徐鋼揚(yáng) 姜巖峰

（北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100144）

Q波段微帶槽線振蕩器設(shè)計(jì)

徐鋼揚(yáng) 姜巖峰

（北方工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100144）

本文主要介紹了一種微波振蕩器的設(shè)計(jì)，針對振蕩器的傳統(tǒng)的諧振結(jié)構(gòu)存在的局限性，采用微帶諧振器結(jié)構(gòu)和異質(zhì)結(jié)FET（NE3527S03）設(shè)計(jì)了39GHz的微波振蕩器。運(yùn)用HFSS電磁仿真軟件對微帶諧振器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，再結(jié)合有源電路用ADS軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真。最后對實(shí)物進(jìn)行測試，得到39GHz的輸出頻譜。

微帶槽線諧振器；振蕩器；Q波段；Ansoft HFSS；ADS

1．引言

微波頻率源是微波應(yīng)用系統(tǒng)的心臟，對微波應(yīng)用系統(tǒng)的性能有著重要的影響。微波振蕩器中的關(guān)鍵單元諧振電路有多種結(jié)構(gòu)[1]，如發(fā)夾諧振器、介質(zhì)諧振器（DR）、LC諧振器等等。但隨著微波集成電路的發(fā)展和微波設(shè)備趨向高頻段、小型化，這些諧振器有一定的局限性。LC諧振器由于寄生電容和引線電感的問題而不能應(yīng)用于微波頻段。介質(zhì)諧振器（DR）具有高Q值也能用于頻率較高的波段，但對于Q波段則很難找到相應(yīng)的介質(zhì)且成本較高。發(fā)夾諧振器Q值較低且體積較大不利于集成化。本文所采用的微帶槽線諧振器具有較高的Q值且體積小、適用于較高頻微波頻段。

2．微帶諧振結(jié)構(gòu)與原理

本文設(shè)計(jì)并仿真了一個(gè)高Q值且便于集成的微波振蕩器，微帶槽線諧振器結(jié)構(gòu)主要采用HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)[2]。諧振器采用的是介電常數(shù)為2.65，板厚為0.43mm和銅為35um的板材進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真。諧振器的原理和等效電路圖1和圖2所示，槽線相當(dāng)于一個(gè)電感，而間隙則等效于一個(gè)電容，并且它們的值取決于微帶槽線的長度和間隙的寬度，介質(zhì)板的有效介電常數(shù)隨著等效電感和等效電容的增加而增加，這相當(dāng)于槽線提高了諧振器的Q值。

Q值的表達(dá)式如下所示：

圖2 微帶槽線諧振器的等效電路

式中△ω是插入損耗為3dB帶寬。微帶槽線諧振器提供了較高的插入損耗和窄帶寬。圖2是微帶槽線諧振器的等效電路，它是由RLC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成[3]。在這個(gè)模型中，LC電路是為了得到諧振特性，電阻R是決定輻射效應(yīng)和插入損耗。根據(jù)傳輸線理論，RLC的值可以通過以下的公式得到：

式中S21是插入損耗，△f是插入損耗－3dB帶寬，f0是諧振頻，Z0是具有50Ω特征阻抗的傳輸線。

微帶槽線諧振結(jié)構(gòu)用HFSS電磁仿真軟件進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示，由圖可知諧振結(jié)構(gòu)對頻點(diǎn)39GHz有很大的抑制，信號基本全部反射，相當(dāng)于一個(gè)帶阻濾波器。

圖3 微帶諧振器仿真結(jié)果

3．微波振蕩器總體設(shè)計(jì)

微波振蕩器一般包括有源器件、選頻網(wǎng)絡(luò)和諧振器。本文采用的是串聯(lián)反射式振蕩器結(jié)構(gòu)[4]，是目前應(yīng)用較為廣泛的一種形式，它的優(yōu)點(diǎn)是相位噪聲指標(biāo)好，缺點(diǎn)是由于介質(zhì)諧振器距場效應(yīng)管的位置不固定，調(diào)試難度大。本文所設(shè)計(jì)的實(shí)物如圖4所示，圖中有源器件是異質(zhì)結(jié)GaAs場效應(yīng)管（NE3517S03），在場效應(yīng)管的漏極加偏置后產(chǎn)生豐富的諧波，產(chǎn)生所需的微波信號通過微帶槽線諧振器反射后經(jīng)場效應(yīng)管放大輸出，而其它頻率的諧波則經(jīng)過諧振器被50歐姆負(fù)載吸收。電源偏置部分通過扇形線和λ/4高阻線來阻斷高頻信號，防止直流偏置和微波信號干擾，輸出端用一個(gè)耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔直。

實(shí)物測試結(jié)果如圖5所示，測試結(jié)果得到中心頻率為38.92984GHz，和仿真設(shè)計(jì)的39GHz存在一點(diǎn)偏差，初步考慮是由于微帶線加工的偏差及場效應(yīng)管源極存在的參數(shù)電容引起的，需要進(jìn)一步調(diào)試，可通過電調(diào)諧和機(jī)械調(diào)諧兩種方式調(diào)節(jié)中心頻率，通過調(diào)節(jié)漏極的偏置電壓和漏極電流來提高振蕩器的發(fā)射功率。

圖5 振蕩器輸出頻譜

4．結(jié)語

本文用串聯(lián)反射式振蕩器結(jié)構(gòu)進(jìn)行微波振蕩器的設(shè)計(jì)。通過HFSS電磁仿真軟件對微帶諧振器進(jìn)行仿真優(yōu)化，并結(jié)合ADS對整體電路進(jìn)行優(yōu)化分析，成功設(shè)計(jì)了一個(gè)Q波段的微波振蕩器。振蕩器體積小，易于集成且成本低。在實(shí)際的調(diào)試中，需要進(jìn)一步調(diào)節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)和直流偏置，使振蕩器有較高的輸出功率和較低的相位噪聲。并加上電調(diào)諧或機(jī)械調(diào)諧對中心頻率加以調(diào)整，使其輸出需要的頻率。

[1]David M．Pozar．微波工程[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2010．

[2]費(fèi)元春．微波固態(tài)頻率源理論、設(shè)計(jì)、應(yīng)用[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1994．

[3]Bhanu Shrestha,NamYoung Kim．Low phase noise microwave oscillator using meander resonator for X-band application[J]．Indian Journal of Engineering and Materials Sciences,2011．

[4]史學(xué)明，陳杰華，顧思洪．介質(zhì)振蕩器的設(shè)計(jì)[J]．宇航計(jì)測技術(shù)，2011，31（2）：38-41．

Design of Q-band Oscillator Using Microstrip Meander Slot Line Resonator

Xu Gangyang Jiang Yanfeng
(North China University of Technology,Beijing 100144)

tract】This paper introduces the design of a microwave oscillator.In order to overcome the limitations of traditional oscillator resonator,a 39GHz microwave oscillator is designed with microstrip meander slot line resonator and Hetero-Junction FET.It uses the Ansoft HFSS to design the microstrip resonator and simulate with the ADS.At last,it tests with the object and gets the output spectrum of 39GHz.

words】microstrip meander slot line resonator;oscillator;Q-band;Ansoft HFSS;ADS

徐鋼揚(yáng)，男，浙江人，碩士研究生，研究方向：射頻微波電路與系統(tǒng)。