CN107302344A - 基于差分带通滤波器的双推式振荡器 - Google Patents

基于差分带通滤波器的双推式振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于差分带通滤波器的双推式振荡器，包括矩形介质基板(1)、贴覆于介质基板(1)下表面的金属接地层(2)、置于介质基板(1)上表面的差分滤波器(3)、功率合成器(4)和放大器输入输出匹配电路(5)；所述差分滤波器(3)与金属接地层(2)之间通过穿过介质基板(1)的多个第一金属化通孔(30)相连；所述功率合成器(4)与金属接地层(2)之间通过穿过介质基板(1)的多个第二金属化通孔(50)相连；所述功率合成器(4)通过放大器输入输出匹配电路(5)与差分滤波器(3)相连。本发明的双推式振荡器，相位噪声低、品质因数高、选择性好。

Description

基于差分带通滤波器的双推式振荡器
技术领域
本发明属于振荡器技术领域，特别是一种相位噪声低、品质因数高、选择性好的基于差分带通滤波器的双推式振荡器。
背景技术
振荡器是无线电系统重要的信号源之一，广泛应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星通信、弹道制导等系统中，是微波和毫米波系统中不可缺少的重要器件。它的相噪性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能指标。
双推式振荡器能够较好地抑制基波频率，输出为二次谐波频率，大大拓展了有源器件的可用频率范围。双推式振荡器主要由选频元件、放大器匹配电路和功率合成器构成，在满足振荡器的设计条件下，选频元件的选择与设计对于振荡器的性能起着至关重要的作用。现有双推式振荡器通常具有较为复杂的加工工艺或者不够优良的噪声性能。
总之，现有技术存在的问题是：振荡器相位噪声高、品质因数低、选择性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于差分带通滤波器的双推式振荡器，相位噪声低、品质因数高、选择性好。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于差分带通滤波器的双推式振荡器，包括矩形介质基板、贴覆于介质基板下表面的金属接地层、置于介质基板上表面的差分滤波器、功率合成器和放大器输入输出匹配电路；所述差分滤波器与金属接地层之间通过穿过介质基板的多个第一金属化通孔相连；所述功率合成器与金属接地层之间通过穿过介质基板的多个第二金属化通孔相连；所述功率合成器通过放大器输入输出匹配电路与差分滤波器相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、相位噪声低：本发明将基于基片集成波导结构的差分带通滤波器应用于双推式振荡器的设计中，从而有效提高了滤波器带外抑制水平，而且应用将复数品质因数峰值对应的频率作为振荡器基波频率的设计方式，极大提高了振荡器的相位噪声性能；
2、品质因数高：本发明选择基于基片集成波导结构的差分带通滤波器，基片集成波导结构具有较高的品质因数特性，同时差分带通滤波器通过电磁耦合与交叉耦合具有更高的选择性，从而提高了整体的品质因数，进一步增强了振荡器的相位噪声性能。
3、选择性好：本发明选择基于基片集成波导结构的差分带通滤波器作为双推式振荡器的选频元件，其通带两侧分别具有两个传输零点，极大提高了通带外的抑制水平，具有很好的选择性。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于差分带通滤波器的双推式振荡器的结构示意图。
图2a-2b为图1中的双推式振荡器的带尺寸标示的结构图。
图3为基于基片集成波导结构的差分带通滤波器S参数仿真图和复数品质因数仿真图。
图4a—4b为双推式振荡器输出谐波与相位噪声测试图。
图中，介质基板1，金属接地层2，差分滤波器3，功率合成器4，放大器输入输出匹配电路5，第一金属化通孔30，第二金属化通孔50相连，第一至第六基片集成波导腔体31、32、33、34、35、36，第一输入端口41，第二输入端口42，输出端口43，第一、第二场效应晶体管放大器51、51’、第一、第二微带线输入匹配电路52、52’，第一、第二微带线输出匹配电路53、53’，集总电容520，50欧姆微带线521，微带线开路枝节522，微带扇形线523，50欧姆微带线530，微带线开路枝节531，T型节532以及二个交指电容533。
