一种高稳定性SAW振荡器的研究与实现

党双欢，靳雪莹

（长安大学电子与控制工程学院，陕西西安 710064）

作者简介：党双欢（1990－），女，长安大学电子与控制工程学院研究生，交通信息工程及控制。

靳雪莹（1990－），女，长安大学电子与控制工程学院研究生，交通信息工程及控制。

摘 要：针对声表面波（SAW）振荡器存在的频率稳定度差的问题，提出了一种高稳定性SAW振荡器的实现方案。该方案选用中心频率为50．8MHz的声表面波延迟线器件作为频控元件，采用共基极电路结构以及电容负反馈作为放大和反馈电路。通过一个中心频率为50．8MHz声表面波振荡器的实现和测试，结果表明该振荡器中期频率稳定度达到1．157×10－4量级，输出波形具有良好的稳定性和周期性。

关键词：SAW；振荡器；高稳定性；共基极

Abstract：In order to solve the poor frequency stability of the surface acoustic wave（SAW）oscillator，a scheme of realization of high stability of SAW oscillator is proposed in this paper．In this design scheme，the surface acoustic wave delay line device with the center frequency of 50．8MHz is selected as frequency－control device；the common base circuit structure is used in amplifier circuit and capacitance－negative－feedback is selected in feedback circuit．A center frequency of 50．8MHz SAW oscillator is implemented and tested．The experiment results show that the oscillator frequency mid－stability is achieved to 1．157×10－4level and the output wave is stable and periodical．

Key words：SAW；Oscillator；High stability；Common base

1 引言

声表面波（SAW）振荡器是以SAW器件为频控元件，发展起来的一种高稳定频率源，由于相位噪声低、功耗小而广泛应用于通信、遥控遥测等领域［1］。这些领域对振荡器的频率稳定度都有严格的要求，一般发射机的频率稳定度要求为10－4到10－5量级［2］。但是，实际的声表面波振荡器由于外围电子器件以及自身插入损耗的影响，会出现频率跳变，输出波形不稳定的问题［3－5］。

本文从延迟线性声表面波器件出发，针对SAW振荡电路频率稳定度差的问题，选用共基极电路结构，采用电容负反馈，设计了一种共基极的50．88MHz的声表面波振荡器，中期频率稳定度可达1．157×10－4量级。

2 SAW振荡器稳定性分析

SAW振荡器由放大电路Au和反馈选频网络F构成，如图1所示。其中，放大电路是晶体管放大电路，反馈选频网络由LC网络与SAW器件构成。接通有源器件瞬间的电子噪声首先经过放大器放大，然后由反馈选频网络选出固定频率，反馈到输入端，建立初始振荡。随着振荡幅度增加，有源器件的非线性限制振幅的增加，形成稳定振荡。

图1 SAW振荡器结构

式中，Ga为放大器总增益，Ls为声表面波器件的插入损耗，Lc为选频网络的插入损耗，Lo为电路其他部分的插入损耗。φs、φa、φc分别为振荡器的插入相移、放大器的相移和选频网络的相移。

理论上，只要满足起振条件，电路通电后，即会有稳定幅度的输出信号。但是由于电压、电流的变化，系统噪声以及SAW器件插入损耗的影响［6］，频率会产生偏移，这个偏移用频率稳定度来表征，包括频率短期稳定性（s）、中期频率稳定性（h）和长期频率稳定度（d）。

振荡器短期频率稳定度用式（2）来表征［7］：

式中，f0为振荡器中心频率，Δf为实测频率与中心频率的差值，F为放大器噪声系数，Q为延迟线品质因数，P0为放大器饱和输出功率。由式（2）可知，影响短期频率稳定度的因素主要有两个：一是噪声系数，噪声系数越小，频率稳定度越高；二是延迟线SAW器件的品质因数，SAW器件品质因数越高，插入损耗越小，频率稳定度越高。

中期频率不稳定是由于电压、电流变化以及电路其他参数的变化影响振荡环路相移或延迟线延迟时间变化，从而影响振荡频率不稳定。采用稳压电源等方法，稳定电路参数，可以提高中期频率稳定度。中期频率稳定度用统计值方均根值δn来表征［4］，其表达式为：

式中，n为测量次数，（Δf／f）i为第i次测得的相对频差，为n个数据的平均值。在等间隔时间段内测试频率值，根据式（3）就可算出中期频率稳定度。

长期频率稳定度不稳定是由于振荡器电子元器件的老化引起振荡环路的相移，从而引起频率不稳。

3 提高SAW振荡器频率稳定的途径

基于对SAW振荡器频率稳定度的分析，为改善频率稳定度在振荡器放大结构的选择，选频网络设计以及电子元器件的选择等方面做出了以下改进。

振荡器采用高频耦合小的共基极放大电路。共基极与共射极的放大倍数都很大，但是工作于高频区时，共射极的基极、集电极之间的极间电容Cb＇c对输入端存在密勒倍增效应，等效输入电容大，而共基极高频等效电路图见图2。图中，Cb＇e直接接于输入端，输入电容为Cb＇e，远小于共射极。同时，共射极输入等效电阻为，共基极输入等效电阻Ri见式（4），对比得知，高频时共基极输入等效电阻远小于共射极。综上分析可知，共基极比共射极的上限截止频率高，极间电容影响小，晶体管与振荡回路耦合小，噪声系数小，有利于提高振荡器的短期频率稳定性。

