CN102332896A - 嵌入式低相噪抗载稳频源及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种低相噪抗载稳频源，包括微波电路部分和屏蔽外壳；微波电路包括电源模块、振荡电路和回波隔离模块；屏蔽外壳内设有相互独立的屏蔽腔体，分别放置低噪电源模块、振荡电路和回波隔离模块。一种稳频源的设计方法，其特征是包括步骤：1)设计电源模块；2)设计振荡电路；3)设计回波隔离模块；4)设计屏蔽外壳的屏蔽腔体。本技术方案近载频相位噪声好、尤其是振动条件下的相位噪声好，应用范围广泛。

Description

嵌入式低相噪抗载稳频源及其设计方法

技术领域

本器件属于电子信息领域，是一种微波引信的核心器件，具体是一种嵌入式低相噪抗载稳频源及其设计方法。

背景技术

微波固态频率源是通信、雷达、电子对抗、精确制导等各种微波系统中应用广泛的重要器件，是系统实现高性能指标的关键。微波固态频率源包括频率综合器、介质振荡器等分支。

介质振荡器是一种点频源，具有功耗低、效率高、可靠性高、体积小、重量轻等优点，因此介质振荡器在通信系统、雷达信标、电子对抗接收机、应答机等设备中得到了广泛的应用。但是介质振荡器也有近载频相位噪声差、尤其是振动条件下的相位噪声差的缺陷，严重的限制了其应用范围。

发明内容

为了解决介质振荡器相对于频综近载频相位噪声差、抗过载能力差的问题，本发明提出一种介质振荡器及其设计方法，可以广泛应用于弹载无线电系统，机载、车载、舰载等移动武器装备系统，以及星载设备、高铁、车辆、地面移动基站等工作于振动条件下的民用设备。

本发明的技术方案如下：

一种低相噪抗载稳频源，包括微波电路部分和屏蔽外壳；微波电路包括电源模块、振荡电路和回波隔离模块；屏蔽外壳内设有相互独立的屏蔽腔体，分别放置低噪电源模块、振荡电路和回波隔离模块；

a、所述振荡电路包括介质振荡器、输入匹配微带线和场效应管；

介质振荡器通过输入匹配微带线连接场效应管的栅极，输入匹配微带线的另一端通过负载电阻接地；

所述场效应管的源极经匹配微带线连接旁路后接地，旁路包括并联连接的旁路反馈电容和旁路电阻；

所述场效应管的漏极连接输出匹配微带线；

所述输入匹配微带线与输出匹配微带线平行，介质谐振器位于两微带中间、靠近输入匹配微带线的位置，构成的U形的反射式振荡电路结构；所述介质谐振器悬在振荡电路的电路板上方；

b、所述电源模块包括稳压器、电容滤波网络、限流保护电阻；所述外部直流电连接稳压器的输入端，稳压器的输出端连接限流保护电阻的一端，限流电阻的另一端作为电源模块的输出端连接振荡电路的电源输入端；

所述电容滤波网络包括低频滤波电容部分和高频滤波电容部分，其中低频滤波电容部分连接在限流保护电阻的前端，高频滤波电容部分连接在限流保护电阻的后端；所述低频滤波电容部分包括两组滤波电容，它们的一端都接地，它们的另一端分别连接稳压器的输入端和输出端；所述高频滤波电容部分包括两组滤波电容，它们的一端都接地，它们的另一端分别连接在限流保护电阻的后端；

电源模块的输出端通过电感连接场效应管的漏极；

c、所述回波隔离模块包括隔离器；所述隔离器一端与输出匹配微带线连接；隔离器的另一端即为本稳频源的输出端。

所述振荡电路的电路板材优选聚四氟乙烯电路板；所述介质谐振器的温度系数优选为+2ppm/℃；所述场效应管优选是GaAs场效应管；所述负载电阻优选50Ω；输入匹配微带线优选50Ω微带线；

所述电源模块和振荡电路之间的电感优选由两段各2.5nH的线绕电感串联构成；所述低频滤波电容优选10uF的钽电容；所述高频滤波电容分别优选1000pF的电容和100pF的电容；所述限流保护电阻优选两个22欧姆串联构成；

所述输出匹配微带线的匹配阻抗是50Ω；

所述振荡电路所在的屏蔽腔体的内壁距离介质谐振器的中心最小距离为介质谐振器半径的3.3倍±10％；屏蔽腔体的上盖板距离介质谐振器上表面的距离为介质谐振器高度的2.8倍±10％；

