CN102739161B - 一种宽带频率可调环形谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽带频率可调环形谐振器，该环形谐振器包括闭合的半波长传输线和两个电容值可调的可变电容，且闭合的半波长传输线相对中心线呈轴对称，所述两个可变电容的一端分别连接在半波长传输线上的中心线处，所述两个可变电容的另一端分别接地。实施本发明的技术方案，通过控制所加载的可变电容取值，能够使环形谐振器的基波谐振频率双向调节，从而使基波谐振频率的调谐范围可达到普通环形谐振器的调谐范围的两倍。而且在该可调频率范围内，不会有其他谐振频率存在，从而保证基波频率宽带可调范围的有效性。另外，采用电容加载技术，用加载电容的方式去改变谐振器的有效电长度进而调节谐振频率，这样便于理论分析、设计和加工。

Description

一种宽带频率可调环形谐振器

技术领域

本发明涉及无线通讯设备，更具体地说，涉及一种宽带频率可调环形谐振器。

背景技术

近些年来，可调或可重构微波电路逐渐成为研究热点而受到越来越多研究者的关注，其主要原因在于它对提高当前和未来无线通信系统的性能和通讯能力方面将发挥至关重要的作用。在国内外，为了实现频率可调的功能，多种形式或多种工艺被深入研究，如射频微机电系统(RF MEMS)、半导体二极管、铁电材料等。其中变容二极管由于其高调谐速率和高可靠性而被广泛用于可调或可重构微波电路设计。

总所周知，可调传输线谐振器是构建微波可调电路和系统的核心部件。可调全波长环形谐振器是一种典型的例子，除了对它本身研究和应用外，由它衍生出来的终端开路或短路半波长谐振器也被广泛研究和工程应用，成为可调微波电路设计的关键部件。然而，根据国内外的文献报道，无论是全波长或半波长谐振器，其基波谐振频率的调谐范围总是从f₀到0(f₀→0)(f₀为初始状态下谐振器的基波谐振频率)。其工作原理总是随着所加载的电容值的增加，基波谐振频率向下移动。显然，该类型谐振器的基波频率谐振范围非常有限，从而不能满足未来可调或可重构通讯系统的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述谐振器的基波谐振频率的可调范围小的缺陷，提供一种能克服上述缺陷的频率可调环形谐振器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种宽带频率可调环形谐振器，包括闭合的半波长传输线和两个电容值可调的可变电容，且闭合的半波长传输线相对中心线呈轴对称，所述两个可变电容的第一端分别连接在半波长传输线与所述中心线的两个交点处，所述两个可变电容的第二端分别接地。

在本发明所述的频率可调环形谐振器中，所述闭合的半波长传输线连接成方形。

在本发明所述的频率可调环形谐振器中，所述闭合的半波长传输线连接成圆形。

在本发明所述的频率可调环形谐振器中，所述可变电容包括串联的变容二极管和隔直电容。

在本发明所述的频率可调环形谐振器中，所述可变电容为具有电容可变功能的半导体二极管或三极管。

在本发明所述的频率可调环形谐振器中，所述半波长传输线为半波长微波传输线。

在本发明所述的频率可调环形谐振器中，所述半波长微波传输线为半波长微带线、半波长共面波导、半波长槽线。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：

1、通过控制所加载的可变电容取值，能够使环形谐振器的基波谐振频率产生两个方向调节，从而使基波谐振频率的调谐范围达到约是普通环形谐振器的调谐范围的两倍；

2、尽管该谐振器的基波谐振频率可调范围很宽，但是在该可调频率范围内，不会有其他谐振频率存在，从而保证基波频率宽带可调范围的有效性；

3、本发明采用电容加载技术，用加载电容的方式去改变谐振器的有效电长度，这样便于理论分析、设计和加工。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明频率可调环形谐振器实施例一的逻辑图；

