专利名称：低相位噪声高功率效率平面微波振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微波振荡器电路，确切地说是一种低相位噪声高功率效率平面微波振荡器电路。
背景技术：
振荡器是射频电路系统不可缺少的重要模块，振荡器的性能特别是相位噪声对射频系统的灵敏度产生重大影响。振荡器的相位噪声越大，当该振荡器应用于射频机时，接收机系统的灵敏度就越低，反之，接收机的灵敏度就越高。与射频系统中的其它模块一样，振荡器功率效率也是越高越好，这就是说，一方面希望振荡器达到一定的输出功率，同时保持最低的直流功耗。比如对于用作混频器的本振源，要求有一个最佳的本振功率，使混频器的变频损耗最小或者变频增益最大。再比如用作发射端的信号源，根据用途不同，要求输出功率的大小不同，有时单个振荡器的输出功率不能满足要求，还要在振荡器输出端加上功率放大器，使信号源的功率放大到所要求的值，同时也减小了负载牵引对振荡器性能的影响。不论在何种情况下，都要求振荡器的直流功耗尽可能小。因此，改善振荡器的性能，特别是降低振荡器的相位噪声，提高振荡器的功率转换效率一直是人们研究的课题。
为了改善振荡器的相位噪声，一般来说有下列两种方法一是选择低噪声晶体管作为有源器件，另一是提高无源谐振电路的品质因子。由于有源器件的噪声的改善依赖于微电子工艺技术的提高，性能的提高也意味着成本的提高。因此，对于给定的有源器件，提高无源谐振电路的品质因子就成为改善振荡器的相位噪声的主要因素。一种有效地提高无源谐振电路的品质因子，改善振荡器的相位噪声的方法就是在振荡电路中使用磁性介质材料，该振荡器电路称为介质谐振器。但是介质谐振振荡器是一种非平面电路，不利于平面电路的系统集成，更无法应用到微波单片电路中。而在微波平面电路中，提高谐振电路的品质因子大多是通过提高电感和电容(特别是电感)的品质因子来实现，所以对电感的研究，提高电感的品质因子的研究热度，一直是方兴未艾，目前的研究中主要是通过下列几种方面来提高电感的品质因子一是通过优化电感几何结构(例如多层金属、地屏蔽、反偏PN节等)来提高电感的品质因子，二是通过使用好的衬底材料(如高阻衬底，如SOI等)来提高电感的品质因子，三是采用特种工序(如采用器件悬置等)来提高电感的品质因子，四是利用某些磁性材料来提高电感的品质因子。
近年来，光子晶体受到人们的极大关注。由于工艺技术的限制，光子晶体在光波段很长时间只是停留在理论上研究，只是在微波和毫米波电路中首先得到实际的应用。研究中人们发现在微带线的接地面上通过刻蚀的方法刻去部分金属形成一定的图形结构，也可以使一定频带的波无法通过，表现出巨大的衰减，而其它频带的波可以通过，即损耗较小，在微波性能上表现出带阻滤波器的特性，这种结构表现出来的特性与光子晶体表现出来的性能类似。根据介质谐振器的原理，把这种带阻特性的结构应用到微波振荡器的谐振回路中可以达到改善振荡器的相位噪声的特性，把它用到振荡器的输出端可以抑制二次谐波，提高输出基波的输出功率，从而提高振荡器功率转换效率。这种在微带线接地面上刻蚀的图形，虽然可以改善振荡器的性能，但是在单片电路中应用有一定的困难。因为具有微带线的单片电路芯片必须粘贴在接地的金属载体上，这样微带线的背面图形就很容易被覆盖，或者要在金属载体上的对应处也开出相应的凹槽，这就增加了工艺的复杂性和难度。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的的缺点，提出一种低相位噪声高功率效率平面微波振荡器电路，可以有效改善振荡器的相位噪声和提高功率效率。
