CN104779933B - 基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器,包括工作在基频的第一振荡单元和第二振荡单元,以及同时工作于基频和二倍频的功分器,两个振荡单元的输出端与功分器的输入端相连。本发明利用工作在基频的电路输出二倍频信号,提高了输出信号频率,利用两路振荡信号功率合成,提高了信号输出功率;具有体积小、性能优异、成本低等优点,适用于微波频段的通信、雷达、仪器测量等领域。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波技术领域,特别是一种基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器。
背景技术
20世纪60年初,因为体效应器件、雪崩管振荡器和晶体管振荡器的成功研制,微波半导体振荡器得到广泛研究和发展。
介质谐振器振荡器是微波固态源的一种,其谐振网络主要由介质谐振器和微带线组成。介质谐振器采用高介电常数、低损耗的微波陶瓷材料制作而成,介电常数和Q值性能很好,加上体积小、温度稳定性好等优点,其一出现便获得很多研究者的青睐。
研究者们相继研制了串联反馈型介质振荡器和并联反馈型介质振荡器这些工作于基频且输出基频信号的电路,但他们的输出信号频率受器件限制。后来又研制了工作于基频输出二倍频信号的推-推型介质振荡器电路,In-Bok Yom等在“Push–push VoltageControlled Dielectric Resonator Oscillator Using a LTCCTechnology”中公开了一种推-推型介质振荡器,因为介质谐振器与微带的耦合不强,输出功率不理想,且因其振荡单元是串联反馈型介质振荡器,电路调试较困难。中国专利201410384957.0公开了一种差分推-推压控振荡器及信号产生装置,利用谐波抽取和倍频结合的方式实现了二倍频信号输出,但是其电路结构复杂,占用电路面积较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器。
实现本发明目的的技术方案为:一种基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器,包括工作在基频的第一振荡单元和第二振荡单元,以及同时工作于基频和二倍频的功分器,两个振荡单元的输出端与功分器的输入端相连;
所述功分器包括第一微带线、第二微带线、第三微带线、第四微带线、第五微带线、第六微带线和隔离电阻;
所述功分器设置有三个端口,分别为第一端口、第二端口和第三端口,其中第二端口和第三端口作为功分器的输入端,分别与第一振荡单元和第二振荡单元的输出端相连,第一端口作为功分器的输出端;
所述第三微带线、第四微带线和第五微带线的一端同时与功分器的第一端口相连,第四微带线的另一端开路或短路,第三微带线的另一端同时与第一微带线和第二微带线的一端相连,同时还与功分器的第二端口相连,第一微带线的另一端开路或短路,第二微带线的另一端与隔离电阻的一端相连,隔离电阻的另一端与第六微带线的一端及功分器的第三端口相连,第六微带线的另一端为开路或短路,第五微带线的另一端与功分器的第三端口相连。
本发明与现有技术相比,其显著优点为:
(1)本发明采用基频反相输出二倍频同相输出的双频功分器提取两路并联反馈型介质振荡器的二次谐波信号,在保证信号质量的前提下提高了电路的输出频率,利用功率合成技术提高了信号的功率。
(2)本发明的功分器电路采用单节双臂结构,较传统双频异相功分器占用电路面积小。
(3)本发明的功分器电路输出端口对称,因而便于电路安装。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
附图说明
图1是本发明基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器的原理框图。
图2是本发明基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器的电路原理图。
图3是本发明实施例的实测S参数(│S11│、│S22│和│S33│)曲线图。
图4是本发明实施例的实测S参数(│S21│、│S31│和│S23│)曲线图。
图5是本发明实施例的实测相位参数曲线。
具体实施方式
结合图1,一种基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器,包括工作在基频的第一振荡单元和第二振荡单元,以及同时工作于基频和二倍频的功分器,两个振荡单元的输出端与功分器的输入端相连;