所述介质谐振器距离振荡电路的电路板表面距离为1mm±10％，构成弱耦合结构。

所述隔离器的反向隔离度大于40dB。

一种上述稳频源的设计方法，包括步骤：1)设计电源模块；2)设计振荡电路；3)设计回波隔离模块；4)设计屏蔽外壳的屏蔽腔体；

所述步骤1)中，使用稳压器对外部供电进行稳压，避免外界电压拉偏对稳频源输出频率造成影响。

稳压器两侧分别设有两个容值为10uF的钽电容，稳压器输出端使用一个1000pF的电容与一个100pF的电容并联，形成一个宽带的滤波网络，可以滤除电源中的低频部分以及射频部分，为振荡模块提供低噪电压。

使用2个22欧姆的限流电阻来调节加到振荡模块的场效应管上的电压，同时对场效应管进行限流保护。

所述步骤2)中，为了降低腔体微小形变对稳频源输出频率的影响，屏蔽盒的材料选择为铜(H62)；同时屏蔽盒的内壁距离振荡模块的介质谐振器DR的中心最小距离为DR半径的3.3倍；屏蔽盒的上盖板距离DR的距离约为DR高度的2.8倍。

振荡电路板材质选用聚四氟乙烯。对反射式的振荡电路结构进行了优化，场效应管的栅极输入微带与漏极输出微带平行、谐振器位于两微带中间、靠近栅极微带，形成了新型的U形的反射式振荡电路结构。介质谐振器距离振荡电路表面距离约为1mm，形成弱耦合系统，有效提高系统Q值。

使用两段串联的线绕电感为振荡模块供电；每一段电感的感值约为2.5nH，振荡板一端电感主要防止高频信号通过加电线传输到电源板上，电源板一段的电感主要防止通过空间辐射到电源板一端得高频信号再通过加电线作用到振荡板一端。同时该电感优化了稳频源的起振条件，电感的引入使得稳频源的相位噪声得到了5dB以上的优化。

由于反射式振荡电路中电路结构对振荡器整体的频率温度系数影响不明显，在设计时仅需要对谐振腔体的温度系数进行补偿，因此介质谐振器的温度系数选择为+2ppm/℃。

选用单向性好、线性增益高的GaAsFET作为振荡管，该GaAsFET在所需频点的S12为0.07、线性增益较高为7dB，具有较好的单向性和较充足的线性增益。设计中只要保证介质谐振器反馈网络的功率传输系数β大于-5dB，就可以充分满足反射型振荡电路的起振条件。

所述步骤3)中，输出端通过场路一体化分析，使得该模块的实际反向隔离度大于40dB，有效提高了隔离效果、改善端口驻波，使得稳频源的抗负载牵引能力明显提高，保证了稳频源的环境适应能力。

所述步骤4)中，该屏蔽盒内设有放置低噪电源模块、振荡模块和回波隔离模块相应的三个独立的腔体；腔体设计时采用矩形薄板模型进行分析，根据公式：

和

其中a、b、h分别为薄板的长度、宽度和厚度，D0为材料的抗弯刚度，ρ为材料的密度，E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比。在薄板模型的基础上采用极限加厚的方法提高腔体的固有频率，图3中标识的1位置和3位置就是两个有效的加固体，使得稳频源腔体的固有频率避开整机的共振频率。

同样使用薄板模型分析盖板受力情况，通过加固、分散、吸收等手段，合理选择板材厚度和排布螺钉位置，使得盖板的平面均匀受力、最小化形变幅度，其形变的极大点远离谐振腔体的敏感区域，有效的提高了稳频源的抗振动性能。

由于产品的特殊应用环境，要求产品在高强度振动条件下保持良好的电性能指标，除了采用相应的微波微组装技术，在制作过程中，产品的每一部分的装配都应保证牢固可靠。在振动条件下，产品内部影响振荡频率的所有环节都必须保持稳固。因此，对产品的装配提出了更高的要求，先进、合理的固化技术显得格外重要。本产品在研制工作中，针对不同的元器件、不同的部位采取了相适应的粘结、烧结的固化技术。

