一种X波段压控振荡器，属于电子技术领域。本发明采用BZN介质薄膜压控电容对电路进行调谐，调谐带宽大于100MHz，采用半波长U型微带线耦合谐振器作为VCO的谐振回路，降低压控振荡器的相位噪声；调谐和偏置电路采用高低阻抗线实现扼流；采用低损耗氧化铝陶瓷基片和微带线集成工艺，具有体积小、重量轻的特点。
1.一种X波段压控振荡器，制作于氧化铝陶瓷基片上，包括一个半波长U型微带线耦合谐振器、一个BZN介质薄膜压控电容(Cv)和一个砷化镓场效应晶体管；
半波长U型微带线耦合谐振器由一个半波长U型微带线谐振器和分别与半波长U型微带线谐振器两个侧边平行耦合的微带线构成；
半波长U型微带线耦合谐振器中，与半波长U型微带线谐振器一个侧边平行耦合的第一耦合微带线(20)的一端通过BZN介质薄膜压控电容(Cv)接地；与半波长U型微带线谐振器的另一个侧边平行耦合的第二耦合微带线(8)的一端通过第一微带连接线(9)后再通过匹配电阻(R1)接地，另一端依次通过第二微带连接线(7)、第一隔直电容(C2)和第三微带连接线(6)后接砷化镓场效应晶体管的源极(S)；
砷化镓场效应晶体管的栅极(G)通过相位调节微带线(4)接地，砷化镓场效应晶体管的漏极(D)依次通过第一微带高阻线(3)、第四微带连接线(2)、第二隔直电容(C1)后与输出微带线(1)相连；
BZN介质薄膜压控电容(Cv)的压控信号通过第二微带高阻线(22)施加于与半波长U型微带线谐振器一个侧边平行耦合的第一耦合微带线(20)的中间点，第二微带高阻线(22)上具有由第一旁路电容(C5)和第一扇形微带开路枝节(23)构成的低通滤波器；
砷化镓场效应晶体管的漏极(D)偏置电压通过第三微带高阻线(11)施加于第四微带连接线(2)上，第三微带高阻线(11)上具有由第二旁路电容(C3)和第二扇形微带开路枝节(12)构成的低通滤波器；
砷化镓场效应晶体管的源极(S)偏置电压通过第四微带高阻线(14)施加于第三微带连接线(6)上，第四微带高阻线(14)上具有由第三旁路电容(C4)和第三扇形微带开路枝节(15)构成的低通滤波器。
2.根据权利要求1所述的X波段压控振荡器，其特征在于：
所述氧化铝陶瓷基片的介电常数为9.9、厚度为0.635mm、损耗角正切值为0.0002；
所述半波长U型微带线耦合谐振器中半波长U型微带线谐振器的一个侧边的宽度为
0.62mm、长度为1.98mm，另一个侧边的宽度为0.4mm、长度为1.98mm，底边宽度为0.62mm，两个侧边相距1.48mm，与一个侧边平行耦合、耦合间距为0.2mm的第二耦合微带线(8)的宽度为0.62mm、长度为1.98mm，与另一个侧边平行耦合、耦合间距为0.1mm的第一耦合微带线(20)的宽度为0.4mm、长度为1.98mm；
所述砷化镓场效应晶体管的型号为CF001，管芯尺寸为400um×250um；所述输出微带线(1)、第一微带连接线(9)、第二微带连接线(7)、第三微带连接线(6)、第四微带连接线(2)的宽度均为0.62mm；所述第一微带高阻线(3)的宽度为100um、长度为1.6mm；所述相位调节微带线(4)的宽度为100um、长度为1.3mm；所述第二微带高阻线(22)、第三微带高阻线(11)和第四微带高阻线(14)的宽度为0.1mm、长度为1/4波长；所述匹配电阻(R1)的阻值为50欧姆；所述第一旁路电容(C5)、所述第二旁路电容(C3)、所述第三旁路电容(C4)的电容值为20pf；所述第一隔直电容(C2)、所述第二隔直电容(C1)的电容值为20pf；所述BZN介质薄膜压控电容(Cv)的电容值变化范围为0.24～1.2pf；所述第一扇形微带开路枝节(23)、第二扇形微带开路枝节(12)、第三扇形微带开路枝节(15)的扇形角度应尽可能大，线半径为3.4mm。
一种X波段压控振荡器
技术领域
[0001] 本发明属于电子技术领域，涉及压控振荡器，尤其是一种基于BZN介质薄膜压控电容和U形耦合谐振器的X波段压控振荡器。
背景技术
[0002] 频率源是电子系统中的关键部件，在微波通信、雷达系统、电子对抗、制导、仪器和仪表测量，以及生物医学工程等领域中都具有广泛的应用。在所有的无线系统中，频率源更是必不可少的部分，对整个系统起着举足轻重的作用，因此常被称为电子系统的“心脏”。随着雷达、电子对抗、卫星通信等技术的发展，对频率源的频谱纯度、频率稳定度、频率分辨率和工作带宽等指标也提出了越来越高的要求。
[0003] 在微波频率源中，压控振荡器(VCO)是其核心组成部件，用以产生频率可控的微波振荡信号。VCO的调谐特性和相位噪声直接决定了频率源的各项性能指标的优劣。为了使VCO的频率可调谐，就需要在VCO电路中加入电调谐或磁调谐器件，而调谐元件的损耗所产生的噪声是造成VCO相位噪声中的重要组成部分。
