CN111416575A - 一种基于同轴介质谐振腔的振荡器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于同轴介质谐振腔的振荡器，包括振荡器调谐网络、负阻网络、输出网络，所述调谐网络用于调节电路的振荡频率和相噪指标；所述负阻网络用于调整负阻所在频率范围及负阻的幅值大小；所述输出网络用于实现输出匹配及谐波抑制。本发明能够解决频率较高时同轴介质谐振腔振荡器使用二次谐波作为工作频率，工作时输出0.5次谐波的问题。

Description

一种基于同轴介质谐振腔的振荡器及设计方法
技术领域
本发明涉及一种通讯领域，具体地涉及一种基于同轴介质谐振腔的振荡器及设计方法。
背景技术
频率源是通信、雷达、仪器、空间电子设备以及电视等电子设备的心脏，其性能的好坏直接影响到***的性能指标，而本振源是频率源的关键部件，其指标直接决定着整个频率源的性能。随着雷达和无线通信行业的不断发展，***对本振源的性能也提出了越来越高的要求，寻求低相噪和高稳定度的本振源成了主要的发展趋势。在现代通讯设备中，通常要求本振源不仅频率稳定度高、相位噪声低、体积小，而且要具有电调压控频率的特性，以满足锁相等要求。
振荡器的低相噪指标是由高Q值的稳频器件来保证的。介质谐振器是一种被广泛应用于L波段至毫米波波段微波器件的高Q元件。在实际应用中,介质谐振器一般分为圆柱和同轴介质谐振器两种。圆柱介质谐振器需要用粘合剂粘在介质基片上,这就给介质振荡器的稳定工作带来了隐患。由于外部工作环境的变化,可能造成介质谐振器脱落而使得振荡器停振,导致***出现故障。而同轴介质谐振器是直接焊接在电路板,可靠性和稳定性都得到很大的提高。对于X波段至毫米波段的振荡器一般采用的是圆柱介质谐振器,而在L至C波段,由于圆柱介质谐振器的体积过大,所以更多采用同轴介质谐振器作为低相噪振荡器的稳频元件。现在业界的研究趋势是使用同轴介质压控振荡器结合倍频技术来逐步替代X波段甚至更高频段的圆柱介质振荡器。所以对同轴介质压控振荡器进行的研究工作具有重要的工程实用意义。
在使用同轴谐振腔作为稳频元件时，谐振腔的耦合电容取值十分关键。当频率较高时，高Q值电路需要的耦合电容将是几十飞法级甚至更小，常规的射频电容无法实现如此的规格，因此谐振腔难以发挥最佳性能。为回避这个问题，常用的方式是将振荡器的输出频率设计为工作频率的一半，通过接入高通滤波器的方式取其二次谐波作为工作频率。这样做的缺点是振荡器频谱上会有一个0.5次谐波，在***使用中仍需要增加滤波器对其进行抑制，减小其干扰。但这种方式会使***更加复杂，体积和成本均会上升。
发明内容
本发明提供所述的一种基于同轴介质谐振腔的振荡器及设计方法，能够解决频率较高时同轴介质谐振腔振荡器工作时输出0.5次谐波的问题。
为了实现本发明的这些目的和其他优点，提供了一种基于同轴介质谐振腔的振荡器，包括振荡器调谐网络、负阻网络、输出网络，
所述调谐网络用于调节电路的振荡频率和相噪指标；
所述负阻网络用于调整负阻所在频率范围及负阻的幅值大小；
所述输出网络用于实现输出匹配及谐波抑制。
进一步地，所述调谐网络包括三个变容二极管D2、D3、D4，四个电感L3、L4、L5、L8以及两个电容C8、C9；所述变容二极管D2一端与变容二极管D4、电感L5连接，另一端与电感L3、电容C8连接；所述变容二极管D3一端与电感L8、谐振腔连接，另一端与电容C8、电感L4连接；所述变容二极管D4一端与变容二极管D2、电感L5连接，另一端接地；所述电感L3一端与变容二极管D2、电容C8连接，另一端接地；所述电感L4一端与电容C9、电感L5连接，另一端与电容C8、变容二极管D3连接；所述电感L5一端与变容二极管D2、D4连接、另一端与电容C9、电感L4连接；所述电感L8一端与变容二极管D3、谐振腔连接，另一端接地；所述电容C8一端与变容二极管D2、电感L3连接，另一端与变容二极管D3、电感L4连接；所述电容C9一端与电感L4、L5连接，另一端接地。
进一步地，还包括谐振腔，所述谐振腔的长度
Figure BDA0002419161750000021
