CN111487591A - 一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，属于电子技术领域。该振荡器包括一个五阶发夹型微带线耦合谐振器、一个砷化镓场效应晶体管、栅极相移线、漏极相移线、漏极偏置电路、栅极偏置电路、输出网络和两个扇形微带短路枝节。所述五阶发夹型微带线耦合谐振器属于平面微带结构，易于加工和电路集成；同时，所述五阶发夹型微带线耦合谐振器属于交叉耦合谐振器，能够在通带附近的有限频率处产生传输零点，具有很强的带外抑制能力和较高的Q值，有效改善了振荡器的相位噪声和谐波抑制，同时提高了输出功率。

Description

一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器。
背景技术
毫米波雷达具有频带宽、受气候影响小、抗干扰能力强等优点，已经成功应用在车载雷达、工业物位测量以及水位检测等领域。而振荡器是毫米波雷达系统的最关键部件之一，其性能优劣直接影响毫米波雷达系统的整体性能指标。振荡器可在特定的频率产生稳定的载波用于调制和混频。在毫米波雷达中，振荡器的相位噪声会降低系统接收信号的灵敏度和系统的信噪比；而振荡器输出信号除了基波以外，还包含多次谐波分量，而二次谐波在所有谐波中具有最大功率，对毫米波雷达系统的性能影响最大。所以，如何设计出低相位噪声、高谐波抑制的振荡器是当前领域内研究的重点和难点。
目前，微波振荡器的实现形式主要有介质振荡器和微带线结构振荡器两大类。例如申请号为201610575417.X和201911188552.9的专利中都采用介质谐振器作为振荡器的谐振回路，由于介质谐振器具有很高的Q值，因而该类振荡器具有非常低的相位噪声。但是该类型振荡器为非平面结构，不利于与其他平面电路集成，所以很难应用于集成电路设计中。微带线结构振荡器工作频率较高，用以谐振和匹配的微带线网络尺寸通常较小，因而具有小型化、低成本的特点。例如申请号为201010581462.9的专利中采用一个半波长U型微带线耦合谐振器作为振荡器的谐振回路，该电路结构紧凑，且易于集成。但该微带结构的电路损耗较大、Q值较低。因此，研究低相位噪声、高谐波抑制且易集成的振荡器具有十分重要的学术意义和工程应用价值。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，采用五阶发夹型微带线耦合谐振器作为振荡器的谐振回路，并用砷化镓场效应晶体管作为振荡器的放大单元。与现有结构相比，该振荡器具有低相位噪声、高谐波抑制、易集成、低成本等优点，可为应用于毫米波雷达系统的振荡器研发提供部分参考。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，包括五阶发夹型微带线耦合谐振器、栅极相移线、漏极相移线、砷化镓场效应晶体管、漏极偏置电路、栅极偏置电路、输出网络和两个扇形微带短路枝节；
所述五阶发夹型微带线耦合谐振器包括五个半波长U型微带线、耦合谐振器输出端和耦合谐振器输入端；
所述栅极相移线包括第一微带线、第三微带线、第五微带线；
所述漏极相移线包括第二微带线、第四微带线、第六微带线；
所述栅极偏置电路包括第一高阻抗线和第一扇形微带开路枝节；
所述漏极偏置电路包括第二高阻抗线和第二扇形微带开路枝节；
所述输出网络包括第七微带线、第八微带线和隔直电容；
所述两个扇形微带短路枝节包括第一扇形微带短路枝节和第二扇形微带短路枝节。
可选的，所述五阶发夹型微带线耦合谐振器呈左右对称。
可选的，所述半波长U型微带线包括左微带开路枝节、右微带开路枝节，以及与左微带开路枝节和右微带开路枝节垂直连接的中间微带枝节，且连接处进行45°削角处理。
可选的，所述五个半波长U型微带线的宽度相同；
相邻半波长U型微带线之间的距离不等；
相邻半波长U型微带线的开口方向相反；
相邻半波长U型微带线的相邻微带开路枝节长度相同；
除了第三阶半波长U型微带线外，其余半波长U型微带线的左微带开路枝节和右微带开路枝节的长度不同。
