專(zhuān)利名稱(chēng)：基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種振蕩器，具體地說(shuō)，是涉及一種基于基片集成波 導(dǎo)結(jié)構(gòu)的微波毫米波體效應(yīng)二極管振蕩器。
背景技術(shù)：
頻率源的主體一振蕩器是微波毫米波通信、雷達(dá)及測(cè)試系統(tǒng)的關(guān) 鍵部件，決定了整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞。過(guò)去人們采用了很多方法設(shè)計(jì) 振蕩器以提高其輸出功率和降低其相位噪聲，在毫米波頻段的體效應(yīng) 二極管振蕩器主要有兩種 一種是采用微帶和波導(dǎo)鰭線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的體 效應(yīng)二極管振蕩器，其相位噪聲較高，一般為-87 to
-70dBc/Hz@100kHZ;另一種是采用金屬腔和介質(zhì)諧振器設(shè)計(jì)的體效應(yīng) 二極管振蕩器，相位噪聲相對(duì)較低， 一般為-132 to -87dBc/Hz@100 kHz。但是這兩種體效應(yīng)二極管振蕩器的波導(dǎo)、金屬腔和介質(zhì)諧振器 都是立體結(jié)構(gòu)，且波導(dǎo)的上下左右四面均為金屬壁，前后兩面為開(kāi)口 ， 結(jié)構(gòu)裝配都很復(fù)雜，性能的穩(wěn)定可靠性較差，且不易于與其它平面電 路集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種振蕩器，克服現(xiàn)有技術(shù)中波導(dǎo)等立體結(jié) 構(gòu)存在的缺陷，使得振蕩器不僅電路裝配簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠性高、與外 圍其他平面電路易于集成，同時(shí)還具有波導(dǎo)等立體結(jié)構(gòu)振蕩器的高Q 值和低相位噪聲的優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種平面電路結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，其具體技術(shù)方案如下
基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，包括基片集成波導(dǎo)諧振電 路、體效應(yīng)二極管、包含一個(gè)高低阻抗線(xiàn)微帶低通濾波器的直流偏置 電路、基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)和基片集成波導(dǎo)到微帶的轉(zhuǎn)換電路，其 特征在于，所述基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu)，由分別設(shè)置于介 質(zhì)基板的兩個(gè)側(cè)邊邊緣的兩排金屬化通孔組成，且介質(zhì)基板的上下兩 個(gè)面為金屬層，在基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)內(nèi)還設(shè)有用于安裝體效應(yīng)二 極管的非金屬化通孔。
所述介質(zhì)基板內(nèi)每排金屬化通孔中至少設(shè)有兩個(gè)金屬化通孔，且 兩排金屬化通孔的數(shù)目相同。
所述各排金屬化通孔中相鄰金屬化通孔之間的距離等于金屬化 通孔自身直徑的兩倍，或各排金屬化通孔中相鄰金屬化通孔之間的距
離至少比金屬化通孔自身直徑兩倍還小于0. 000001mm。
所述基片集成波導(dǎo)諧振電路包括串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式。 所述串聯(lián)方式中，非金屬化通孔設(shè)置于基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的
邊緣，并在基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中心設(shè)有用于連接基片集成波導(dǎo)諧
振電路的大金屬化通孔。
所述并聯(lián)方式中，非金屬化通孔設(shè)置于基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的
中心，并通過(guò)非金屬化通孔將基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)與基片集成波導(dǎo)
諧振電路連接。
在串聯(lián)方式中，所述非金屬化通孔外設(shè)有絕緣槽。 在并聯(lián)方式中，所述非金屬化通孔外設(shè)有包圍非金屬化通孔的絕緣槽。
本發(fā)明的基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)由介質(zhì)基板內(nèi)的兩排金屬化通 孔組成，如果每排金屬化通孔中相鄰金屬化通孔之間的距離尸不大于 金屬化通孔自身直徑D2的兩倍，同時(shí)金屬化通孔自身直徑D2不大于 電路的最大工作頻率的波長(zhǎng)的十分之一，那么每排金屬化通孔將等效 于一個(gè)金屬電壁，此時(shí)，兩個(gè)金屬電壁和介質(zhì)基板共同形成一個(gè)用介 質(zhì)填充的矩形波導(dǎo)，兩排金屬化通孔之間的距離W決定了基片集成波 導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的工作頻率范圍。