所述功分器包括第一微带线1、第二微带线2、第三微带线3、第四微带线4、第五微带线5、第六微带线6和隔离电阻R1;
所述功分器设置有三个端口,分别为第一端口、第二端口和第三端口,其中第二端口和第三端口作为功分器的输入端,分别与第一振荡单元和第二振荡单元的输出端相连,第一端口作为功分器的输出端;
所述第三微带线3、第四微带线4和第五微带线5的一端同时与功分器的第一端口相连,第四微带线4的另一端开路或短路,第三微带线3的另一端同时与第一微带线1和第二微带线2的一端相连,同时还与功分器的第二端口相连,第一微带线1的另一端开路或短路,第二微带线2的另一端与隔离电阻R1的一端相连,隔离电阻R1的另一端与第六微带线6的一端及功分器的第三端口相连,第六微带线6的另一端为开路或短路,第五微带线5的另一端与功分器的第三端口相连。
所述第一振荡单元和第二振荡单元结构相同,均为并联反馈型介质振荡器。
第一振荡单元包括第七微带线7、第八微带线8、第九微带线9、第十微带线10、第十一微带线11、第十二微带线12、第十三微带线13、第十四微带线14、第十五微带线15、第十六微带线16、第十七微带线17、第十八微带线18、第十九微带线19、第二十微带线20、第二十一微带线21、第二十二微带线22、第二十三微带线23、第二十四微带线24、第二十五微带线25、第二十六微带线26、第二十七微带线27、第一晶体管T1、第一介质谐振器DR1、第一偏置电压V1、第二偏置电压V2和第一电容C1;
所述第七微带线7的一端与第一晶体管T1的栅极相连,第七微带线7的另一端同时与第十四微带线14及第十三微带线13的一端相连,第十四微带线14的另一端与第十五微带线15及第十六微带线16的一端相连,第十五微带线15的另一端开路,第十六微带线16的另一端同时与第十七微带线17及第十八微带线18的一端相连,第十七微带线17的另一端开路,第十八微带线18的另一端接入第一偏置电压V1;第十三微带线13的另一端与第十二微带线12的一端相连,第十二微带线12的另一端开路;所述第一晶体管T1的源极接地,第一晶体管T1的漏极与第八微带线8的一端相连,第八微带线8的另一端与第九微带线9及第十九微带线19的一端相连,第十九微带线19的另一端与第二十微带线20及第二十一微带线21的一端相连,第二十微带线20的另一端开路,第二十一微带线21的另一端与第二十二微带线22及第二十三微带线23的一端相连,第二十二微带线22的另一端开路,第二十三微带线23的另一端接入第二偏置电压V2,第九微带线9的另一端与第十微带线10及第二十四微带线24的一端相连,第十微带线10的另一端与第十一微带线11的一端相连,第十一微带线11的另一端开路;第二十四微带线24的另一端同时与第二十五微带线25和第二十六微带线26的一端相连,第二十五微带线25的另一端开路,第二十六微带线26的另一端与第一电容C1的一端相连,第一电容C1的另一端与第二十七微带线27的一端相连,第二十七微带线27的另一端与功分器的第二端口相连;所述第十一微带线11和第十二微带线12的两个开路端对齐且相互平行设置,所述第一介质谐振器DR1设置在第十一微带线11和第十二微带线12的中心位置;
第二振荡单元包括第二十八微带线28、第二十九微带线29、第三十微带线30、第三十一微带线31、第三十二微带线32、第三十三微带线33、第三十四微带线34、第三十五微带线35、第三十六微带线36、第三十七微带线37、第三十八微带线38、第三十九微带线39、第四十微带线40、第四十一微带线41、第四十二微带线42、第四十三微带线43、第四十四微带线44、第四十五微带线45、第四十六微带线46、第四十七微带线47、第四十八微带线48、第二晶体管T2、第二介质谐振器DR2、第三偏置电压V3、第四偏置电压V4和第二电容C2;
所述第二十八微带线28的一端与第二晶体管T2的栅极相连,第二十八微带线28的另一端与第三十五微带线35及第三十四微带线34的一端相连,第三十五微带线35的另一端与第三十六微带线36及第三十七微带线37的一端相连,第三十六微带线36的另一端开路,第三十七微带线37的另一端与第三十八微带线38及第三十九微带线39的一端相连,第三十八微带线38的另一端开路,第三十九微带线39的另一端接入第三偏置电压V3;第三十四微带线34的另一端与第三十三微带线33的一端相连,第三十三微带线33的另一端开路;所述第二晶体管T2的源极接地,第二晶体管T2的漏极与第二十九微带线29的一端相连,第二十九微带线29的另一端与第三十微带线30及第四十微带线40的一端相连,第四十微带线40的另一端与第四十一微带线41及第四十二微带线42的一端相连,第四十一微带线41的另一端开路,第四十二微带线42的另一端与第四十三微带线43及第四十四微带线44的一端相连,第四十三微带线43的另一端开路