具体实施方式
如1所示，本发明基于差分带通滤波器的双推式振荡器，包括矩形介质基板1、贴覆于介质基板1下表面的金属接地层2、置于介质基板1上表面的差分滤波器3、功率合成器4和放大器输入输出匹配电路5；所述差分滤波器3与金属接地层2之间通过穿过介质基板1的多个第一金属化通孔30相连；所述功率合成器4与金属接地层2之间通过穿过介质基板1的多个第二金属化通孔50相连；所述功率合成器4通过放大器输入输出匹配电路5与差分滤波器3相连。
优选地，所述多个第一金属化通孔30相互紧邻，形成第一金属化通孔阵列，与差分滤波器3和金属接地层2一起围包形成第一至第六基片集成波导腔体31、32、33、34、35、36；
所述第三基片集成波导腔体33的下边与第四基片集成波导腔体34的上边共用金属化通孔阵列，且各自关于介质基板1的垂直轴线L1左右对称，共用金属化通孔阵列上设有第二耦合窗口；
所述第一基片集成波导腔体31的下边与第二基片集成波导腔体32的上边共用金属化通孔阵列，共用金属化通孔阵列上设有第一耦合窗口；
所述第五基片集成波导腔体35的下边与第六基片集成波导腔体36的上边共用金属化通孔阵列，共用金属化通孔阵列上设有第三耦合窗口；
所述第一基片集成波导腔体31紧邻第三基片集成波导腔体33的一侧，第五基片集成波导腔体35紧邻第三基片集成波导腔体33的另一侧，第一基片集成波导腔体31与第五基片集成波导腔体35关于介质基板1的垂直轴线L1左右对称，第二基片集成波导腔体32与第六基片集成波导腔体36关于介质基板1的垂直轴线L1左右对称；
第一基片集成波导腔体31与第三基片集成波导腔体33之间设有第四耦合窗口，第五基片集成波导腔体35与第三基片集成波导腔体33之间设有第五耦合窗口，第二基片集成波导腔体32与第四基片集成波导腔体34之间设有第六耦合窗口，第六基片集成波导腔体36与第四基片集成波导腔体34之间设有第七耦合窗口。
如图1所示，所述第一至第六基片集成波导腔体31、32、33、34、35、36均为矩形。
所述多个第二金属化通孔50相互紧邻，形成第二金属化通孔阵列，与功率合成器4和金属接地层2一起围包形成第一输入端口41、第二输入端口42和输出端口43；
所述输出端口43关于介质基板1的垂直轴线L1左右对称；
所述第一输入端口41置于输出端口43的一侧，第二输入端口42置于输出端口43的另一侧，第一输入端口41与第二输入端口42关于介质基板1的垂直轴线L1左右对称；
第一输入端口41与第二输入端口42之间的介质基板1的垂直轴线L1上还有一第三金属化通孔40。
如图1所示，所述放大器输入输出匹配电路5包括第一、第二场效应晶体管放大器51、51’、第一、第二微带线输入匹配电路52、52’，第一、第二微带线输出匹配电路53、53’；所述第一场效应晶体管放大器51与第二场效应晶体管放大器51’关于介质基板1的垂直轴线L1左右对称；
所述第一微带线输入匹配电路52与第二微带线输入匹配电路52’关于介质基板1的垂直轴线L1左右对称；
所述第一微带线输出匹配电路53与第二微带线输出匹配电路53’关于介质基板1的垂直轴线L1左右对称。
优选地，所述第一微带线输入匹配电路52包括集总电容520、50欧姆微带线521、微带线开路枝节522以及微带扇形线523，
所述集总电容520一端与第一馈线61的一端相连，集总电容520的另一端与50欧姆微带线521相连，第一馈线61的另一端伸入第二基片集成波导腔体32内，微带线开路枝节522的固定端与50欧姆微带线521相连，微带扇形线523的固定端与50欧姆微带线521相连,50欧姆微带线521的另一端与第一场效应晶体管放大器51相连；
所述第一微带线输出匹配电路53包括50欧姆微带线530、微带线开路枝节531、T型节532以及二个交指电容533，
所述T型节532的输入端通过50欧姆微带线530与第一场效应晶体管放大器51相连，其第一输出端与一个交指电容533相连，该交指电容533另一端与一端伸入第四基片集成波导腔体34内的第三馈线63相连；所述T型节532的第二输出端通过另一个交指电容533与第一输入端口41相连；所述微带线开路枝节531的固定端与50欧姆微带线530相连。
优选地，所述第一金属化通孔30的直径为0.8mm，通孔之间的距离为1.2mm；所述第二金属化通孔50的直径为0.4mm，通孔之间的距离为0.6mm；所述第三金属化通孔40的直径为0.8mm，其与最近的金属化通孔阵列的垂直距离为0.82mm。
