CN114584074B - 一种小型化选频结构及其在低相噪微波振荡器中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种小型化选频结构及其在低相噪微波振荡器中的应用，提供一种基于微带的选频结构，其特征在于：第一端口(P1)连接到第一线节(X1)的中间一点；第一线节(X1)的一端连接第一多指结构(F1)，另一端连接到第二金属化接地孔(G2)；第二端口(P2)连接到第二线节(X2)的中间一点；第二线节(X2)的一端连接第二多指结构(F2)，另一端连接到第二金属化接地孔(G2)；弯折谐振器(FR)的一端连接第一金属化接地孔(G1)；第一多指结构(F1)、第二多指结构(F2)与弯折谐振器(FR)三者之间相互存在耦合。该选频结构具有低插损、高群时延和小型化的优点。基于该选频结构的振荡器具有相位噪声低、输出功率高等优点，具有显著的技术进步。

Description

一种小型化选频结构及其在低相噪微波振荡器中的应用
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种小型化选频结构及其在低相噪微波振荡器中的应用。
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(简称：相噪)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。因此，研究具有低相噪微波振荡器具有极其重要的意义。
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差的不足，提供了一种基于微带的小型化选频结构，并应用于微波振荡器中降低相噪。选频结构具有小型化、低插损和高群时延的特点。基于该选频结构的微带振荡器具有低相噪、高输出功率、容易加工、便于集成以及低成本等优点，以下简称振荡器。
本发明采用并联反馈型振荡器类型，选频网络发挥着极其重要的作用，决定着振荡器的相噪性能。选频网络的构造有无穷种可能，本技术领域尚无一般性设计方法，其定性要求为：群时延高、插损小和阻带抑制尽可能高且宽。实际中，在选频网络通带附近引入传输零点，可以有效地提高群时延。
如图1所示，为所述的选频结构，为二端口网络，用于实现选频网络。其特征在于：第一端口(P1)连接到第一线节(X1)的中间一点；第一线节(X1)的一端连接第一多指结构(F1)，另一端连接到第二金属化接地孔(G2)；第二端口(P2)连接到第二线节(X2)的中间一点；第二线节(X2)的一端连接第二多指结构(F2)，另一端连接到第二金属化接地孔(G2)；弯折谐振器(FR)的一端连接第一金属化接地孔(G1)；第一多指结构(F1)、第二多指结构(F2)与弯折谐振器(FR)三者之间相互存在耦合。
进一步，选频结构中的弯折谐振器(FR)可以用图2所示的等效结构来分析其物理机制，其中Y是特征导纳，θ1和θ2表示对应微带线节的电长度。对于图2中的等效结构，其奇模电路如图3所示，其偶模电路如图4所示。奇模电路输入导纳Yodd为
Yodd＝-jYcotθ1 (1)
偶模电路输入导纳Yeven为
当Yodd＝∞和Yeven＝0，对应着的弯折谐振器(FR)的一个传输零点和一个谐振频率。
如图1所示的选频结构，其耦合拓扑结构可由图5描述。图中，R1表示谐振器1，即由第一线节(X1)、第一多指结构(F1)和第一金属化接地孔(G1)所构成的谐振器；R2表示谐振器2，即弯折谐振器(FR)；R3表示第二线节(X2)、第二多指结构(F2)和第一金属化接地孔(G1)所构成的谐振器；S表示源，即第一端口(P1)；L表示负载，即第二端口(P2)。图5对应的归一化耦合系数矩阵为
其中，mij(i和j分别取1、2、3、S和L)表示谐振器1、谐振器2、谐振器3、源和负载之间的归一化耦合系数。根据这些归一化耦合系数，可以计算得到理想的耦合系数kij和外部品质因数Qe，用于确定选频结构的结构参数初始值。如图1所示的选频结构，理论上可以实现一个三阶带通响应，如图6所示。具有三个传输零点，分别用TZ1、TZ2和TZ3表示。
