一种介质振荡器的制作方法

本实用新型实施例涉及微波电路技术领域，尤其涉及一种介质振荡器。

背景技术：

随着国内智能交通行业的高速发展，微波测速雷达广泛应用于测速卡口管理、超速抓拍系统以及移动电子警察等交通智能管控系统中，并逐渐成为智能交通管理系统的核心传感器。

微波振荡器作为雷达系统的心脏，其既提供雷达的发射信号同时也提供了与雷达的接收信号进行混频的本振信号，因此微波振荡器性能的好坏直接影响了雷达系统的性能。一般使用微波介质振荡器，介质振荡器主要包括介质谐振器和负阻器件组成的放大器等。

但是现有的介质振荡器存在如下缺点：因为微波屏蔽盖的高度可调，导致介质振荡器的起振频率偏差较大。因为现有的介质振荡器的微波屏蔽盖的高度都为通过调谐螺钉进行机械调节，若调试不当或螺钉松动，很容易导致起振频率偏差过大，影响用户使用，且螺钉调谐结构导致整个介质振荡器的结构体积很大，不利于雷达整机的集成度。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种介质振荡器，以解决现有技术中的微波屏蔽盖高度可调，导致介质振荡器的起振频率偏差很大，且结构体积很大的问题。

本实用新型实施例提供了一种介质振荡器，包括：负阻器件、选频网络和微波屏蔽盒；

所述负阻器件的输入端和输出端分别与所述选频网络中两条相对放置的微带线相连，其中，所述负阻器件用于产生谐波，所述微带线与置于两条所述微带线中间的介质谐振器组成所述选频网络；

所述选频网络用于将谐振频率的信号从所述谐波中选出并将所述信号反馈至所述负阻器件组成的正反馈放大器以将该信号放大直至稳态；

所述负阻器件和选频网络位于所述微波屏蔽盒的内部，微波屏蔽盖距离微波屏蔽盒底部的距离为固定值。

本实用新型实施例提供的介质振荡器，采用并联反馈的模式，并联反馈模式具有频率稳定度高，输出功率大的特点，负阻器件的输入端和输出端分别与两条相对放置的微带线相连，介质谐振器位于所述两条微带线的中间位置，用于将谐振频率的信号从所述谐波中选出并将所述微波反馈至所述负阻器件以将该微波放大直至稳态，微波屏蔽盒和微波屏蔽盖采用一体化设计，微波屏蔽盖直接与微波屏蔽盒相盖合，微波屏蔽盖距离微波屏蔽盒底部的距离不可调，为固定值，使成品一致性好，解决了受微波屏蔽盖高度影响，导致起振频率偏差较大的问题，且微波屏蔽盒和微波屏蔽盖为一体化设计，省去了调谐螺钉结构，使介质振荡器整体的体积减小，可集成度高，且不需要时常对微波屏蔽盖的高度进行机械调试，节省人力。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本实用新型实施例提供的一种介质振荡器的结构图；

图2是本实用新型实施例提供的共源极并联反馈式介质振荡器拓扑结构图；

图3a是本实用新型实施例提供的场效应管单电源供电模式电路图；

图3b是本实用新型实施例提供的场效应管双电源供电模式电路图；

图4a是本实用新型实施例提供的栅极负电压-0.3V的产生电路图；

图4b是本实用新型实施例提供的漏极正电压3V的产生电路图；

图5是本实用新型实施例提供的介质振荡器的正反馈拓扑图；

图6是本实用新型实施例提供的介质振荡器内部结构图；

图7是本实用新型实施例提供的介质振荡器整体电路仿真结果图；

图8a是本实用新型实施例提供的介质振荡器的微波屏蔽盖的正面结构图；

图8b是本实用新型实施例提供的介质振荡器的微波屏蔽盖的背面结构图；

图9是本实用新型实施例提供的另一介质振荡器的内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内容。

图1是本实用新型实施例一提供的一种介质振荡器的结构图。本实施例中的介质振荡器适用于发射用于测速、测距等的信号，主要集成于微波测速雷达等设备作为雷达系统的发射源和提供混频用的本振信号。如图1所示，该介质振荡器包括：负阻器件11、选频网络10和微波屏蔽盒14；