可选的，所述耦合谐振器输入端通过第一渐变微带线直接与第一阶半波长U型微带线的左微带开路枝节连接，耦合谐振器输出端通过第二渐变微带线直接与第五阶半波长U型微带线的右微带开路枝节连接。
可选的，所述栅极相移线中第一微带线和第五微带线与第三微带线垂直连接，并在连接处进行45°削角处理，以减小由于阻抗不连续带来的影响，漏极相移线中第二微带线和第六微带线与第四微带线垂直连接，并在连接处也进行45°削角处理。
可选的，所述砷化镓场效应晶体管的漏极通过漏极相移线直接与五阶发夹型微带线耦合谐振器的输出端连接，砷化镓场效应晶体管的栅极通过栅极相移线直接与五阶发夹型微带线耦合谐振器的输入端连接，砷化镓场效应晶体管的两个源极分别通过第一扇形微带短路枝节和第二扇形微带短路枝节接地，砷化镓场效应晶体管的栅极偏置电压通过栅极偏置电路施加于第一微带线上，砷化镓场效应晶体管的漏极偏置电压通过漏极偏置电路施加于第二微带线上。
可选的，所述第一扇形微带短路枝节通过三个金属化过孔与地连接。
本发明的有益效果在于：应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器采用五阶发夹型微带线耦合谐振器作为振荡器的谐振网络，利用交叉耦合在通带附近的有限频率处产生传输零点，提高了谐振器的带外抑制能力，进而改善了振荡器的相位噪声和谐波抑制；同时，采用砷化镓场效应晶体管作为振荡器的放大单元，提高了振荡器的输出功率。故本发明所设计的振荡器具有有较低的相位噪声、较高的谐波抑制、较高的输出功率、结构平面化、易于集成等优点。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明采用的半波长U型微带线的结构图；
图2为本发明采用的五阶发夹型微带线耦合谐振器的结构图；
图3为本发明应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器的整体电路结构图；
图4为本发明应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器的输出频谱仿真结果图；
图5为本发明应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器的相位噪声仿真结果图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图3所示，本发明提供了一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，制作于相对介电常数为3.48、厚度为0.254mm、损耗角正切值为0.0037的Rogers4350B板材上，包括一个五阶发夹型微带线耦合谐振器4、栅极相移线、漏极相移线、砷化镓场效应晶体管1、栅极偏置电路、漏极偏置电路、输出网络和两个扇形微带短路枝节；栅极相移线包括第一微带线31、第三微带线33、第五微带线35，其中第一微带线31和第五微带线35与第三微带线33垂直连接，并在连接处进行45°削角处理，用以减小由于阻抗不连续带来的损耗；漏极相移线包括第二微带线32、第四微带线34、第六微带线36，其中第二微带线32和第六微带线36与第四微带线34垂直连接，并在连接处也进行45°削角处理；砷化镓场效应晶体管1的漏极D通过漏极相移线直接与五阶发夹型微带线耦合谐振器的输出端42连接，砷化镓场效应晶体管1的栅极G通过栅极相移线直接与五阶发夹型微带线耦合谐振器的输入端41连接；砷化镓场效应晶体管1的两个源极S1和S2分别通过第一扇形微带短路枝节21和第二扇形微带短路枝节22接地，砷化镓场效应晶体管1的栅极偏置电压通过栅极偏置电路施加于第一微带线31上，砷化镓场效应晶体管1的漏极偏置电压通过漏极偏置电路施加于第二微带线32上；栅极偏置电路由第一高阻抗线51和第一扇形微带开路枝节53构成，漏极偏置电路由第二高阻抗线52和第二扇形微带开路枝节54构成；输出网络包括第七微带线61、第八微带线62和隔直电容C；第七微带线61与漏极相移线中第四微带线34构成T型微带功分网络，将振荡器环路中的部分功率直接耦合输出；隔直电容C用于防止漏极的偏置电压泄露到输出端。两个扇形微带短路枝节分别为第一扇形微带短路枝节21和第二扇形微带短路枝节22。