优选地，所述双推式振荡器的基波频率为带通差分滤波器的复数品质因数峰值对应的频率。
优选地，前述每个金属化通孔30的直径是0.8mm，两个相邻通孔之间的距离是1.2mm。每个金属化通孔50的直径为0.4mm，两个相邻通孔之间的距离为0.6mm。大的金属化通孔40的直径是0.8mm，其与最近的金属化通孔阵列的垂直距离为0.82mm。
作为优选，所述介质基板1采用R05880型号，介电常数为2.2，厚度为0.508mm。
如图2a-2b所示为根据图1实施方式实现的基于基片集成波导结构的差分带通滤波器的双推式振荡器的一个带尺寸表示的实物图，其中2a是基于基片集成波导结构的差分带通滤波器结构示意图，2b是双推式振荡器实物图。第一腔体31和第五腔体35的尺寸为12.55mm*9.6mm，第二腔体32和第六腔体36的尺寸为12.75mm*18.3mm,第三腔体33和第四腔体34的尺寸为17.6mm*13.18mm，第一腔体31与第二腔体32之间的耦合窗口宽度、第五腔体35与第六腔体36之间的耦合窗口宽度均为3.35mm，第三腔体33与第四腔体34之间的耦合窗口长度为4.55mm，第一腔体31、第五腔体35与第三腔体33之间的耦合窗口长度均为4.2mm,第二腔体32、第六腔体36与第四腔体34之间的耦合窗口长度均为3.4mm。第一馈线61、第二馈线62、第三馈线63和第四馈线64的宽度均为1.56mm，且深入腔体内的馈线长度均为1.8mm。第一馈线61、第二馈线62分别通过10pF的集总电容与微带线输入匹配电路进行连接，开路枝节长度为6.6mm,场效应晶体管经过开路枝节与T型节532、532’进行连接，T型节532、532’一端输出分别与交指电容533、533’连接后输出到第三馈线63、第四馈线64，T型节532、532’另一端输出则分别通过交指电容与功率合成器的第一输入端口41、第二输入端口42相连接，交指电容交指间的缝隙宽为0.2m，第一输入端口41、第二输入端口42、输出端口43的宽度均为3.81mm，且其长度均为4.04mm。
为了提高双推式振荡器的相位噪声性能水平，如图3所示的基于基片集成波导结构的差分带通滤波器S参数仿真图，该差分带通滤波器分别具有四个传输极点和四个传输零点，带宽13.65GHz-13.93GHz,极大提高了滤波器作为选频元件的选频能力和带外抑制水平。如图3所示基于基片集成波导结构的差分带通滤波器复数品质因数仿真图，其通带内复数品质因数峰值对应的频率为13.9GHz，则设计基波频率为13.9GHz，从而可以得到最终输出频率为37.8GHz的双推式振荡器。
如图4a-4b所示的双推式振荡器输出频谱图与相位噪声测试图。其中4a是输出频谱图测试图，4b是相位噪声测试图。基于复数品质因数峰值选择的振荡器输出频率27.8GHz处的功率为-19.33dBm,基波和三次谐波抑制水平超过40dB，较高的谐波抑制水平更有效地提高了该双推式振荡器的相位噪声。该双推式振荡器于1MHz处的相位噪声为-128.6dBc/Hz,计算得到的该振荡器在1MHz处的性能指标FOM值为-201.5dBc/Hz。
本发明公开的双推式振荡器不仅首次将基于基片集成波导结构的差分带通滤波器应用于双推式振荡器的设计中，从而有效提高了滤波器带外抑制水平，而且应用将复数品质因数峰值对应的频率作为振荡器基波频率的设计方式，极大提高了振荡器的相位噪声性能。

Claims (8)

1.一种基于差分带通滤波器的双推式振荡器，其特征在于:
包括矩形介质基板(1)、贴覆于介质基板(1)下表面的金属接地层(2)、置于介质基板(1)上表面的差分滤波器(3)、功率合成器(4)和放大器输入输出匹配电路(5)；
所述差分滤波器(3)与金属接地层(2)之间通过穿过介质基板(1)的多个第一金属化通孔(30)相连；
所述功率合成器(4)与金属接地层(2)之间通过穿过介质基板(1)的多个第二金属化通孔(50)相连；
所述功率合成器(4)通过放大器输入输出匹配电路(5)与差分滤波器(3)相连。
2.根据权利要求1所述的双推式振荡器，其特征在于:
所述多个第一金属化通孔(30)相互紧邻，形成第一金属化通孔阵列，与差分滤波器(3)和金属接地层(2)一起围包形成第一至第六基片集成波导腔体(31、32、33、34、35、36)；
所述第三基片集成波导腔体(33)的下边与第四基片集成波导腔体(34)的上边共用金属化通孔阵列，且各自关于介质基板(1)的垂直轴线(L1)左右对称，共用金属化通孔阵列上设有第二耦合窗口；