负阻器件11的输入端110和输出端111分别与选频网络10中两条相对放置的微带线13相连，其中，负阻器件11用于产生谐波，微带线13与置于两条微带线13中间的介质谐振器12组成选频网络10；

选频网络10(相当于品质因子很高的带通滤波器)用于将谐振频率的信号从所述谐波中选出并将所述信号反馈至负阻器件11组成的正反馈放大器以将该信号放大直至稳态；

负阻器件11和选频网络10位于微波屏蔽盒14的内部，微波屏蔽盖15距离微波屏蔽盒14底部的距离为固定值。

本实用新型实施例提供的介质振荡器，作为雷达系统的微波信号源，在K波段上，微波介质振荡器相较于压控振荡器有频率稳定度高，相位噪声低和成本低廉等优点。介质振荡器利用负阻器件11的非线性特性，其工作时产生丰富的谐波，然后经过介质谐振器12和微带线l3组成的选频网络10将谐振频率选出，再经过负阻器件11组成的正反馈放大器不断放大，达到稳态输出。图1中示出的介质谐振器12为圆柱形，在实际应用中介质振荡器12可为其他形状，本实施例对此不进行限定。

实验证明，微波屏蔽盖14的高度会影响介质振荡器的谐振频率的大小，参考图1，微波屏蔽盒14和微波屏蔽盖15为一体化设计，直接进行扣合或拧合，不需要调谐螺钉去调谐微波屏蔽盖15的高度，此处调谐微波屏蔽盖15的高度指的是调节调谐螺钉底部距离介质谐振器12的距离，在现有技术中，调谐螺钉的螺纹孔在微波屏蔽盖15的正对介质谐振器12位置处设置，介质谐振器12的圆柱体的底面直径一般为2mm，而调谐螺钉底面的面积要大于介质谐振器12，则调谐螺钉底面相当于介质谐振器12的屏蔽盖。所以，通过调谐螺钉的伸缩从而改变调谐螺钉底部到介质谐振器12顶端的距离来进行频率调整，而不是调整整个微波屏蔽盖15的高度。调谐螺钉在起调节谐振频率作用的同时，会高出微波屏蔽盖15一个高度，所以调谐螺钉使得整个介质振荡器的体积变大。在设计时直接将微波屏蔽盖15的高度设置在一个适宜工作的位置，从而省去了调谐螺钉的结构，成品一致性好，使得介质振荡器整体体积减小，便于雷达内部微波电路的集成提高集成度，且在介质振荡器调试时，摆好介质谐振器12的位置后，不需要调节微波屏蔽盖15的高度，只需盖上设计出的微波屏蔽盖15，从而减少操作和调试工作。而现有的带有调谐螺钉的介质振荡器在使用时必须使用调谐螺钉进行调节，且在介质振荡器使用一段时间后，为防止调谐螺钉松动还要进行定期调试。

负阻器件11可为场效应管或体效应二极管。场效应管或体效应二极管是介质振荡器中应用较为广泛的负阻器件，其工作时产生大量谐波，且在负阻状态下作为正反馈放大器对选频网络10选出的频率进行放大。

本实施例中介质谐振器与微带线构成的选频网络选择的谐振频率在24.15GHz±45MHz范围内，此范围为目前智能交通测速雷达所必须使用的范围。值得注意的是，本实施例中的谐振频率即为介质振荡器的起振频率。

参考图2，图2是本实用新型实施例提供的共源极并联反馈式介质振荡器拓扑结构图。为了获得高的输出功率，介质振荡器采用了结型场效应管的共源极接法。由图2可知，结型场效应管源极接地组成了共源极正反馈放大电路，本实施例中，负阻器件选择瑞萨公司的NE3514S02结型场效应管，该结型场效应管的工作频率可达26GHz，在24GHz工作时，具有良好的增益和噪声系数。介质谐振器采用的是深圳智元易迅科技有限公司的产品。该介质谐振器谐振频率为24.15GHz，无载Q值达到2500，符合设计要求。Q值为衡量介质谐振器选择性的重要因数。Q值越高，频率选择性越好，获得的发射信号的相位噪声越好，选择高Q值的介质谐振器能更精确地获取谐振频率所在的信号。

