CN1317883A - 微波振荡器和使用它的低噪声变频器 - Google Patents

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Abstract

具有释放端的MSL A连到晶体管的基极，MSL B连到集电极，靠近MSL A和B放置使它们电磁耦合的DR，实现从集电极到基极的并联反馈且振荡输出稳定的微波振荡器。把MSL A的释放端与最靠近DR中心的位置间的长度设定为MSL A的波导波长/4，仅把HIL作为基极的偏置供给线连到该位置。此结构不需要占据大面积的扼流电路，实现了具有极佳相位噪声特性的稳定的小型微波振荡器和使用该振荡器的低噪声变频器。

Description

微波振荡器和使用它的低噪声变频器
本发明涉及结合在广播或通信卫星的无线电波接收天线中的使用介质谐振器使频率稳定的微波振荡器及低噪声变频器(converter)(国际专利分类H01P1/17)。
近来，随着活动图形的数字信号压缩技术或数字信号处理的集成电路的进步，在通过广播卫星或通信卫星的电视广播中，模拟发送系统正日益被数字发送系统所替代，数字发送系统能在多个信道中提供图形质量较高的广播和通信服务，它非常有希望扩展到普通家庭。在此背景下，不仅需要在广播或通信卫星无线电波的接收通信中所使用的小尺寸低成本的低噪声变频器，而且还需要进一步提高与低噪声变频器相结合的微波振荡器的相位噪声特性，在把正交相移键控或八分相移键控用作数字发送系统时，该特性对接收机中的解码信号的误码率(BER)的质量有严重影响。
图6是迄今为止用作低噪声变频器的本机振荡器的微波振荡器的电路图。在用于微波振荡器的双极型晶体管1(以下，把此双极型晶体管仅叫做晶体管，以区别于场效应晶体管或FET)的基极端，连接了微带线(MSL)4a。在此线4a中，如图所示，由高阻抗线(HIL)6a和MSL 4d构成的扼流(choke)电路以及由电阻3c和3d构成的直流分压器串联，电阻3c的一端连到晶体管的偏置供给端2b，从中把一偏置电压加到基极端。使HIL 6a泄漏的微波分量接地的电容器7c并联到电阻3d，其一端接地。在MSL 4a的一个终端(terminal end)处，如图所示连接了高频电阻3b和MSL 4c(其一端释放且长度为λg/4)的串联电路，在MSL 4a中形成一阻性(resistive)终端。这里，λg为与振荡频率相对应的MSL 4c的波导波长。(这里，λg指由相应的MSL所确定的波导波长。λg的值随MSL的线宽、电路板的厚度及介电常数而变化。)
MSL 4b连到晶体管1的集电极，在线4b中，如图所示连接了HIL 6b和MSL 4f的扼流电路及直流电阻3a，电阻3a的一端连到晶体管的偏置供给端2a，从中把一偏置电压加到集电极端。用于使从HIL 6b泄漏的微波分量接地的电容器7b串联到电阻3a，其一端接地。
中空的圆形介质谐振器(DR)5与MSL 4a和4B电磁耦合，且设置成从其释放端到与DR 5的中心的最近位置的距离可以是MSL 4b上的λg/4。
在此结构中，通过从晶体管1的集电极经DR 5到基极的反馈，可把振荡频率和振荡功率稳定在由DR 5的谐振频率所确定的频率上，通过连到晶体管1的发射极的阻抗匹配电路9和隔直流电容器7a从输出端8传送振荡功率。
而，连到匹配电路9的HIL 6c和MSL 4e形成一扼流电路，它们用于防止微波振荡功率的泄漏并使晶体管1的发射极直流接地。