图2是本发明频率可调环形谐振器实施例一的偶模等效电路图；

图3是本发明频率可调环形谐振器实施例一的奇模等效电路图；

图4a是本发明频率可调环形谐振器的第一电容C₁在测试时的等效电路图；

图4b是本发明频率可调环形谐振器的第二电容C₂在测试时的等效电路图；

图5是本发明频率可调微带环形谐振器的实测频率响应的曲线图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明频率可调环形谐振器实施例一的逻辑图中，该谐振器包括闭合的半波长传输线10和两个电容值可调的可变电容C₁、C₂，且闭合的半波长传输线10相对中心线呈轴对称，中心线两侧的传输线长度都为四分之一波长。在该实施例中，闭合的半波长传输线10连接成方形，应当说明的是，这只是本发明的一个实施例，并不用于限制本发明的范围，半波长传输线也可连接成圆形或其它呈轴对称的封闭图形，如正六边形、正八边形等。两个可变电容C₁、C₂的第一端分别连接在半波长传输线与所述中心线的两个交点处，即分别连接在半波长传输线的点A处和点B处，两个可变电容C₁、C₂的第二端分别接地。

下面详细说明该频率可调环形谐振器的工作原理：首先对该频率可调环形谐振器进行奇偶模分析。

A.偶模分析

当偶模激励加到环形谐振器的馈点(Feed 1和Feed 2)时，环形谐振器的中心线上没有电流。因此，我们可以把环形谐振器对称地分割成两部分，得到该环形谐振器的偶模等效电路，如图2所示，该环形谐振器的输入导纳为：

$Y_{\mathrm{even}}=Y_C\·(\frac{{\mathrm{jb}}_1+j{Y}_C\tan {\mathrm{\θ}}_1}{Y_C+j\left({\mathrm{jb}}_1\right)\tan {\mathrm{\θ}}_1}+\frac{{\mathrm{jb}}_2+j{Y}_C\tan {\mathrm{\θ}}_2}{Y_C+j\left({\mathrm{jb}}_2\right)\tan {\mathrm{\θ}}_2}),---\left(1\right)$

$b_i=\frac{\mathrm{\ω}{C}_i}{2},$ i＝1或者2                            (2)

其中，Y_C是传输线的特征导纳；θ_j(j＝1或者2)是传输线的电长度。

该环形谐振器的初始状态被定义成C₁＝∞，C₂＝0。相应地，该环形谐振器可以当成终端短路的半波长环形谐振器来分析。此时，方程(1)变成

$Y_{\mathrm{even}}=Y_C\·(\frac{-j}{\tan {\mathrm{\θ}}_1}+j\tan {\mathrm{\θ}}_2)---\left(3\right)$

从而我们可以得到初始状态下的基波谐振频率f_fund，即f₀

$f_0=\frac{c}{2L\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}---\left(4\right)$

其中：c是真空中的光速，ε_eff是有效介电常数，L是环形谐振器的周长。

为了研究该谐振器的f_fund调谐原理，具体分析可分为以下两个步骤：

(i)固定C₁＝∞，C₂从0变化到∞

C₁＝∞意味着b₁＝∞，也就是图1中的点A对地短路，此时，方程(1)简化为：

$Y_{\mathrm{even}}=-j\frac{Y_C}{\tan {\mathrm{\θ}}_1}+Y_C\frac{{\mathrm{jb}}_2+{\mathrm{jY}}_C\tan {\mathrm{\θ}}_2}{Y_C+j\left({\mathrm{jb}}_2\right)\tan {\mathrm{\θ}}_2}---\left(5\right)$

根据谐振条件：Y_even的虚部为0，即Im{Y_even}＝0

b₂(tanθ₁+tanθ₂)+Y_C(tanθ₁tanθ₂-1)＝0                    (6a)

Y_C-b₂tanθ₂≠0                                             (6b)

从(6a)中可求出

$b_2=\frac{Y_C(1-\tan {\mathrm{\θ}}_1\tan {\mathrm{\θ}}_2)}{\tan {\mathrm{\θ}}_1+\tan {\mathrm{\θ}}_2}=\frac{Y_C}{\tan ({\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2)}---\left(7\right)$

偶模谐振频率f_even表达式

$f_{\mathrm{even}}=\frac{[\arctan \left(\frac{Y_C}{b_2}\right)+\mathrm{m\π}]\·c}{\mathrm{\πL}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}---\left(8\right)$

