CN107910629B - 一种低相位噪声基片集成波导振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低相位噪声基片集成波导振荡器，包括基片集成波导滤波器、放大单元、环路移相微带线和正交混合网络；所述基片集成波导滤波器包括金属化通孔阵列，金属化通孔阵列围成两个基片集成谐振腔，且两个基片集成谐振腔共用一条由金属化通孔阵列组成的边，共用边上设有感性窗；基片集成波导滤波器的输入端连接放大单元的输入端，基片集成波导滤波器的输出端连接环路移相微带线的一端，放大单元的输出端和环路移相微带线的另一端分别连接一个正交混合网络。本发明有效降低了振荡器的相位噪声，提高了Q值。

Description

一种低相位噪声基片集成波导振荡器
技术领域
本发明涉及微波毫米波基片集成波导有源器件领域，特别是涉及一种低相位噪声基片集成波导振荡器。
背景技术
近年来，随着微波毫米波技术的迅猛发展，对无线移动通信、通信雷达等系统的宽频带、高精度、高分辨率等技术指标要求越来越苛刻，除此之外，随着加工工艺的不断进步，也使的系统的工作频率越来越高。毫米波源是毫米波系统的关键部件，它的性能的好坏直接决定了整个系统的性能，其中最为关键的一个指标就是源的相位噪声，它一直是人们研究的热点。传统的振荡器，如石英晶体振荡器、介质振荡器(DRO)、金属波导腔体振荡器等，他们具有高Q值、低损耗特性，因此能够实现很好相位噪声性能。但是这些振荡器的具有重量大、体积大、不易装配和调试，难于和其他平面电路集成实现系统的小型化。为了解决这些难点，很多基于平面结构的振荡器被广泛地研究，比如微带结构的振荡器，基片集成波导(SIW)振荡器等。由于微带平面电路是一种开放的结构，其辐射损耗较大，Q值较低，意味着微带结构的振荡器要实现低相位噪声就很困难。
基片集成波导(SIW)是一种新型的平面传输结构，因为在微波毫米波领域表现出特有优势而得到广泛的研究与应用。SIW可以利用现有的PCB或者LTCC技术在低介电常数介质基片上通过打一系类的周期性金属化通孔来实现，通俗地讲，它是减高的矩形波导，几乎具有矩形波导的所有优异性能。由于SIW中的电磁场被上下两层金属和四周的金属化通孔束缚在介质内部，向外辐射的能量几乎为零，所以该结构天生具有高Q值特性。因此基于SIW的振荡器可以很轻松的实现低相位噪声。
近几年，基于SIW振荡器得到了广泛的研究，特别是在L、S、C波段，已有大量的相关文献报道，其噪声性能相当优异。但是高频段，例如X波段及以上频段，要实现低相位噪声就相当的困难。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够有效降低相位噪声的低相位噪声基片集成波导振荡器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的低相位噪声基片集成波导振荡器，包括基片集成波导滤波器、放大单元、环路移相微带线和正交混合网络；所述基片集成波导滤波器包括金属化通孔阵列，金属化通孔阵列围成两个基片集成谐振腔，且两个基片集成谐振腔共用一条由金属化通孔阵列组成的边，共用边上设有感性窗；基片集成波导滤波器的输入端连接放大单元的输入端，基片集成波导滤波器的输出端连接环路移相微带线的一端，放大单元的输出端和环路移相微带线的另一端分别连接一个正交混合网络。
进一步，所述放大单元包括两级级联放大器。这样能够补偿基片集成波导滤波器的插损。
进一步，所述基片集成谐振腔为正三角形。
进一步，所述感性窗的尺寸为谐振波长的五分之一。
进一步，所述两个基片集成谐振腔中的高次模都设定在振荡频点上。
进一步，所述金属化通孔阵列中，相邻金属化通孔之间的间距不大于工作波长的十分之一。
有益效果：本发明公开了一种低相位噪声基片集成波导振荡器，使用基片集成波导滤波器作为振荡器的选频单元，实现了振荡器低相位噪声的特性；所述基片集成波导滤波器是通过在介质基片上打一系列的金属化通孔形成两个正三角的谐振腔组成，每个谐振腔都谐振在高次模式下并通过中间公共边上的感性窗进行弱耦合，与其他微带电路相比，Q值更高。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中基片集成波导滤波器的结构图；
图2为本发明具体实施方式中基片集成波导振荡器的结构图；
图3为本发明具体实施方式中基片集成波导振荡器的频谱测试图；