然而，此常规结构需要由HIL 6a、6b、6c和MSL 4d、4f、4e构成的扼流电路，它们连接成给连到晶体管1的相应端子和连到阻抗匹配电路9的MSL 4a、4b提供直流偏置，这些扼流电路使得难于减小微波振荡器的尺寸或使相位噪声特性下降，产生寄生振荡或其它不稳定的振荡。
因此，本发明的一个目的是解决已有技术的问题，并提供一种相位噪声特性极佳的小尺寸微波振荡器以及使用该振荡器的接收卫星信号的低噪声变频器。
为了实现该目的，本发明的微波振荡器的特征在于这样的结构，其中一端释放的MSL A连到一晶体管的基极端，MSL B连到集电极端，接近MSL A和MSL B放置一DR以使它们电磁耦合，通过引起从集电极到基极的并联反馈来获得稳定的振荡输出，DR的中心设定在最靠近与MSL A上的释放端的距离为λg1/4的位置，HIL仅作为基极端的偏置供给线而连到该位置，因此，不使用在常规电路板上占据相对大面积的扼流电路，可实现具有极佳相位噪声特性的稳定的小型微波振荡器。这里，λg1为MSL A中的波导波长。
在另一结构中，连到晶体管的集电极端的MSL B的一端也释放，把DR的中心设定在最靠近与MSL B上的释放端的距离为λg2/4的位置，HIL仅作为偏置供给线连到集电极端，因此，不使用通常加到基极和集电极端的偏置供给线的扼流电路，可进一步减小尺寸。这里λg2为MSL B中的波导波长。
此外，使用FET而不是晶体管，可把一端释放的MSL A连到其栅极端，把MSLB连到漏极端，接近MSL A和MSL B放置一DR以使它们电磁耦合，通过引起从漏极到栅极的并联反馈来获得稳定的振荡输出，DR的中心设定在最靠近与MSL A上的释放端的距离为λg1/4的位置，HIL仅作为偏置供给线而连到栅极端，因此，不使用在常规电路板上占据相对大面积的扼流电路，可实现具有极佳相位噪声特性的稳定的小型微波振荡器。这里，λg1为MSL A中的波导波长。
在一不同的结构中，连到FET的漏极端的MSL B的一端也释放，把DR的中心设定在最靠近与MSL B上的释放端的距离为λg2/4的位置，HIL仅作为偏置供给线连到漏极端，因此，不使用通常加到栅极和漏极端的偏置供给线的扼流电路，可进一步减小尺寸。
通过在用于接收卫星信号的低噪声变频器(由用于把从卫星信号接收天线获得的圆形波导中的卫星信号转换成MSL模式的探针、低噪声放大器、混频器、本机振荡器和IF放大器构成)的本机振荡器中使用这些微波振荡器中的任一种，可实现具有极佳相位噪声特性的用于接收卫星信号的稳定的小型低噪声变频器。
因而，通过把一端释放的MSL连到晶体管的基极和/或集电极端或FET的栅极和/或漏极端，把DR的中心设定在最靠近与MSL上的释放端的距离为λg/4的位置，且仅把HIL作为偏置供给线连到晶体管或FET的每一个端子，可省去常规的扼流电路，并提供一种具有极佳相位噪声特性的稳定的小型微波振荡器以及提供使用该振荡器的用于接收卫星信号的低噪声变频器。
图1是本发明实施例1和实施例2中的微波振荡器的电路图。
图2是本发明实施例3和实施例4中的微波振荡器的电路图。
图3是本发明实施例5中的微波振荡器的方框图。
图4是本发明实施例6中的微波振荡器的方框图。
图5是示出本发明实施例6中的微波振荡器的相位噪声特性的图。
图6是已有技术中的微波振荡器的电路图。
现在参考附图，以下描述本发明的较佳实施例。
(实施例1)
图1中示出本发明实施例1中的微波振荡器的电路图。