基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中7^。的傳播模式與現(xiàn)有技術(shù)中矩形波 導(dǎo)中7S。的傳播模式相似，因此基片集成波導(dǎo)諧振腔可用下面的公式
來(lái)設(shè)計(jì)諧振頻率
,罪'一)=v #)2+(《/v)2(1)
其中 =『_1 (2) ^0.95g e# 0.95g
C。為自由空氣中的光速，^為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)，g為相 鄰兩金屬化通孔中心之間的距離，而^為金屬化通孔自身直徑。根 據(jù)等式(1)可設(shè)計(jì)該諧振腔的大小尺寸。根據(jù)具體情況的不同，本 發(fā)明中金屬化通孔的大小、數(shù)目均可變化。
本發(fā)明中，基片集成波導(dǎo)諧振電路有串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式，因此 本發(fā)明的工作原理如下
一.串聯(lián)型基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，其等效電路見(jiàn)圖
5o-厄一體效應(yīng)二極管的負(fù)電阻，G—體效應(yīng)二極管的等效電容，
厶9—引線(xiàn)電感，c一封裝電容，i ;實(shí)際負(fù)載阻抗，而^是由A通過(guò)阻 抗變換轉(zhuǎn)換得到的等效負(fù)載阻抗，兩者的關(guān)系為& = n2^。 該振蕩器產(chǎn)生振蕩的條件為-
|ReZD| )lReZj (3)
振蕩平衡條件為
iReZ。l叫Re2^ (4) ImZD 二 - ImZ (5) 基片集成導(dǎo)波諧振電路設(shè)置于介質(zhì)基板內(nèi)，在基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波 結(jié)構(gòu)中心設(shè)置一個(gè)大金屬化通孔，用以連接基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)與 基片集成波導(dǎo)諧振電路。將體效應(yīng)二極管安裝在基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié) 構(gòu)的非金屬化通孔中，體效應(yīng)二極管的底座連接到金屬外殼地一可以 實(shí)現(xiàn)散熱功能，而頂部焊接到微帶低通濾波器的金屬帶線(xiàn)。通過(guò)該微 帶低通濾波器給振蕩器直流偏置，射頻信號(hào)通過(guò)體效應(yīng)二極管和基片 集成波導(dǎo)之間的絕緣槽耦合到基片集成波導(dǎo)中，最后通過(guò)基片集成波 導(dǎo)到微帶的轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換至微帶輸出。
二.并聯(lián)型基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器的等效電路見(jiàn)圖6。 -G—體效應(yīng)二極管的負(fù)電導(dǎo)，壓一體效應(yīng)二極管的等效電納， 丄s—引線(xiàn)電感，G—封裝電容，^T,是負(fù)載的實(shí)際阻抗，而r,是K通
過(guò)阻抗變換轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的等效負(fù)載阻抗，兩者關(guān)系為& =《/"2 。
該振蕩器產(chǎn)生振蕩的條件為
|Reyn| >|Re:r,| (6)振蕩平衡條件為
|ReyD|=|Re;rJ (7) Im^ = - (8)
基片集成波導(dǎo)諧振電路設(shè)置于介質(zhì)基板內(nèi)，將體效應(yīng)二極管安裝 在基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中的非金屬化通孔中，此時(shí)，安裝體效應(yīng)二 極管的非金屬化通孔將基片集成波導(dǎo)諧振電路的諧振腔與其外部的 基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)連接起來(lái)，體效應(yīng)二極管的底座連接金屬外殼 地一可實(shí)現(xiàn)散熱功能，而其頂部通過(guò)跳線(xiàn)焊接到微帶低通濾波器的金 屬帶線(xiàn)上作為直流供電，射頻信號(hào)的功率通過(guò)體效應(yīng)二極管周?chē)慕^ 緣槽耦合輸出到基片集成波導(dǎo)中，最后由基片集成波導(dǎo)到微帶的轉(zhuǎn)換 電路轉(zhuǎn)換至微帶輸出。
在本發(fā)明中，安裝了體效應(yīng)二極管的非金屬化通孔等效于一個(gè)電 感，其作用在于實(shí)現(xiàn)阻抗變換和能量耦合。阻抗變換的含義為改變 負(fù)載阻抗從而實(shí)現(xiàn)體效應(yīng)二極管與負(fù)載的阻抗匹配；能量耦合的含義
為將基片集成波導(dǎo)諧振電路的諧振腔內(nèi)的電磁波耦合至基片集成波
導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)輸出。
本發(fā)明中的基片集成波導(dǎo)到微帶的轉(zhuǎn)換可采用微帶直接漸變和 凹形結(jié)構(gòu)變換兩種形式。
