微波低相位噪声振荡器的研究

摘要

在雷达和通信系统高速发展的趋势下，对低相位噪声、低功耗、低花费、小型化和可集成的源的要求越来越高。相位噪声在很大程度上决定着系统间信息交互的质量，所以低相位噪声的振荡器的研究仍具有非常重要的现实意义。本文基于基片集成波导技术（Substrate Integrated Waveguide,SIW）重点研究了三类微波低相位噪声振荡器：串联式振荡器、并联式振荡器、加载有源谐振器的振荡器。
　　（1）为了研究串联式振荡器的性能，基于SIW腔体谐振器的Ku波段低相位噪声振荡器被设计。本实验提出采用SIW腔体谐振器的高次模的谐振频率作为振荡器的输出，腔体谐振器的模式越高，它的无载Q值越也就高，但相比于采用相同频率基模谐振器的振荡器，随着模式的增加，相应地尺寸也会增加，基于这个悖论，采用SIW腔体的对角TE102模式。为了进一步改善谐振器的选频性能，在对角TE102模式的电场的边缘，开一个L型的槽，在极大程度上改善了谐振器的性能。采用负阻式的电路结构作为补偿谐振器的损耗的有源放大单元，Ku波段串联式振荡器实现了稳定的振荡。该振荡器的振荡频率为15.55GHz，输出功率为-0.23dBm，输出相位噪声为-100.76dBc/Hz@100kHz，-130.43dBc/Hz@1MHz。
　　（2）为了研究并联式振荡器的性能，基于QMSIW(Quarter Mode SIW)准椭圆滤波器的C波段低相位噪声振荡器和基于混合腔体的谐振器的X波段低相位噪声振荡器分别被实现。X波段混合腔体谐振器利用矩形SIW作为过渡结构来精确控制输入输出的耦合强度，可以实现插入损耗和有载Q值间的最优取值。混合腔体改善了CPW(Coplanar Waveguide)作为过渡电路造成的耦合强度对于加工精度十分敏感的难题。该振荡器最终的自由振荡频率为9.5GHz，输出功率为1.67dBm，输出相位噪声为-112.84dBc/Hz@100kHz。
　　QMSIW被采用在C波段准椭圆滤波器的设计过程中，减小了谐振器80％的尺寸。在QMSIW谐振腔体间，利用T型槽精确地控制混合耦合的强弱。通过源-负载的耦合和QMSIW谐振腔间混合耦合的两条传输路径实现了两个传输零点。提高了滤波器的有载Q值。该振荡器的输出频率为6.96GHz，输出功率为4.96dBm，输出相位噪声为-112.89dBc/Hz@100kHz。
　　（3）为了研究有源谐振器的振荡器的性能，利用QMSIW准椭圆滤波器的基本结构，在此基础上设计单端口负阻电路作为有源补偿单元，来解决平面谐振器的有载Q值和插入损耗无法同时提升的矛盾。在补偿电路的耦合位置和强度必须得到严格的控制，耦合位置的选取要尽可能的保证不影响到谐振器原有的性能。耦合强度的必须是弱耦合以保证负阻电路不产生自激振荡。该振荡器的自由振荡频率为7GHz，输出功率为4.3dBm，测得相位噪声为-133.06dBc/Hz@1MHz。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2 振荡器的国内外研究发展历史及现状

1.3 本文主要研究内容与结构安排

第二章 微波平面振荡器的基础理论

2.1 串联振荡器的理论分析

2.2 并联振荡器的理论分析

2.3 相位噪声模型理论

2.4 微波平面低相位噪声技术

2.4 本章小结

第三章 Ku波段串联低相位噪声振荡器

3.1 加载L型槽的高次模SIW谐振器

3.2 Ku波段串联振荡电路设计

3.3 测试结果及分析

3.4 本章小结

第四章 微波并联低相位噪声振荡器

4.1 X波段基于HSIW谐振器的并联低相位噪声振荡器

4.2 C波段基于准窄带椭圆滤波器的并联低相位噪声振荡器

4.3 本章小节

第五章 基于有源谐振单元的低相位噪声振荡器

5.1 加载有源单元的谐振器

5.2 基于有源谐振器的低相位噪声振荡电路设计

5.3 测试结果及分析

5.4 本章小节

第六章 总结与展望

6.1 本文总结

6.1 本文不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果