CN1445924A - 使用微带线共振器的低相位噪声振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种振荡器，用来产生一预定频率的目标信号，其包含一共振器，而该共振器包含一第一微带线以及一第二微带线，该第一微带线与该第二微带线的两端之间是相互平行且不相连，且两者长度皆等于该目标信号的四分之一波长。当多个不同频率的振荡信号输入该第一微带线时，具有该预定频率的振荡信号经由该第一微带线与第二微带线相互电磁耦合而得以使该共振器输出具有该预定频率的目标信号。

Description

使用微带线共振器的低 相位噪声振荡器

                        技术领域

本发明涉及一种振荡器，尤其涉及一种低相位噪声的振荡器。

                        背景技术

虽然目前几乎所有的区域网络(LAN)都仍旧是有线结构，不过近年来无线网络的应用却日渐增加。主要应用范围在学术界(像是大学校园)、医疗界、制造业和仓储业等。而且相关的技术也一直在进步，对企业而言，要转换到无线网络也更加容易、更加便宜了。近年来，因为实际上的需要，例如布线等问题，所以小区域的通信结构一般都希望能利用无线(wireless)结构，目前无线移动通讯大受欢迎即为例证。另外为了解决办公室内甚至家庭中上网及相关布线等问题，无线区域网络(wirelessLAN，WLAN)亦日趋蓬勃发展，并被视为明日明星产业，为了让无线区域网络的技术能够被广为使用，这些技术必须要建立一种业界标准，以确保各厂商生产的设备都能具有相容性与稳定性。这些标准是由电机电子工程师协会(the institute of electrical and electronics engineers，IEEE)所制定的，最早的规格IEEE 802.11是在1997年提出，接着在1999年9月又提出了IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。初期的规格制定了在射频频段2.4GHz上的运用，并且提供了IMbps、2Mbps和许多基础信号传输方式与服务的传输速率规格。IEEE 802.11a和IEEE 802.11b标准则分别为5.8GHz和2.4GHz频段做定义。这两组新的标准也定义了IEEE802.11a中5Mbps，11Mbps到54Mbps速率的实体层(physical/PHYlayer)，这些标准可以在工业、科学与医疗应用(industrial，scientificand medical，ISM)频段上使用，其中这些频道包括902-928MHz(可利用频宽26MHz)，2.4-2.4835GHz(可利用频宽83.5MHz)，以及5.725-5.850GHz(可利用频宽125MHz)。

目前最常用的通信结构仍是沿袭早期收音机发展时使用的超外差结构(super heterodyne)，外差结构(heterodyne)或零中频结构(zero IF ordirect conversion)。其中，基频(base band)电路部分由于主要是作信号处理(如编码/解码、加密等)，一般乃是采用标准集成电路制造工艺制作。其他中频(IF)电路及射频(RF)电路部分乃是在接收及传递射频无线信号，所以需要维持高的信号/噪音比，因此无线通信电路中的组成元件，尤其是振荡器，最好能维持高Q值(Q-factor)。

