基于Pound-Galani稳定技术的室温20 GHz蓝宝石负载腔体振荡器实现最大相位噪声性能

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：A Room-Temperature 20 GHz Sapphire-Loaded Cavity Oscillator Exploiting Pound–Galani Stabilization for Maximized Phase Noise Performance

本文针对高精度微波应用对低相位噪声参考源的迫切需求，报道了一种工作在20 GHz的室温蓝宝石负载腔体振荡器（SLCO）。研究团队通过深入分析回音壁模式（WGM）谐振器特性，并采用Pound-Galani主动稳定技术，成功将振荡器锁定在谐振腔最大品质因数（QL> 85000）工作点。实验结果表明，该振荡器在1 kHz偏移频率处相位噪声低至-96.5 dBc/Hz，为下一代室温精密微波系统提供了高性能解决方案。

　　

在雷达系统、射电天文学和下一代通信系统等精密微波应用领域，高稳定性参考振荡器如同心脏般至关重要。然而，随着工作频率提升至微波甚至太赫兹范围，传统频率源如石英振荡器和介质谐振振荡器（DRO）的相位噪声性能面临瓶颈。虽然钇铁石榴石（YIG）振荡器提供出色的宽带可调性，但其频率漂移和相位稳定性问题突出，往往需要锁定到高稳定参考源才能有效工作。光学技术，如光电子振荡器（OEO）和光学频率梳技术，虽然能产生极低相位噪声的微波信号，但其系统通常复杂、庞大且对环境控制要求苛刻，难以广泛应用于实际场景。高温超导（HTS）振荡器虽能实现低相位噪声，却离不开笨重的专用冷却基础设施。因此，开发一种在室温下既能实现超低相位噪声，又兼具实用性和紧凑性的微波振荡器，成为该领域一项紧迫的挑战。

蓝宝石负载腔体振荡器（SLCO）为解决这一挑战提供了极具潜力的方案。它利用蓝宝石谐振器在回音壁模式（Whispering Gallery Mode, WGM）下表现出的极高品质因数（Q值），有望在室温下实现卓越的频谱纯度。然而，即使采用了高性能的蓝宝石谐振器，外部扰动（如温度波动和机械振动）仍会改变振荡器的工作条件，使其偏离最佳相位点，从而导致相位噪声性能恶化。为了克服这一难题，主动稳定技术变得不可或缺。

发表于《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》的这项研究，深入探讨并实验验证了一种采用Pound-Galani稳定技术的20 GHz SLCO，旨在最大化其相位噪声性能。研究人员不仅对振荡器的各个核心组件（包括蓝宝石谐振器、定制低噪声放大器和移相器）进行了细致的表征，还引入了一个新颖的Pound-Galani稳定技术数学模型，使其具有更广泛的适用性。

为开展研究，作者团队主要运用了以下几项关键技术方法：首先，设计并表征了工作在WGE_9,0,1模式的蓝宝石负载腔体谐振器（SLCR），其负载品质因数Q_L达到85100；其次，采用定制设计的SiGe HBT单片微波集成电路（MMIC）放大器，优化了低附加相位噪声和高输出功率；第三，利用基于分支线耦合器的电压控制移相器实现精确的电子相位调谐；最后，核心在于实施了Pound-Galani主动稳定反馈环路，通过相位调制和反射信号检测来锁定谐振腔的最佳工作点，从而抑制环境扰动引起的相位噪声。

II. 蓝宝石负载腔体谐振器

作为振荡器的核心频率选择元件，SLCR的性能直接决定了相位噪声的优劣。研究团队设计了一个圆柱形蓝宝石介质块（半径和高度均为10 mm），并将其置于径向镀金的黄铜腔体（半径和高度均为20 mm）中。谐振器选择工作在WGE_9,0,1模式，该模式在耦合强度和模式隔离度之间取得了良好平衡。

耦合机制采用混合磁电近场激励方式，通过环形天线和垂直探针分别耦合到磁场的方位角分量和电场的纵向分量。

实测结果表明，在19.69 GHz的谐振频率下，SLCR的插入损耗为17 dB，负载品质因数Q_{L, max}高达85100，3 dB带宽为231 kHz，耦合系数κ₁和κ₂分别为1.775和0.115。这些参数证实了SLCR具备实现低相位噪声所需的高Q值。

III. 介质谐振器

为了抑制SLCR中存在的杂散模式（如不必要的WGM和腔体模式），研究引入了一个额外的介质谐振器（DR）作为预选滤波器。该DR采用Excelia E7024材料制成，工作在TE01δ模式，其谐振频率可通过金属腔体上的调谐螺钉进行机械调节，使其与SLCR的19.69 GHz谐振频率对齐。

测量显示，该DR的负载品质因数约为3880，3 dB带宽为5.07 MHz，边带抑制大于20 dB。虽然其插入损耗相对较高（10-12 dB），但在当前设计中，由于其主导损耗在蓝宝石谐振器链中，且目标增益分布 across the loop，该损耗水平是可接受的。

