一种损耗补偿型电调有源谐振器及其损耗补偿方法与流程

文档序号:17917805发布日期:2019-06-14 23:54
一种损耗补偿型电调有源谐振器及其损耗补偿方法与流程

本发明涉及微波谐振器领域,尤其涉及一种由并联谐振体、补偿放大器、可变电容器、信号开关等部件和元件组成的微波有源谐振器及一种补偿谐振器损耗的方法。



背景技术:

微波谐振器是构成微波滤波器、微波合路器、微波多工器、微波振荡器、微波压控振荡器、微波放大器等电子器件的重要部件。现有的微波谐振器有多种,如微带谐振器、螺旋谐振器、陶瓷谐振器、波导谐振器、同轴腔谐振器、介质谐振器等,它们大都具有损耗大、体积大、不便集成、不能调谐或只能机械调谐、不能电调谐、调谐范围窄、Q值(品质因数)不高、Q值不可变等缺点和技术问题。



技术实现要素:

本发明的目的是克服和解决现有微波谐振器损耗大、体积大、不便集成、不能电调谐、调谐范围窄、Q值不高、Q值不可变等缺点和技术问题,提供一种损耗小、体积小、可集成于芯片上、可采用低压直流电压调谐、调谐范围宽、Q值很高、Q值可变的微波谐振器,即一种损耗补偿型电调有源谐振器(以下简称“有源谐振器”),它由一个输入端口、一个并联谐振体、一个补偿放大器、一个信号开关、一个可变电容器组成;所述补偿放大器是一个单级或多级放大器,其末级为一个射极跟随器或源极跟随器,即共集电极放大电路或共漏极放大电路;所述并联谐振体是电路上的一个一端开路、另一端接地、任意形状的导体;以开路端为上、接地端为下,用上、下两个抽头将并联谐振体分成三段,从上到下依次为第一段、第二段、第三段;补偿放大器的输入端与并联谐振体的开路端相电气连接,补偿放大器的输出端与并联谐振体的下抽头端相电气连接;信号开关与并联谐振体的第二段并联相接,即电气连接于并联谐振体的上、下抽头之间;可变电容器与并联谐振体并联相接;输入端口电气连接于并联谐振体的开路端。

并联谐振体与可变电容器共同构成一个并联LC(电感电容)谐振器;补偿放大器将引自并联谐振体开路端的微波信号放大后形成补偿电流,再从下抽头端重新注入并联谐振体,使并联谐振体上的信号电流得到加强,从而补偿并联谐振体及其它元件的损耗,损耗补偿的多少由补偿放大器的电流增益决定,电流增益越高则损耗补偿越多,通过损耗补偿,有源谐振器可呈现“低耗”或“无耗”状态,因此改变补偿放大器的电流增益即可改变有源谐振器的Q值;为了提高补偿效率和增加补偿频带宽度,补偿电流重新注入的位置即下抽头的位置可选在并联谐振体的下半段;信号开关将有源谐振器的谐振频率分成两个频段:在信号开关断开状态,并联谐振体参与谐振的总长度为其第一段、第二段、第三段的长度之和,此时有源谐振器的谐振频率处于低频段,在信号开关闭合状态,其第二段被信号开关短路屏蔽,并联谐振体参与谐振的总长度为其第一段、第三段的长度之和,此时有源谐振器的谐振频率处于高频段;可变电容器的作用是使参与谐振的电容成为一个可变量,通过改变可变电容器的电容量可以连续调谐有源谐振器;补偿放大器补偿损耗的同时也使有源谐振器的谐振频率发生偏移,这种偏移可加以利用,也可通过可变电容器纠正。