如图1所示，在晶体管1的基极端，连接了具有一释放端的MSL 4a,HIL 6a和直流电阻3b串联到线4a一侧，电阻3b的一端经直流电阻3a连到偏置电压供给端2，从中把一偏置电压加到基极端。如图1所示，在晶体管1的集电极端，与基极端的情况相同，连接了具有一释放端的MSL 4b,HIL 6b和直流电阻3a串联到线4b一侧并引向偏置电压供给端2，从中把一电压加到集电极端。发射极端直接接地。另一方面，为了使振荡稳定，如此放置DR 5，从而MSL 4a和MSL 4b线上距释放端的距离为L1和L2的位置可最靠近DR 5的中心。把L1和L2分别设定在λg1/4和λg2/4(λg1和λg2分别为DR 5的谐振频率下MSL 4a和MSL 4b的波导波长)，连到集电极的MSL 4b和连到基极端的MSL4a经DR 5电磁耦合，在晶体管的集电极和基极之间引起并联耦合，因而由DR 5把微波振荡稳定在一想要的频率。通过隔直流电容器7a从输出端8获得这一振荡功率。
假定从MSL 4a的释放端最靠近DR 5的中心的线4a上的位置为Pa，从线4a的释放端到HIL 6a的距离为x，则从释放端到Pa的距离为λg1/4(L1=λg1/4)，因而线4a在Pa处处于短路状态，从Pa看线4a的释放端，阻抗Z(Pa)为足够小的值。因此，当在此Pa位置连接HIL 6a时，即当设定在x=L1处时，与不使用图6所示已有技术中具有短线(stab)4d的扼流电路的Z(Pa)相比，从Pa位置看HIL 6a的阻抗为足够大的值，且它可充分地抑制MSL 4a对HIL 6a的微波电磁场泄漏。因此，可实现具有极佳相位噪声特性的稳定的小型微波振荡器。
图5示出λg1/8、λg1/4和3λg1/8处的微波振荡输出的相位噪声特性。从该图可知，将在L1=λg1/4处获得最佳的相位噪声特性。
在本实施例中，在晶体管1的偏置方法中使用电压反馈系统，但可通过诸如电流反馈系统等其它偏置方法获得类似的效果。当然，通过MSL在隔直流电容器7a中使用叉指式滤波器等可获得相同的效果。
(实施例2)
本实施例的微波振荡器的电路图与图1所示实施例1的相同。在本实施例中，假定从连到晶体管1的集电极端的MSL 4b的释放端到HIL 6b的距离为y，从MSL 4b的释放端最靠近DR 5的中心的线4b上的位置为Pb，则从释放端到Pb的距离为λg2/4(L2=λg2/4)，因而线4b在Pb处处于短路状态，从Pb看线4b的释放端，阻抗Z(Pb)为足够小的值。因此，当HIL 6b连接在此Pb位置处时，即当设定在y=L2处时，与实施例1相同，与不使用图5所示已有技术中具有短线4f的扼流电路的Z(Pb)相比，从Pb位置看HIL 6b的阻抗是一足够大的值，它可充分地抑制MSL 4b对HIL 6b的微波电磁场泄漏。因此，可实现具有极佳相位噪声特性的稳定的小型微波振荡器。
在本实施例中，也可与实施例1相同地改变晶体管1的偏置方法和隔直流电容器7a。
(实施例3)
在图2中示出本发明实施例3中的微波振荡器的电路图。如图2所示，在FET9的栅极端，连接了具有一释放端的MSL 4a，HIL 6a和直流电阻3e串联到线4a一侧，电阻3e的一端接地。如栅极端的情况，在FET 9的漏极端，连接了具有一释放端的MSL 4b。如图2所示，在线4b的一侧，连接了HIL 6b的一端，一直流电阻3c和电容器7b连到另一端，电阻3c引入偏置电压供给端2，从中把一偏置电压加到FET 9。电容器7b用于使从HIL 6b泄漏的微波分量接地。在源极端，连接了阻抗匹配网络10的一端，其另一端经隔直流电容器7a连到输出端8。如图2所示，在电路10一侧，串联了由HIL 6c和短线4c构成的扼流电路及一直流电阻3d，电阻3d的一端接地。另一方面，为了稳定振荡，如此放置DR 5，从而MSL 4a和MSL 4b线上距释放端的距离为L1和L2的位置可最靠近DR 5的中心。把L1和L2分别设定为λg1/4和λg2/4(λg1和λg2分别为DR 5的谐振频率下MSL 4a和MSL 4b的波导波长)，连到漏极端的MSL 4b和连到栅极端的MSL 4a经DR 5电磁耦合，在FET的漏极和栅极之间引起并联反馈，因此，DR 5把微波振荡稳定在一想要的频率。通过阻抗匹配电路10和隔直流电容器7a从输出端8获得此振荡功率。