进一步，基于如图1所示的选频结构，可以构造振荡器。振荡器结构如图7所示，其特征在于：晶体管(BJT)的基极端连接第一线节(T1)，集电极端连接第二线节(T2)；直流电源加载到偏置线节(PT)上，偏置线节(PT)上连接了接地电容(C3)，并通过电阻(R)连接到第一线节(T1)，偏置线节(PT)同时连接到第二线节(T2)，实现对晶体管(BJT)的供电；第一线节(T1)的左端连接第一电容(C1)的右端，第一电容(C1)的左端连接第三线节(T3)一端；第三线节(T3)中间一点加载开路枝节(OT)；第三线节(T3)另一端连接到选频结构的第一端口(P1)；选频结构的第二端口(P2)连接第四线节(T4)一端，第四线节(T4)另一端连接第二电容(C2)右端，第二电容(C2)左端连接到第二线节(T2)；第四线节(T4)的中间一点连接输出枝节(OP)，通过输出枝节(OP)进行能量输出。
本发明所述选频结构的有益效果是：小型化、较低插损与高群时延的折中；从而使基于该选频结构的振荡器具有低相噪、高功率输出等优点。
附图说明
图1：选频结构示意图；
图2：选频结构等效电路示意图；
图3：选频结构奇模电路示意图；
图4：选频结构偶模电路示意图；
图5：选频结构耦合拓扑图；
图6：选频结构理想频率响应图；
图7：基于选频结构的振荡器示意图；
图8：标注结构参数的选频结构示意图；
图9：实施例一的S参数仿真结果图；
图10：实施例一的群时延仿真结果图；
图11：实施例一中有/没有弯折谐振器(FR)的|S21|仿真结果图；
图12：实施二的相噪测试结果图；
图13：实施例二的输出功率测试结果图。
具体实施方式
为了体现本发明的创造性和新颖性，下面将结合附图和具体实施例进行阐述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例选用一款常用微带基片，相对介电常数为3.66，厚度为0.508mm。
实施例一是选频结构实施例。标注结构参数的实施例一如图8所示，其中，L1、L2、L3、L4和L5分别表示线长，W1、W2和W3分别表示线宽，g1、g2、g3和g4分别表示缝隙宽度，D1和D2分别表示第一金属化接地孔(G1)和第二金属化接地孔(G2)的直径。实施例一的中频频率设为2.0GHz，由此得到归一化耦合系数矩阵为
根据这些归一化耦合系数，可以计算得到理想的耦合系数kij和外部品质因数Qe，用于确定选频结构的结构参数初始值。经过电磁仿真优化后，确定一组结构参数值(单位：mm)：L1＝9.06,L2＝7.46,L3＝4.36,L4＝2.87,L5＝15.36,W1＝0.2,W2＝0.3,W3＝0.25,g1＝0.26,g2＝0.54,g3＝0.28,g4＝0.15,D1＝0.3,D2＝0.43。实施例一的仿真结果如图9、10和11所示。由图9看到，三个传输零点分别位于1.85、1.95和3.30GHz。在中心频率处，插损约为3.1dB。由图10可知，群时延为7.35ns。选频结构去掉弯折谐振器(FR)后，剩余部分结构的仿真结果如图11所示。可见，弯折谐振器(FR)的确会引入一个传输零点和一个谐振频率。整个选频结构的尺寸为0.011λg 2，λg表示中心频率处的波导波长。因此，所述选频结构同时具有低插损、高群时延和小型化的优点。
实施例二是基于选频结构的振荡器实施例。图12和13是实施例二的测试结果。实施例二工作在2.01GHz，输出功率为8.32dBm。偏离振荡频率100kHz处的相噪为-128.59dBc/Hz@100kHz，偏离振荡频率1MHz处的相噪为-146.4dBc/Hz@1MHz。
以上所列举的实施例，充分说明了本发明所述的选频结构具有低插损、高群时延和小型化的优点，基于该选频结构的振荡器具有相位噪声低、输出功率高等优点，具有显著的技术进步。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)