所述并联谐振体可选由若干段导体组成,由抽头所划分的三段谐振体也可分别再包含若干段导体;例如,一个由首尾相接的五段微带线组成的并联谐振体,若上抽头设于自开路端起的第二、三段微带线的互连处,下抽头设于第四、五段微带线的互连处,则并联谐振体的第一段包含前两段微带线,第二段包含第三、第四段微带线,第三段包含第五段微带线;再如,一个由四个电感线圈串联而成的并联谐振体,若上抽头设于自开路端起的第一、第二个电感线圈的互连处,下抽头设于第四个电感线圈的中间位置,则并联谐振体的第一段包含第一个电感线圈,第二段包含第二、第三个电感线圈及第四个电感线圈的上半部分,第三段包含第四个电感线圈的下半部分。所述信号开关可选择去除,可变电容器可选用固定电容器替换;去除了信号开关的有源谐振器将不可分频段调谐;可变电容器用固定电容器替换后的有源谐振器将不可调谐,其谐振频率只能随Q值的调整稍微变化,但Q值可调。

本发明同时提供一种谐振器的损耗补偿方法,即,对于含有并联谐振体的谐振器,从并联谐振体的开路端引出微波信号,由补偿放大器放大后形成补偿电流,再从并联谐振体的其它部位如下抽头处重新注入并联谐振体,使并联谐振体上的信号电流得到加强,从而补偿并联谐振体及其它元件的损耗,损耗补偿的多少由补偿放大器的信号电流增益决定,电流增益越高则损耗补偿越多,因此改变补偿放大器的电流增益即可改变谐振器损耗的补偿量,通过损耗补偿,有源谐振器可呈现“低耗”或 “无耗”状态;为了提高补偿效率和增加补偿频带宽度,补偿电流重新注入的位置如下抽头的位置可选在并联谐振体的下半段(以开路端为上,短路端为下)。损耗补偿的结果可从输入端口向有源谐振器看去的输入阻抗Zin的实部Re(Zin)随信号频率f变化的曲线即Re(Zin)~f曲线观测到,曲线的峰顶或谷底对应着谐振频率f0和谐振时有源谐振器中并联电阻Rp的值,如果Rp为正,表明有源谐振器中的总损耗尚未完全被补偿,处于“欠补偿”状态,如果Rp为负,表明有源谐振器中的总损耗被过度补偿,处于“过补偿”状态,不论是欠补偿还是过补偿,当Rp的绝对值很大时,有源谐振器的无载Q值即Q0值也大,此时Re(Zin)~f曲线形状尖锐,当Rp的绝对值很小时,有源谐振器的Q0值也小,此时Re(Zin)~f曲线较平坦,根据Re(Zin)~f曲线的形状可以计算出有源谐振器的Q0值。

本发明的有益效果为:所提供的损耗补偿方法,使原来因损耗大而不适用的谐振器如集成电路基片上的微带谐振器、螺旋谐振器等适用范围更广,使任意形状的导体均可成为可用的谐振器;所提供的有源谐振器是可通过低压直流电调谐的,不仅谐振频率可调,而且Q值也可调;所提供的有源谐振器是可用集成电路实现的,因此大大减小了体积;所提供的有源谐振器应用于微波滤波器或合路器或多工器可使其便于集成且中心频率在极宽的范围内任意移动、其通带宽度在一定的范围内任意可控、其插入损耗可控、其矩形特性更佳;所提供的有源谐振器应用于微波VCO振荡器可使其便于集成且具有极宽的可调频带从而可实现低电压超宽带微波VCO振荡器;采用了本发明所述有源谐振器的微波滤波器、合路器、多工器、VCO振荡器等器件将使雷达、手机、通信设备、通信系统、仪器设备、无线路由器、物联网设备等性能得到较大改善。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明所述一种损耗补偿型电调有源谐振器的原理框图;

图2为本发明所述一种损耗补偿型电调有源谐振器的实施例一的原理图;

图3为本发明所述一种损耗补偿型电调有源谐振器的实施例二的原理图;

图4为本发明实施例二中所用一种九段方形平面螺旋电感的形状尺寸图;

图5为本发明实施例二中所用一种五段方形平面螺旋电感的形状尺寸图;

图6为本发明实施例一中V1、V2、V3分别为-5V、-1.2282V、0V时的Re(Zin)~f曲线;

图7为本发明实施例一中V1、V2、V3分别为0V、-1.3077V、+5V时的Re(Zin)~f曲线;

图8为本发明实施例二中V1、V2、V3分别为-5V、-1.25V、0V时的Re(Zin)~f曲线;