所述五阶发夹型微带线耦合谐振器包括五个半波长U型微带线411-415、耦合谐振器输入端41和耦合谐振器输出端42，如图2所示；耦合谐振器输入端41通过第一渐变微带线43直接与第一阶半波长U型微带线411连接，耦合谐振器输出端42通过第二渐变微带线44直接与第五阶半波长U型微带线415连接；五阶发夹型微带线耦合谐振器呈左右对称；相邻半波长U型微带线之间的距离不等，相邻半波长U型微带线的开口方向相反；半波长U型微带线包括左微带开路枝节、右微带开路枝节，以及与左微带开路枝节和右微带开路枝节垂直连接的中间微带枝节，且连接处进行45°削角处理，以减小由于阻抗不连续带来的影响；除了第三阶半波长U型微带线413外，其余的半波长U型微带线的左微带开路枝节和右微带开路枝节长度不同；所有半波长U型微带线的宽度相同；相邻半波长U型微带线的相邻微带开路枝节长度相同。如图1所示，一般的半波长U型微带线的左微带开路枝节和右微带开路枝的长度L相同，中间微带枝节的长度a的取值在0.8～2倍线宽w之间，抽头位置t和长度L可由下式计算：
L＝λg/4
Figure BDA0002504936490000051
Figure BDA0002504936490000052
Figure BDA0002504936490000053
其中，λ0为自由空间中的波长，R为抽头线的特性阻抗，Z0为半波长U型微带线的特性阻抗，Ke是半波长U型微带线的外部耦合系数，w为半波长U型微带线的线宽，h为介质基板厚度，εr为介质基板的相对介电常数。对于多阶发夹型微带线耦合谐振器，通过改变相邻半波长U型微带线的间距和微带枝节的长度调节耦合系数。本设计为了方便调节相邻半波长U型微带线的耦合系数，半波长U型微带线的左微带开路枝节和右微带开路枝节的长度不同。
所述五阶发夹型微带线耦合谐振器所有半波长U型微带线的所有微带枝节的宽度相同为0.13mm；所有半波长U型微带线的中间微带枝节的长度相同为0.23mm；第一阶半波长U型微带线411的左微带开路枝节和第五阶半波长U型微带线415的右微带开路枝节的长度为1.53mm；第一阶半波长U型微带线411和第二阶半波长U型微带线412相邻微带开路枝节的长度为1.85mm，间距为0.29mm；第二阶半波长U型微带线412和第三阶半波长U型微带线413相邻微带开路枝节的长度为1.82mm，间距为0.52mm；第三阶半波长U型微带线413和第四阶半波长U型微带线414相邻微带开路枝节的长度1.82mm，间距为0.52mm；第四阶半波长U型微带线414和第五阶半波长U型微带线415相邻微带开路枝节的长度1.85mm，间距为0.29mm；五阶发夹型微带线耦合谐振器的第一渐变微带线43和第二渐变线44的长度为1.07mm，宽边宽度为0.56mm，窄边宽度0.13mm。
所述砷化镓场效应晶体管的型号为NE3514S02，封装尺寸为3.2mm×3.2mm；所述第一微带线31、第二微带线32、第三微带线33、第四微带线34、第五微带线35、第六微带线36、第七微带线61和第八微带线62的宽度均为0.56mm；所述第一微带线31的长度为1.88mm；所述第二微带线32的长度为6.65mm；所述第三微带线33和第四微带线34的长度均为7.11mm；所述第五微带线3和第六微带线36的长度均为3.31mm；所述第七微带线61的长度均为1.80mm；所述第八微带线62的长度均为1.50mm；所述第一高阻抗线51和第二高阻抗线52的长度为2.5mm，宽度为0.13mm；所述第一扇形微带开路枝节53、第二扇形微带开路枝节54、第一扇形微带短路枝节21、第二扇形微带短路枝节22的角度为80°，半径为1.7mm；所述第一扇形微带短路枝节21和第二扇形微带短路枝节22的金属化过孔大小相同，过孔半径均为0.3mm；所述隔直电容C的电容值为10pF。
