CN116454582A - X波段压控介质振荡器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种X波段压控介质振荡器，X波段压控介质振荡器包括有源放大网络、选频网络、电压调谐结构、缓冲放大器和电源模块，其中，有源放大网络输出端分别与选频网络的输入端、缓冲放大器的输入端相连；选频网络的输出端与有源放大网络的另一输入端相连；电压调谐结构的输入端连接调谐电压，输出端与选频网络的另一输入端相连；缓冲放大器的输出端为信号输出端，电源模块分别与有源放大网络和缓冲放大器连接。该X波段压控介质振荡器具有更大的电压调谐带宽以及更低的输出相位噪声，对负载牵引有更好的抑制。同时，尺寸小，可以满足系统小型化设计的需求。
Description
技术领域
本发明涉及微波混合集成电路领域，具体地，涉及一种X波段压控介质振荡器。
背景技术
微波振荡器广泛应用于雷达、通信、导航、电子对抗等领域，在微波系统中提供本地振荡器信号，是整个系统的核心部件之一，其性能的好坏直接影响到系统的整体性能指标。
相位噪声是微波振荡器最重要的指标之一，相位噪声的大小直接影响了接收机的灵敏度，在数字通信系统中，过高的相位噪声可能导致误码率上升。随着现代通信技术的不断进步，对振荡器的稳定度、相位噪声以及体积等指标都提出了越来越高的要求。同时，在现代通讯设备中，一般还要求振荡器具有电压调制频率的功能，以方便数据信号的插入或是锁相系统的应用。
在现有的解决方案中，采用高品质因数介质谐振器作为稳频器件的介质振荡器，凭借其高稳定性、低相位噪声、结构简单和体积小巧的优点，被广泛应用于各类微波频率综合系统中。介质谐振器由具有高介电常数的微波陶瓷材料构成，能够将大部分电磁能量约束在介质块内部，作为电路中的谐振选频网络。同一频段内介质谐振器的体积远远小于金属谐振腔，且介质谐振器能轻松地通过耦合作用介入微波混合集成电路中，在小型化设计中具有巨大优势。在实际应用中，常见的介质谐振器有圆柱介质谐振器和同轴介质谐振器两种，同轴介质谐振器的工作频率一般位于L波段以下，在高频应用中需要对输出信号进行倍频处理，系统构造较为负载。而圆柱介质谐振器工作频率可到达毫米波段，振荡信号可以直接输出，系统简单。
然而，由于介质谐振器较高的品质因数，导致介质振荡器的电压调谐带宽普遍较低，目前工作于X-Ku波段的介质振荡器调谐带宽仅有10MHz-20MHz左右，较低的电调谐带宽，增加了介质锁相源在恶劣环境下失锁的风险，也不利于频谱的充分使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种X波段压控介质振荡器，该X波段压控介质振荡器具有更大的电压调谐带宽以及更低的输出相位噪声，对负载牵引有更好的抑制。同时，尺寸小，可以满足系统小型化设计的需求。
为了实现上述目的，本发明提供了一种X波段压控介质振荡器，该X波段压控介质振荡器包括有源放大网络、选频网络、电压调谐结构、缓冲放大器和电源模块，其中，
有源放大网络输出端分别与选频网络的输入端、缓冲放大器的输入端相连；选频网络的输出端与有源放大网络的另一输入端相连；电压调谐结构的输入端连接调谐电压，输出端与选频网络的另一输入端相连；缓冲放大器的输出端为信号输出端，电源模块分别与有源放大网络和缓冲放大器连接。
优选地，有源放大网络由GaAsFET晶体管构成。
优选地，选频网络包括漏极微带线、栅极微带线和位于两条微带线间的圆柱形介质谐振器，栅极微带线的另一终端接匹配阻抗后接地，漏极微带线的另一终端开路；其中，介质谐振器的相对介电常数为37.5，介质谐振器的介质基板为陶瓷板且相对介电常数为9.9。
优选地，电压调谐结构包括相互连接的调谐微带线和变容二极管，电压调谐结构位于介质谐振器的侧边。
优选地，介质谐振器的下方设有垫片，垫片为石英片。
优选地，调谐微带线靠近介质谐振器的位置上方设有低阻抗微带线段。
优选地，调谐微带线的终端加入一处微带中断结构，其中，微带终端的间距为0.2mm。
优选地，电压调谐结构上加载的调制电压为0-20V直流电。
优选地，缓冲放大器在谐振点附近的增益为+18dB，输入端回波损耗小于-15dB。
优选地，电源模块包括两个三端稳压器，分别为7809和7805。
