Q波段微带槽线振荡器设计

徐钢扬 姜岩峰

（北方工业大学信息工程学院，北京 100144）

Q波段微带槽线振荡器设计

徐钢扬 姜岩峰

（北方工业大学信息工程学院，北京 100144）

本文主要介绍了一种微波振荡器的设计，针对振荡器的传统的谐振结构存在的局限性，采用微带谐振器结构和异质结FET（NE3527S03）设计了39GHz的微波振荡器。运用HFSS电磁仿真软件对微带谐振器进行仿真设计，再结合有源电路用ADS软件进行联合仿真。最后对实物进行测试，得到39GHz的输出频谱。

微带槽线谐振器；振荡器；Q波段；Ansoft HFSS；ADS

1．引言

微波频率源是微波应用系统的心脏，对微波应用系统的性能有着重要的影响。微波振荡器中的关键单元谐振电路有多种结构[1]，如发夹谐振器、介质谐振器（DR）、LC谐振器等等。但随着微波集成电路的发展和微波设备趋向高频段、小型化，这些谐振器有一定的局限性。LC谐振器由于寄生电容和引线电感的问题而不能应用于微波频段。介质谐振器（DR）具有高Q值也能用于频率较高的波段，但对于Q波段则很难找到相应的介质且成本较高。发夹谐振器Q值较低且体积较大不利于集成化。本文所采用的微带槽线谐振器具有较高的Q值且体积小、适用于较高频微波频段。

2．微带谐振结构与原理

本文设计并仿真了一个高Q值且便于集成的微波振荡器，微带槽线谐振器结构主要采用HFSS电磁仿真软件进行仿真设计[2]。谐振器采用的是介电常数为2.65，板厚为0.43mm和铜为35um的板材进行设计仿真。谐振器的原理和等效电路图1和图2所示，槽线相当于一个电感，而间隙则等效于一个电容，并且它们的值取决于微带槽线的长度和间隙的宽度，介质板的有效介电常数随着等效电感和等效电容的增加而增加，这相当于槽线提高了谐振器的Q值。

Q值的表达式如下所示：

图2 微带槽线谐振器的等效电路

式中△ω是插入损耗为3dB带宽。微带槽线谐振器提供了较高的插入损耗和窄带宽。图2是微带槽线谐振器的等效电路，它是由RLC网络构成[3]。在这个模型中，LC电路是为了得到谐振特性，电阻R是决定辐射效应和插入损耗。根据传输线理论，RLC的值可以通过以下的公式得到：

式中S21是插入损耗，△f是插入损耗－3dB带宽，f0是谐振频，Z0是具有50Ω特征阻抗的传输线。

微带槽线谐振结构用HFSS电磁仿真软件进行仿真，仿真结果如图3所示，由图可知谐振结构对频点39GHz有很大的抑制，信号基本全部反射，相当于一个带阻滤波器。

图3 微带谐振器仿真结果

3．微波振荡器总体设计

微波振荡器一般包括有源器件、选频网络和谐振器。本文采用的是串联反射式振荡器结构[4]，是目前应用较为广泛的一种形式，它的优点是相位噪声指标好，缺点是由于介质谐振器距场效应管的位置不固定，调试难度大。本文所设计的实物如图4所示，图中有源器件是异质结GaAs场效应管（NE3517S03），在场效应管的漏极加偏置后产生丰富的谐波，产生所需的微波信号通过微带槽线谐振器反射后经场效应管放大输出，而其它频率的谐波则经过谐振器被50欧姆负载吸收。电源偏置部分通过扇形线和λ/4高阻线来阻断高频信号，防止直流偏置和微波信号干扰，输出端用一个耦合结构进行隔直。

实物测试结果如图5所示，测试结果得到中心频率为38.92984GHz，和仿真设计的39GHz存在一点偏差，初步考虑是由于微带线加工的偏差及场效应管源极存在的参数电容引起的，需要进一步调试，可通过电调谐和机械调谐两种方式调节中心频率，通过调节漏极的偏置电压和漏极电流来提高振荡器的发射功率。

图5 振荡器输出频谱

4．结语

本文用串联反射式振荡器结构进行微波振荡器的设计。通过HFSS电磁仿真软件对微带谐振器进行仿真优化，并结合ADS对整体电路进行优化分析，成功设计了一个Q波段的微波振荡器。振荡器体积小，易于集成且成本低。在实际的调试中，需要进一步调节匹配网络和直流偏置，使振荡器有较高的输出功率和较低的相位噪声。并加上电调谐或机械调谐对中心频率加以调整，使其输出需要的频率。

[1]David M．Pozar．微波工程[M]．北京：电子工业出版社，2010．

[2]费元春．微波固态频率源理论、设计、应用[M]．北京：国防工业出版社，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]史学明，陈杰华，顾思洪．介质振荡器的设计[J]．宇航计测技术，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

徐钢扬，男，浙江人，硕士研究生，研究方向：射频微波电路与系统。