通過(guò)采用基片集成波導(dǎo)的封裝結(jié)構(gòu)，將現(xiàn)有技術(shù)中振蕩器中的立 體電路結(jié)構(gòu)改變?yōu)槠矫骐娐方Y(jié)構(gòu)，使得本發(fā)明不僅具有電路裝配更為 簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠性更高、與外圍其他平面電路更易于集成的特點(diǎn)，同
時(shí)還具有波導(dǎo)等立體結(jié)構(gòu)振蕩器的高Q值和低相位噪聲的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明主要用于微波毫米波通信、雷達(dá)及其測(cè)試系統(tǒng)。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的矩形波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2為本發(fā)明中基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的示意圖。 圖3為本發(fā)明中串聯(lián)型基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管震蕩器電路 結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明中并聯(lián)型基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管震蕩器電路 結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為圖3的等效電路原理圖。 圖6為圖4的等效電路原理圖。
附圖中標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)名稱(chēng)為1-介質(zhì)基板，2-金屬化通孔，3-金屬壁， 4-非金屬化通孔，5-絕緣槽，6-跳線(xiàn)，7-大金屬化通孔，10-基片集 成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
下面通過(guò)舉例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)施例1
此例為串聯(lián)型基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器。 將體效應(yīng)二極管安裝在基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)10中非金屬化通 孔4中，體效應(yīng)二極管的底座連接到金屬外殼地，而頂部悍接到微帶 低通濾波器的金屬帶線(xiàn)。通過(guò)該微帶低通濾波器給振蕩器直流偏置， 射頻信號(hào)通過(guò)體效應(yīng)二極管和基片集成波導(dǎo)之間的絕緣槽5耦合到 基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)10中，最后通過(guò)基片集成波導(dǎo)到微帶轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換至微帶輸出。
在工作電壓5伏、電流1000毫安、環(huán)境溫度15^條件下，本發(fā) 明的測(cè)試結(jié)果為振蕩頻率為35.259GHz，輸出功率是15. 7dBm，相 位噪聲為-91.23dBc/Hz@100KHz。當(dāng)溫度從15^變換到75亇時(shí)，頻 率漂移53MHz，溫度漂移系數(shù)-2. 7ppm/°C，功率從15. 725dBm變化到 14. 2dBm。
實(shí)施例2
此例為并聯(lián)型基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器。 將體效應(yīng)二極管安裝在基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)10中的非金屬化 通孔4中，體效應(yīng)二極管的底座連接金屬外殼地，而其頂部通過(guò)跳線(xiàn) 6焊接到微帶低通濾波器的金屬帶線(xiàn)上作為直流供電，射頻信號(hào)的功 率通過(guò)體效應(yīng)二極管周?chē)慕^緣槽6間隙耦合輸出到基片集成波導(dǎo) 導(dǎo)波結(jié)構(gòu)10中，最后由基片集成波導(dǎo)到微帶轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換至微帶輸 出。
在工作電壓5伏、電流1000毫安、環(huán)境溫度15Y條件下，本發(fā) 明的測(cè)試結(jié)果為振蕩頻率為35. 178GHz，輸出功率是16.2dBm，相 位噪聲為-87.8dBc/Hz⑨99KHz。當(dāng)溫度從15flC變換到75°C時(shí)，頻率 漂移59 MHz，溫度漂移系數(shù)0.983MHz/°C，功率從16. 25dBm變到 14. 5dBm。