其中m＝0，1，2，3，…。从方程(8)中可以看出，f_even代表的是该环形谐振器的f_fund(m＝1)和它的奇次谐波。当C₂的容值发生改变时，f_fund和它的奇次谐波都将可调。由于

$0\≤\arctan \left(\frac{Y_C}{b_2}\right)\≤\frac{\mathrm{\π}}{2}---\left(9\right)$

所以我们可以得到f_fund和它的奇次谐波的可调范围，如表1所示。理论上，C₂从0增加到∞时，f_fund随着由f₀降低到0。

表1，当固定C₁＝∞，C₂从0变化到∞时，f_fund和它的奇次谐波的可调范围

注：f_3rd为f_fund的三次谐波；f_5th为f_fund的五次谐波

(ii)固定C₂＝0，C₁从∞变化到0

C₂＝0意味着b₂＝0，也就是说，B点没有加载电容(对地开路)，方程(1)变为，

$Y_{\mathrm{Even}}=Y_C\frac{{\mathrm{jb}}_1+{\mathrm{jY}}_C\tan {\mathrm{\θ}}_1}{Y_C+j\left({\mathrm{jb}}_1\right)\tan {\mathrm{\θ}}_1}+{\mathrm{jY}}_C\tan {\mathrm{\θ}}_2---\left(10\right)$

由Im{Y_even}＝0得，

Y_C(tanθ₁+tanθ₂)+b₁(1-tanθ₁tanθ₂)＝0                    (11a)

Y_C-b₁tanθ₁≠0.                                            (11b)

从(11a)得，

b₁＝-Y_Ctan(θ₁+θ₂)                                        (12)

因此，偶模谐振频率f_even表达式，

$f_{\mathrm{even}}=\frac{[\mathrm{k\π}-\arctan \left(\frac{b_1}{Y_C}\right)]\·c}{\mathrm{\πL}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}---\left(13\right)$

其中k＝1，2，3，…。当k＝1，f_even对应于f_fund。由于

$\frac{\mathrm{\π}}{2}\≤\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{b_1}{Y_C}\right)\≤\mathrm{\π}---\left(14\right)$

所以我们可以得到f_fund和它的奇次谐波的可调范围，如表2所示。理论上，C₁从∞减小到0时，f_fund随着由f₀增加到2f₀。

表2，当固定C₂＝0，C₁从∞变化到0时，f_fund和它的奇次谐波的可调范围

B.奇模分析

当奇模激励加到环形谐振器的馈点(Feed 1和Feed 2)时，环形谐振器的中心线上电压为零。因此，加载电容C₁、C₂在等效电路中可忽略。点A和B都对地短路，这样我们可以把环形谐振器对称地分割成两部分，得到该环形谐振器的奇模等效电路，如图3所示，该环形谐振器的输入导纳为：

$Y_{\mathrm{odd}}=-j\frac{Y_C}{\tan {\mathrm{\θ}}_1}-j\frac{Y_C}{\tan {\mathrm{\θ}}_2}---\left(15\right)$

由Im{Y_odd}＝0得

θ₁+θ₂＝pπ                           (16a)

θ₁或 ${\mathrm{\θ}}_2\≠\frac{(2p-1)\mathrm{\π}}{2}---\left(16b\right)$

其中p＝1，2，3，…。从(16a)我们可以得到奇模谐振频率f_odd的表达式

$f_{\mathrm{odd}}=\frac{\mathrm{pc}}{L\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}}---\left(17\right)$

f_odd对应于f_fund的偶次谐波频率。而且它们不随电容C₁或C₂的改变而改变。

综上所述，f_fund可以围绕初始状态(C₁＝∞，C₂＝0)下谐振器基波谐振频率f₀双向调节。理论上，本发明的谐振器的频率可调范围达到0→2f₀，如表3所示，与传统可调谐振器相比(可调范围为f₀→0)，可调频率范围大大拓宽，达到2倍。同时，本发明谐振器的f_fund和它的谐波在频率调谐范围上没有重叠，也就是说在f_fund可调范围内没有其他谐振频率出现，保证了f_fund宽带可调范围的有效性。

