CN107565201B - 一种具有低相位噪声的微波振荡器 - Google Patents

一种具有低相位噪声的微波振荡器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种微波振荡器，其特征在于：选频结构(Z1)通过第一传输线节(Z12)与接地电容(Z2)连接，接地电容(Z2)通过第二传输线节(Z23)与输入匹配网络(Z3)连接，在输入匹配网络(Z3)的右边连接放大器电路(Z4)，在放大器电路(Z4)的右边连接输出匹配网络(Z5)，输出匹配网络(Z5)通过第三传输线节(Z56)连接到输出端口(Z6)；此外，选频结构(Z1)通过第四传输线节(Z16)连接到输出端口(Z6)；构成所述的微波振荡器。该振荡器具有低相位噪声、容易加工以及低成本等优点。

Description

一种具有低相位噪声的微波振荡器
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种具有低相位噪声的微波振荡器。
背景技术
近年来，随着个人移动通讯、军工设备的飞速发展，微波和无线市场倍受关注。微波振荡器是频率产生源不可或缺的组成部分，作为锁相环、频率综合和时钟恢复等电路的关键模块，广泛用于手机、卫星通讯终端、机制、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信、光学多工器、光发射机等电子系统中。微波振荡器作为各种频率源的参考源和产生时间频率基准的关键器件，其相位噪声越来越成为限制各种电路与系统性能的一个关键因素，对电子系统的性能、尺寸、重量和成本都有着决定性的影响，是微波电路设计与集成的一个难点。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有微波振荡器的相位噪声较高的不足，提供了一种具有低相位噪声的微波振荡器。该微波振荡器基于微带线结构，具有低相位噪声、容易加工以及低成本等优点。
选频结构是微波振荡器的关键部分。本发明提供了一个新型的微带选频结构。微带线的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。本发明所提供的微带选频结构如图2所示，即在微带线的金属上覆层(I)刻蚀如图3所示的图案。该微带选频结构的特征在于：输入馈线(1)与第一平行耦合线节(21)连接，第一平行耦合线节(21)通过第二平行耦合线节(22)与第三平行耦合线节(23)连接，第三平行耦合线节(23)连接到输出馈线(3)；同时，输入馈线(1)与第四平行耦合线节(24)连接，第四平行耦合线节(24)的一端通过第一金属化通孔(25)实现短路，第四平行耦合线节(24)通过第三金属化通孔(28)与第五平行耦合线节(26)连接，第五平行耦合线节(26)的一端通过第二金属化通孔(27)实现短路，第五平行耦合线节(26)再连接到输出馈线(3)，由此构成所述的微带选频结构。
进一步构造一个新型的微波振荡器，如图4所示，其特征在于：选频结构(Z1)通过第一传输线节(Z12)与接地电容(Z2)连接，接地电容(Z2)通过第二传输线节(Z23)与输入匹配网络(Z3)连接，在输入匹配网络(Z3)的右边连接放大器电路(Z4)，在放大器电路(Z4)的右边连接输出匹配网络(Z5)，输出匹配网络(Z5)通过第三传输线节(Z56)连接到输出端口(Z6)；此外，选频结构(Z1)通过第四传输线节(Z16)连接到输出端口(Z6)；在接地电容(Z2)中，使用第一电容(C1)；在放大器电路(Z4)中，使用双极性晶体管(A)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)和第一电阻(R1)，并通过电源(Vs)供电；由此构成微波振荡器。
本发明所述的微波振荡器的有益效果是：低相位噪声、容易加工以及低成本等优点。
附图说明
图1：微带线结构示意图；
图2：微带选频结构示意图；
图3：微带选频结构俯视图；
图4：低相位噪声微波振荡器示意图；
图5：微带选频结构的偶模等效电路；
图6：微带选频结构的偶模等效电路中所示的I部分电路；
图7：微带选频结构的偶模等效电路中所示的II部分电路；
图8：简化之后的微带选频结构的偶模等效电路示意图；
图9：微带选频结构的奇模等效电路；
图10：微带选频结构的仿真结果图；
图11：微带选频结构的尺寸标注示意图；
图12：微带选频结构的|S21|随结构参数rad的变化图；