IV. 定制放大器MMIC

放大器是影响振荡器相位噪声的第二大关键因素。本研究展示了一款定制设计的MMIC放大器，采用Infineon的130 nm BiCMOS技术实现，核心为Darlington对结构并辅以电阻并联反馈。

该放大器在7-23 GHz频率范围内表现出约15 dB（感性负载）或9 dB（阻性负载）的稳定增益。噪声系数（NF）低于4 dB。特别是其附加相位噪声在1 kHz偏移处优于-131 dBc/Hz，这对于最小化其对振荡器整体相位噪声的贡献至关重要。

为了在振荡器中获得更高的输出功率（有利于相位噪声），研究采用了阻性负载配置，其饱和输出功率P_sat达到8.8 dBm。

V. 移相器设计与表征

为了实现振荡的相位条件并应用于Pound-Galani调制，研究设计了一个无源模拟移相器。该移相器基于分支线耦合器，并在其两个输出端口集成变容二极管。

实测结果表明，在19.69 GHz下，该移相器可实现高达89°的相位变化范围，插入损耗低于2.5 dB，并且在整个调谐电压范围内呈现线性特性，非常适合集成到振荡器系统中进行精确相位控制。

VI. Pound-Galani稳定

这是本研究的核心创新点。Pound-Galani稳定技术作为一种主动相位噪声优化机制，通过反馈环路持续校正频率偏差，使振荡器锁定在蓝宝石谐振器的谐振条件上。

其工作原理是：通过移相器对振荡器信号施加相位调制（调制频率f_mod= 5 MHz，远大于谐振器带宽）。调制后的信号入射到SLCR后，其反射信号会因相位-幅度（PM-to-AM）转换而产生幅度调制。该反射信号被定向耦合器分离后，进行包络检测和解调，产生一个与频率偏差成正比的误差信号。该误差信号经由比例-积分（PI）控制器处理，最终反馈控制另一个移相器，调整振荡环路相位，使其始终维持在谐振腔Q值最大的工作点。

研究团队为该方法提供了严谨的数学描述，推导了探测器电压与频率偏差的关系，并给出了线性区和平方律区工作的探测器增益表达式。该模型与全时域仿真结果吻合良好，为理解系统行为和优化设计参数提供了理论依据。

最终实现的完整振荡器系统如图16所示。相位噪声性能测试表明，与自由运行（无稳定）的振荡器相比，采用Pound-Galani稳定后，相位噪声得到显著改善。

在1 kHz偏移频率处，稳定后的相位噪声达到-96.5 dBc/Hz。测量结果与基于Leeson模型和测得的放大器闪烁噪声角频率（约15 kHz）的仿真曲线吻合良好，验证了放大器MMIC的低闪烁噪声和SLCR的高固有Q值。

该振荡器输出功率最高达3 dBm，核心振荡器总直流功耗为744 mW，体现了高效的功率预算。

VII. 前沿对比

研究将本文的SLCO与当前最先进的固定频率参考振荡器进行了全面比较，涵盖了SLCO、CSO、DRO、YIG、OEO、飞秒激光器和HTS振荡器等不同类型。比较指标包括绝对相位噪声以及归一化到1 GHz载波后的相位噪声。结果表明，本文实现的室温SLCO在20 GHz高频下，其归一化相位噪声在1 kHz偏移处为-122 dBc/Hz，在10 kHz偏移处为-152 dBc/Hz，性能优于多数室温振荡器。虽然某些基于干涉仪技术的SLCO或低温CSO在近载波（如1 kHz）相位噪声上可能更优，但它们往往需要复杂的温度稳定腔体或笨重的低温设备。本研究提出的振荡器在相位噪声、集成度、功耗和室温操作可行性之间取得了出色的平衡，其简单的架构使其成为下一代频率合成器中实用的候选方案。

结论与意义

本研究成功设计、实现并实验验证了一种采用Pound-Galani稳定技术的20 GHz SLCO。该振荡器工作在WGE_9,0,1模式，在室温下实现了85100的高负载品质因数。所实施的稳定环路有效确保了振荡器在环境变化下仍能维持在高Q值工作点运行。实测相位噪声性能相较于自由运行状态有显著提升，在1 kHz偏移处达到-96.5 dBc/Hz。尽管控制环路带宽内（约50 Hz）的噪声抑制受限于探测器灵敏度，但该稳定技术确实保证了振荡器持续处于最佳工作点，从而支持了其长期可靠性能。此外，研究推导的Pound-Galani稳定技术数学模型，有助于理解系统参数影响并指导未来设计。总而言之，这项研究证明，所提出的SLCO在频谱纯度、实现复杂度和能源效率之间取得了良好平衡，为需要微波频率稳定参考信号的高精度应用提供了一个切实可行的解决方案。