根据上述技术方案，本发明将有源放大网络输出端分别与选频网络的输入端、缓冲放大器的输入端相连；选频网络的输出端与有源放大网络的另一输入端相连；电压调谐结构的输入端连接调谐电压，输出端与选频网络的另一输入端相连；缓冲放大器的输出端为信号输出端，电源模块分别与有源放大网络和缓冲放大器连接。通过对介质谐振器电压调谐结构的改进，使变容二极管与介质谐振器获得更大的耦合，从而提高了压控介质振荡器的电压调谐带宽。并且，使用高品质因数介质谐振器，对环路增益和选频网络的耦合度进行优化调整，有效提高了选频网络的有载品质因数，使得振荡器输出具有良好的相位噪声性能，能提供纯净的本振源。同时，得益于介质振荡器的优良特性，本设计电路结构简单、稳定性高，在X波段可以直接产生所需要的频率信号无需倍频，整机尺寸小，满足系统小型化、集成化设计的要求。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明提供的X波段压控介质振荡器的原理框图；
图2是并联反馈型介质振荡器的电路结构原理图；
图3是改进的电压调谐结构的原理示意图；
图4是电源模块的电路原理图。
附图标记说明
1-有源放大网络 2-选频网络
3-电压调谐结构 4-缓冲放大器
5-电源模块 11-漏极微带线
12-栅极微带线 13-介质谐振器
14-调谐微带线 15-变容二极管
16-GaAsFET晶体管 17-垫片
18-低阻抗微带线段 19-微带中断结构
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“远、近、上、下”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
参见图1至图4，本发明提供一种X波段压控介质振荡器，该X波段压控介质振荡器包括有源放大网络1、选频网络2、电压调谐结构3、缓冲放大器4和电源模块5，其中，
有源放大网络1输出端分别与选频网络2的输入端、缓冲放大器4的输入端相连；选频网络2的输出端与有源放大网络1的另一输入端相连；电压调谐结构3的输入端连接调谐电压，输出端与选频网络2的另一输入端相连；缓冲放大器4的输出端为信号输出端，电源模块5分别与有源放大网络1和缓冲放大器4连接。
在本实施方式中，有源放大网络1由GaAsFET晶体管16构成。
选频网络2包括漏极微带线11、栅极微带线12和位于两条微带线间的圆柱形介质谐振器13，栅极微带线12的另一终端接匹配阻抗后接地，漏极微带线11的另一终端开路；其中，介质谐振器13的相对介电常数为37.5，介质谐振器13的介质基板为陶瓷板且相对介电常数为9.9。
电压调谐结构3包括相互连接的调谐微带线14和变容二极管15，电压调谐结构3位于介质谐振器13的侧边。
介质谐振器13的下方设有垫片17，垫片17为石英片。
调谐微带线14靠近介质谐振器13的位置上方设有低阻抗微带线段18。
调谐微带线14的终端加入一处微带中断结构19，其中，微带终端的间距为0.2mm。
电压调谐结构3上加载的调制电压为0-20V直流电。
缓冲放大器4在谐振点附近的增益为+18dB，输入端回波损耗小于-15dB。
电源模块5包括两个三端稳压器，分别为7809和7805。
通过上述技术方案，本发明提供的压控介质振荡器采用并联反馈型介质振荡器的电路结构，并联反馈型电路结构具有起振容易，调谐带宽大的特点。有源器件选择X波段常用的GaAsFET，具有较低的闪烁拐角频率和噪声系数，能满足振荡器低噪声输出的要求。为了提升振荡器对负载牵引的抑制，本设计的并联反馈型介质振荡器选择源极作为输出端，而在栅极后漏极微带间放置介质谐振器作为选频网络。介质谐振器与两侧耦合的微带线，共同构成了一个高Q带通滤波器，在谐振频点处形成一个尖锐而狭窄的通带。电路上电时，电路中出现频谱丰富的噪声信号，选频网络将谐振频率处的信号选出并返回至有源放大网络的输入端，经过放大电路的不断放大，达到稳定振荡。
本设计根据Leeson相位噪声模型，对振荡器相位噪声进行优化。Leeson公式为：
其中，Ps为有源器件输入端的有效信号功率，QL为选频网络的有载品质因数，F为噪声系数，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，fm为与载波间的偏频，f0为载波频率，fc为闪烁噪声转角频率。根据公式(1)，提高Ps与QL能降低输出端的相噪。通过选择高增益的中功率场效应管作为有源器件，并通过在输入输出端添加合适的匹配结构对，实现了有源放大网络在谐振频点附近较高的增益，进而提高了Ps。同时，适当增大选频网络中介质谐振器与微带线间的距离，在介质谐振器下方加入低介电常数垫片，实现介质谐振器的弱耦合，提高选频网络的QL。由于有源放大网络具有足够的增益，在弱耦合的条件下仍能使振荡器满足起振条件。