在电机系统里，共振元件几乎已是一个不可或缺的元件，可用来作为滤波器(filter)、振荡器(oscillator)等，所以共振器(resonator)在振荡器与滤波器中扮演重要角色，此外，共振器在应用上必须考虑很多要素，例如Q值，尺寸，制造成本，或稳定性，目前业界已知的共振器包含利用电容、电感等元件所组成的共振器，传输线式共振器(transmission line resonator)，同轴式共振器(coaxial resonator)，共振腔式共振器(cavity resonator)，电介质式共振器(dielectricresonator)，以及微带线式共振器(microstrip resonator)等等。其中，电容、电感等元件所组成的共振器由于内部电容、电感等元件的功率消耗而使明显地拥有较低的Q值，而传输线式共振器是由适当长度的传输线组成，例如使用双轴电缆(twin cable)，但是其功率消耗大且稳定性不佳，若以波导管(waveguide)取代双轴电缆，虽然可以提高共振器的稳定性，但是由于波导管的一端断路(open)而产生电波辐射，因此使功率消耗大而降低Q值，且实际制作上必须使用较大的体积。对于同轴式共振器而言，不但其体积较大且已知同轴式共振器倾向以第三谐振基频(third harmonic of the basic frequency)产生振荡，因此需要额外的滤波器来将不必要的信号滤除，因此需要较高的生产成本。对于共振腔式共振器而言，共振器是由传导物质构成一空腔(圆柱型或球型)，并在该空腔产生电磁感应振荡，所以共振腔式共振器可拥有较小的功率消耗以及较高的Q值，但是却需要较大的体积。对于电介质式共振器而言，其是利用同轴导线在一电介质表面形成，所以该电介质式共振器不但拥有较小的体积，而且其功率消耗较小以及拥有较大的Q值，但是该电介质式共振器的生产成本也相对地较高。对于微带线式共振器而言，其可以由一电路板上设置一导电区而形成，但是由于该微带线式共振器的一端为断路的结构，因此也会由于电波辐射而造成功率消耗，而使该微带线式共振器的Q值降低。

由于目前以标准集成电路制作的元件为平面线路，所以仅有平面式(planar)的结构适合运用于毫米波集成电路(millimeter waveintegrated circuit，MMIC)或射频集成电路(radio frequencyintegrated circuit，RFIC)设计，例如微带线式共振器，但是已知微带线式共振器的Q值甚低而无法提供良好的信号/噪音比，而且较低的Q值也代表相位噪声(phase noise)较大而影响信号的调制(modulation)及解调(demodulation)。

                        发明内容

因此本发明的主要目的在于提供一种低相位噪声的振荡器，以解决上述问题。

本发明提供了一种振荡器，用来产生一预定频率的目标信号，其包含一振荡电路，用来产生多个不同频率的振荡信号，以及一第一电磁耦合单元，其包含有一输入端，连接于该振荡电路的输出端，以及一输出端，用来输出该目标信号。该第一电磁耦合单元包含有一具有一第一预定长度的第一微带线(microstrip line)以及一具有一第二预定长度的第二微带线。该第一微带线包含有一第一端及一第二端，该第一端连接于该第一电磁耦合单元的输入端，而该目标信号的预定频率是由该第一预定长度来决定。该第二微带线包含有一第一端及一第二端，且该第一微带线及该第二微带线均为长条形。该第一微带线与第二微带线的第一端与一第二端之间相互平行且不相连，以及该第一微带线或该第二微带线的第二端连接于该第一电磁耦合单元的输出端。当该振荡电路产生该多个不同频率的振荡信号时，具有该预定频率的振荡信号经由该第一电磁耦合单元的第一微带线与第二微带线相互电磁耦合(electromagneticcoupling)而使该第一电磁耦合单元的输出端得以输出具有该预定频率的目标信号。