附图说明

图1本技术方案原理框图；

图2振动条件图；

图3产品结构示意图；图中，1、2部分为调节腔体固有频率的结构。

图4振动时产品输出频谱图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

一种低相噪抗载稳频源，包括微波电路部分和屏蔽外壳；微波电路包括电源模块、振荡电路和回波隔离模块；屏蔽外壳内设有相互独立的屏蔽腔体，分别放置低噪电源模块、振荡电路和回波隔离模块；

a、所述振荡电路包括介质振荡器、输入匹配微带线和场效应管；

介质振荡器通过输入匹配微带线连接场效应管的栅极，输入匹配微带线的另一端通过负载电阻接地；

所述场效应管的源极经匹配微带线连接旁路后接地，旁路包括并联连接的旁路反馈电容和旁路电阻；

所述场效应管的漏极连接输出匹配微带线；

所述输入匹配微带线与输出匹配微带线平行，介质谐振器位于两微带中间、靠近输入匹配微带线的位置，构成的U形的反射式振荡电路结构；所述介质谐振器悬在振荡电路的电路板上方；

b、所述电源模块包括稳压器、电容滤波网络、限流保护电阻；所述外部直流电连接稳压器的输入端，稳压器的输出端连接限流保护电阻的一端，限流电阻的另一端作为电源模块的输出端连接振荡电路的电源输入端；

所述电容滤波网络包括低频滤波电容部分和高频滤波电容部分，其中低频滤波电容部分连接在限流保护电阻的前端，高频滤波电容部分连接在限流保护电阻的后端；所述低频滤波电容部分包括两组滤波电容，它们的一端都接地，它们的另一端分别连接稳压器的输入端和输出端；所述高频滤波电容部分包括两组滤波电容，它们的一端都接地，它们的另一端分别连接在限流保护电阻的后端；

电源模块的输出端通过电感连接场效应管的漏极；

c、所述回波隔离模块包括隔离器；所述隔离器一端与输出匹配微带线连接；隔离器的另一端即为本稳频源的输出端。

所述振荡电路的电路板材优选聚四氟乙烯电路板；所述介质谐振器的温度系数优选为+2ppm/℃；所述场效应管优选是GaAs场效应管；所述负载电阻优选50Ω；输入匹配微带线优选50Ω微带线；

所述电源模块和振荡电路之间的电感优选由两段各2.5nH的线绕电感串联构成；所述低频滤波电容优选10uF的钽电容；所述高频滤波电容分别优选1000pF的电容和100pF的电容；所述限流保护电阻优选两个22欧姆串联构成；

所述输出匹配微带线的匹配阻抗是50Ω；

所述振荡电路所在的屏蔽腔体的内壁距离介质谐振器的中心最小距离为介质谐振器半径的3.3倍±10％；屏蔽腔体的上盖板距离介质谐振器上表面的距离为介质谐振器高度的2.8倍±10％；

所述介质谐振器距离振荡电路的电路板表面距离为1mm±10％，构成弱耦合结构。

所述隔离器的反向隔离度大于40dB。

为了提高嵌入式低相噪抗载稳频源的稳定性、可靠性和抗振动性能，本稳频源采取如下几个方法：

1.低噪电源

在设计过程中使用了滤波电容网络，对电源中低频部分和射频部门均有良好的滤波特性，可以输出超低噪的电压，是实现稳频源低相噪的关键之一；由于过压和静电容易造成场效应管的损坏，因此在设计时使用限流网络来调节加到场效应管上的电压，同时这个限流网络对场效应管还起到限流保护的作用。同时，低噪电源模块可以有效防止射频信号通过加电线路串扰至系统中，提高了系统的电磁兼容能力。

2.高Q、高强度谐振腔

屏蔽盒选择温度系数较小、机械强度较高的铜(H62)作为材料，通过力学分析联合场分析对谐振腔体进行综合优化设计，设计出高Q值、高机械强度的谐振腔。

为有效降低腔体对稳频源输出频率的影响，在保证该稳频源外形的前提下最大化介质谐振器与腔体内壁的距离。

合理选择板材，以薄板模型为基础，采用极限加厚的方法，使得腔体的整体固有频率错开使用环境的共振频率，有效的提高了稳频源的抗振动性能。

3.U形振荡电路

在振荡电路的设计中选择温度系数相对较小的聚四氟乙烯板材。同时创新的使用了U形电路结构。该改进型电路结构中，实际是一种加强信号反馈、提高耦合效率的耦合系统，不仅有效的缩小电路面积，同时也实现了低相位噪声和较高功率的输出，相位噪声也得到了明显的改善。