图9为本发明实施例二中V1、V2、V3分别为0V、-1.412V、+5V时的Re(Zin)~f曲线。

图中,1.输入端口,2.可变电容器,3.并联谐振体,4.信号开关,5.补偿放大器,6. 高频阻隔电阻,7.场效应管,8.微带线, 9.微带线, 10.微带线,11.场效应管,12. 高频阻隔电阻,13.高频旁路电容,14.隔直电容,15.场效应管,16. 高频阻隔电阻,17. 限流电阻,18.高频旁路电容,19、20、21为三个电感,V1、V2、V3分别为信号开关、补偿放大器、可变电容器的控制电压,Vcc为有源谐振器的供电电压。

具体实施方式

如图1所示,一种损耗补偿型电调有源谐振器,由一个输入端口1、一个并联谐振体3、一个补偿放大器5、一个信号开关4、一个可变电容器2组成;所述补偿放大器5是一个单级或多级放大器,其末级为一个射极跟随器或源极跟随器,即共集电极放大电路或共漏极放大电路;所述并联谐振体3是电路上的一个一端开路、另一端接地、任意形状的导体;以开路端为上、接地端为下,用上、下两个抽头TapH和TapL将并联谐振体3分成三段,从上到下依次为第一段、第二段、第三段;补偿放大器5的输入端与并联谐振体3的开路端相电气连接,补偿放大器5的输出端与并联谐振体3的下抽头TapL端相电气连接;信号开关4与并联谐振体3的第二段并联相接即电气连接于并联谐振体3的上、下抽头TapH和TapL之间;可变电容器2与并联谐振体3并联相接;输入端口1电气连接于并联谐振体3的开路端。

并联谐振体3与可变电容器2共同构成一个并联LC(电感电容)谐振器;补偿放大器5将引自并联谐振体3开路端的微波信号放大后形成补偿电流,再从下抽头TapL端重新注入并联谐振体3,使并联谐振体3上的信号电流得到加强,从而补偿并联谐振体3及其它元件的损耗,损耗补偿的多少由补偿放大器5的电流增益决定,电流增益越高则损耗补偿越多,通过损耗补偿,有源谐振器可呈现“低耗”或 “无耗”状态,因此改变补偿放大器5的电流增益即可改变有源谐振器的Q值;为了提高补偿效率和增加补偿频带宽度,补偿电流重新注入的位置即下抽头TapL的位置可选在并联谐振体3的下半段;信号开关4将有源谐振器的谐振频率分成两个频段:在信号开关4断开状态,并联谐振体3参与谐振的总长度为其第一段、第二段、第三段的长度之和,此时有源谐振器的谐振频率处于低频段,在信号开关4闭合状态,其第二段被信号开关4短路屏蔽,并联谐振体3参与谐振的总长度为其第一段、第三段的长度之和,此时有源谐振器的谐振频率处于高频段;可变电容器2的作用是使参与谐振的电容成为一个可变量,通过改变可变电容器2的电容量可以连续调谐有源谐振器;补偿放大器5补偿损耗的同时也使有源谐振器的谐振频率发生偏移,这种偏移可加以利用,也可通过可变电容器2纠正。

一种谐振器的损耗补偿方法,即,对于含有并联谐振体3的谐振器,从并联谐振体3的开路端引出微波信号,由补偿放大器5放大后形成补偿电流,再从并联谐振体3的其它部位如下抽头TapL端重新注入并联谐振体3,使并联谐振体3上的信号电流得到加强,从而补偿并联谐振体3及其它元件的损耗,损耗补偿的多少由补偿放大器5的信号电流增益决定,电流增益越高则损耗补偿越多,因此改变补偿放大器5的电流增益即可改变谐振器损耗的补偿量,通过损耗补偿,谐振器可呈现“低耗”或 “无耗”状态;为了提高补偿效率和增加补偿频带宽度,补偿电流重新注入的位置如下抽头TapL的位置可选在并联谐振体3的下半段(以开路端为上,短路端为下)。损耗补偿的结果可从输入端口1向有源谐振器看去的输入阻抗Zin的实部Re(Zin)随信号频率f变化的曲线即Re(Zin)~f曲线观测到,曲线的峰顶或谷底对应着谐振频率f0和谐振时有源谐振器中并联电阻Rp的值,如果Rp为正,表明有源谐振器中的总损耗尚未完全被补偿,处于“欠补偿”状态,如果Rp为负,表明有源谐振器中的总损耗被过度补偿,处于“过补偿”状态,不论是欠补偿还是过补偿,当Rp的绝对值很大时,有源谐振器的无载Q值即Q0值也大,此时Re(Zin)~f曲线形状尖锐,当Rp的绝对值很小时,有源谐振器的Q0值也小,此时Re(Zin)~f曲线较平坦,根据Re(Zin)~f曲线的形状可以计算出有源谐振器的Q0值。

