率牵引。
体小量轻最初研制的PMO试样重0.6盎斯（17克），长1.9cm，直径1.1cm(不含端子和SMA接头)，事实上通过改进还可做成更轻更小。
便于调频或锁相由于没有机械调谐而消除了散颤噪声。
3.3 性能
PMO最初的性能是在2-10GHz调谐范围，后来很快就成为DRO的替代品.表2是Micro lambda 公司2-18GHz MLPM系列YIG PMO产品的技术指标。
这些振荡器已成功地用作频率合成器了，并获得了良好的低相噪。
Verticom INC制造的MTS-1500系列PM式YIG频率合成器，符合高数据速率、多种调制的点对点或点对多点系统的严格要求，具有16，64，128，256正交调幅（QAM）的噪声裕度，较好的频率效率和较高的数据速率，频率范围为4~50GHz，工作温度范围为-30~ +70℃。
4、结语
PMO具有宽调谐范围，低相位噪声性能，功耗低，体小量轻，在大容量、高数据速率无线通信系统中成为首选对象并得到成功应用。
参考文献
[1] Members of the Technical staff watkins Johnson
Co.，MSN & CT，vol.17，No2，1987，30
[2] Micro lambda Inc.Fremont ，CA，Microwave J.June
1995，102.
[3] 马昌贵 磁性行业简报 ，1997，No11，13
[4] 余声明 电子科学，1984，No1.
[5] Vince Grande， Mircowave &RF，1990，29(9)，162.
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