其中，所述F为谐振频率，εr为介电常数，Lmin为谐振腔长度。
进一步地，所述负阻网络还包括电源滤波网络和偏置电路。
进一步地，所述电源滤波网络包括电感L11、L13和电容C12；所述电感L11一端与电感L13、电容C12连接，另一端与电阻R5、电容C4、C13、三极管Q1连接；所述电感L13一端连接电感L11个电容C12，一端连接电源VCC；所述电容C12一端连接电感L11、L13，另一端接地。
进一步地，在所述偏置电路中，可通过调节电阻R2、R5、R7选择合适的静态工作点，使晶体管工作在合适的工作状态。
进一步地，所述输出网络包括电阻R8、R9和电容C3；所述电阻R8的一端与电阻R9、电容C3连接，另一端与电容C4、C10连接；所述电阻R9的一端与电阻R8、电容C3连接，另一端接地；所述电容C3的一端与电阻R8、R9连接，另一端进行输出。
进一步地，在设计时，可利用负阻原理将振荡器变为一个双端口网络，且需要满足以下条件：
A、存在不稳定的有源器件；
B、振荡器左端、右端满足以下条件：
Γin*ΓS＝1
Γout*ΓT＝1
由于输入、输出端口接的都是无源终端，ΓS与ΓT均小于1，则Γin与Γout大于1；
选择合适的负载阻抗Zs使之与Zin匹配，一般选择
Figure BDA0002419161750000031
XL＝-Xin；
Zin＝Rin+jXin；Zs＝RL+jxL
其中，ΓS：调谐网络的反射系数，Γin：负阻网络的输入反射系数；Γout：负阻网络的输出反射系数；ΓT：终端网络的反射系数；Zs：调谐网络的源阻抗；Zin：负阻网络的输入阻抗；Zout：负阻网络的输出阻抗；ZT：终端网络的反射阻抗。
进一步地，振荡器双端口的负阻振荡电路设计步骤如下：
A、选择在振荡频率下能够处于非稳定状态的晶体管；
B、设计终端网络使得输入端口的电压反射系数大于1，引入反馈的方法提供输入端口的电压反射系数；
C、设计负阻网络使其能与等效单端口负阻网络Zin满足振荡条件，选择合适的负载网络获得最大的功率输出。
本发明的有益效果：
1、谐振腔长度为四分之一波长，直接采用振荡器的振荡频率作为输出频率，无0.5
次谐波；
2、采用介质基片代替耦合电容，可通过修正介质基片大小的方式，调振荡器的谐振频率和功率，使谐振腔发挥最佳性能；
3、采用三极管的发射集和集电极电容接地的方式，可调节晶体管负阻的频率范围及幅值大小。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明其中一个实施例的结构示意图。
图2为本发明其中一个实施例的负阻型振荡器组成示意图。
图3为本发明其中一个实施例的测试结果如图一。
图4为本发明其中一个实施例的测试结果如图二。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提供一种基于同轴介质谐振腔的振荡器，包括振荡器调谐网络、负阻网络、输出网络，所述调谐网络用于调节电路的振荡频率和相噪指标；所述负阻网络用于调整负阻所在频率范围及负阻的幅值大小；所述输出网络用于实现输出匹配及谐波抑制。
在其中一个实施例中，如图1所示，所述调谐网络包括三个变容二极管D2、D3、D4，四个电感L3、L4、L5、L8以及两个电容C8、C9；所述变容二极管D2一端与变容二极管D4、电感L5连接，另一端与电感L3、电容C8连接；所述变容二极管D3一端与电感L8、谐振腔连接，另一端与电容C8、电感L4连接；所述变容二极管D4一端与变容二极管D2、电感L5连接，另一端接地；所述电感L3一端与变容二极管D2、电容C8连接，另一端接地；所述电感L4一端与电容C9、电感L5连接，另一端与电容C8、变容二极管D3连接；所述电感L5一端与变容二极管D2、D4连接、另一端与电容C9、电感L4连接；所述电感L8一端与变容二极管D3、谐振腔连接，另一端接地；所述电容C8一端与变容二极管D2、电感L3连接，另一端与变容二极管D3、电感L4连接；所述电容C9一端与电感L4、L5连接，另一端接地。
还包括谐振腔，所述谐振腔的长度