4.电源隔离

在设计过程中使用两段约为2.5nH的线绕电感连接低噪电源模块和振荡电路，对射频信号有明显的扼流作用，防止射频信号在低噪电源模块和振荡电路间相互串扰。

5.系统温度补偿

根据板材、腔体、以及场效应管的固有特性，在谐振网络中采用容性补偿配合谐振器频率温度补偿，使得稳频源全温范围内整体的频率温度系数和输出幅度稳定性得到优化。

6.回波隔离

输出端通过场路一体化分析、设计，产品输出端口实际的反向隔离度大于40dB，明显的提高了该稳频源抗负载牵引的能力，使得稳频源有了更强的负载适应能力。

7.微波微组装

弹载小型化、高可靠的微波介质微波稳频源的实现，应采用专业的微波微组装技术。在产品微波电路板的修裁、烧结、元器件焊接、引线键合等方面均有很高的要求。

由于产品的特殊应用环境，要求产品在高强度振动条件下保持良好的电性能指标，除了采用相应的微波微组装技术，在制作过程中，产品的每一部分的装配都应保证牢固可靠。在振动条件下，产品内部影响振荡频率的所有环节都必须保持稳固。因此，对产品的装配提出了更高的要求，先进、合理的固化技术显得格外重要。本产品在研制工作中，针对不同的元器件、不同的部位采取了相适应的粘结、烧结的固化技术。

本装置的技术效果如下：

表1所示数据为本发明在全温范围主要性能指标的测试结果，通过数据可以看出产品在-55℃至+85℃的温范围内频率变化小于2MHz、功率变化小于1.6dB、相位噪声优于-86dBc/Hz10KHz。

在如图2的振动条件下，SPAN为100KHz时，稳频源输出频谱展宽小于1kHz，相位噪声恶化小于2dB，全频带内杂波优于80dBc。

表1主要指标实际测试结果

1.抗强过载技术

抗强过载技术：通过力学分析联合场分析对谐振腔体进行综合优化设计，设计出高Q值、高机械强度的谐振腔；同时输出端通过场路一体化分析，有效提高了隔离效果，使得稳频源的抗负载牵引能力明显提高。产品在图2所示随机振动条件下，SPAN为100KHz时，稳频源输出频谱展宽小于1kHz，相位噪声恶化小于2dB，全频带内杂波小于80dBc。

2.U形低相噪技术

该稳频源设计中没有采用传统的直耦合线，而是创新的设计并使用了U形电路结构。该电路结构中，介质谐振器与输出信号传输线的耦合度要大于传统的反射式振荡电路，提高了信号的反馈量，形成了高效、高Q值耦合结构。同时振荡电路中加以容性补偿配合介质谐振器温度补偿起到了稳频稳幅的作用。相对于传统的直线耦合电路，这种新型的电路结构的平面尺寸仅为16mm×12mm，可以将谐振腔体体积缩小约50％，相位噪声优化10dB左右。相对于推推式谐波振荡器，这种电路结构谐振腔体积仅为其30％左右，相同功耗下输出信号强度增加6dBm左右。

该稳频源在电流为50mA、-55℃～+85℃的温度范围内，输出信号的单边带相位噪声优于-86dBc/Hz10KHz，信号强度大于6dBm、最大可达到12dBm。在全温范围内功率变化小于1.6dBm、频率温度系数小于1.5ppm/℃。

3.批生产工艺技术

该稳频源采用模块化设计，由电源模块、稳频源模块和隔离模块组成，三部分相对独立，利于流水化装配；电源模块无需调试，振荡电路性能稳定、一致性高，调试点固定且调试量很小；振荡板采用聚四氟乙烯板材，相对于介质振荡器常用的陶瓷板，成本更低、加工周期更短、装配工艺的复杂程度更低、调试操作难度更小。

总的说来，所述低噪电源模块是将输入电压(+12V)进行稳压和滤波后提供低噪电压给振荡电路，同时该模块具有限流保护和电磁兼容作用；所述振荡电路将输入的直流电转化为射频信号通过回波隔离模块输出提供给系统；所述回波隔离模块可以有效的抵抗负载牵引，提高稳频源环境适应能力。

嵌入式低相噪抗载稳频源选用了反射型稳频振荡电路结构，创新的设计出U形振荡电路；利用高Q值、正频率温度系数、高相对介电常数的介质谐振器(DR)的稳频性能来改善微波稳频源振荡信号的近载频相位噪声和温度稳定性；谐振腔体采用力学分析结合场分析的方法进行设计，有效的提高了腔体的有效机械强度。

作为微波系统的核心组件，嵌入式低相噪抗载稳频源采用整体嵌入式安装方式，有效地减少了复杂的外部电磁环境的干扰，同时提高了微波组件的抗振动抗过载性能。

Claims (5)