实施例一:如图2所示,并联谐振体3由微带线8、9、10首尾相接而成,微带线10的另一端接地,微带线8的另一端为并联谐振体3的开路端,上抽头TapH在微带线8、9的互连处,下抽头TapL在微带线9、10的互连处,并联谐振体3的第一段包含微带线8,第二段包含微带线9,第三段包含微带线10;补偿放大器5由场效应管15、隔直电容14、高频阻隔电阻16、限流电阻17、高频旁路电容18组成,场效应管15的栅极与隔直电容14和高频阻隔电阻16相电气连接,源极为补偿放大器5的输出端,其与并联谐振体3在下抽头TapL端相电气连接,漏极与限流电阻17、高频旁路电容18相电气连接,隔直电容14的另一端为补偿放大器5的输入端,其与并联谐振体3的开路端相电气连接,限流电阻17的另一端接供电电压Vcc,高频阻隔电阻16的另一端接场效应管15的偏置电压即补偿放大器5的控制电压V2, 高频旁路电容18的另一端接地;信号开关4由场效应管7和高频阻隔电阻6组成,场效应管7的漏极与并联谐振体3的上抽头TapH端相电气连接,源极与并联谐振体3的下抽头TapL端相电气连接,栅极与高频阻隔电阻6相电气连接,高频阻隔电阻6的另一端接信号开关4的控制电压V1;可变电容器2由场效应管11、高频阻隔电阻12、高频旁路电容13组成,场效应管11的栅极与并联谐振体3的开路端相电气连接,源极、漏极短路相接并与高频阻隔电阻12、高频旁路电容13相电气连接,高频阻隔电阻12的另一端接场效应管11的偏置电压即可变电容器2的控制电压V3,高频旁路电容13的另一端接地;输入端口1电气连接于并联谐振体3的开路端。

在实施例一中,补偿放大器5是一个单级场效应管源极跟随器,即共漏极放大器,其对信号电流具有放大作用,电流增益与场效应管15的跨导gm近似成正比,而gm受场效应管15的偏置电压V2控制,因此改变V2的值即可调整谐振器损耗的补偿量,使有源谐振器的Q值达到应用要求;有源谐振器谐振频率的分段由信号开关4来实现,控制电压V1为高电平或低电平,控制着场效应管7导通或截止,即信号开关4闭合或断开,从而控制微带线9被短路与否;在场效应管7的导通状态,微带线9被短路屏蔽,参与谐振的并联谐振体只有微带线8和10,谐振频率处于高频段;在场效应管7的截止状态,微带线9未被屏蔽,参与谐振的是整个并联谐振体3,谐振频率处于低频段;可变电容器2用场效应管11来实现,其偏置电压V3控制着栅源、栅漏电容,此两电容的并联电容构成了可变电容器2的总电容,因此,改变V3可使有源谐振器得到连续调谐。