图13：微带选频结构的|S21|随结构参数s的变化图；
图14：微波振荡器的输出频谱图；
图15：微波振荡器的相位噪声图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图3所示，该微带选频结构的特征在于：输入馈线(1)与第一平行耦合线节(21)连接，第一平行耦合线节(21)通过第二平行耦合线节(22)与第三平行耦合线节(23)连接，第三平行耦合线节(23)连接到输出馈线(3)；同时，输入馈线(1)与第四平行耦合线节(24)连接，第四平行耦合线节(24)的一端通过第一金属化通孔(25)实现短路，第四平行耦合线节(24)通过第三金属化通孔(28)与第五平行耦合线节(26)连接，第五平行耦合线节(26)的一端通过第二金属化通孔(27)实现短路，第五平行耦合线节(26)再连接到输出馈线(3)，由此构成所述的微带选频结构。深入分析选频结构的物理机制，对于其性能控制具有重要的作用。对于图3中的选频结构，其偶模等效电路如图5所示。下面首先分析图5中的偶模等效电路，并导出其偶模输入阻抗Yin,even。设第一平行耦合线节(21)的奇偶模阻抗分别为Y1o和Y1e，电长度为θ1；第二平行耦合线节(22)的奇偶模阻抗分别为Y2o和Y2e，电长度为θ2；与第二平行耦合线节(22)相连的开路枝节的导纳为Y3，电长度为θ3。第三金属化通孔(28)可以等效为一个接地电感，在偶模等效电路中用2L表示。为了分析滤波器的偶模输入导纳，将偶模等效电路看成由Ⅰ、Ⅱ两个部分(如虚线框所示)连接而成，分别对这两个部分的导纳矩阵进行分析，最后得到偶模输入阻抗Yin,even。
将Ⅰ、Ⅱ两个部分看成是两个二端口网络，其中，I部分的等效电路如图6所示，II部分的等效电路如图7所示。在图6和图7中都包含了一个平行耦合微带线节，设其奇偶模阻抗分别为Y1o和Y1e，电长度为θ1。平行耦合微带线节具有四个端口，即端口1、2、3和4。这四个端口的伏安特性由下面的式子来描述
其中，导纳矩阵[Y]可表示为：
其中，
对于如图6所示的I部分的等效电路，平行耦合微带线的端口3开路，所以端口3处的电流为零，即
I3＝0 (4)
平行耦合微带线的端口2级联了两段微带线。Y1in,even是如图6所示的输入导纳，且
于是，端口2处的电压V2与电流I2的关系为：
-I2＝V2·Y1in,even (6)
I2的方向为看向端口2的方向。将这些端接条件(4)和(6)代入到平行耦合微带线的伏安特性关系式(1)之中，得到I部分的等效电路关于端口1和4的两端口导纳矩阵为：
其中：
对于如图7所示的II部分的等效电路，平行耦合微带线的端口2短路，因此
V2＝0 (9)
平行耦合微带线的端口3连接一个接地电感，电感值为2L。Y2in,even是如图7所示的输入导纳，且
于是，平行耦合微带线的端口3处的电压与电流的关系为：
-I3＝V3·Y2in,even (11)
I3的方向为看向端口3的方向。将这些端接条件(9)和(11)代入到平行耦合微带线的伏安特性关系式(1)之中，得到II部分的等效电路中关于端口1和4的两端口导纳矩阵为：
其中,
于是，简化之后的偶模等效电路如图8所示，包括I和II部分等效电路。为了求出偶模等效电路的偶模输入导纳Yin,even，由图8中的电流电压关系可得：
其中，
将式(15)代入式(14)得到
根据导纳的定义可得
选频结构的奇模等效电路如图9所示，也将其分为两个部分：I部分和II部分。奇模输入导纳Yin,odd的推导过程与偶模输入导纳Yin,even的推导过程相似。于是，I部分的二端口导纳矩阵Y'1o为：
其中，
Ⅱ部分的二端口导纳矩阵Y'2o为：
其中：
化简之后的奇模等效电路类似于图8中的电路，利用电压电流关系，可得奇模输入导纳Yin,odd为：
在得到了选频结构的奇模输入导纳Yin,odd和偶模输入导纳Yin,even之后，由此可得选频结构的导纳矩阵[Y]为
其中，
由散射矩阵与导纳矩阵的转换关系，可以得到散射参数的表达式为
其中，Y0为选频结构输入/输出端口处的特征阻抗。
在导出微带选频网络的散射矩阵之后，就能深入分析其结构参数对散射参数的影响关系。为了验证前面的分析，选用Rogers 4350基片，对其进行了建模仿真，仿真结果如图10所示。可见在中心频率2.0GHz处形成一个通带。在通带两侧各出现一个传输零点，有效得改善频率选择性。为了深入得分析一些关键结构参数对图3中的微带选频结构的影响，在图11中标识了其中两个关键结构参数，即缝隙s和第三金属化通孔(28)的半径rad。通过电磁仿真，这两个结构参数对选频结构的影响在图12和图13中给出。在图12中，给出了微带选频结构的|S21|与第三金属化通孔(28)的半径rad的变化关系。可见，当半径rad变大时，通带两侧的传输零点会远离通带，但通带带宽保持不变。在图13中，给出了微带选频结构的|S21|与缝隙s的变化关系。当缝隙s变大时，通带带宽会变窄。这些结构参数对微带选频结构性能的影响，将有助于设计。