可选的，NE3514S02结型场效应管有两种供电模式：单电源供电模式和双电源供电模式。图3a是本实用新型实施例提供的场效应管单电源供电模式电路图，图3b是本实用新型实施例提供的场效应管双电源供电模式电路图。参考图3a和图3b，单电源供电模式仅需要一个漏极供电电压V_d，双电源供电模式需要两个供电，即电压漏极供电电压V_d和栅极供电电压V_g，单电源供电电路结构简单，但是对于噪声有一定的影响，这种供电方式一般用于对噪声指标要求不是太严格的情况。双电源供电一般用于比较高的微波频段，因为它可以在高频段提供较好的噪声特性。

在本实施例中，所述结型场效应管采用双电源供电模式。双电源供电对本设计有两点好处：一、能够获得较好的噪声性能；二、可以通过调节栅极负电压，来获得场效应管的稳定工作状态，从而获得最大输出功率。

由调试和大量实验发现，栅极负电压V_g为-0.3V，漏极供正电压V_d为3V时，场效应管处于最佳工作状态，此时源漏极电流I_ds＝20mA。图4a是本实用新型实施例提供的栅极负电压-0.3V的产生电路图；图4b是本实用新型实施例提供的漏极正电压3V的产生电路图。如图4a所示，将系统模拟板中的12V直流电压通过NCV78L05A芯片将12V电压转成+5V电压，然后经过LTC1983芯片将+5V电压转化成-5V电压，最后利用电阻分压产生-0.3V电压。实验证明由分压产生的-0.3V电压比较稳定，符合设计需求。如图4b所示，产生+3V电压时首先用NCV78L05A芯片将12V电压转成+5V电压，然后用ADP161AUJZ芯片，将5V电压转成3V，这样做的好处在于，从ADP161AUJZ芯片产生的3V电压非常稳定。

上述产生栅极负电压-0.3V和漏极正电压3V的电路仅为一种效果好的示例，可以使用其他可产生稳定-0.3V电压和3V电压的电路，本实施例对此不进行限定。

可选的，本实施例中的介质谐振器选用的介质介电常数ε_r＝37.5，具有高的介电常数，高介电常数的介质谐振器相当于磁壁振荡器，能保证大量的电磁能量都集中在介质块内振荡，不会穿过磁壁泄露到空气里。本实施例中，介质谐振器选取为圆柱形，高度为1.4mm±0.05mm，直径为2.00±0.02mm。

实验得出，微波屏蔽盖对介质振荡器的谐振频率有很大的影响。在雷达系统要求的频率范围内，所述介质振荡器的谐振频率在24.15GHz±45MHz范围内，所述微波屏蔽盖距离微波屏蔽盒底部的距离为4mm。使得微波屏蔽盖和微波屏蔽盒为一体化设计，避免了成品一致性差的问题。

参考图1，本设计采用的介质谐振器12为圆柱形介质谐振器，其工作模式是TE_01δ模，这种模式最容易与微带线13耦合。介质谐振器12和微带线13组成的选频网络10相当于一个高Q值的带通滤波器，将谐振频率单独的选出来。

示例性的，将24.15GHz频率单独选出。将图1中所示的电路进行仿真。在电路仿真时，首先是要确保NE3514S02场效应管工作在不稳定状态，就要求其稳定系数小于1，同时要其呈现负阻状态，这就要求其输入反射系数S11>1。这样NE3514S02场效应管就形成了一个正反馈放大器，其工作时在漏极输出丰富的谐波，通过介质谐振器组成的选频网络将24.15GHz输出信号选出，将其它频率过滤掉，然后被选出的信号经过正反馈放大器的不断放大，最终达到稳态输出。参考图5，图5是本实用新型实施例提供的介质振荡器的正反馈拓扑图，并联反馈式介质振荡器正是基于正反馈振荡理论制作的。