表3，f_fund和它的谐波频率的可调范围

图4a和图4b分别是本发明频率可调环形谐振器的第一电容C₁、第二电容C₂在测试时的等效电路图，其中，RFC(RF Choke)用来实现直流偏置电压(V_b1和V_b2)和射频信号之间的隔离。串联的变容二极管Var 1(Var 2)和普通的隔直电容C_a1(C_a2)来实现上述实施例中的可变电容C₁(C₂)，具体的可变电容值可用下面公式来表示：

$C_{\mathrm{ti}}=\frac{C_{\mathrm{vi}}{C}_{\mathrm{ai}}}{C_{\mathrm{vi}}+C_{\mathrm{ai}}},$ i＝1或2                    (18)

其中，C_vi代表变容二极管的电容值，且该容值随直流偏置电压(V_b1和V_b2)的变化而变化。C_ai代表隔直电容的电容值。由于目前市场上变容二极管的可调电容值及可调范围是多种多样的，所以，本发明中用到的变容二极管和隔直电容都需要慎重考虑并加以选择。根据前面的分析，C_t2电容初始值应该尽可能小，来近似本发明的初始状态C₂＝0的要求，C_t1电容初始值应该尽可能大来满足初始状态要求的C₁＝∞。在此基础上，还要考虑C_t1和C_t2的可调范围，因为他们的可调范围决定了本发明谐振器f_fund的可调范围。因此，变容二极管C_v2选择Skyworks SMV1233型号，它的电容可调范围为0.84→5.08pF，并且取隔直电容C_a2为10pF。同时，变容二极管C_v1选择Toshiba ISV232型号，它的可变范围是2.9→30pF，同时，隔直电容C_a1取定值为100pF。

图5示出了本发明频率可调环形谐振器的实测频率响应曲线图。由图可知，在初始状态下，即V_b1＝0V和V_b2＝15V，f_fund＝f₀＝1.06GHz。当V_b1＝0V固定，减少V_b2取值时(15V→0V)，f_fund从1.06GHz降到0.68GHz。另一方面，当V_b2＝15V固定，增加V_b1取值时(0V→25V)，f_fund从1.06GHz向上移动到1.53GHz。这样就验证了本发明谐振器的f_fund可双向调节，且总的调谐范围达到1.25个倍频程(0.68GHz→1.53GHz)。

还应当说明的是，在本发明的频率可调环形谐振器中，还可用射频微机系统或半导体二极管及三极管来实现可变电容。另外，半波长传输线可为半波长微波传输线，例如半波长微带线、半波长共面波导、半波长槽线等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种宽带频率可调环形谐振器，其特征在于，包括闭合的半波长传输线和两个电容值可调的可变电容C₁和C₂，且闭合的半波长传输线相对中心线呈轴对称，所述两个可变电容的第一端分别连接在半波长传输线与所述中心线的两个交点处，所述两个可变电容的第二端分别接地；

其中：对该环形谐振器进行奇偶模分析，所述环形谐振器的基波谐振频率f_fund围绕在初始状态C₁＝∞，C₂＝0下的基波谐振频率f₀进行双向调节。

2.根据权利要求1所述的频率可调环形谐振器，其特征在于，所述闭合的半波长传输线连接成方形。

3.根据权利要求1所述的频率可调环形谐振器，其特征在于，所述闭合的半波长传输线连接成圆形。

4.根据权利要求1所述的频率可调环形谐振器，其特征在于，所述可变电容包括串联的变容二极管和隔直电容。

5.根据权利要求1所述的频率可调环形谐振器，其特征在于，所述可变电容为具有电容可变功能的半导体二极管或三极管。

6.根据权利要求1所述的频率可调环形谐振器，其特征在于，所述半波长传输线为半波长微波传输线。

7.根据权利要求6所述的频率可调环形谐振器，其特征在于，所述半波长微波传输线为半波长微带线、半波长共面波导、半波长槽线。