专利名称：基片集成波导体效应二极管振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种振荡器，具体地说，是涉及一种基于基片集成波 导结构的微波毫米波体效应二极管振荡器。
背景技术：
频率源的主体一振荡器是微波毫米波通信、雷达及测试系统的关 键部件，决定了整个系统性能的好坏。过去人们采用了很多方法设计 振荡器以提高其输出功率和降低其相位噪声，在毫米波频段的体效应 二极管振荡器主要有两种 一种是采用微带和波导鳍线结构设计的体 效应二极管振荡器，其相位噪声较高，一般为-87 to
-70dBc/Hz@100kHZ;另一种是采用金属腔和介质谐振器设计的体效应 二极管振荡器，相位噪声相对较低， 一般为-132 to -87dBc/Hz@100 kHz。但是这两种体效应二极管振荡器的波导、金属腔和介质谐振器 都是立体结构，且波导的上下左右四面均为金属壁，前后两面为开口 ， 结构装配都很复杂，性能的稳定可靠性较差，且不易于与其它平面电 路集成。
发明内容
本发明的目的是提供一种振荡器，克服现有技术中波导等立体结 构存在的缺陷，使得振荡器不仅电路装配简单、稳定可靠性高、与外 围其他平面电路易于集成，同时还具有波导等立体结构振荡器的高Q 值和低相位噪声的优点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种平面电路结构的基片集成波导体效应二极管振荡器，其具体技术方案如下
基片集成波导体效应二极管振荡器，包括基片集成波导谐振电 路、体效应二极管、包含一个高低阻抗线微带低通滤波器的直流偏置 电路、基片集成波导导波结构和基片集成波导到微带的转换电路，其 特征在于，所述基片集成波导导波结构为平面结构，由分别设置于介 质基板的两个侧边边缘的两排金属化通孔组成，且介质基板的上下两 个面为金属层，在基片集成波导导波结构内还设有用于安装体效应二 极管的非金属化通孔。
所述介质基板内每排金属化通孔中至少设有两个金属化通孔，且 两排金属化通孔的数目相同。
所述各排金属化通孔中相邻金属化通孔之间的距离等于金属化 通孔自身直径的两倍，或各排金属化通孔中相邻金属化通孔之间的距
离至少比金属化通孔自身直径两倍还小于0. 000001mm。
所述基片集成波导谐振电路包括串联和并联两种连接方式。 所述串联方式中，非金属化通孔设置于基片集成波导导波结构的
边缘，并在基片集成波导导波结构中心设有用于连接基片集成波导谐
振电路的大金属化通孔。
所述并联方式中，非金属化通孔设置于基片集成波导导波结构的
中心，并通过非金属化通孔将基片集成波导导波结构与基片集成波导
谐振电路连接。
在串联方式中，所述非金属化通孔外设有绝缘槽。 在并联方式中，所述非金属化通孔外设有包围非金属化通孔的绝缘槽。
本发明的基片集成波导导波结构由介质基板内的两排金属化通 孔组成，如果每排金属化通孔中相邻金属化通孔之间的距离尸不大于 金属化通孔自身直径D2的两倍，同时金属化通孔自身直径D2不大于 电路的最大工作频率的波长的十分之一，那么每排金属化通孔将等效 于一个金属电壁，此时，两个金属电壁和介质基板共同形成一个用介 质填充的矩形波导，两排金属化通孔之间的距离W决定了基片集成波 导导波结构的工作频率范围。
基片集成波导导波结构中7^。的传播模式与现有技术中矩形波 导中7S。的传播模式相似，因此基片集成波导谐振腔可用下面的公式
来设计谐振频率
,罪'一)=v #)2+(《/v)2(1)
其中 =『_1 (2) ^0.95g e# 0.95g
C。为自由空气中的光速，^为介质基板的相对介电常数，g为相 邻两金属化通孔中心之间的距离，而^为金属化通孔自身直径。根 据等式(1)可设计该谐振腔的大小尺寸。根据具体情况的不同，本 发明中金属化通孔的大小、数目均可变化。
本发明中，基片集成波导谐振电路有串联和并联两种方式，因此 本发明的工作原理如下
一.串联型基片集成波导体效应二极管振荡器，其等效电路见图
5o-厄一体效应二极管的负电阻，G—体效应二极管的等效电容，