所述第一基片集成波导腔体(31)的下边与第二基片集成波导腔体(32)的上边共用金属化通孔阵列，共用金属化通孔阵列上设有第一耦合窗口；
所述第五基片集成波导腔体(35)的下边与第六基片集成波导腔体(36)的上边共用金属化通孔阵列，共用金属化通孔阵列上设有第三耦合窗口；
所述第一基片集成波导腔体(31)紧邻第三基片集成波导腔体(33)的一侧，第五基片集成波导腔体(35)紧邻第三基片集成波导腔体(33)的另一侧，第一基片集成波导腔体(31)与第五基片集成波导腔体(35)关于介质基板(1)的垂直轴线(L1)左右对称，第二基片集成波导腔体(32)与第六基片集成波导腔体(36)关于介质基板(1)的垂直轴线(L1)左右对称；
第一基片集成波导腔体(31)与第三基片集成波导腔体(33)之间设有第四耦合窗口，第五基片集成波导腔体(35)与第三基片集成波导腔体(33)之间设有第五耦合窗口，第二基片集成波导腔体(32)与第四基片集成波导腔体(34)之间设有第六耦合窗口，第六基片集成波导腔体(36)与第四基片集成波导腔体(34)之间设有第七耦合窗口。
3.根据权利要求2所述的双推式振荡器，其特征在于:
所述第一至第六基片集成波导腔体(31、32、33、34、35、36)均为矩形。
4.根据权利要求2所述的双推式振荡器，其特征在于:
所述多个第二金属化通孔(50)相互紧邻，形成第二金属化通孔阵列，与功率合成器(4)和金属接地层(2)一起围包形成第一输入端口(41)、第二输入端口(42)和输出端口(43)；
所述输出端口(43)关于介质基板(1)的垂直轴线(L1)左右对称；
所述第一输入端口(41)置于输出端口(43)的一侧，第二输入端口(42)置于输出端口(43)的另一侧，第一输入端口(41)与第二输入端口(42)关于介质基板(1)的垂直轴线(L1)左右对称；
第一输入端口(41)与第二输入端口(42)之间的介质基板(1)的垂直轴线(L1)上还有一第三金属化通孔(40)。
5.根据权利要求4所述的双推式振荡器，其特征在于:
所述放大器输入输出匹配电路(5)包括第一、第二场效应晶体管放大器(51、51’)、第一、第二微带线输入匹配电路(52、52’)，第一、第二微带线输出匹配电路(53、53’)；所述第一场效应晶体管放大器(51)与第二场效应晶体管放大器(51’)关于介质基板(1)的垂直轴线(L1)左右对称；
所述第一微带线输入匹配电路(52)与第二微带线输入匹配电路(52’)关于介质基板(1)的垂直轴线(L1)左右对称；
所述第一微带线输出匹配电路(53)与第二微带线输出匹配电路(53’)关于介质基板(1)的垂直轴线(L1)左右对称。
6.根据权利要求5所述的双推式振荡器，其特征在于:
所述第一微带线输入匹配电路(52)包括集总电容(520)、50欧姆微带线(521)、微带线开路枝节(522)以及微带扇形线(523)，
所述集总电容(520)一端与第一馈线(61)的一端相连，集总电容(520)的另一端与50欧姆微带线(521)相连，第一馈线(61)的另一端伸入第二基片集成波导腔体(32)内，微带线开路枝节(522)的固定端与50欧姆微带线(521)相连，微带扇形线(523)的固定端与50欧姆微带线(521)相连,50欧姆微带线(521)的另一端与第一场效应晶体管放大器(51)相连；
所述第一微带线输出匹配电路(53)包括50欧姆微带线(530)、微带线开路枝节(531)、T型节(532)以及二个交指电容(533)，
所述T型节(532)的输入端通过50欧姆微带线(530)与第一场效应晶体管放大器(51)相连，其第一输出端与一个交指电容(533)相连，该交指电容(533)另一端与一端伸入第四基片集成波导腔体(34)内的第三馈线(63)相连；所述T型节(532)的第二输出端通过另一个交指电容(533)与第一输入端口(41)相连；所述微带线开路枝节(531)的固定端与50欧姆微带线(530)相连。
7.根据权利要求6所述的双推式振荡器，其特征在于:
所述第一金属化通孔(30)的直径为0.8mm，通孔之间的距离为1.2mm；所述第二金属化通孔(50)的直径为0.4mm，通孔之间的距离为0.6mm；所述第三金属化通孔(40)的直径为0.8mm，其与最近的金属化通孔阵列的垂直距离为0.82mm。
8.根据权利要求6所述的双推式振荡器，其特征在于:
所述双推式振荡器的基波频率为带通差分滤波器的复数品质因数峰值对应的频率。
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