1.一种低相噪抗载稳频源，包括微波电路部分和屏蔽外壳；其特征是微波电路包括电源模块、振荡电路和回波隔离模块；屏蔽外壳内设有相互独立的屏蔽腔体，分别放置低噪电源模块、振荡电路和回波隔离模块；

a、所述振荡电路包括介质振荡器、输入匹配微带线和场效应管；

介质振荡器通过输入匹配微带线连接场效应管的栅极，微带线的另一端通过负载电阻接地；

所述场效应管的源极经匹配微带线连接旁路后接地，旁路包括并联连接的旁路反馈电容和旁路电阻；

所述场效应管的漏极连接输出匹配微带线；

所述输入匹配微带线与输出匹配微带线平行，介质谐振器位于两微带线中间、靠近输入匹配微带线的位置，构成的U形的反射式振荡电路结构；所述介质谐振器悬在振荡电路的电路板上方；

b、所述电源模块包括稳压器、电容滤波网络、限流保护电阻；所述外部直流电连接稳压器的输入端，稳压器的输出端连接限流保护电阻的一端，限流电阻的另一端作为电源模块的输出端连接振荡电路的电源输入端；

所述电容滤波网络包括低频滤波电容部分和高频滤波电容部分，其中低频滤波电容部分连接在限流保护电阻的前端，高频滤波电容部分连接在限流保护电阻的后端；所述低频滤波电容部分包括两组滤波电容，它们的一端都接地，它们的另一端分别连接稳压器的输入端和输出端；所述高频滤波电容部分包括两组滤波电容，它们的一端都接地，它们的另一端分别连接在限流保护电阻的后端；

电源模块的输出端通过电感连接场效应管的漏极；

c、所述回波隔离模块包括隔离器；所述隔离器一端与输出匹配微带线连接；隔离器的另一端即为本稳频源的输出端。

2.根据权利要求1所述的低相噪抗载稳频源，其特征是

所述振荡电路的电路板材优选聚四氟乙烯电路板；所述介质谐振器的温度系数优选为+2ppm/℃；所述场效应管优选是GaAs场效应管；所述负载电阻优选50Ω；输入匹配微带线优选50Ω微带线；

所述电源模块和振荡电路之间的电感优选由两段各2.5nH的线绕电感串联构成；所述低频滤波电容优选10uF的钽电容；所述高频滤波电容分别优选1000pF的电容和100pF的电容；所述限流保护电阻优选两个22Ω串联构成；

所述输出匹配微带线的匹配阻抗是50Ω。

3.根据权利要求1所述的低相噪抗载稳频源，其特征是

所述振荡电路所在的屏蔽腔体的内壁距离介质谐振器的中心最小距离为介质谐振器半径的3.3倍±10％；屏蔽腔体的上盖板距离介质谐振器上表面的距离为介质谐振器高度的2.8倍±10％；

所述介质谐振器距离振荡电路的电路板表面距离为1mm±10％，构成弱耦合结构。

4.根据权利要求1所述的低相噪抗载稳频源，其特征是所述隔离器的反向隔离度大于40dB。

5.一种权利要求1～4任一所述稳频源的设计方法，其特征是包括步骤：1)设计电源模块；2)设计振荡电路；3)设计回波隔离模块；4)设计屏蔽外壳的屏蔽腔体；

所述步骤1)中，使用稳压器对外部供电进行稳压，稳压器连接电容滤波网络；并用限流电阻来调节加到振荡电路的场效应管上的电压，同时对场效应管进行限流保护；

所述步骤2)中，介质振荡器通过输入匹配微带线连接场效应管的栅极，输入匹配微带线的另一端通过负载电阻接地；所述场效应管的漏极连接输出匹配微带线；所述输入匹配微带线与输出匹配微带线平行，介质谐振器位于两微带中间、靠近输入匹配微带线的位置，构成的U形的反射式振荡电路结构；所述介质谐振器悬在振荡电路的电路板上方；

所述步骤3)中，输出端通过场路一体化分析，提高实际反向隔离度大于40dB；

所述步骤4)中，在屏蔽盒内设有放置电源模块、振荡电路和回波隔离模块相应的三个独立的屏蔽腔体；腔体设计时采用矩形薄板模型进行分析，根据公式：和

其中a、b、h分别为薄板的长度、宽度和厚度，D0为材料的抗弯刚度，ρ为材料的密度，E为材料的弹性模量，μ为材料的泊松比；在薄板模型的基础上采用极限加厚的方法提高腔体的固有频率，并设有有效的加固体；

同样使用薄板模型分析盖板受力情况，通过加固、分散、吸收手段，合理选择板材厚度和排布螺钉位置，使得盖板的平面均匀受力、最小化形变幅度，其形变的极大点远离谐振腔体的敏感区域，有效的提高了稳频源的抗振动性能。

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