作为一种优选方案,实施例一中,一种损耗补偿型电调有源谐振器采用海威华芯0.25微米砷化镓pHEMT集成电路工艺实现,砷化镓基片厚0.1微米,相对介电常数为12.9,谐振器供电电压Vcc=+5V,接地方式为反面过孔接地。场效应管15的型号为PPA25F04W50,其栅宽50微米,栅指数为4;场效应管7的型号为PPA25F8W150,其栅宽150微米,栅指数为8;场效应管11的型号为PPA25F8W80,其栅宽80微米,栅指数为8;微带线8、9、10的宽度均为30微米,长度分别为125、400、100微米;电容14为串联MIM电容,其金属平板尺寸为长75微米、宽75微米,其容量为3.2175pF;电容13、18均采用接地MIM电容,其金属平板尺寸均为长200微米、宽200微米,其容量均为24.4pF;电阻6、12、16均采用隔离层电阻,尺寸均为长500微米、宽3微米,其阻值为25.95kΩ;电阻17也是隔离层电阻,尺寸为长50微米、宽10微米,其阻值为778.5Ω;当V1=-5V时,场效应管7处于截止状态也即信号开关4处于断开状态,此时,微带线9参与谐振,有源谐振器工作于低频段,谐振频率f0随着V2、V3的不同组合而在7.2GHz至13.4GHz之间变化;当V1=0V时,场效应管7处于导通状态也即信号开关4处于闭合状态,此时,微带线9被短路屏蔽,有源谐振器工作于高频段,谐振频率f0随着V2、V3的不同组合而在12.9GHz至18.2GHz之间变化;有源谐振器谐振频率f0的总变化范围为7.2GHz至18.2GHz。 V2的变化范围为-1.6V至-1.0V,控制场效应管15的跨导gm由小到大变化,相应地,有源谐振器损耗的补偿量由小到大变化;V3的变化范围为0V至+5V,控制场效应管11栅源、栅漏电容的大小从而控制可变电容器2的电容大小,使有源谐振器的谐振频率f0由低频向高频移动即连续可调。 图6 所示为常温下本优选方案实施例一中 V1、 V2、 V3 分别等于 -5V、 -1.2282V、0V时的Re(Zin)~f曲线,此时,f0=7.29325GHz,Rp=1733.297kΩ,Q0=104754;图7所示为常温下本优选方案实施例一中V1、V2、V3分别为0V、-1.3077V、+5V时的Re(Zin)~f曲线,此时,f0=18.00535GHz,Rp=-2068.874kΩ,Q0=99279。

实施例二:如图3所示,其与实施例一的不同之处在于,微带线8、9、10分别被替换为电感19、20、21,即并联谐振体3由电感19、20、21首尾相接而成,电感21的另一端接地,电感19的另一端为并联谐振体3的开路端,上抽头TapH在电感19、20的互连处,下抽头TapL在微带线20、21的互连处,并联谐振体3的第一段包含电感19,第二段包含电感20,第三段包含电感21;有源谐振器的其它部分及其连接关系和作用与实施例一中的相应部分完全相同。

作为一种优选方案,实施例二与实施例一一样,一种损耗补偿型电调有源谐振器仍然采用海威华芯0.25微米砷化镓pHEMT集成电路工艺实现,砷化镓基片厚0.1微米,相对介电常数为12.9,谐振器供电电压Vcc=+5V,接地方式为反面过孔接地。除电感19、20、21外,各元件均与实施例一中相同。电感20选用片上九段方形平面螺旋电感,其形状如图4所示,尺寸为:d1=125微米、d2=140微米、d3=120微米、dout=5微米、线宽W=10微米、线间距s=5微米;电感19、21选用片上五段方形平面螺旋电感,其形状如图5所示,电感19尺寸为:d1=75微米、d2=90微米、d3=70微米、dout=5微米、线宽W=10微米、线间距s=5微米,电感21尺寸为:d1=55微米、d2=70微米、d3=50微米、dout=5微米、线宽W=10微米、线间距s=5微米。控制电压V1、V2、V3的变化范围与实施例一优选方案中的相同,所控制的有源谐振器谐振频率f0的总变化范围为4.4GHz至13GHz。图8所示为常温下本优选方案实施例二中V1、V2、V3分别等于-5V、-1.25V、0V时的Re(Zin)~f曲线,此时,f0=4.41226GHz,Rp=-1660.298Ω,Q0=47.48;图9所示为常温下本优选方案实施例二中V1、V2、V3分别为0V、-1.412V、+5V时的Re(Zin)~f曲线,此时,f0=12.95187GHz,Rp=8632.624kΩ,Q0=229480。

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