Figure BDA0002419161750000051
其中，所述F为谐振频率，εr为介电常数，Lmin为谐振腔长度。
可以理解，所述负阻网络还包括电源滤波网络和偏置电路。所述电源滤波网络包括电感L11、L13和电容C12；所述电感L11一端与电感L13、电容C12连接，另一端与电阻R5、电容C4、C13、三极管Q1连接；所述电感L13一端连接电感L11个电容C12，一端连接电源VCC；所述电容C12一端连接电感L11、L13，另一端接地。在所述偏置电路中，可通过调节电阻R2、R5、R7选择合适的静态工作点，使晶体管工作在合适的工作状态。
所述输出网络包括电阻R8、R9和电容C3；所述电阻R8的一端与电阻R9、电容C3连接，另一端与电容C4、C10连接；所述电阻R9的一端与电阻R8、电容C3连接，另一端接地；所述电容C3的一端与电阻R8、R9连接，另一端进行输出。
在设计时，可利用负阻原理将振荡器变为一个双端口网络，且需要满足以下条件：
A、存在不稳定的有源器件；
B、振荡器左端、右端满足以下条件：
Γin*ΓS＝1
Γout*ΓT＝1
由于输入、输出端口接的都是无源终端，ΓS与ΓT均小于1，则Γin与Γout大于1；
选择合适的负载阻抗Zs使之与Zin匹配，一般选择
Figure BDA0002419161750000052
XL＝-Xin；
Zin＝Rin+jXin；Zs＝RL+jxL
其中，ΓS：调谐网络的反射系数，Γin：负阻网络的输入反射系数；Γout：负阻网络的输出反射系数；ΓT：终端网络的反射系数；Zs：调谐网络的源阻抗；Zin：负阻网络的输入阻抗；Zout：负阻网络的输出阻抗；ZT：终端网络的反射阻抗。
所述振荡器双端口的负阻振荡电路设计步骤如下：
A、选择在振荡频率下能够处于非稳定状态的晶体管；
B、设计终端网络使得输入端口的电压反射系数大于1，引入反馈的方法提供输入端口的电压反射系数；
C、设计负阻网络使其能与等效单端口负阻网络Zin满足振荡条件，选择合适的负载网络获得最大的功率输出。
如图1、2所示，在本发明的实施例中，其设计方法如下：
A、计算谐振腔长度，采用四分之一波长，
Figure BDA0002419161750000061
F为谐振频率，εr为介电常数，Lmin为谐振腔长度。
B、设计晶体管的偏置电路，选择合适的静态工作点，通过调节R2、R5、R7电阻使晶体管工作在合适的工作状态。
C、设计负阻网络，通过调节负阻网络中的电容C6与C10来调整负阻所在频率范围及负阻的幅值大小，使负阻网络的输入和输出反射系数大于1，满足起振条件。
D、通过调整调谐网络来调整振荡器的振荡频率，可通过修正谐振腔Z1长度和变容二极管及电感L8、L3、L4、L5来调整振荡频率和相噪指标。
E、调整输出网络电阻R8、R9及电容C3，实现输出匹配及谐波抑制功能。
在本发明的实施例中，其中谐振腔Z1起稳频作用，晶体管Q1起放大作用。电感L13、L11与电容C12组成电源滤波网络，可调整R2、R5、R7使其获得合适的静态工作点，使放大器在工作频率上拥有足够的增益，且有较低的拐角频率，进而改善接近载波频率的相位噪声。调谐网络由D2、D3、D4三个变容二极管及L8、L3、L4、L5四个电感来实现，调谐电压经过电感加在变容二极管上。电容C6与C10形成反馈回路，使晶体管产生负阻，以补充谐振器中的能量损耗。输出网络由电阻R8、R9及电容C3构成，实现输出匹配功能。
降低相位噪声可以从几个方面入手：首先是提高谐振网络的有载品质因数QL,其与耦合系数成反比，因此采用高Q值的同轴介质谐振器并减小耦合系数可提高QL；二是选择具有较低噪声系数和闪烁噪声的晶体管，较低的噪声系数可以改善输出载波的远端相噪，而低的闪烁噪声有利于近端相噪的改善；三是选择适当截止频率的晶体管。
在本发明的实施例中，振荡器的输出频率为4.5GHz；谐振腔长度为四分之一波长，直接采用振荡器的振荡频率作为输出频率，无0.5次谐波；采用介质基片的代替LC形式的耦合电容；采用微波三极管的发射集，集电极电容接地的方式形成反馈，提供负阻。