1.一种选频结构，其特征在于：第一端口(P1)连接到第一线节(X1)的中间一点；第一线节(X1)的一端连接第一多指结构(F1)，另一端连接到第二金属化接地孔(G2)；第二端口(P2)连接到第二线节(X2)的中间一点；第二线节(X2)的一端连接第二多指结构(F2)，另一端连接到第二金属化接地孔(G2)；弯折谐振器(FR)的一端连接第一金属化接地孔(G1)；第一多指结构(F1)、第二多指结构(F2)与弯折谐振器(FR)三者之间相互存在耦合。
2.依据权利要求1所述的选频结构，可以实现三阶带通响应，具有三个传输零点；对应的归一化耦合系数矩阵为
其中，mij(i和j分别取1、2、3、S和L)表示谐振器1、谐振器2、谐振器3、源和负载之间的归一化耦合系数。
3.依据权利要求1所述的选频结构，弯折谐振器(FR)的奇模电路输入导纳Yodd为
Yodd＝-jYcotθ1
偶模电路输入导纳Yeven为
其中Y是特征导纳，θ1和θ2表示对应微带线节的电长度；当Yodd＝∞和Yeven＝0，对应着的弯折谐振器(FR)的一个传输零点和一个谐振频率。
4.依据权利要求1所述的选频结构，其中，L1、L2、L3、L4和L5分别表示线长，W1、W2和W3分别表示线宽，g1、g2、g3和g4分别表示缝隙宽度，D1和D2分别表示第一金属化接地孔(G1)和第二金属化接地孔(G2)的直径；当中心频率设置为2.0GHz时，选取一组结构参数：L1＝9.06mm,L2＝7.46mm,L3＝4.36mm,L4＝2.87mm,L5＝15.36mm,W1＝0.2mm,W2＝0.3mm,W3＝0.25mm,g1＝0.26mm,g2＝0.54mm,g3＝0.28mm,g4＝0.15mm,D1＝0.3mm,D2＝0.43mm；选频结构的三个传输零点分别位于1.85、1.95和3.30GHz；在中心频率处，插损约为3.1dB，群时延为7.35ns。
5.依据权利要求1所述的选频结构，可以构建振荡器，其特征在于：晶体管(BJT)的基极端连接第一线节(T1)，集电极端连接第二线节(T2)；直流电源加载到偏置线节(PT)上，偏置线节(PT)上连接了接地电容(C3)，并通过电阻(R)连接到第一线节(T1)，偏置线节(PT)同时连接到第二线节(T2)，实现对晶体管(BJT)的供电；第一线节(T1)的左端连接第一电容(C1)的右端，第一电容(C1)的左端连接第三线节(T3)一端；第三线节(T3)中间一点加载开路枝节(OT)；第三线节(T3)另一端连接到选频结构的第一端口(P1)；选频结构的第二端口(P2)连接第四线节(T4)一端，第四线节(T4)另一端连接第二电容(C2)右端，第二电容(C2)左端连接到第二线节(T2)；第四线节(T4)的中间一点连接输出枝节(OP)，通过输出枝节(OP)进行能量输出。
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108539337A (zh) * 2018-04-09 2018-09-14 浙江嘉科电子有限公司 一种新型交叉耦合薄膜低通滤波器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3922165C2 (de) * 1989-07-06 1995-09-21 Daimler Benz Aerospace Ag Planare Breitbandantennenanordnung
TW522637B (en) * 2002-02-22 2003-03-01 Accton Technology Corp Low-phase noise oscillator with a microstrip resonator
US7358826B2 (en) * 2004-03-22 2008-04-15 Mobius Microsystems, Inc. Discrete clock generator and timing/frequency reference
JP4936389B2 (ja) * 2007-09-25 2012-05-23 独立行政法人情報通信研究機構 マイクロストリップ線路共振器およびマイクロ波発振器
CN202434676U (zh) * 2011-10-26 2012-09-12 京信通信系统（中国）有限公司 双通带微带滤波器器件及其双通带微带滤波器
CN103326091B (zh) * 2013-06-20 2015-07-29 南京航空航天大学 一种高选择性、高共模抑制的阶梯阻抗梳状线平衡微带带通滤波器
JP2016158245A (ja) * 2015-02-20 2016-09-01 住友電気工業株式会社 一端子回路
US9531396B1 (en) * 2015-11-13 2016-12-27 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Frequency tuning device
CN107565201B (zh) * 2017-09-13 2019-10-18 电子科技大学 一种具有低相位噪声的微波振荡器
CN109473756B (zh) * 2018-11-16 2020-01-31 西安电子科技大学 一种全可重构差分滤波器
CN109616724B (zh) * 2018-12-11 2019-11-08 四川众为创通科技有限公司 基于双开口谐振环的小型化频率选择表面
CN110289813B (zh) * 2019-07-15 2021-06-08 电子科技大学 一种具有谐波抑制的低相位噪声振荡器
CN112953394B (zh) * 2021-01-21 2022-08-30 电子科技大学 一种具有新型相噪控制网络的微带振荡器

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108539337A (zh) * 2018-04-09 2018-09-14 浙江嘉科电子有限公司 一种新型交叉耦合薄膜低通滤波器

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