图2 共基极放大电路高频等效图

选频反馈网络采用电容反馈和高品质SAW器件。LC三点式选频网络选用无源器件，相位噪声小，线路结构简单，易起振。LC选频网络有电感反馈和电容反馈两种：电感反馈只需调节线圈抽头位置就可改变反馈值，电容反馈需要改变两个电容的比值；电感反馈改变频率时不影响反馈系数，电容反馈影响反馈系数从而影响起振条件。但是，工作于高频时，电感反馈由于极间电容与电感并联，可能改变电抗性质，工作频率不宜过高，而电容反馈电容与极间电容并联，不会改变电抗性质，工作频率高；高次谐波在电感上的反馈压降大，而在电容上产生的反馈压降小，因此，电容反馈输出波形优于电感反馈。综上可知，电容反馈高次谐波产生的噪声小，且不会改变电抗性质，电路参数稳定，可以同时提高短期和中期频率稳定度。为改善振荡器的短期频率稳定度，选频网络中SAW器件要具有高品质因数，插入损耗一般不能超过20d B［7］。

选用稳定度性高的电子元器件。为提高频率稳定度，对电子器件要进行老化筛选，同时，晶体三极管要求动态范围大、噪声系数小；电感、电容元件要求温度系数小，固定电容应选用陶瓷介质电容，电感应采用高频瓷骨架电感。本次实验中为了方便调试，采用绕制电感，为减少分布电容，提高参数稳定度，电感采用间绕形式。还要注意，因为电路工作频率较高，要保证电感的自谐振频率远大于工作频率，避免自激振荡。

除此之外，选用稳压电源并进行去耦设计，减小自激振荡和寄生振荡；PCB布板信号走线要尽量短，滤波电容靠近电源，尽量避免平行布线，增加接地点，使电流以最短路径回到源头，减小寄生效应，都可以提高频率稳定度。

4 实验与结果分析

根据提出的改善SAW振荡器稳定性的方法，选用高Q值的声表面波振荡器，设计了共基极声表面波振荡器。用安捷伦E5062AENA－L射频网络分析仪测试了器件的频率响应特性，结果如图3所示。可知，中心频率处器件的插入损耗小于10d B，满足设计要求。

图3 SAW器件频率响应特性

SAW振荡器原理图如图4所示。振荡频率f0与SAW器件的谐振频率相等，计算公式为：

其中，C＝C1×C2／（C1＋C2）。当回路谐振频率等于声表面波器件谐振频率时，晶体阻抗最小，近似短路，此时电路满足相位与振幅条件。晶体管Q选择了2SC3355，其f T高达6．5GHz，极间电容小，工作电流低，截止频率高，不易进入饱和状态。除了采用稳压电源，电感L1与电容C3、C4组成的π型去耦合电路，滤去直流电源中的高频成分，降低了噪声。集电极电感L既为负载，又构成选频网络，可以降低直流噪声。

振荡器的实物系统如图5所示。其中，电容C1＝C2＝27p F，C3＝0．01u F，C4＝0．1u F，C＝Cb＝1n F；电感L＝720n H，L1＝300m H；电阻R1＝27kΩ，R2＝5．1kΩ，Re＝100Ω。对实际振荡器系统的输出信号使用安捷伦示波器进行测量，振荡器输出波形如图6所示。图6表明，振荡器的输出波形具有良好的周期性和稳定性，幅值较大。

用测频的方法，将声表面波振荡器置于20℃环境温度下，每隔一小时测试一次，连续测试12小时，可得到振荡器的中期频率稳定曲线，如图7所示。

图7中振荡器的短期频率稳定曲线表明，振荡器的频率最大为49．912MHz，最小为49．897 MHz，振荡器频率变化稳定在16k Hz范围内，根据式（3）计算中期频率频率稳定度为1．157 ×10－4。

图4 SAW振荡器原理图

图5 振荡器实物系统照片

图6 声表面波振荡器输出波形

使用同样的测试方法连续测试两周，计算每天频率的平均值，得到振荡器的长期频率稳定曲线，如图8所示。

图8中振荡器的长期频率稳定曲线表明，振荡器的频率最大为49904．76k Hz，最小为49904．52k Hz，振荡器频率变化稳定在0．14k Hz范围内。

图7 振荡器短期频率稳定性曲线

5 结论

本文分析了影响SAW振荡器频率稳定度的因素，提出了改善频率稳定度的方法，在此基础上研究了一种高频率稳定度的SAW振荡器。通过实验测试，振荡器的中期频率稳定度可达1．157 ×10－4，在两周内的变化稳定在0．14KHz范围内，并且对插入损耗低于20d B的器件有很好的起振效果，验证了该设计电路的可行性。

图8 振荡器长期频率稳定性曲线

参考文献

［1］ C．Pbell c．Surface acoustic wave devices for mobile and wireless communications［M］．New York：Academic Press，1998．

［2］ 王文，何胜堂，李顺渊．用于气体传感器的声表面波振荡器频率稳定性分析［J］．传感技术学报，2005，18（2）：421－425．

［3］ A．Mauder．SAW gas sensors：comparison between delay－line and two put resonator［J］．Sensors and actuators，B． 1995（26－27）：187－190．

［4］ 黄汉生．影响声表面波振荡器的频率稳定性因素分析［J］．压电与声光，1992，14（15）：65－72．

［5］ Y．Wang，X．Huang．Optimization and Realization of a 315－MHz Low－Phase－Noise Voltage－Controlled SAW Os－cillator［J］．IEEE Transactions on Circuits and Systems，2012，59（1）：16－19．

［6］ 文常保，方吉善，巨永锋．一种新型声表面波振荡器系统的设计研究［J］．电子器件，2014，37（2）：240－244．

［7］ 王文，何胜堂，李顺渊．一种新型高频率稳定度的SAW振荡器［J］．压电与声光，2006，28（5）：499－501．