假定从MSL 4a的释放端最靠近DR 5的中心的线4a上的位置为Pa，从线4a的释放端到HIL 6a的距离为x，则从释放端到Pa的距离为λg1/4(L1=λg1/4)，因而线4a在Pa处处于短路状态，从Pa看线4a的释放端，阻抗Z(Pa)为足够小的值。因此，当在此Pa位置连接HIL 6a时，即当设定在x=L1处时，与不使用图5所示已有技术中具有短线4d的扼流电路的Z(Pa)相比，从Pa位置看HIL 6a的阻抗为足够大的值，且它可充分地抑制MSL 4a对HTL 6a的微波电磁场泄漏。因此，可实现具有极佳相位噪声特性的稳定的小型微波振荡器。
当然，通过MSL在隔直流电容器7a中使用叉指式滤波器等可获得相同的效果。
(实施例4)
本实施例的微波振荡器的电路图与图2所示实施例3的相同。在本实施例中，假定从连到FET 9的漏极端的MSL 4b的释放端到HIL 6b的距离为y，从MSL 4b的释放端最靠近DR 5的中心的线4b上的位置为Pb，则从释放端到Pb的距离为λg2/4(L2=λg2/4)，因而线4b在Pb处处于短路状态，从Pb看线4b的释放端，阻抗Z(Pb)为足够小的值。因此，当HIL 6b连接在此Pb位置处时，即当设定在y=L2处时，与实施例1相同，与不使用图6所示已有技术中具有短线4f的扼流电路的Z(Pb)相比，从Pb位置看HIL 6b的阻抗是一足够大的值，它可充分地抑制MSL 4b对HIL 6b的微波电磁场泄漏。因此，可实现具有极佳相位噪声特性的稳定的小型微波振荡器。
在本实施例中，也可如实施例3来改变隔直流电容器7a。
(实施例5)
在图3中示出本发明实施例5中的用于接收卫星信号的低噪声变频器的方框图。
把接收天线接收到的卫星信号引入圆形波导20，由波导中所设置的探针11把它转换成MSL模式，通过低噪声放大器放大，并发送到混频器13以下变频到中频。作为用于把本机振荡器信号馈送入混频器13的本机振荡器，使用实施例1中的微波振荡器。即，通过从MSL 4a的释放端到λg1/4(x=λg1/4)的位置Pa连接用于提供待加到晶体管1的基极端的偏置电压的HIL 6a，此微波振荡器不需要扼流电路。在图3中，把实施例1的微波振荡器的输出信号从隔直流电容器7a经带MSL形成的通滤波器14送入混频器13，晶体管1的偏置供给端2连到稳定的直流电源电路16。在混频器13中，把卫星信号与本机振荡信号混合，从混频器13的输出端口取出IF分量，在IF放大器15中放大，引向IF输出端17并向外传送。另一方面，把待提供给稳定直流电源电路的直流电压叠加在来自外部的IF输出信号上，并从输出端17添加该直流电压。
因而，在本实施例中，由于在用于接收卫星信号的低噪声变频器中把实施例1中的微波振荡器用作本机振荡器，所以实现了具有极佳相位噪声特性的用于接收卫星信号的稳定的小型低噪声变频器。
图5示出λg1/8、λg1/4和3λg1/8处的微波振荡输出的相位噪声特性。从该图可知，将在L1=λg1/4处获得最佳的相位噪声特性。
(实施例6)
本实施例的低噪声变频器的方框图与图3所示实施例5的相同。