本方案可采用高频结构仿真(High Frequency Structure Simulator，HFSS)软件和先进设计系统(Advanced Design System，ADS)软件进行仿真。HFSS软件为Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件，是世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件。HFSS软件提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。ADS软件为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力(尤其在射频微波领域)，而得到了广大集成电路设计工作者的支持。通过从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术，ADS软件让设计师全面表征和优化设计。单一的集成设计环境提供系统和电路仿真器，以及电路图捕获、布局和验证能力，因此不需要在设计中停下来更换设计工具。ADS是强大的电子设计自动化软件系统。它为蜂窝、便携电话、寻呼机、无线网络，以及雷达和卫星通信系统这类产品的设计师提供完全的设计集成。

在仿真时，首先将HFSS中仿真的谐振单元的S参数封装成S2P文件，然后导入ADS中与NE3514S02芯片组成的正反馈电路进行联合仿真。上述仿真主要是做谐波平衡仿真，通过优化使其在24.15GHz起振，为了获得高的输出功率，可以在介质振荡器的输出处对其进行T型单枝节共轭匹配。

在完成上述谐波平衡仿真后，可利用Altium Designer软件将介质振荡器的电路图画出然后导入HFSS软件中进行全波电磁仿真，为了在实际测量时获得较好的一致性，我们在图中固定好介质的位置后，加上微波屏蔽盖进行仿真，通过调节微波屏蔽盖的高度，来控制介质振荡器的谐振频率。

可选的，微带线的末端为弯弧结构。参考图6，图6是本实用新型实施例提供的介质振荡器内部结构图，微带线13的末端设置为弯弧结构。在仿真调试过程中，我们发现图6所示的微带线13和介质谐振器12组成的选频网络有更好的耦合性能，其耦合输出的功率更大。该选频网络创新点在于与介质谐振器12耦合的两条微带线13末端采用弯弧结构，从而使得在微带线13与介质谐振器12相距相同距离的情况下，具有更强的耦合性，进而有更大的输出功率。例如与图1进行比较，在介质谐振器12与两条微带线13均相距0.15mm的条件下，由于采用了弯弧结构，使得电路的面积更小，更利于集成化，同时更重要的是介质振荡器的输出功率有明显提升。

由于ADS软件的仿真只是电路电气特性的仿真，并没有考虑到传输线的耦合及辐射问题，为了保证仿真准确性，在全电磁仿真时，在ADS中进行参数优化完毕后，在HFSS中将无源部分进行仿真校正，并在仿真时采用了一体化仿真，加入一个内高初始值为5mm，金属厚度1mm的铜质微波屏蔽盖进行仿真，通过调整微波屏蔽盖的高度，使得介质谐振器的谐振频率在24.15GHz±45MHz范围内。经过仿真调试，最终将微波屏蔽盖的内高优化为4mm。

最后将HFSS仿真得出的S参数导成SNP文件，然后导入ADS中做整体仿真，经过微调版图的尺寸，使得整体电路起振在24.15GHz±45MHz范围内，其仿真结果如图7所示，由图7可知介质振荡器的谐频阶数为1时，谐振频率在24.13GHz，输出功率有8.893dBm，符合雷达的使用要求。

在进行整体电路仿真后还需进行实物测试，通过频谱仪测量发射信号频谱可知，在不加微波屏蔽盖的条件下，介质振荡器的起振频率在24.05GHz，输出功率达到7.67dBm。输出功率和仿真基本一致，但是起振频率因为没有加微波频屏蔽盖，而出现了偏差。本实用新型实施例中的起振频率即为介质振荡器的谐振频率。而经过大量雷达整机的实验，可以验证该介质振荡器在加上微波屏蔽盖后，其起振频率在24.15GHz±45MHz范围内。