如图3、4所示，为本发明测试结果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种基于同轴介质谐振腔的振荡器，其特征在于，包括振荡器调谐网络、负阻网络、输出网络，
所述调谐网络用于调节电路的振荡频率和相噪指标；
所述负阻网络用于调整负阻所在频率范围及负阻的幅值大小；
所述输出网络用于实现输出匹配及谐波抑制。
2.如权利要求1所述的一种基于同轴介质谐振腔的振荡器，其特征在于，所述调谐网络包括三个变容二极管D2、D3、D4，四个电感L3、L4、L5、L8以及两个电容C8、C9；所述变容二极管D2一端与变容二极管D4、电感L5连接，另一端与电感L3、电容C8连接；所述变容二极管D3一端与电感L8、谐振腔连接，另一端与电容C8、电感L4连接；所述变容二极管D4一端与变容二极管D2、电感L5连接，另一端接地；所述电感L3一端与变容二极管D2、电容C8连接，另一端接地；所述电感L4一端与电容C9、电感L5连接，另一端与电容C8、变容二极管D3连接；所述电感L5一端与变容二极管D2、D4连接、另一端与电容C9、电感L4连接；所述电感L8一端与变容二极管D3、谐振腔连接，另一端接地；所述电容C8一端与变容二极管D2、电感L3连接，另一端与变容二极管D3、电感L4连接；所述电容C9一端与电感L4、L5连接，另一端接地。
3.如权利要求2所述的一种基于同轴介质谐振腔的振荡器，其特征在于，还包括谐振腔，所述谐振腔的长度
Figure FDA0002419161740000011
其中，所述F为谐振频率，εr为介电常数，Lmin为谐振腔长度。
4.如权利要求1所述的一种基于同轴介质谐振腔的振荡器，其特征在于，所述负阻网络还包括电源滤波网络和偏置电路。
5.如权利要求4所述的一种基于同轴介质谐振腔的振荡器，其特征在于，所述电源滤波网络包括电感L11、L13和电容C12；所述电感L11一端与电感L13、电容C12连接，另一端与电阻R5、电容C4、C13、三极管Q1连接；所述电感L13一端连接电感L11个电容C12，一端连接电源VCC；所述电容C12一端连接电感L11、L13，另一端接地。
6.如权利要求4所述的一种基于同轴介质谐振腔的振荡器，其特征在于，在所述偏置电路中，可通过调节电阻R2、R5、R7选择合适的静态工作点，使晶体管工作在合适的工作状态。
7.如权利要求1所述的一种基于同轴介质谐振腔的振荡器，其特征在于，所述输出网络包括电阻R8、R9和电容C3；所述电阻R8的一端与电阻R9、电容C3连接，另一端与电容C4、C10连接；所述电阻R9的一端与电阻R8、电容C3连接，另一端接地；所述电容C3的一端与电阻R8、R9连接，另一端进行输出。
8.如权利要求1至7任一项所述的一种基于同轴介质谐振腔的振荡器的设计方法，其特征在于，在设计时，可利用负阻原理将振荡器变为一个双端口网络，且需要满足以下条件：
A、存在不稳定的有源器件；
B、振荡器左端、右端满足以下条件：
Γin*Γs＝1
Γout*ΓT＝1
由于输入、输出端口接的都是无源终端，Γs与ΓT均小于1，则Γin与Γout大于1；
选择合适的负载阻抗Zs使之与Zin匹配，一般选择
Figure FDA0002419161740000021
XL＝-Xin；
Zin＝Rin+jXin；Zs＝RL+jxL
其中，Γs：调谐网络的反射系数，Γin：负阻网络的输入反射系数；Γout：负阻网络的输出反射系数；ΓT：终端网络的反射系数；Zs：调谐网络的源阻抗；Zin：负阻网络的输入阻抗；Zout：负阻网络的输出阻抗；ZT：终端网络的反射阻抗。
9.如权利要求8所述的一种基于同轴介质谐振腔的振荡器的设计方法，其特征在于，振荡器双端口的负载振荡电路设计步骤如下：
A、选择在振荡频率下能够处于非稳定状态的晶体管；
B、设计终端网络使得输入端口的电压反射系数大于1，引入反馈的方法提供输入端口的电压反射系数；
C、设计负阻网络使其能与等效单端口负阻网络Zin满足振荡条件，选择合适的负载网络获得最大的功率输出。
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