在本实施例中，把实施例2中的微波振荡器用作产生本机振荡信号的本机振荡器。即，通过从MSL 4b的释放端到λg2/4(y=λg2/4)的位置Pb连接用于提供待加到晶体管1的集电极端的偏置电压的HIL 6b，此微波振荡器不需要扼流电路。因而，在本实施例中，由于在用于接收卫星信号的低噪声变频器中把实施例2中的微波振荡器用作本机振荡器，所以实现了具有极佳相位噪声特性的用于接收卫星信号的稳定的小型低噪声变频器。
(实施例7)
在图4中示出本发明实施例7中的用于接收卫星信号的低噪声变频器的方框图。
把接收天线接收到的卫星信号引入圆形波导20，由该波导中所设置的探针11把它转换成MSL模式，并通过低噪声放大器放大，然后送入混频器13以下变频到中频。作为把本机振荡信号馈送入混频器13的本机振荡器，使用实施例3中的微波振荡器。即，通过从MSL 4a的释放端到λ/4(x=λg1/4)的位置Pa连接用于提供待加到FET 9的栅极端的偏置电压的HIL 6a，此微波振荡器不需要扼流电路。在图4中，把实施例3的微波振荡器的输出信号从隔直流电容器7a经MSL形成的带通滤波器14送入混频器13，把FET 9的偏置供给端2连到稳定的直流电源电路16。在混频器13中，把卫星信号与本机振荡信号混合，从混频器13的输出端口中取出IF分量，在IF放大器15中放大，引向IF输出端17并向外传送。另一方面，把待提供给稳定直流电源电路的直流电压叠加在来自外部的IF输出信号上，并从输出端17添加该直流电压。
因而，在本实施例中，由于在用于接收卫星信号的低噪声变频器中把实施例3中的微波振荡器用作本机振荡器，所以实现了具有极佳相位噪声特性的用于接收卫星信号的稳定的小型低噪声变频器。
(实施例8)
本实施例的低噪声变频器的方框图与图4所示实施例7的相同。
在本实施例中，把实施例4中的微波振荡器用作产生本机振荡信号的本机振荡器。即，通过从MSL 4b的释放端到λg2/4(y=λg2/4)的位置Pb连接提供待加到FET 9的漏极端的偏置电压的HIL 6b，此微波振荡器不需要扼流电路。因而，在本实施例中，由于在用于接收卫星信号的低噪声变频器中把实施例4中的微波振荡器用作本机振荡器，所以实现了具有极佳相位噪声特性的用于接收卫星信号的稳定的小型低噪声变频器。
因而，通过把一端释放的MSL连到晶体管的基极和/或集电极或连到FET的栅极和/或漏极端，把DR的中心设定为最靠近与MSL上的释放端的距离为λg/4的位置，以及仅把HIL作为偏置供给线连到晶体管或FET的每一个端子，省去了常规的扼流电路，提供了具有极佳相位噪声特性的稳定的小型微波振荡器和使用该振荡器的用于接收卫星信号的低噪声变频器。

Claims (8)

1．一种用于引起从一双极型晶体管的集电极到基极的并联反馈的微波振荡器，其特征在于包括：
(a)具有一释放端的耦合到所述基极端的第一微带线，
(b)具有一释放端的耦合到所述集电极端的第二微带线，
(c)电磁耦合到所述第一微带线和所述第二微带线的介质谐振器，以及
(d)用于给所述基极端提供偏置的高阻抗线，所述高阻抗线耦合在从所述第一微带线上的释放端到最靠近所述介质谐振器的中心的点的距离为λg1/4的位置处，
其中λg1是在所述微波振荡器的振荡频率下第一微带线的波导波长。
2．一种用于引起从一双极型晶体管的集电极到基极的并联反馈的微波振荡器，其特征在于包括：
(a)具有一释放端的耦合到所述基极端的第一微带线，
(b)具有一释放端的耦合到所述集电极端的第二微带线，
(c)电磁耦合到所述第一微带线和所述第二微带线的介质谐振器，
(d)用于给所述基极端提供偏置的高阻抗线，所述高阻抗线耦合在从所述第一微带线上的释放端到最靠近所述介质谐振器的中心的点的距离为λg1/4的位置处，以及