厶9—引线电感，c一封装电容，i ;实际负载阻抗，而^是由A通过阻 抗变换转换得到的等效负载阻抗，两者的关系为& = n2^。 该振荡器产生振荡的条件为-
|ReZD| )lReZj (3)
振荡平衡条件为
iReZ。l叫Re2^ (4) ImZD 二 - ImZ (5) 基片集成导波谐振电路设置于介质基板内，在基片集成波导导波 结构中心设置一个大金属化通孔，用以连接基片集成波导导波结构与 基片集成波导谐振电路。将体效应二极管安装在基片集成波导导波结 构的非金属化通孔中，体效应二极管的底座连接到金属外壳地一可以 实现散热功能，而顶部焊接到微带低通滤波器的金属带线。通过该微 带低通滤波器给振荡器直流偏置，射频信号通过体效应二极管和基片 集成波导之间的绝缘槽耦合到基片集成波导中，最后通过基片集成波 导到微带的转换电路转换至微带输出。
二.并联型基片集成波导体效应二极管振荡器的等效电路见图6。 -G—体效应二极管的负电导，压一体效应二极管的等效电纳， 丄s—引线电感，G—封装电容，^T,是负载的实际阻抗，而r,是K通
过阻抗变换转换过来的等效负载阻抗，两者关系为& =《/"2 。
该振荡器产生振荡的条件为
|Reyn| >|Re:r,| (6)振荡平衡条件为
|ReyD|=|Re;rJ (7) Im^ = - (8)
基片集成波导谐振电路设置于介质基板内，将体效应二极管安装 在基片集成波导导波结构中的非金属化通孔中，此时，安装体效应二 极管的非金属化通孔将基片集成波导谐振电路的谐振腔与其外部的 基片集成波导导波结构连接起来，体效应二极管的底座连接金属外壳 地一可实现散热功能，而其顶部通过跳线焊接到微带低通滤波器的金 属带线上作为直流供电，射频信号的功率通过体效应二极管周围的绝 缘槽耦合输出到基片集成波导中，最后由基片集成波导到微带的转换 电路转换至微带输出。
在本发明中，安装了体效应二极管的非金属化通孔等效于一个电 感，其作用在于实现阻抗变换和能量耦合。阻抗变换的含义为改变 负载阻抗从而实现体效应二极管与负载的阻抗匹配；能量耦合的含义
为将基片集成波导谐振电路的谐振腔内的电磁波耦合至基片集成波
导导波结构输出。
本发明中的基片集成波导到微带的转换可采用微带直接渐变和 凹形结构变换两种形式。
通过采用基片集成波导的封装结构，将现有技术中振荡器中的立 体电路结构改变为平面电路结构，使得本发明不仅具有电路装配更为 简单、稳定可靠性更高、与外围其他平面电路更易于集成的特点，同
时还具有波导等立体结构振荡器的高Q值和低相位噪声的优点。本发明主要用于微波毫米波通信、雷达及其测试系统。
图1为现有技术的矩形波导导波结构的示意图。
图2为本发明中基片集成波导导波结构的示意图。 图3为本发明中串联型基片集成波导体效应二极管震荡器电路 结构示意图。
图4为本发明中并联型基片集成波导体效应二极管震荡器电路 结构示意图。
图5为图3的等效电路原理图。 图6为图4的等效电路原理图。
附图中标号对应名称为1-介质基板，2-金属化通孔，3-金属壁， 4-非金属化通孔，5-绝缘槽，6-跳线，7-大金属化通孔，10-基片集 成波导导波结构。
具体实施例方式
下面通过举例来说明本发明的优点。
实施例1
此例为串联型基片集成波导体效应二极管振荡器。 将体效应二极管安装在基片集成波导导波结构10中非金属化通 孔4中，体效应二极管的底座连接到金属外壳地，而顶部悍接到微带 低通滤波器的金属带线。通过该微带低通滤波器给振荡器直流偏置， 射频信号通过体效应二极管和基片集成波导之间的绝缘槽5耦合到 基片集成波导导波结构10中，最后通过基片集成波导到微带转换电路转换至微带输出。
在工作电压5伏、电流1000毫安、环境温度15^条件下，本发 明的测试结果为振荡频率为35.259GHz，输出功率是15. 7dBm，相 位噪声为-91.23dBc/Hz@100KHz。当温度从15^变换到75亇时，频 率漂移53MHz，温度漂移系数-2. 7ppm/°C，功率从15. 725dBm变化到 14. 2dBm。
实施例2