通過(guò)上述兩個(gè)實(shí)施例可以看出，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配方便， 很容易與其他外部平面電路進(jìn)行集成，同時(shí)還具有波導(dǎo)等立體結(jié)構(gòu)的 振蕩器的高Q值和低相位噪聲的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1. 基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，包括基片集成波導(dǎo)諧振電路、體效應(yīng)二極管、包含一個(gè)高低阻抗線(xiàn)微帶低通濾波器的直流偏置電路、基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(10)和基片集成波導(dǎo)到微帶的轉(zhuǎn)換電路，其特征在于，所述基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu)，由設(shè)置于介質(zhì)基板(1)內(nèi)的兩排金屬化通孔(2)組成，且介質(zhì)基板(1)的上下兩個(gè)面為金屬層，在基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)內(nèi)還設(shè)有用于安裝體效應(yīng)二極管的非金屬化通孔(4)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，其 特征在于，所述介質(zhì)基板(1)內(nèi)每排金屬化通孔中至少設(shè)有兩個(gè)金 屬化通孔(2)，且兩排金屬化通孔的數(shù)目相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，其 特征在于，所述各排金屬化通孔中相鄰金屬化通孔(2)之間的距離 等于金屬化通孔(2)自身直徑的兩倍，或各排金屬化通孔中相鄰金 屬化通孔(2)之間的距離至少比金屬化通孔(2)自身直徑兩倍還小 于0.OOOOOlmm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，其 特征在于，所述基片集成波導(dǎo)諧振電路包括串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方 式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，其 特征在于，所述串聯(lián)方式中，非金屬化通孔(4)設(shè)置于基片集成波 導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(10)的邊緣，并在基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(10)中心設(shè) 有用于連接基片集成波導(dǎo)諧振電路的大金屬化通孔(7)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，其 特征在于，所述并聯(lián)方式中，非金屬化通孔(4)設(shè)置于基片集成波 導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(10)的中心，并通過(guò)非金屬化通孔(4)將基片集成波 導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)(10)與基片集成波導(dǎo)諧振電路連接。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，其 特征在于，所述非金屬化通孔(4)外設(shè)有絕緣槽(5)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，其 特征在于，所述非金屬化通孔(4)外設(shè)有包圍非金屬化通孔的絕緣 槽(5)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，其 特征在于，所述兩排金屬化通孔(2)分別設(shè)置于介質(zhì)基板(1)的兩 個(gè)側(cè)邊邊緣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基片集成波導(dǎo)體效應(yīng)二極管振蕩器，通過(guò)將傳統(tǒng)技術(shù)的波導(dǎo)等立體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為平面結(jié)構(gòu)，而基片集成波導(dǎo)諧振電路可采用串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式，在串聯(lián)方式中，設(shè)計(jì)了一個(gè)大金屬化通孔，實(shí)現(xiàn)基片集成波導(dǎo)諧振電路與基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的連接，而在并聯(lián)方式中，則由安裝了體效應(yīng)二極管的非金屬化通孔連接基片集成波導(dǎo)導(dǎo)波結(jié)構(gòu)與基片集成波導(dǎo)諧振電路。通過(guò)以上改進(jìn)，不僅使得體效應(yīng)二極管振蕩器的結(jié)構(gòu)裝配更為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠性更高、更易于與外部平面電路集成，同時(shí)還具有傳統(tǒng)技術(shù)中波導(dǎo)等立體結(jié)構(gòu)振蕩器的高Q值和低相位噪聲的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明主要用于微波毫米波通訊、雷達(dá)及其測(cè)試系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01P7/00GK101546855SQ20081004508
公開(kāi)日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
發(fā)明者喻志遠(yuǎn), 軍 徐, 李桂萍, 鐘催林 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)