(e)用于给所述集电极端提供偏置的高阻抗线，所述高阻抗线耦合在从所述第二微带线上的释放端到最靠近所述介质谐振器的中心的点的距离为λg2/4的位置处，
其中λg1和λg分别是在所述微波振荡器的振荡频率下第一微带线和第二微带线的波导波长。
3．一种用于引起从一场效应晶体管的漏极到栅极的并联反馈的微波振荡器，其特征在于包括：
(a)具有一释放端的耦合到所述栅极端的第一微带线，
(b)具有一释放端的耦合到所述漏极端的第二微带线，
(c)电磁耦合到所述第一微带线和所述第二微带线的介质谐振器，以及
(d)用于给所述栅极端提供偏置的高阻抗线，所述高阻抗线耦合在从所述第一微带线上的释放端到最靠近所述介质谐振器的中心的点的距离为λg1/4的位置处，
其中λg1是在所述微波振荡器的振荡频率下第一微带线的波导波长。
4．一种用于引起从一场效应晶体管的漏极到栅极的并联反馈的微波振荡器，其特征在于包括：
(a)具有一释放端的耦合到所述栅极端的第一微带线，
(b)具有一释放端的耦合到所述漏极端的第二微带线，
(c)电磁耦合到所述第一微带线和所述第二微带线的介质谐振器，
(d)用于给所述栅极端提供偏置的高阻抗线，所述高阻抗线耦合在从所述第一微带线上的释放端到最靠近所述介质谐振器的中心的点的距离为λg1/4的位置处，以及
(e)用于给所述漏极端提供偏置的高阻抗线，所述高阻抗线耦合在从所述第二微带线上的释放端到最靠近所述介质谐振器的中心的点的距离为λg2/4的位置处，
其中λg1和λg分别是在所述微波振荡器的振荡频率下第一微带线和第二微带线的波导波长。
5．一种结合在一微波接收天线中的低噪声变频器，其特征在于包括：
(a)用于发送所述接收天线中接收到的卫星信号的波导，
(b)用于把所述波导中的卫星信号转换成微带线模式的波导探针，
(c)其输入端口耦合到所述波导探针的低噪声放大器，
(d)用于接收所述低噪声放大器的输出信号的混频器，以及
(e)其输出端口耦合到所述混频器的本机振荡器，
其中所述本机振荡器包括权利要求1的微波振荡器。
6．一种结合在一微波接收天线中的低噪声变频器，其特征在于包括：
(a)用于发送所述接收天线中接收到的卫星信号的波导，
(b)用于把所述波导中的卫星信号转换成微带线模式的波导探针，
(c)其输入端口耦合到所述波导探针的低噪声放大器，
(d)用于接收所述低噪声放大器的输出信号的混频器，以及
(e)其输出端口耦合到所述混频器的本机振荡器，
其中所述本机振荡器包括权利要求2的微波振荡器。
7．一种结合在一微波接收天线中的低噪声变频器，其特征在于包括：
(a)用于发送所述接收天线中接收到的卫星信号的波导，
(b)用于把所述波导中的卫星信号转换成微带线模式的波导探针，
(c)其输入端口耦合到所述波导探针的低噪声放大器，
(d)用于接收所述低噪声放大器的输出信号的混频器，以及
(e)其输出端口耦合到所述混频器的本机振荡器，
其中所述本机振荡器包括权利要求3的微波振荡器。
8．一种结合在一微波接收天线中的低噪声变频器，其特征在于包括：
(a)用于发送所述接收天线中接收到的卫星信号的波导，
(b)用于把所述波导中的卫星信号转换成微带线模式的波导探针，
(c)其输入端口耦合到所述波导探针的低噪声放大器，
(d)用于接收所述低噪声放大器的输出信号的混频器，以及
(e)其输出端口耦合到所述混频器的本机振荡器，
其中所述本机振荡器包括权利要求4的微波振荡器。
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