此例为并联型基片集成波导体效应二极管振荡器。 将体效应二极管安装在基片集成波导导波结构10中的非金属化 通孔4中，体效应二极管的底座连接金属外壳地，而其顶部通过跳线 6焊接到微带低通滤波器的金属带线上作为直流供电，射频信号的功 率通过体效应二极管周围的绝缘槽6间隙耦合输出到基片集成波导 导波结构10中，最后由基片集成波导到微带转换电路转换至微带输 出。
在工作电压5伏、电流1000毫安、环境温度15Y条件下，本发 明的测试结果为振荡频率为35. 178GHz，输出功率是16.2dBm，相 位噪声为-87.8dBc/Hz⑨99KHz。当温度从15flC变换到75°C时，频率 漂移59 MHz，温度漂移系数0.983MHz/°C，功率从16. 25dBm变到 14. 5dBm。
通过上述两个实施例可以看出，本发明的结构简单，装配方便， 很容易与其他外部平面电路进行集成，同时还具有波导等立体结构的 振荡器的高Q值和低相位噪声的优点。
权利要求
1. 基片集成波导体效应二极管振荡器，包括基片集成波导谐振电路、体效应二极管、包含一个高低阻抗线微带低通滤波器的直流偏置电路、基片集成波导导波结构(10)和基片集成波导到微带的转换电路，其特征在于，所述基片集成波导导波结构为平面结构，由设置于介质基板(1)内的两排金属化通孔(2)组成，且介质基板(1)的上下两个面为金属层，在基片集成波导导波结构内还设有用于安装体效应二极管的非金属化通孔(4)。
2. 根据权利要求1所述的基片集成波导体效应二极管振荡器，其 特征在于，所述介质基板(1)内每排金属化通孔中至少设有两个金 属化通孔(2)，且两排金属化通孔的数目相同。
3. 根据权利要求1所述的基片集成波导体效应二极管振荡器，其 特征在于，所述各排金属化通孔中相邻金属化通孔(2)之间的距离 等于金属化通孔(2)自身直径的两倍，或各排金属化通孔中相邻金 属化通孔(2)之间的距离至少比金属化通孔(2)自身直径两倍还小 于0.OOOOOlmm。
4. 根据权利要求1所述的基片集成波导体效应二极管振荡器，其 特征在于，所述基片集成波导谐振电路包括串联和并联两种连接方 式。
5. 根据权利要求4所述的基片集成波导体效应二极管振荡器，其 特征在于，所述串联方式中，非金属化通孔(4)设置于基片集成波 导导波结构(10)的边缘，并在基片集成波导导波结构(10)中心设 有用于连接基片集成波导谐振电路的大金属化通孔(7)。
6. 根据权利要求4所述的基片集成波导体效应二极管振荡器，其 特征在于，所述并联方式中，非金属化通孔(4)设置于基片集成波 导导波结构(10)的中心，并通过非金属化通孔(4)将基片集成波 导导波结构(10)与基片集成波导谐振电路连接。
7. 根据权利要求5所述的基片集成波导体效应二极管振荡器，其 特征在于，所述非金属化通孔(4)外设有绝缘槽(5)。
8. 根据权利要求6所述的基片集成波导体效应二极管振荡器，其 特征在于，所述非金属化通孔(4)外设有包围非金属化通孔的绝缘 槽(5)。
9. 根据权利要求1所述的基片集成波导体效应二极管振荡器，其 特征在于，所述两排金属化通孔(2)分别设置于介质基板(1)的两 个侧边边缘。
全文摘要
本发明涉及一种基片集成波导体效应二极管振荡器，通过将传统技术的波导等立体结构设计为平面结构，而基片集成波导谐振电路可采用串联和并联两种方式，在串联方式中，设计了一个大金属化通孔，实现基片集成波导谐振电路与基片集成波导导波结构的连接，而在并联方式中，则由安装了体效应二极管的非金属化通孔连接基片集成波导导波结构与基片集成波导谐振电路。通过以上改进，不仅使得体效应二极管振荡器的结构装配更为简单、稳定可靠性更高、更易于与外部平面电路集成，同时还具有传统技术中波导等立体结构振荡器的高Q值和低相位噪声的优点。本发明主要用于微波毫米波通讯、雷达及其测试系统。
文档编号H01P7/00GK101546855SQ20081004508
公开日2009年9月30日 申请日期2008年3月28日 优先权日2008年3月28日
发明者喻志远, 军 徐, 李桂萍, 钟催林 申请人:电子科技大学