                        附图说明

图1为本发明振荡器的示意图。

图2为图1所示的振荡器的电路布局图。

图3为图1所示的振荡器的特性阻抗示意图。

图4为图1所示的共振器的等效电路图。

图5为图1所示的振荡器的相位噪声示意图。

图6为图1所示的振荡器的另一实施例的示意图。

                        具体实施方式

请参阅图1及图2，图1为本发明振荡器10的示意图，而图2为图1所示的振荡器10的电路布局图。振荡器10包含有一振荡电路12以及一共振器14，且振荡器10是设置于一电路板(未显示)的一平面上，且该电路板包含一金属薄膜，设置于该电路板的另一平面，用来作为一接地端。振荡电路12用来在共振器14的输入端A产生多个不同频率的振荡信号并输入共振器14，并经由共振器14于端点B输出一预定频率的目标信号。振荡电路12包含一电压源Vcc，多个电容C1、C2、C3、C4，多个微带线20、22、24，多个电阻R1、R2、R3、R4，一晶体管Q1，以及一扼流电感(RF choke)L1。电压源Vcc用来提供一直流偏压，但为了避免电压源Vcc的输出信号包含突波而使该直流偏压不稳定，因此通过电容C3、C4来将该突波吸收而使直流偏压能稳定地以一预定电压电平输出，微带线20、22、24用来改变振荡电路1 2的阻抗特性，并经由晶体管34使振荡电路12能产生振荡现象，而晶体管Q1是维持操作于主动区(activeregion)，且本实施例是采用日商NEC所生产的型号为UPA 806的晶体管。另外，扼流电感L1用来阻绝共振器14所输出的目标信号回授(feedback)至振荡电路12，且振荡器10中的微带线元件与该电路板的金属薄膜形成传输线结构以传导高频信号。共振器14包含微带线38、40，其中微带线38及微带线40均为长条形且微带线38与微带线40之间是相互平行且不相连，此外，微带线38一端连接于共振器14的输入端A而另一端为断路(open circuit)，以及微带线40一端为断路而另一端是连接于共振器14的输出端B，而最后经由一微带线39输出信号。当振荡电路12于共振器14的输入端A产生多个不同频率的振荡信号时，具有该预定频率的振荡信号经由共振器14的微带线38与微带线40相互电磁耦合(electromagnetic coupling)而使共振器14的输出端B得以输出具有该预定频率的目标信号。此外，微带线20的长度及宽度分别为D6及W6，微带线22的长度及宽度分别为D7及W6，微带线24的长度及宽度分别为D5及W5，微带线38的长度及宽度分别为D1及W1，微带线40的长度及宽度分别为D1及W2，微带线39的长度及宽度分别为D3及W3，而微带线38、40相距一间隔g，振荡器10的电路布局及详细电路规格如图2所示。而振荡电路12的驱动原理详述如下。

请参阅图1及图3，图3为图1所示的振荡电路12的特性阻抗示意图。曲线41代表电阻(resistance)特性，而曲线42代表电抗(reactance)特性。若振荡器10是运用于一产业、科学及医学频道(ISM Band)，以及所要的目标信号为2.4千兆赫(GHz)，为了使共振器14能输出所需的目标信号，首先，振荡电路12必须要达到一起始振荡条件(start-uposcillation condition)，而在共振器14的输入端A产生多个不同频率的振荡信号，所以，对共振器14而言，振荡电路12在其输入端A的等效电阻必须是一负值，且当振荡电路12的电阻为负值时，振荡电路12的电抗(reactance)必须由电容性(capacitive)朝向电感性(inductive)变动，举例来说，如图2所示，在频率2千兆赫至2.5千兆赫之间，振荡电路12的电阻为负值，且其电抗亦由电容性朝向电感性变化，如业界所熟知，振荡电路12的电阻最好大于-100欧姆(ohm)，例如-50欧姆，以避免灵敏度(sensitivity)过高而影响整个振荡器10的特性。