,第四十四微带线44的另一端接入第四偏置电压V4;第三十微带线30的另一端与第三十一微带线31及第四十五微带线45的一端相连,第三十一微带线31的另一端与第三十二微带线32的一端相连,第三十二微带线32的另一端开路;第四十五微带线45的另一端同时与第四十六微带线46和第四十七微带线47的一端相连,第四十六微带线46的另一端开路,第四十七微带线47的另一端与第二电容C2的一端相连,第二电容C2的另一端与第四十八微带线48的一端相连,第四十八微带线48的另一端与功分器的第三端口相连;所述第三十二微带线32和第三十三微带线33的两个开路端对齐且相互平行设置,所述第二介质谐振器DR2设置在第三十二微带线32和第三十三微带线33的中心位置;
所述第一介质谐振器DR1和第二介质谐振器DR2均为圆柱体介质谐振器。
所述第十一微带线11和第十二微带线12的开路端与第一介质谐振器DR1的中心距离基频处的四分之一波长;第三十二微带线32和第三十三微带线33的开路端与第二介质谐振器DR2的中心距离基频处的四分之一波长。
第十四微带线14、第十六微带线16、第十九微带线19、第二十一微带线21、第三十五微带线35、第三十七微带线37、第四十微带线40及第四十二微带线42均是特性阻抗为100Ω、电长度为二倍频处四分之一波长的微带线。
第十五微带线15、第二十微带线20、第三十六微带线36及第四十一微带线41均是半径为二倍频处四分之一波长的扇形微带线;第十七微带线17、第二十二微带线22、第三十八微带线38及第四十三微带线43都是半径为基频处四分之一波长的扇形微带线。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
结合图2,一种基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器,两路介质振荡器输出的等幅同相的信号从功分器的第二、第三端口输入,第一端口输出的信号中二次谐波功率为主,基波被抑制。
两路介质振荡器电路采用并联反馈型介质振荡,令功分器第二端口与第一端口的相位差为θ12,第三端口与第一端口的相位差为θ13,将θ12和θ13在基频(f1)和二倍频(f2)处分别设置如表1:
表1相位差设置
功分器在f1和f2处预期得到的导纳矩阵为:
该功分器在f1和f2处相应于拓扑结构的导纳矩阵为:
其中,Za、Zb、分别为第三微带线3、第五微带线5的特性阻抗和电长度;分别为从功分器的第一端口往第四微带线4看过去的f1和f2处的导纳, 分别为从功分器的第二端口向第一微带线1看过去的f1和f2处的导纳,分别为从功分器的第三端口向第六微带线6看过去的f1和f2处的导纳;R为隔离电阻阻值。
将(1)、(2)、(3)、(4)四个导纳矩阵联立可求得Za和Zb均为81.65Ω,分别为120°和300°;第四微带线4为特性阻抗为40.83Ω,电长度为60°的短路线,第一微带线1和第六微带线6都为特性阻抗为81.65Ω,电长度为60°的短路线;第二微带线2的电长度设置为在f1处的180°;隔离电阻阻值R为100Ω。
本实施例基波频率为9.75GHz,基频反相输出二倍频同相输出的功分器所使用的介质板为Arlon 880,介电常数为2.2,厚度为0.254mm。
图3和图4给出了实测功分器S参数结果,其中│S11│、│S22│、│S33│、│S21│、│S31│及│S23│为功分器三端口散射矩阵中各元素的模值。图5给出了输出端口的相位参数结果,其中∠S21和∠S31分别为功分器三端口散射矩阵中元素S21及S31的相位,也即端口2和端口3与端口1之间的相位差,(∠S31-∠S21)为端口3与端口2之间的相位差。可以看到该功分器端口在9.75GHz处,│S11│=-22.3dB,│S22│=-15.3dB,│S33│=-14.05dB,│S21│=-3.24dB,│S23│=-15.4dB,∠S21=-89.6°,∠S31=89.5°,即回波损耗大于14.05dB,插入损耗小于3.24dB,输出端口隔离度为15.4dB,输出端口相位差为179.1°;在19.5GHz处,│S11│=-14.48dB,│S22│=-15.68dB,│S33│=-15.92dB,│S21│=-3.68dB,│S23│=-19.55dB,∠S21=90.05°,∠S31=91.8°,即回波损耗大于14.48dB,插入损耗小于3.68dB,输出端口隔离度为19.55dB,输出端口相位差为1.75°;电路面积0.21λ1×0.58λ1,较传统电路减少近70%。
本实施例的基于基频反相输出二倍频同相输出的介质振荡器的输出频率为19.50125GHz,二次谐波信号功率为-0.417dBm,二次谐波对基波抑制为15dB,二次谐波相位噪声为-68.48dBc@10kHz,-95.13dBc@100kHz。
