Q波段微帶槽線振蕩器設計

徐鋼揚 姜巖峰

（北方工業大學信息工程學院，北京 100144）

Q波段微帶槽線振蕩器設計

徐鋼揚 姜巖峰

（北方工業大學信息工程學院，北京 100144）

本文主要介紹了一種微波振蕩器的設計，針對振蕩器的傳統的諧振結構存在的局限性，采用微帶諧振器結構和異質結FET（NE3527S03）設計了39GHz的微波振蕩器。運用HFSS電磁仿真軟件對微帶諧振器進行仿真設計，再結合有源電路用ADS軟件進行聯合仿真。最后對實物進行測試，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用系統的心臟，對微波應用系統的性能有著重要的影響。微波振蕩器中的關鍵單元諧振電路有多種結構[1]，如發夾諧振器、介質諧振器（DR）、LC諧振器等等。但隨著微波集成電路的發展和微波設備趨向高頻段、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用于微波頻段。介質諧振器（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的介質且成本較高。發夾諧振器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．微帶諧振結構與原理

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

Q值的表達式如下所示：

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網絡構成[3]。在這個模型中，LC電路是為了得到諧振特性，電阻R是決定輻射效應和插入損耗。根據傳輸線理論，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。

微帶槽線諧振結構用HFSS電磁仿真軟件進行仿真，仿真結果如圖3所示，由圖可知諧振結構對頻點39GHz有很大的抑制，信號基本全部反射，相當于一個帶阻濾波器。

圖3 微帶諧振器仿真結果

3．微波振蕩器總體設計

微波振蕩器一般包括有源器件、選頻網絡和諧振器。本文采用的是串聯反射式振蕩器結構[4]，是目前應用較為廣泛的一種形式，它的優點是相位噪聲指標好，缺點是由于介質諧振器距場效應管的位置不固定，調試難度大。本文所設計的實物如圖4所示，圖中有源器件是異質結GaAs場效應管（NE3517S03），在場效應管的漏極加偏置后產生豐富的諧波，產生所需的微波信號通過微帶槽線諧振器反射后經場效應管放大輸出，而其它頻率的諧波則經過諧振器被50歐姆負載吸收。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，輸出端用一個耦合結構進行隔直。

實物測試結果如圖5所示，測試結果得到中心頻率為38.92984GHz，和仿真設計的39GHz存在一點偏差，初步考慮是由于微帶線加工的偏差及場效應管源極存在的參數電容引起的，需要進一步調試，可通過電調諧和機械調諧兩種方式調節中心頻率，通過調節漏極的偏置電壓和漏極電流來提高振蕩器的發射功率。

圖5 振蕩器輸出頻譜

4．結語

本文用串聯反射式振蕩器結構進行微波振蕩器的設計。通過HFSS電磁仿真軟件對微帶諧振器進行仿真優化，并結合ADS對整體電路進行優化分析，成功設計了一個Q波段的微波振蕩器。振蕩器體積小，易于集成且成本低。在實際的調試中，需要進一步調節匹配網絡和直流偏置，使振蕩器有較高的輸出功率和較低的相位噪聲。并加上電調諧或機械調諧對中心頻率加以調整，使其輸出需要的頻率。

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

[2]費元春．微波固態頻率源理論、設計、應用[M]．北京：國防工業出版社，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]史學明，陳杰華，顧思洪．介質振蕩器的設計[J]．宇航計測技術，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，男，浙江人，碩士研究生，研究方向：射頻微波電路與系統。