微帶發(fā)夾型帶通諧振器的設(shè)計(jì)

隨著無(wú)線通信系統(tǒng)和微波集成電路的發(fā)展，微波電路和系統(tǒng)必須朝著小型化的方向發(fā)展。平面電路因其結(jié)構(gòu)緊湊，加工簡(jiǎn)單而獨(dú)具吸引力。微波振蕩器是現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中必不可少的元件，而相位噪聲由于可決定整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此，在通訊系統(tǒng)中占有非常重要的地位。為了減小相位噪聲，經(jīng)常采用的方法是使用高Q諧振器，通常的做法是設(shè)計(jì)介質(zhì)諧振器振蕩器，但介質(zhì)諧振器由于三維結(jié)構(gòu)不便于電路的安裝和使用，且無(wú)法利用它來(lái)設(shè)計(jì)微波單片電路。為了克服這個(gè)問(wèn)題，人們發(fā)展了適用于MMIC電路的全平面型諧振器，如發(fā)夾型諧振器。本文介紹了一種新型平面結(jié)構(gòu)的微帶發(fā)夾式諧振器,此諧振器可應(yīng)用在X波段振蕩器中并以其良好的品質(zhì)因數(shù)可使得振蕩器具有更好的相位噪聲。

1  新型平面結(jié)構(gòu)微帶發(fā)夾諧振器的設(shè)計(jì)理論

平面諧振器制造簡(jiǎn)單，性能可靠，已成為微波電路中振蕩和選頻的一個(gè)重要器件。從近幾年的報(bào)道中可以看出，現(xiàn)在使用較多的是用微帶構(gòu)成的各種形式的諧振器,如微帶發(fā)夾諧振器。本文采用的是介電常數(shù)為9.6,厚度為0.635mm的陶瓷介質(zhì)基片。圖1(a)為設(shè)計(jì)在10GHz與50Ω微帶線耦合的傳統(tǒng)帶阻式發(fā)夾諧振器。圖1(b)為設(shè)計(jì)在10GHz微帶的新型發(fā)夾諧振器，它是由兩端緊密耦合的50。微帶線組成的帶通式諧振器。

本文所設(shè)計(jì)的新型帶通發(fā)夾諧振器的最終等效電路如圖2所示，其實(shí)際上是一個(gè)RLC串聯(lián)等效電路。在此種微帶帶通諧振器中,諧振器的諧振頻率取決于電感的等效電感值L_r和等效電容值C_r。電阻Rr代表了損耗元件。這些參數(shù)取決于電感的尺寸（如總長(zhǎng)度、線寬及線間間隙），其中改變線寬及線間間隙對(duì)諧振頻率的影響比較小。L_m為微帶線與諧振器之間的磁耦合,微帶線與諧振器的耦合系數(shù)與耦合線的長(zhǎng)度n及兩者的耦合間隙S₂有關(guān)。在這里將S₂設(shè)置為0.2mm。此時(shí)諧振器的諧振頻率就只與諧振器的總長(zhǎng)度有關(guān)。

圖3所示是一個(gè)變?nèi)荻O管調(diào)節(jié)的發(fā)夾諧振器的工作原理圖。圖中，外部的能量通過(guò)兩邊的兩條耦合線耦合到諧振器,其中的偏置電流沒(méi)有畫(huà)出。這是一個(gè)兩端口的微波網(wǎng)絡(luò),根據(jù)奇偶模理論可以沿著中間的虛線0-0分為兩個(gè)對(duì)稱的電路。在偶模中，對(duì)稱面00相當(dāng)于磁壁，而在奇模中，對(duì)稱面0-0相當(dāng)于電壁。

為了便于分析，可將諧振器劃分為幾個(gè)傳輸線片段，其等效結(jié)構(gòu)如圖4所示，這些電長(zhǎng)度分別被定義為θ_m、θ_m、θ_1、θ_2、和θ_c,其中，θ_c為內(nèi)部耦合枝節(jié)的電長(zhǎng)度，θ_m、Y₁₁和Y₁₂分別為外部耦合線的電長(zhǎng)度、自導(dǎo)和互導(dǎo)。

假定耦合線的平均導(dǎo)納為Y₀，則諧振器的奇?；蛘吲寄５妮斎雽?dǎo)納可以表示如下:

這里:

諧振器的頻率可以通過(guò)式（1）中的奇偶模的輸入導(dǎo)納為零得到。此諧振器的物理尺寸分別為W₁=0.1mm,W₂=W₃=0.63mm,L₁=0.8mm,L₂=2.1mm,L₃=1.9mm,L₄=2.2mm,L₅=6mm,L₆=6mm,M=4.3mm,N=3?16mm。

2  仿真結(jié)果

諧振器的品質(zhì)因數(shù)可以通過(guò)其s參數(shù)的測(cè)量來(lái)計(jì)算，等效電路的有載品質(zhì)因數(shù)Ql可通過(guò)下式計(jì)算：

品質(zhì)因數(shù)也可通過(guò)反射系數(shù)s₁₁的測(cè)量來(lái)計(jì)算，圖5所示是有載品質(zhì)因數(shù)測(cè)量的定義曲線。

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此時(shí),有載品質(zhì)因數(shù)對(duì)應(yīng)于3dB帶寬的公式為:

為了估計(jì)有載品質(zhì)因數(shù)，可以分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。圖6和圖7分別是傳統(tǒng)的帶阻諧振器和新型帶通式諧振器外的仿真曲線。由此曲線計(jì)算出它們的品質(zhì)因數(shù)分別為89和215,顯然新型的帶通諧振器具有較高的有載品質(zhì)因數(shù)

在振蕩器中，品質(zhì)因數(shù)對(duì)其相位噪聲影響很大。具體如式(6)所示，所以，振蕩器采用這種諧振器會(huì)大大改善其相位噪聲性能。

式中，F(xiàn)為有效噪聲因子，p_sig為信號(hào)功率，T為溫度，k是波爾茲曼常數(shù)，Q為諧振器品質(zhì)因數(shù)，?W為偏離諧振頻率的角頻率偏移量，W₀為諧振角頻率。是偏離三階吸收點(diǎn)的角頻率偏移量。

3  結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種微帶帶通發(fā)夾諧振器，該諧振器具有較高的品質(zhì)因數(shù)，故其更適合用于振蕩器中。它能在很大程度上改善振蕩器的相位噪聲，從而改善整個(gè)系統(tǒng)的相位噪聲性能。另外由于它具有完全的平面結(jié)構(gòu)，故其可以完全勝任花費(fèi)更少的MMIC振蕩器的需要。