根据介质振荡器原理，加入变容二极管的压控介质振荡器带来最大调谐带宽有如下公式：
其中，β为介质谐振器与调谐微带的耦合度，Q0为介质谐振器无载品质因数，Cd为变容二极管最大容值，Z0为调谐微带线特征阻抗。为实现较大的电压调谐带宽，本发明选择具有较大变容比的GaAs超突变结变容二极管，同时该变容二极管还具有较高的Q值，能最大程度降低对振荡器相噪的影响。此外，本发明还提出了在调谐微带线上加入低阻抗微带线段的改进电调谐结构，如图4所示的。该结构增大调谐微带线上的分布电感，进而提高耦合微带线与介质谐振器之间的耦合度β。为提高电路的可调整性，加入的低阻抗微带线段通过外加金属黄铜片的方式实现，可通过调整黄铜片的位置，来获得最佳耦合效果。在电调谐微带线的终端附近，加入一处微带中断结构，是为了在调试中可以对选频网络的相位延迟进行微调，确保振荡器起振。
上述FET场效应晶体管常见的供电方式有两种，单电源供电和双电源供电。单电源供电仅需提供一路正电压，结构简单。双电源供电需要为栅极额外提供一路负压偏置，需要在直流偏置电路中额外加入负压转换芯片，增大了电路的面积和复杂度。因此，本设计采用一路9V正电对晶体管进行供电。
对负载牵引较为敏感是并联反馈型介质振荡器的缺点，一般采用在振荡器输出端加入隔离器的方式来提高对负载牵引的抑制，但X波段的隔离器体积通常较大，不满足小型化设计的需求。本发明采用了加入缓冲放大器的方式来提高振荡器对负载牵引的抑制。缓冲放大收器由单片放大器构成，在工作频率附近。输入端反射系数小于-15dB，不会对振荡器工作造成影响。
电源模块中包含7809和7805两种三端稳压器以及旁路滤波电容，将输入12V电压转换为介质振荡器所需的9V和缓冲放大器所需的5V，最大程度降低电源波动对介质振荡器工作的影响，保证低相噪输出。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (10)
1.一种X波段压控介质振荡器，其特征在于，所述X波段压控介质振荡器包括有源放大网络(1)、选频网络(2)、电压调谐结构(3)、缓冲放大器(4)和电源模块(5)，其中，
所述有源放大网络(1)输出端分别与所述选频网络(2)的输入端、所述缓冲放大器(4)的输入端相连；所述选频网络(2)的输出端与所述有源放大网络(1)的另一输入端相连；所述电压调谐结构(3)的输入端连接调谐电压，输出端与所述选频网络(2)的另一输入端相连；所述缓冲放大器(4)的输出端为信号输出端，所述电源模块(5)分别与所述有源放大网络(1)和所述缓冲放大器(4)连接。
2.根据权利要求1所述的X波段压控介质振荡器，其特征在于，所述有源放大网络(1)由GaAsFET晶体管(16)构成。
3.根据权利要求1所述的X波段压控介质振荡器，其特征在于，所述选频网络(2)包括漏极微带线(11)、栅极微带线(12)和位于两条微带线间的圆柱形介质谐振器(13)，所述栅极微带线(12)的另一终端接匹配阻抗后接地，所述漏极微带线(11)的另一终端开路；其中，所述介质谐振器(13)的相对介电常数为37.5，所述介质谐振器(13)的介质基板为陶瓷板且相对介电常数为9.9。
4.根据权利要求3所述的X波段压控介质振荡器，其特征在于，所述电压调谐结构(3)包括相互连接的调谐微带线(14)和变容二极管(15)，所述电压调谐结构(3)位于所述介质谐振器(13)的侧边。
5.根据权利要求3或4所述的X波段压控介质振荡器，其特征在于，所述介质谐振器(13)的下方设有垫片(17)，所述垫片(17)为石英片。
6.根据权利要求4所述的X波段压控介质振荡器，其特征在于，所述调谐微带线(14)靠近所述介质谐振器(13)的位置上方设有低阻抗微带线段(18)。
7.根据权利要求6所述的X波段压控介质振荡器，其特征在于，所述调谐微带线(14)的终端加入一处微带中断结构(19)，其中，微带终端的间距为0.2mm。
8.根据权利要求1所述的X波段压控介质振荡器，其特征在于，所述电压调谐结构(3)上加载的调制电压为0-20V直流电。
9.根据权利要求1所述的X波段压控介质振荡器，其特征在于，所述缓冲放大器(4)在谐振点附近的增益为+18dB，输入端回波损耗小于-15dB。
10.根据权利要求1所述的X波段压控介质振荡器，其特征在于，所述电源模块(5)包括两个三端稳压器，分别为7809和7805。
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