请参阅图1、图4及图5，图4为图1所示的共振器14的等效电路图，而图5为图1所示的振荡器10的相位噪声示意图。为了使振荡器10输出2.4千兆赫的目标信号，本实施例中，微带线38的长度D1为14厘米(mm)，宽度W1为0.5厘米，而微带线40的长度D1为14厘米(mm)，宽度W2为0.5厘米，且微带线38、40之间的距离g为0.2厘米，其中微带线38、40的长度(14厘米)为该目标信号的波长的四分之一。经由实验证实，当频率为1.8千兆赫或3.05千兆赫时，共振器14均会产生谐振现象，所以，共振器14的等效电路44可视为由电容45、49，电阻48、50，以及电感46、47组成，其中电容45、49分别为1.5p法拉(farad)、1.46p法拉，电感46、47分别为1.8n亨利(henry)、1.89n亨利，以及电阻48、50分别为0.1欧姆、0.2欧姆，其中电容45与电感46形成一串联谐振电路51，而电感47，电阻48、50，以及电容49形成一并联谐振电路52，且串联谐振电路51的谐振频率(resonance frequency)为1.8千兆赫，以及并联谐振电路52的谐振频率为3.05千兆赫，而目标信号的频率(2.4千兆赫)是介于1.8千兆赫与3.05千兆赫之间。如上所述，串联谐振电路51为微带线38的等效电路，而并联谐振电路52为微带线40与微带线38耦合所产生的等效电路。本实施例中，通过适当调整并联谐振电路52与串联谐振电路51的谐振频率可以提高相对应的Q值，且经由运算可以得知，并联谐振电路52的Q值是大于一般已知微带线式共振器的Q值，因此本实施例中，共振器14是利用微带线40来提升原先微带线38的Q值，由于已知技术仅采用一微带线来作为共振器元件，因此其Q值不高，然而本实施例中，通过微带线38与微带线40的电磁耦合结构而使共振器14的Q值提升，而且经由实验证实，如图5所示，共振器14的相位噪声在偏移载波(carrier)频率达到1k赫兹时为-110(dBc/Hz)，而于偏离载波频率达到100M赫兹时为-140(dBc/Hz)，所以共振器14亦同时拥有较低的相位噪声。

本实施例中，该目标信号是经由微带线40而经过共振器14的输出端B输出，然而若将共振器14的输出端B连接于微带线38，即是说，微带线38一端连接在共振器14的输入端A而另一端连接在共振器14的输出端B，以及微带线40两端均为断路，该目标信号亦可经由共振器14的输出端B输出。再者，本实施例中，振荡器10可设置于一多层电路板上，其中微带线38、40是设于该多层电路板的上下二平面上，且该二微带线38、40的位置为上下相互重叠。

请参考图1及图6，图6为图1所示的共振器14的另一实施例的示意图。共振器14包含一第一共振器53以及一第二共振器54，其中第一共振器53经由端点C而连接于第二共振器54，且第一共振器53包含微带线56、58，而第二共振器54包含微带线60、62。微带线56、58、60、62均为长条型，且微带线56、58之间互相平行且不相连，以及微带线60、62之间亦互相平行且不相连，此外微带线56、58、60、62的长度均相等且均为该目标信号的波长的四分之一。当振荡电路12产生多个不同频率的振荡信号经由输入端A输入第一共振器53，第一共振器53经由微带线56与微带线58相互电磁耦合而在端点C输出该预定频率的目标信号，并输入第二共振器54，该目标信号经由第二电磁耦合单元54的微带线50与微带线62相互电磁耦合而使第二电磁耦合单元54在输出端B得以输出与该目标信号频率相同的一输出信号。

本实施例中，共振器14的输入端A连接于第一共振器53的微带线58，且共振器14的输出端B连接于第二共振器54的微带线60，然而，输入端A亦可连接于第一共振器53的微带线56，用来将振荡电路12所产生的信号输入第一共振器53，以及输出端B亦可连接于第二共振器54的微带线62，均不影响第一共振器53中微带线56及微带线58的电磁耦合效应以及第二共振器54中微带线60及微带线62的电磁耦合效应。此外，本实施例中，共振器14是串接第一共振器53与第二共振器54，然而，亦可使用第一共振器53与第二共振器54两者的接法来应用于连接多个共振器14，均属本发明的范畴。

与已知技术相比较，本发明振荡器的共振器包含两耦合的微带线，其长度相等且等于该目标信号的波长的四分之一，当该振荡电路产生多个不同频率的振荡信号时，该目标信号经由该共振器输出，而且该共振器中，对应于两微带线的谐振频率是趋近于该目标信号的频率，其中该等效并联谐振电路拥有较高的Q值，所以整体而言，该共振器的Q值也进一步地提升，并同时使振荡器拥有较低的相位噪声。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，均应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (13)

