CN107221733A - 一种hbar谐振器及可调谐微波振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种HBAR谐振器及可调谐微波振荡器，该可调谐微波振荡器主要包括HBAR谐振器、功率放大器、调谐器三部分。HBAR谐振器具有高Q值和多模谐振特性，是可调谐微波振荡器的核心，决定环路振荡频率，功率放大器采用低噪声系数的元器件组成放大电路，用于对信号功率进行放大，调谐器用于筛选目标频率信号，通过调节调谐器，使HBAR谐振器工作在不同模式上，以改变可调谐微波振荡器环路输出频率。本发明提供的可调谐微波振荡器，环路振荡频率可调，可直接基频输出微波频段信号，不需要经过倍频处理，解决了传统的微波振荡器电路复杂、相位噪声高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微波射频领域，尤其涉及一种HBAR谐振器及可调谐微波振荡器。
背景技术
随着无线通信设备的飞速发展，微波射频领域受到了人们的广泛关注。频率的产生源是大部分电子系统不可或缺的组成部分，特别是对微波毫米波频率源的性能指标要求也越来越高。在很多现代无线通信系统中，一些可调的信号源比如压控振荡器也广泛应用于手机、卫星通信、雷达等电子系统，因此对微波频率源以及可调频的微波频率源的研究具有重要的意义。
传统的微波信号源的设计一般是采用石英晶体谐振器在低频下产生振荡(一般为几兆赫～几十兆赫)，然后采用倍频的办法形成高频信号，这样做的缺点是造成线路复杂、体积大、成本高，同时经过几次倍频之后，相位噪声变大。采用介质同轴谐振器虽然可直接工作在GHz，具有较好的温度特性，但是成本较高，Q值较低，体积较大；采用声表面波谐振器虽然具有较高的Q值，但由于其固有的叉指结构，受限于加工工艺的精度，很难将工作频率扩展到GHz以上，而且制作成本较高。
随着现在各种便携式的电子设备以及军事设备的快速应用，使得现在的可调振荡器组件不断向小型化、高频率、高稳定性的方向发展。传统的基于LC或者晶体谐振器的压控振荡器虽然可以产生参考频率信号，但是频率较低，所需的各种频率信号再由这个信号经分频、混频或倍频而得到。但与此同时也会带来电路复杂、体积大而笨重、相位噪声变大等问题。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种HBAR谐振器，主要由顶电极、压电薄膜和底电极组成的夹心换能器结构和其下的基底层构成，顶电极和底电极采用离子镀铬-金膜制备，压电薄膜采用直流磁控溅射ZnO制备，基底层采用低损耗的蓝宝石。
本发明第二方面提供了一种可调谐微波振荡器，包括HBAR谐振器、功率放大器和调谐器，其中，HBAR谐振器具有高Q值和多模谐振特性，决定环路振荡频率，功率放大器采用低噪声系数的元器件组成，用于对信号功率进行放大，调谐器用于筛选目标频率信号，通过调节调谐器，使HBAR谐振器工作在不同模式上，以改变可调谐微波振荡器环路输出频率。
优选地，功率放大器主要由高频低噪声三极管和第一电阻、第二电阻、第三电阻、第三电容、第四电容构成，调谐器主要由第一电容、第二电容和电感组成的LC并联谐振电路构成，HBAR谐振器一端接地，另一端与功率放大器连接。
优选地，HBAR谐振器具有多模谐振特性，通过调整调谐器改变输出频率，调谐方法采用程序控制、电压控制、开关控制等方法中的任意一种。
优选地，LC并联谐振电路计算公式为：其中
优选地，高频低噪声三极管为NEC公司的三极管2SC4226。
附图说明
图1为本发明提供的HBAR谐振器结构示意图；
图2为本发明提供的一种可调谐微波振荡器简化电路示意图；
图3为本发明提供的一种可调谐微波振荡器两相邻模式的频谱图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明提供的HBAR谐振器结构示意图，HBAR谐振器1是由顶电极10、压电薄膜11和底电极12组成的夹心换能器结构110和其下的基底层13构成的。
具体地，HBAR谐振器1采用MEMS工艺制备；其中，顶电极10和底电极12采用离子镀铬-金膜制备，压电薄膜11采用直流磁控溅射ZnO制备，基底层13为低损耗的蓝宝石。
具体地，HBAR谐振器1在外加电场作用下，压电薄膜11作厚度方向的伸缩振动，压电薄膜体声波换能器110将一部分能量注入低损耗的基底层13谐振腔中形成驻波，从而产生谐振。HBAR的一个重要特点是具有多个分立谐振频率，其频率间隔是Δf＝2v/dM，其中v为基底材料声速，而dM为基底材料厚度。
具体地，本发明提供的HBAR谐振器1，与传统的石英晶体谐振器、介质谐振器、声表面波谐振器相比，具有体积小、高Q值的优势。根据HBAR谐振器1的Q值计算公式：
