微带发夹型带通谐振器的设计

随着无线通信系统和微波集成电路的发展，微波电路和系统必须朝着小型化的方向发展。平面电路因其结构紧凑，加工简单而独具吸引力。微波振荡器是现代微波通信系统中必不可少的元件，而相位噪声由于可决定整个系统的性能，因此，在通讯系统中占有非常重要的地位。为了减小相位噪声，经常采用的方法是使用高Q谐振器，通常的做法是设计介质谐振器振荡器，但介质谐振器由于三维结构不便于电路的安装和使用，且无法利用它来设计微波单片电路。为了克服这个问题，人们发展了适用于MMIC电路的全平面型谐振器，如发夹型谐振器。本文介绍了一种新型平面结构的微带发夹式谐振器,此谐振器可应用在X波段振荡器中并以其良好的品质因数可使得振荡器具有更好的相位噪声。

1  新型平面结构微带发夹谐振器的设计理论

平面谐振器制造简单，性能可靠，已成为微波电路中振荡和选频的一个重要器件。从近几年的报道中可以看出，现在使用较多的是用微带构成的各种形式的谐振器,如微带发夹谐振器。本文采用的是介电常数为9.6,厚度为0.635mm的陶瓷介质基片。图1(a)为设计在10GHz与50Ω微带线耦合的传统带阻式发夹谐振器。图1(b)为设计在10GHz微带的新型发夹谐振器，它是由两端紧密耦合的50。微带线组成的带通式谐振器。

本文所设计的新型带通发夹谐振器的最终等效电路如图2所示，其实际上是一个RLC串联等效电路。在此种微带带通谐振器中,谐振器的谐振频率取决于电感的等效电感值L_r和等效电容值C_r。电阻Rr代表了损耗元件。这些参数取决于电感的尺寸（如总长度、线宽及线间间隙），其中改变线宽及线间间隙对谐振频率的影响比较小。L_m为微带线与谐振器之间的磁耦合,微带线与谐振器的耦合系数与耦合线的长度n及两者的耦合间隙S₂有关。在这里将S₂设置为0.2mm。此时谐振器的谐振频率就只与谐振器的总长度有关。

图3所示是一个变容二极管调节的发夹谐振器的工作原理图。图中，外部的能量通过两边的两条耦合线耦合到谐振器,其中的偏置电流没有画出。这是一个两端口的微波网络,根据奇偶模理论可以沿着中间的虚线0-0分为两个对称的电路。在偶模中，对称面00相当于磁壁，而在奇模中，对称面0-0相当于电壁。

为了便于分析，可将谐振器划分为几个传输线片段，其等效结构如图4所示，这些电长度分别被定义为θ_m、θ_m、θ_1、θ_2、和θ_c,其中，θ_c为内部耦合枝节的电长度，θ_m、Y₁₁和Y₁₂分别为外部耦合线的电长度、自导和互导。

假定耦合线的平均导纳为Y₀，则谐振器的奇模或者偶模的输入导纳可以表示如下:

这里:

谐振器的频率可以通过式（1）中的奇偶模的输入导纳为零得到。此谐振器的物理尺寸分别为W₁=0.1mm,W₂=W₃=0.63mm,L₁=0.8mm,L₂=2.1mm,L₃=1.9mm,L₄=2.2mm,L₅=6mm,L₆=6mm,M=4.3mm,N=3・16mm。

2  仿真结果

谐振器的品质因数可以通过其s参数的测量来计算，等效电路的有载品质因数Ql可通过下式计算：

品质因数也可通过反射系数s₁₁的测量来计算，图5所示是有载品质因数测量的定义曲线。

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此时,有载品质因数对应于3dB带宽的公式为:

为了估计有载品质因数，可以分别对两种结构进行仿真。图6和图7分别是传统的带阻谐振器和新型带通式谐振器外的仿真曲线。由此曲线计算出它们的品质因数分别为89和215,显然新型的带通谐振器具有较高的有载品质因数

在振荡器中，品质因数对其相位噪声影响很大。具体如式(6)所示，所以，振荡器采用这种谐振器会大大改善其相位噪声性能。

式中，F为有效噪声因子，p_sig为信号功率，T为温度，k是波尔兹曼常数，Q为谐振器品质因数，∆W为偏离谐振频率的角频率偏移量，W₀为谐振角频率。是偏离三阶吸收点的角频率偏移量。

3  结语

本文设计了一种微带带通发夹谐振器，该谐振器具有较高的品质因数，故其更适合用于振荡器中。它能在很大程度上改善振荡器的相位噪声，从而改善整个系统的相位噪声性能。另外由于它具有完全的平面结构，故其可以完全胜任花费更少的MMIC振荡器的需要。