本发明包括普通平面微波振荡器。该平面微波振荡器谐振端的两侧对称设置一组共面波导缺陷带隙结构，该共面波导缺陷带隙结构的形状包括一开口的环，开口朝向信号传输线，一直线的一端连接到环上的中心点，另一端穿过环的开口连接到共面波导线的间隙。该平面微波振荡器输出端的两侧对称设置一组共面波导缺陷带隙结构，该共面波导缺陷带隙结构的形状包括相连的对称的脉冲形曲线，一直线一端连接到该曲线的中心点，另一端连接到共面波导线的间隙。
本发明“低相位噪声高功率效率微波振荡器”是把一种新型的共面波导缺陷带隙结构应用于平面振荡器电路中。由于共平面波导结构的特点是接地面和信号传输线在同一个平面上，电路的背面不需接地，这样就避免了微带线背面接地带来的问题。特别是本发明中采用的一种特殊的共面波导缺陷带隙结构，使得阻带的特性更强。在电路设计中，共面波导缺陷带隙结构分别加在振荡器的谐振端和输出端。设计的共面波导缺陷带隙结构在设计频率点要具有明显的带阻特性，在阻带中心频率点相位有突变。本发明中的共面波导缺陷带隙结构是由一组关于信号传输线对称的，在每边的接地平面上刻去部分接地金属所形成的槽线，这种槽线对应的等效电路是一组并联的电感和电容，电感和电容值的大小对应于槽线的长度和宽度以及图形的形状。加在振荡器谐振端口的共面波导缺陷带隙结构的一组对称图形中，每个图形是开口的环形，开口朝向信号传输线并通过直线与共面波导线的间隙连通；这种共面波导缺陷带隙结构的阻带频率随环线的宽度和长度而变，适当调节其尺寸，使其阻带中心频率等于振荡器的中心频率，达到改善振荡器的相位噪声的目的。而加在振荡器输出端的共面波导缺陷带隙结构一组对称图形中，每个图形是一对脉冲图形，脉冲图形的一端连通并对称分布在一条槽线的两边，槽线开口朝向信号传输线并与共面波导线的间隙连通；这种共面波导缺陷带隙结构的阻带频率随脉冲线的宽度和长度而变，适当调节其尺寸，使其阻带中心频率为振荡器中心频率的2倍频，达到抑制振荡器的2次谐波输出功率，提高基波输出功率。
共面波导缺陷带隙结构采用电磁场软件(如HFSS，IE3D等)进行两端口电磁场仿真，给出两端口仿真结果的散射参数，即S参数。一般是对称结构，所以只要看S11和S21即可。根据S11和S21的幅值和相位，来确定是否达到设计要求。由于是无源的，S21的幅值是负的，S21越负表明阻带特性越好；曲线越陡，表明相位突变越大。
振荡器的设计采用微波电路设计软件(如安捷伦的ADS软件)。在频率小于20GHz时，电路中的无源电路可以采用无源螺旋电感、金属-介质-金属(MIM)电容、薄膜电阻和共平面波导线混合使用；当频率大于20GHz时，无源电路仅采用共平面波导线。
设计步骤1.假设振荡器的中心频率是f0，采用电磁场软件设计中心频率分别为f0和2f0的两个共面波导缺陷带隙结构，使得两种结构分别在f0和2f0的传输特性S21的幅值小于-30dB；2.采用微波电路设计软件设计普通的平面微波振荡器，考虑到要与共面波导缺陷带隙结构连接，所以普通的平面微波振荡器中的微带线也设计成共面波导结构，特别是在振荡器的谐振端开路线和输出端口，信号线的线宽和阻抗都设计成与共面波导缺陷带隙结构的信号线线宽和阻抗一致，有利于阻抗匹配；3.把中心频率为f0的环形共面波导缺陷带隙结构加入上述振荡器的谐振端，调节谐振端的其他无源器件的值，使得加入环形共面波导缺陷带隙结构后谐振端阻抗不变；4.把中心频率为2f0的脉冲形共面波导缺陷带隙结构加入上述振荡器的输出端，调节输出端的其他无源器件的值，使得加入脉冲形共面波导缺陷带隙结构后谐振端阻抗不变；5.然后再进行整个电路再仿真，比较加入共面波导缺陷带隙结构前后振荡器的仿真结果，就可以清楚地看出本发明新型的振荡器相位噪声明显地降低，在直流功耗不变的情况下输出功率也明显地提高。