1.一种振荡器，用来产生一预定频率的目标信号，其包含：

一振荡电路，用来产生多个不同频率的振荡信号；以及

一第一共振器，其包含有一输入端，连接于该振荡电路的输出端，以及一输出端，用来输出该目标信号，该第一共振器包含有

一电路板，其包含有一金属薄膜所构成的接地端；

一具有一第一预定长度的第一微带线，设于该电路板上并与该金属薄膜形成一第一传输线结构，该第一微带线包含有一第一端及一第二端，该第一端连接于该第一共振器的输入端，而该目标信号的预定频率由该第一预定长度来决定；以及

一具有一第二预定长度的第二微带线，设于该电路板上并与该金属薄膜形成一第二传输线结构，该第二微带线包含有一第一端及一第二端；

其中该第一微带线及该二微带线均为长条形且该第一微带线与第二微带线的第一端与一第二端之间是相互平行且不相连，该第一微带线或该第二微带线的第二端连接于该第二共振器的输出端，当该振荡电路产生该多个不同频率的振荡信号时，具有该预定频率的振荡信号经由该第一共振器的第一微带线与第二微带线相互电磁耦合而使该第一共振器的输出端得以输出具有该预定频率的目标信号。

2.如权利要求1所述的振荡器，其中该第二微带线的第二端连接于该第一共振器的输出端且该第一微带线的第二端以及该第二微带线的第一端均为断路。

3.如权利要求1所述的振荡器，其中该第一微带线的第一预定长度等于该第二微带线的第二预定长度。

4.如权利要求3所述的振荡器，其中该第一共振器的第一微带线及第二微带线均设于该电路板的一平面上。

5.如权利要求3所述的振荡器，其中该电路板为一多层电路板，而该第一共振器的第一微带线及第二微带线设于该多层电路板的上下二平面上且该二微带线的位置为上下相互重叠。

6.如权利要求3所述的振荡器，其中该第一微带线的第一预定长度等于该目标信号的波长的四分之一。

7.如权利要求1所述的振荡器，其中该第一微带线的第一预定长度等于该第二微带线的第二预定长度。

8.如权利要求1所述的振荡器，其中该振荡电路的输出电抗是由电容特性趋向电感特性，以及该振荡电路的输出电阻对该第一微带线及第二微带线而言为负电阻。

9.如权利要求8所述的振荡器，其中该第一微带线的谐振频率小于该目标信号的预定频率。

10.如权利要求8所述的振荡器，其中该第二微带线的谐振频率大于该目标信号的预定频率。

11.如权利要求1所述的振荡器，其还包含有一第二共振器，其包含有一输入端，连接于该第一共振器的输出端，以及一输出端，该第二共振器包含有：

一具有一第三预定长度的第三微带线，设于该电路板上并与该金属薄膜形成一第三传输线结构，该第三微带线包含有一第一端及一第二端，该第一端连接于该第二共振器的输入端，而该第三预定长度与该第一预定长度相同；以及

一具有一第四预定长度的第四微带线，设于该电路板上并与该金属薄膜形成一第四传输线结构，该第四微带线包含有一第一端及一第二端；

其中该第三微带线及该第四微带线均为长条形且该第三微带线与第四微带线的第一端与一第二端之间相互平行且不相连，该第三微带线或该第四微带线的第二端连接于该第二共振器的输出端，当该第一共振器输出该目标信号时，该目标信号经由该第二共振器的第三微带线与第四微带线相互电磁耦合而使该第二共振器的输出端得以输出与该目标信号频率相同的一输出信号。

12.如权利要求1所述的振荡器，其中该第一共振器还包含有一具有一第五预定长度的第五微带线，设于该电路板上并与该金属薄膜形成一第五传输线结构，该第五微带线包含有一第一端及一第二端，该第五微带线为长条形且与该第一微带线及第二微带线的第一端与一第二端之间相互平行且不相连，该第五微带线的第一端为断路，而其第二端则是与该第一微带线或第二微带线的第二端相连接。

13.如权利要求12所述的振荡器，其中该第一、第二及第五微带线的长度均相同。

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