图8a是本实用新型实施例提供的介质振荡器的微波屏蔽盖的正面结构图，图8b是本实用新型实施例提供的介质振荡器的微波屏蔽盖的背面结构图。本实施例中的微波屏蔽盖的正面指的是微波屏蔽盖盖在微波屏蔽盒上之后，露在外面的一侧，微波屏蔽盖的背面指的是微波屏蔽盖盖在微波屏蔽盒上之后，面对介质振荡器内部结构的一面。参考图8b，微波屏蔽盖背面的小屏蔽腔152是用来屏蔽图1中整个介质振荡器与外部其它微波电路相互之间的干扰，由图8a可知，在微波屏蔽盖15的上方并没有加调谐螺钉的螺丝孔，不需要螺丝调谐频率。参考图1，进行一体化仿真后，微波屏蔽盖15到介质谐振器12的最优距离就能确定下来，因此在实物调试中，只要做相同高度的微波屏蔽盖15，就能保证其起振频率在24.15GHz±45MHz范围内，因而节省了微波屏蔽盖15的体积，对雷达整机的集成度有利。微波屏蔽盖15可与图1中的微波屏蔽盒14相扣合、卡和，或者如图8a和8b所示，使用平头螺钉通过内陷的螺孔151相拧合，使微波屏蔽盖15和微波屏蔽盒14紧密拧合，且内陷的螺孔151和平头螺钉不会增大微波屏蔽盖15的体积。

本实施例中的单频点的介质振荡器，具有优良的温度特性，其谐振频率受温度变化影响发生频偏在10MHz范围内，其相噪达到-100dB@100KHz，即在离开基准频率的100KHz处的信号频率比基准频率处弱100dB，因此具有非常优良的性能，适合用于纯多普勒测速雷达。

加入距离微波屏蔽盒底部4mm的厚度为1mm的铜质微波屏蔽盖，雷达整机测试结果显示，输出信号频谱光滑，质量很好，输出功率与压控振荡器芯片的发射功率相差不多，大约比压控振荡器芯片低1dB，因此影响不大，其路测效果很好。

介质振荡器在小范围频率调谐方面也有一定的优势，例如在FSK体制雷达中，根据公式可知，需要探测远的距离时，需要调制频率带宽Δf很小，产生微小调频带宽Δf对于压控振荡器芯片来说需要峰峰值很小的方波电压，如果方波电压峰峰值不稳，那么调频带宽Δf将偏差很大。本实施例中的介质振荡器产生很微小的调频带宽需要峰峰值较大的方波进行调制，因此方波信号峰峰值稍微不稳定，对调频带宽Δf影响不是很大。介质振荡器要具有调频功能，可能需要与变容二极管耦合，变容二极管反偏压状态下结电容发生变化，通过与介质振荡器的耦合对介质振荡器进行调谐，实际上就是改变了正反馈电路与介质谐振器之间的相位差，从而引起了起振频率的连续变化。

可选的，介质振荡器还包括变容二极管，位于与所述负阻器件的输入端连接的微带线的末端，用于调节调频带宽。

参考图9，图9是本实用新型实施例提供的另一介质振荡器的内部结构图。变容二极管16位于与负阻器件11的输入端110连接的微带线13的末端，若此时的负阻器件11为NE3514S02结型场效应管，则变容二极管16焊在与NE3514S02结型场效应管的栅极连接的微带线13的弯弧的末端，在这个位置变容二极管16与介质振荡器耦合最好，调频范围最宽。

可选的，所述变容二极管的控制信号为峰峰值为2V的方波。示例性的，若需要的调频带宽仅为1.5MHz，则可选用型号为SMV1255的变容二极管进行调制，该变容二极管具有成本低的优势。本示例中，可运用555定时器产生一个92.5KHz，峰峰值为5V的方波，然后通过开关控制峰峰值为2V，使用该2V峰峰值的方波控制变容二极管，从而使得介质振荡器的频率发生跳变，得到1.5MHz的调频带宽。对该变容二极管与介质振荡器耦合方式进行测试，通过示波器可得出调频输出信号的中心频率在24.13GHz左右，其扫频得到的两个尖峰带宽为1.5MHz。在高低温试验中，雷达整机的中心频率没有发生偏移，带宽也没有发生变化，故其性能优于压控振荡器芯片。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。