图1为本发明的结构示意图。
具体实施例方式
如图1所示，其中2为普通的普通平面微波振荡器结构，4为谐振端，5为输出端，1为设置谐振端的两侧的共面波导缺陷带隙结构，3为设置输出端的两侧的共面波导缺陷带隙结构。
设计一种毫米波振荡器，振荡频率为35.6GHz，衬底材料为砷化镓(材料厚度为500微米，介电常数为12.9)。首先设计了两个共面波导缺陷带隙结构，一个为环形共面波导缺陷带隙结构1，阻带频率为振荡器的基波频率35.6GHz(见附图的左边部分)，一个为脉冲形共面波导缺陷带隙结构3，阻带频率为振荡器的2次谐波频率71.2GHz(见附图的右边部分)，设计软件为IE3D，共面波导线线宽是按50Ω阻抗来设计，信号线的宽度为78微米，间隙为73微米。再设计一个普通的平面振荡器2(见附图中间红虚线部分)，设计的振荡器频率为35.6GHz，匹配电路均用共面波导线，共面波导线线宽和阻抗与上述共面波导缺陷带隙结构的线宽和阻抗相同，以便于与相互连接。有源器件为一个PHEMT功率管，它是一个叉指结构，栅长为0.25μm，指宽为6×80μm，设计软件为AgilentADS，有源器件和无源电路间的连接采用芯片倒扣方式，可以忽略连接的寄生参数，所以电路仿真是按照单片电路结构形式仿真，通过仿真可以得到振荡频率、输出功率以及相位噪声等参数。然后把阻带频率为35.6GHz环形共面波导缺陷带隙结构1加到普通的平面振荡器的谐振端4，适当调节谐振端的传输线的长度，保持谐振端的阻抗不变；同样道理，把阻带频率为71.2GHz脉冲形共面波导缺陷带隙结构3加到普通的平面振荡器的输出端5，适当调节输出端的传输线的长度，保持输出端的阻抗不变，再进行整个电路再仿真，比较加入新的平面微波振荡器和普通平面微波振荡器的仿真结果，就可以清楚地看出本发明新型的振荡器相位噪声明显地降低，在直流功耗不变的情况下输出功率也明显地得到提高。
权利要求
1.低相位噪声高功率效率平面微波振荡器，包括普通平面微波振荡器，其特征在于该平面微波振荡器谐振端的两侧对称设置一组共面波导缺陷带隙结构，该共面波导缺陷带隙结构的形状包括一开口的环，开口朝向信号传输线，一直线的一端连接到环上的中心点，另一端穿过环的开口连接到共面波导线的间隙；该平面微波振荡器输出端的两侧对称设置一组共面波导缺陷带隙结构，该共面波导缺陷带隙结构的形状包括相连的对称的脉冲形曲线，一直线一端连接到该曲线的中心点，另一端连接到共面波导线的间隙。
全文摘要
本发明涉及一种微波振荡器电路。本发明在普通平面微波振荡器谐振端的两侧对称设置一组共面波导缺陷带隙结构，该共面波导缺陷带隙结构的形状包括一开口的环，开口朝向信号传输线，一直线的一端连接到环上的中心点，另一端穿过环的开口连接到共面波导线的间隙；在平面微波振荡器输出端的两侧对称设置一组共面波导缺陷带隙结构，该共面波导缺陷带隙结构的形状包括相连的对称的脉冲形曲线，一直线一端连接到该曲线的中心点，另一端连接到共面波导线的间隙。本发明的振荡器相位噪声明显地降低，在直流功耗不变的情况下输出功率也明显地得到提高。
文档编号H01P7/08GK1960053SQ20061015482
公开日2007年5月9日 申请日期2006年11月23日 优先权日2006年11月23日
发明者程知群, 孙玲玲, 刘海文 申请人:杭州电子科技大学