如图4和图5所示，本发明基于五阶发夹型微带线耦合谐振器的振荡器中心频率为24.11GHz，对应输出功率为9.067dBm，二次谐波抑制为-39.523dBc，在偏离中心频率100kHz处的相位噪声为-118.387dBc/Hz，在偏离中心频率1MHz处的相位噪声为-137.617dBc/Hz。本发明的振荡器具有较低的相位噪声、较高的谐波抑制、以及较高的输出功率，可为应用于毫米波雷达系统的振荡器研发提供部分参考。
以上参照实施例具体地展示和描述了本发明，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，其特征在于：包括五阶发夹型微带线耦合谐振器、栅极相移线、漏极相移线、砷化镓场效应晶体管、漏极偏置电路、栅极偏置电路、输出网络和两个扇形微带短路枝节；
所述五阶发夹型微带线耦合谐振器包括五个半波长U型微带线、耦合谐振器输出端和耦合谐振器输入端；
所述栅极相移线包括第一微带线、第三微带线、第五微带线；
所述漏极相移线包括第二微带线、第四微带线、第六微带线；
所述栅极偏置电路包括第一高阻抗线和第一扇形微带开路枝节；
所述漏极偏置电路包括第二高阻抗线和第二扇形微带开路枝节；
所述输出网络包括第七微带线、第八微带线和隔直电容；
所述两个扇形微带短路枝节包括第一扇形微带短路枝节和第二扇形微带短路枝节。
2.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，其特征在于：所述五阶发夹型微带线耦合谐振器呈左右对称。
3.根据权利要求2所述的一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，其特征在于：所述半波长U型微带线包括左微带开路枝节、右微带开路枝节，以及与左微带开路枝节和右微带开路枝节垂直连接的中间微带枝节，且连接处进行45°削角处理。
4.根据权利要求2所述的一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，其特征在于：所述五个半波长U型微带线的宽度相同；
相邻半波长U型微带线之间的距离不等；
相邻半波长U型微带线的开口方向相反；
相邻半波长U型微带线的相邻微带开路枝节长度相同；
除了第三阶半波长U型微带线外，其余半波长U型微带线的左微带开路枝节和右微带开路枝节的长度不同。
5.根据权利要求2所述的一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，其特征在于：所述耦合谐振器输入端通过第一渐变微带线直接与第一阶半波长U型微带线的左微带开路枝节连接，耦合谐振器输出端通过第二渐变微带线直接与第五阶半波长U型微带线的右微带开路枝节连接。
6.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，其特征在于：所述栅极相移线中第一微带线和第五微带线与第三微带线垂直连接，并在连接处进行45°削角处理，以减小由于阻抗不连续带来的影响，漏极相移线中第二微带线和第六微带线与第四微带线垂直连接，并在连接处也进行45°削角处理。
7.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，其特征在于：所述砷化镓场效应晶体管的漏极通过漏极相移线直接与五阶发夹型微带线耦合谐振器的输出端连接，砷化镓场效应晶体管的栅极通过栅极相移线直接与五阶发夹型微带线耦合谐振器的输入端连接，砷化镓场效应晶体管的两个源极分别通过第一扇形微带短路枝节和第二扇形微带短路枝节接地，砷化镓场效应晶体管的栅极偏置电压通过栅极偏置电路施加于第一微带线上，砷化镓场效应晶体管的漏极偏置电压通过漏极偏置电路施加于第二微带线上。
8.根据权利要求1所述的一种应用于毫米波雷达的低相噪微带振荡器，其特征在于：所述第一扇形微带短路枝节通过三个金属化过孔与地连接。
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