本发明实现了对两路并联反馈型介质振荡器输出信号的基波抑制二次谐波合成的功能,得到了频谱纯净的输出信号;电路的两个主要部分可并行设计,缩短了研制周期;采用体积较小的并联反馈型介质振荡器和占用电路面积较小的双频功分器使得整体电路面积大大减小,电路成本也大大降低。
Claims (6)
1.一种基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器,其特征在于,包括工作在基频的第一振荡单元和第二振荡单元,以及同时工作于基频和二倍频的功分器,两个振荡单元的输出端与功分器的输入端相连;
所述功分器包括第一微带线(1)、第二微带线(2)、第三微带线(3)、第四微带线(4)、第五微带线(5)、第六微带线(6)和隔离电阻(R1);
所述功分器设置有三个端口,分别为第一端口、第二端口和第三端口,其中第二端口和第三端口作为功分器的输入端,分别与第一振荡单元和第二振荡单元的输出端相连,第一端口作为功分器的输出端;
所述第三微带线(3)、第四微带线(4)和第五微带线(5)的一端同时与功分器的第一端口相连,第四微带线(4)的另一端开路或短路,第三微带线(3)的另一端同时与第一微带线(1)和第二微带线(2)的一端相连,同时还与功分器的第二端口相连,第一微带线(1)的另一端开路或短路,第二微带线(2)的另一端与隔离电阻(R1)的一端相连,隔离电阻(R1)的另一端与第六微带线(6)的一端及功分器的第三端口相连,第六微带线(6)的另一端为开路或短路,第五微带线(5)的另一端与功分器的第三端口相连;
所述第一振荡单元和第二振荡单元均为并联反馈型介质振荡器,第一振荡单元和第二振荡单元结构相同;
第一振荡单元包括第七微带线(7)、第八微带线(8)、第九微带线(9)、第十微带线(10)、第十一微带线(11)、第十二微带线(12)、第十三微带线(13)、第十四微带线(14)、第十五微带线(15)、第十六微带线(16)、第十七微带线(17)、第十八微带线(18)、第十九微带线(19)、第二十微带线(20)、第二十一微带线(21)、第二十二微带线(22)、第二十三微带线(23)、第二十四微带线(24)、第二十五微带线(25)、第二十六微带线(26)、第二十七微带线(27)、第一晶体管(T1)、第一介质谐振器(DR1)、第一偏置电压(V1)、第二偏置电压(V2)和第一电容(C1);
所述第七微带线(7)的一端与第一晶体管(T1)的栅极相连,第七微带线(7)的另一端同时与第十四微带线(14)及第十三微带线(13)的一端相连,第十四微带线(14)的另一端同时与第十五微带线(15)及第十六微带线(16)的一端相连,第十五微带线(15)的另一端开路,第十六微带线(16)的另一端同时与第十七微带线(17)及第十八微带线(18)的一端相连,第十七微带线(17)的另一端开路,第十八微带线(18)的另一端接入第一偏置电压(V1),第十三微带线(13)的另一端与第十二微带线(12)的一端相连,第十二微带线(12)的另一端开路;所述第一晶体管(T1)的源极接地,第一晶体管(T1)的漏极与第八微带线(8)的一端相连,第八微带线(8)的另一端与第九微带线(9)及第十九微带线(19)的一端相连,第十九微带线(19)的另一端与第二十微带线(20)及第二十一微带线(21)的一端相连,第二十微带线(20)的另一端开路,第二十一微带线(21)的另一端与第二十二微带线(22)及第二十三微带线(23)的一端相连,第二十二微带线(22)的另一端开路,第二十三微带线(23)的另一端接入第二偏置电压(V2),第九微带线(9)的另一端与第十微带线(10)及第二十四微带线(24)的一端相连,第十微带线(10)的另一端与第十一微带线(11)的一端相连,第十一微带线(11)的另一端开路;第二十四微带线(24)的另一端同时与第二十五微带线(25)和第二十六微带线(26)的一端相连,第二十五微带线(25)的另一端开路,第二十六微带线(26)的另一端与第一电容(C1)的一端相连,第一电容(C1)的另一端与第二十七微带线(27)的一端相连,第二十七微带线(27)的另一端与功分器的第二端口相连;所述第十一微带线(11)和第十二微带线(12)的两个开路端对齐且相互平行设置,所述第一介质谐振器(DR1)设置在第十一微带线(11)和第十二微带线(12)的中心位置;