图4为本发明具体实施方式中基片集成波导振荡器的相位噪声测试图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种低相位噪声基片集成波导振荡器，如图1所示，包括基片集成波导滤波器、放大单元、环路移相微带线和正交混合网络。基片集成波导滤波器包括金属化通孔阵列3，金属化通孔阵列3围成第一基片集成谐振腔1和第二基片集成谐振腔2，且两个基片集成谐振腔共用一条由金属化通孔阵列3组成的边，共用边上设有感性窗，感性窗尺寸应该控制在谐振波长的五分之一附近，两个基片集成谐振腔中的高次模都设定在振荡频点上。基片集成波导滤波器的输入端4连接放大单元的输入端，基片集成波导滤波器的输出端5连接环路移相微带线6的一端，放大单元的输出端和环路移相微带线6的另一端分别连接一个正交混合网络。放大单元包括两级级联放大器，即第一级放大器Amp1和第二级放大器Amp2。两个基片集成谐振腔均为正三角形。金属化通孔阵列3中，相邻金属化通孔之间的间距不大于工作波长的十分之一。
在毫米波频段，常用PCB工艺结构下，金属化通孔的间距d一般取0.3mm-1mm，通孔间距p一般取0.6-2mm，这样才能保证从通孔缝隙泄露的能量最小。
正三角基片集成谐振腔边长为L1，通过调节L1的大小，可以改变谐振腔的谐振频率，当谐振腔谐振在主模的条件下，其谐振频率可以通过如下经验公式来计算：
Figure BDA0001454842830000031
其中f表示谐振频率，c代表光在真空中的传播速度，εr表示介质基片的相对介电常数；
在本具体实施方式中，介质基片为Rogers RT/Duroid5880,厚度都为0.508mm；利用高次模其Q值较高的原理，第一基片集成谐振腔1和第二基片集成谐振腔2都谐振在高次模式下，每个腔中的高次模都设定在振荡频点上并通过中间公共边上开的感性窗进行耦合，耦合的强度可以通过调节L的长度来加以改变，当L较大，耦合强度也较强，滤波器的带宽较宽，插入损耗较小，Q值也较低；当L较小时，耦合强度较弱，滤波器带宽很窄，插入损耗较大，对应的Q值也较高；本具体实施方式中，为了实现所述基片集成波导滤波器的极窄带特性，选择弱耦合来实现滤波器的高Q值特性。
两级级联的放大器的拓扑结构如图2所示，包括第一级放大器Amp1和第二级放大器Amp2,由于基片集成滤波器的极窄带特向，导致其插入损耗较大，所以为了补偿滤波器的插损，放大器采用两级级联的拓扑结构提高环路的增益。这样就可以满足巴克豪森准则中的幅度大于1的起振条件。
正交(90°)混合网络采用微带结构来实现，其中心频点设在振荡器的振荡频率上；正交(90°)混合网络的所有四个端口都是匹配的，从端口P1输入的功率对等地分配到P2和P3端口，P2和P3端口之间有90°相移，没有功率耦合到端口P4。
根据前述设计的基片集成波导滤波器、两级级联的放大器和正交(90°)混合网络，采用并联反馈的电路拓扑来实现本具体实施方式中的振荡器。基片集成波导滤波器的输入端口4和第一级放大器Amp1连接，第二级放大器Amp2的输出端和正交(90°)混合网络的输入端P4连接，正交(90°)混合网络的隔离端口P4接一个50欧姆负载电阻到地，其输出端P3作为振荡器的输出端，另一个输出端P2和环路移相微带线6相连，环路移相微带线6的另一端与基片集成波导滤波器的输出端口5相连，组成并联反馈式的基片集成波导振荡器；通过调整微带线6的长度来调节环路相位，使其满足巴克豪森准则：环路增益大于1，环路相位等于0°或者360°的整数倍；振荡器输出信号的相位噪声可以通过下式计算：
L(Δω)＝(Pn)dBm-(Psig)dBm-101g(Δf) (2)
其中，Δω为相对于中心频率ω0的偏移量，Δf为噪声功率的测量带宽(Hz)，Pn为噪声功率，Psig为振荡器的输出信号功率。
图3和图4所示，本例中的基片集成振荡器输出频率为10.059GHz，在扣除2dB的测试电缆损耗后的输出功率为0.76dBm，在偏移中心频率1MHz处的相位噪声为-143.14dBc/Hz，即实现了振荡器的低相位噪声特性。

Claims (5)

1.一种低相位噪声基片集成波导振荡器，其特征在于：包括基片集成波导滤波器、放大单元、环路移相微带线和正交混合网络；所述基片集成波导滤波器包括金属化通孔阵列，金属化通孔阵列围成两个基片集成谐振腔，且两个基片集成谐振腔共用一条由金属化通孔阵列组成的边，共用边上设有感性窗，高次模都设定在振荡频点上；基片集成波导滤波器的输入端连接放大单元的输入端，基片集成波导滤波器的输出端连接环路移相微带线的一端，放大单元的输出端和环路移相微带线的另一端分别连接一个正交混合网络。
2.根据权利要求1所述的低相位噪声基片集成波导振荡器，其特征在于：所述放大单元包括两级级联放大器。
3.根据权利要求1所述的低相位噪声基片集成波导振荡器，其特征在于：所述基片集成谐振腔为正三角形。
4.根据权利要求1所述的低相位噪声基片集成波导振荡器，其特征在于：所述感性窗的尺寸为谐振波长的五分之一。
5.根据权利要求1所述的低相位噪声基片集成波导振荡器，其特征在于：所述金属化通孔阵列中，相邻金属化通孔之间的间距不大于工作波长的十分之一。
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