基于此微带选频结构，可以构造一个新型的微波振荡器，如图4所示。其特征在于：选频结构(Z1)通过第一传输线节(Z12)与接地电容(Z2)连接，接地电容(Z2)通过第二传输线节(Z23)与输入匹配网络(Z3)连接，在输入匹配网络(Z3)的右边连接放大器电路(Z4)，在放大器电路(Z4)的右边连接输出匹配网络(Z5)，输出匹配网络(Z5)通过第三传输线节(Z56)连接到输出端口(Z6)；此外，选频结构(Z1)通过第四传输线节(Z16)连接到输出端口(Z6)；在接地电容(Z2)中，使用第一电容(C1)；在放大器电路(Z4)中，使用双极性晶体管(A)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)和第一电阻(R1)，并通过电源(Vs)供电；由此构成微波振荡器。
不失一般性，用此微波振荡器输出一个2.015GHz信号。微波振荡器的频谱仿真结果如图14所示，输出功率约为7.47dBm。在图15中给出了微波振荡器的相位噪声与频率之间的关系。该微波振荡器在偏离振荡频率100kHz处的相位噪声为-133.95dBc/Hz，在偏离振荡频率1MHz处的相位噪声为-154.38dBc/Hz。可见，本发明所述的微波振荡器具有低相位噪声的优点。
以上所列举的实施例，充分说明了本发明所述的微波振荡器具有尺寸较小，容易调试，相位噪声低等优点。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种微带选频结构，其特征在于：输入馈线(1)与第一平行耦合线节(21)连接，第一平行耦合线节(21)通过第二平行耦合线节(22)与第三平行耦合线节(23)连接，第三平行耦合线节(23)连接到输出馈线(3)；同时，输入馈线(1)与第四平行耦合线节(24)连接，第四平行耦合线节(24)的一端通过第一金属化通孔(25)实现短路，第四平行耦合线节(24)通过第三金属化通孔(28)与第五平行耦合线节(26)连接，第五平行耦合线节(26)的一端通过第二金属化通孔(27)实现短路，第五平行耦合线节(26)再连接到输出馈线(3)，由此构成所述的微带选频结构。
2.依据权利要求1所述的微带选频结构，在通带两侧各有一个传输零点。
3.依据权利要求1所述的微带选频结构，当第三金属化通孔(28)的半径rad变大时，通带两侧的传输零点会远离通带，但通带带宽保持不变。
4.依据权利要求1所述的微带选频结构，当缝隙s变大时，通带带宽会变窄。
5.一种微波振荡器，基于一种微带选频结构，微带选频结构包括：输入馈线(1)与第一平行耦合线节(21)连接，第一平行耦合线节(21)通过第二平行耦合线节(22)与第三平行耦合线节(23)连接，第三平行耦合线节(23)连接到输出馈线(3)；同时，输入馈线(1)与第四平行耦合线节(24)连接，第四平行耦合线节(24)的一端通过第一金属化通孔(25)实现短路，第四平行耦合线节(24)通过第三金属化通孔(28)与第五平行耦合线节(26)连接，第五平行耦合线节(26)的一端通过第二金属化通孔(27)实现短路，第五平行耦合线节(26)再连接到输出馈线(3)；微波振荡器的特征在于：微带选频结构(Z1)通过第一传输线节(Z12)与接地电容(Z2)连接，接地电容(Z2)通过第二传输线节(Z23)与输入匹配网络(Z3)连接，在输入匹配网络(Z3)的右边连接放大器电路(Z4)，在放大器电路(Z4)的右边连接输出匹配网络(Z5)，输出匹配网络(Z5)通过第三传输线节(Z56)连接到输出端口(Z6)；此外，选频结构(Z1)通过第四传输线节(Z16)连接到输出端口(Z6)；在接地电容(Z2)中，使用第一电容(C1)；在放大器电路(Z4)中，使用双极性晶体管(A)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)和第一电阻(R1)，并通过电源(Vs)供电；由此构成微波振荡器。
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