可以得到HBAR谐振器1的Q值，其中f为谐振频率，为输入阻抗的相位。本发明提供的HBAR谐振器1的Q值在104量级，这与产生信号的相位噪声密切相关，即谐振Q值越高，噪声越低，反之谐振Q值越低，噪声越高。因此本发明提供的可调谐微波振荡器体积更小、相位噪声更低。
作为具体实施例，本例中HBAR谐振器1采用的是低损耗的蓝宝石作为基底层13，基底厚度400um，HBAR的一个重要特点是具有多个分立谐振频率，其频率间隔是Δf＝2v/dM，其中v为基底材料纵波声速，而dM为基底材料厚度。蓝宝石材料中的纵波声速为11350m/s，可以计算得到该HBAR谐振器的谐振模式频率间隔大约为14MHz。
图2为本发明提供的一种可调谐微波振荡器简化电路示意图，包括HBAR谐振器1、功率放大器2和调谐器3。
具体地，功率放大器2主要由高频低噪声三极管T和第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第三电容C3、第四电容C4构成，调谐器3主要由第一电容C1、第二电容C2和电感L组成的LC并联谐振电路构成，HBAR谐振器1一端接地，另一端与功率放大器2连接。
具体地，HBAR谐振器1，具有高Q值和多模谐振特性，决定环路振荡频率，功率放大器2采用低噪声系数的元器件组成，用于对信号功率进行放大，调谐器3用于筛选目标频率信号，通过调节调谐器3，使HBAR谐振器1工作在不同模式上，以改变可调谐微波振荡器环路输出频率。
具体地，HBAR谐振器1具有多模谐振特性，通过调整调谐器3改变输出频率，调谐方法采用程序控制、电压控制、开关控制等方法中的任意一种。
具体地，高频低噪声三极管为NEC公司的三极管2SC4226。
具体地，对于振荡波来说，电路中的并联谐振频率必须在HBAR谐振器1的频率附近。电感L或者电容C可以采用可变电感或者可变电容的形式，在忽略三极管内部电容、PCB的寄生电容的情况下，由C1、C2并联L组成的LC并联谐振电路F计算公式如下：
其中
这仅为进一步优化提供了初始的参考值，实际电路要复杂得多，因为实际电路中存在很多寄生电容的影响，这在微波电路中是不容忽视的，比如三极管的极间电容，PCB电容等。R1，R2和R3是直流偏置电阻。当通电以后，LC电路中产生振荡时，可调谐微波振荡器就开始工作，工作频率通过L、C1、C2来调整。LC自由振荡频率应与HBAR谐振器1的目标谐振频率非常接近，这样可调谐微波振荡器才会稳定在期望的目标频率上。也可以通过采用压控或者程控的方式对回路的调谐器进行调整，从而可以达到调频的目的。
图3为本发明提供的一种可调谐微波振荡器两相邻模式的频谱图，本发明提供的电路频率为1.302GHz，这正好是HBAR谐振器1的谐振模式之一，测试得到输出信号的频谱，且通过调整调谐器在两相邻谐振模式之间实现了调频功能，频率间隔14MHz。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种HBAR谐振器，其特征在于，主要由顶电极(10)、压电薄膜(11)和底电极(12)组成的夹心换能器结构(110)和其下的基底层(13)构成；所述顶电极(10)和底电极(12)采用离子镀铬-金膜制备；所述压电薄膜(11)采用直流磁控溅射ZnO制备；所述基底层(13)采用低损耗的蓝宝石。
2.一种可调谐微波振荡器，其特征在于，包括如权利要求1所述的HBAR谐振器(1)、功率放大器(2)和调谐器(3)；其中，
所述HBAR谐振器(1)，具有高Q值和多模谐振特性，决定环路振荡频率；所述功率放大器(2)采用低噪声系数的元器件组成，用于对信号功率进行放大；所述调谐器(3)，用于筛选目标频率信号，通过调节所述调谐器(3)，使所述HBAR谐振器(1)工作在不同模式上，以改变可调谐微波振荡器环路输出频率。
3.根据权利要求2所述的可调谐微波振荡器，其特征在于，所述功率放大器(2)主要由高频低噪声三极管(T)和第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第三电容(C3)、第四电容(C4)构成；所述调谐器(3)主要由第一电容(C1)、第二电容(C2)和电感(L)组成的LC并联谐振电路构成；所述的HBAR谐振器(1)一端接地，另一端与所述功率放大器(2)连接。
4.按权利要求2所述的可调谐微波振荡器，其特征在于，该HBAR谐振器(1)具有多模谐振特性，通过调整调谐器(3)改变输出频率，调谐方法采用程序控制、电压控制、开关控制等方法中的任意一种。
5.根据权利要求3所述的可调谐微波振荡器，其特征在于，所述LC并联谐振电路计算公式为：其中
6.根据权利要求3所述的可调谐微波振荡器，其特征在于，所述高频低噪声三极管为NEC公司的三极管2SC4226。
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