第二振荡单元包括第二十八微带线(28)、第二十九微带线(29)、第三十微带线(30)、第三十一微带线(31)、第三十二微带线(32)、第三十三微带线(33)、第三十四微带线(34)、第三十五微带线(35)、第三十六微带线(36)、第三十七微带线(37)、第三十八微带线(38)、第三十九微带线(39)、第四十微带线(40)、第四十一微带线(41)、第四十二微带线(42)、第四十三微带线(43)、第四十四微带线(44)、第四十五微带线(45)、第四十六微带线(46)、第四十七微带线(47)、第四十八微带线(48)、第二晶体管(T2)、第二介质谐振器(DR2)、第三偏置电压(V3)、第四偏置电压(V4)和第二电容(C2);
所述第二十八微带线(28)的一端与第二晶体管(T2)的栅极相连,第二十八微带线(28)的另一端与第三十五微带线(35)及第三十四微带线(34)的一端相连,第三十五微带线(35)的另一端与第三十六微带线(36)及第三十七微带线(37)的一端相连,第三十六微带线(36)的另一端开路,第三十七微带线(37)的另一端与第三十八微带线(38)及第三十九微带线(39)的一端相连,第三十八微带线(38)的另一端开路,第三十九微带线(39)的另一端接入第三偏置电压(V3);第三十四微带线(34)的另一端与第三十三微带线(33)的一端相连,第三十三微带线(33)的另一端开路;所述第二晶体管(T2)的源极接地,第二晶体管(T2)的漏极与第二十九微带线(29)的一端相连,第二十九微带线(29)的另一端与第三十微带线(30)及第四十微带线(40)的一端相连,第四十微带线(40)的另一端与第四十一微带线(41)及第四十二微带线(42)的一端相连,第四十一微带线(41)的另一端开路,第四十二微带线(42)的另一端与第四十三微带线(43)及第四十四微带线(44)的一端相连,第四十三微带线(43)的另一端开路,第四十四微带线(44)的另一端接入第四偏置电压(V4);第三十微带线(30)的另一端与第三十一微带线(31)及第四十五微带线(45)的一端相连,第三十一微带线(31)的另一端与第三十二微带线(32)的一端相连,第三十二微带线(32)的另一端开路;第四十五微带线(45)的另一端同时与第四十六微带线(46)和第四十七微带线(47)的一端相连,第四十六微带线(46)的另一端开路,第四十七微带线(47)的另一端与第二电容(C2)的一端相连,第二电容(C2)的另一端与第四十八微带线(48)的一端相连,第四十八微带线(48)的另一端与功分器的第三端口相连;所述第三十二微带线(32)和第三十三微带线(33)的两个开路端对齐且相互平行设置,所述第二介质谐振器(DR2)设置在第三十二微带线(32)和第三十三微带线(33)的中心位置;
第三微带线(3)、第五微带线(5)的特性阻抗Za和Zb均为81.65Ω,第三微带线(3)、第五微带线(5)的电长度和分别为120°和300°;第四微带线(4)为特性阻抗为40.83Ω,电长度为60°的短路线,第一微带线(1)和第六微带线(6)均为特性阻抗为81.65Ω,电长度为60°的短路线;第二微带线(2)的电长度设置为在基频f1处180°;隔离电阻阻值R为100Ω。
2.根据权利要求1所述的基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器,其特征在于,第一介质谐振器(DR1)和第二介质谐振器(DR2)均为圆柱体介质谐振器。
3.根据权利要求2所述的基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器,其特征在于,所述第十一微带线(11)和第十二微带线(12)的开路端与介质谐振器的中心距离基频处的四分之一波长;第三十二微带线(32)和第三十三微带线(33)的开路端与介质谐振器的中心距离基频处的四分之一波长。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器,其特征在于,第十四微带线(14)、第十六微带线(16)、第十九微带线(19)、第二十一微带线(21)、第三十五微带线(35)、第三十七微带线(37)、第四十微带线(40)及第四十二微带线(42)均是特性阻抗为100Ω、电长度为二倍频处四分之一波长的微带线。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器,其特征在于,第十五微带线(15)、第二十微带线(20)、第三十六微带线(36)及第四十一微带线(41)均是半径为二倍频处四分之一波长的扇形微带线。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的基于基频反相输出二倍频同相输出功分器的介质振荡器,其特征在于,第十七微带线(17)、第二十二微带线(22)、第三十八微带线(38)及第四十三微带线(43)均是半径为基频处四分之一波长的扇形微带线。
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