[0004] 目前VCO中主要采用的可调谐器件有半导体变容二极管、铁电薄膜电容、微机电结构(MEMS)电容、机械变容管等，它们各方面性能的对比见表1。半导体变容二极管和铁电薄膜电容与MEMS电容和机械电容相比，可调率大，电调速度高，能胜任于高达倍频程的宽带、捷变跳频源，其应用相当广泛。尽管如此，变容管射频损耗相对较大，特别是在微波与毫米波频段，其损耗进一步增大，引起VCO电路的相位噪声恶化。
[0005] 表1变容二极管、铁电薄膜电容、MEMS电容和机械电容的性能比较[0006]参数 半导体变容二极管 铁电薄膜电容 MEMS电容 机械变容管
可调率 高(2～5∶1) 高(2～3∶1) 低(＜1.5∶1) 适中
射频损耗(Q) 中(Q＜60) 中(Q＜40目前) 好(Q＜200) 好
控制电压 ＜10V(单级) 10～90V(双极) 50～100V(双极) -
调制速度 快 快 慢 慢
功率承载能力 差 与电压有关 优 优
成本 适中～高 低 高 低
[0007] BZN(铌酸锌铋)薄膜是当前正在研究的新一代电调谐材料之一，BZN介质薄膜压控电容与常规半导体变容二极管相比，BZN介质薄膜压控电容在微波频率下的损耗更低，Q值(品质因数)更高，因此采用BZN薄膜制作的可调电容取代BZN介质薄膜压控电容将对VCO的相位噪声有所改善。
发明内容
[0008] 本发明提供一种X波段压控振荡器，该压控振荡器采用BZN介质薄膜压控电容对电路进行调谐，调谐带宽大于100MHz；同时采用半波长U型微带线耦合谐振器作为VCO的谐振回路，降低了压控振荡器的相位噪声。
[0009] 本发明技术方案如下：
[0010] 一种X波段压控振荡器，如图5所示，制作于氧化铝陶瓷基片上，包括一个半波长U型微带线耦合谐振器、一个BZN介质薄膜压控电容Cv和一个砷化镓场效应晶体管。半波长U型微带线耦合谐振器由一个半波长U型微带线谐振器和分别与半波长U型微带线谐振器两个侧边平行耦合的微带线构成。半波长U型微带线耦合谐振器中，与半波长U型微带线谐振器一个侧边平行耦合的微带线20的一端通过BZN介质薄膜压控电容Cv接地；与半波长U型微带线谐振器的另一个侧边平行耦合的微带线8的一端通过第一微带连接线9后再通过匹配电阻R1接地，另一端依次通过第二微带连接线7、第一隔直电容C2和第三微带连接线6后接砷化镓场效应晶体管的源极S。砷化镓场效应晶体管的栅极G通过相位调节微带线4接地，砷化镓场效应晶体管的漏极D依次通过第一微带高阻线3、第四微带连接线2、第二隔直电容C1后与输出微带线1相连。BZN介质薄膜压控电容Cv的压控信号通过第二微带高阻线22施加于与半波长U型微带线谐振器一个侧边平行耦合的微带线20的中间点，第二微带高阻线22上具有由第一旁路电容C5和第一扇形微带开路枝节23构成的低通滤波器。砷化镓场效应晶体管的漏极D偏置电压通过第三微带高阻线11施加于第四微带连接线2上，第三微带高阻线11上具有由第二旁路电容C3和第二扇形微带开路枝节12构成的低通滤波器。砷化镓场效应晶体管的源极S偏置电压通过第四微带高阻线14施加于第三微带连接线6上，第四微带高阻线14上具有由第三旁路电容C4和第三扇形微带开路枝节15构成的低通滤波器。
[0011] 高Q谐振回路是降低VCO相位噪声的重要措施之一，本发明采用半波长U型微带线谐振器作为VCO的谐振回路，如图1(a)所示，图1(b)为半波长U型谐振器的集总参数等效电路。其中Ce、Le、Ge分别表征半波长U型谐振器在谐振频率ω0附近的电容、电感和电导特性，而半波长U型谐振器的谐振频率 为了使谐振器的谐振频率可以调节，本发明在半波长U型谐振器的一侧，利用BZN介质薄膜压控电容Cv通过一段平行耦合线20与半波长U型谐振器进行能量耦合，以此实现谐振频率的调谐；在半波长U型谐振器的另一侧，通过另一段平行耦合线8耦合到50欧姆微带线，与负阻电路建立联系，最终实现VCO振荡频率的调谐。
[0012] U型耦合谐振器结构及其等效电路如图2(a)所示，利用变压器来等效平行耦合线的功率耦合关系，则加载BZN介质薄膜压控电容Cv后的U型耦合谐振器可转化为图2(b)所示的等效电路。用Lt表示BZN介质薄膜压控电容Cv被微带线阻抗变换后呈现在耦合缝隙处的电感，则半波长U型谐振器加载BZN介质薄膜压控电容Cv后的等效电感表示为Let，且：
[0013]
[0014] 其中Lt’＝Lt/Nv2，Nv为等效变压器的变压比。因此，半波长U型谐振器的固有谐振频率为
[0015]
[0016] 由上式所示，随着BZN介质薄膜压控电容Cv和半波长U型耦合谐振器变压比Nv的变化，半波长U型谐振器的谐振频率也跟着变化，从而使得半波长U型谐振器在BZN介质薄膜压控电容Cv和半波长U型耦合谐振器变压比Nv的变化范围内获得一定的谐振带宽。BZN介质薄膜压控电容Cv的变化是通过其控制电压的变化来实现，而半波长U型耦合谐振器变压比Nv的变化则可通过调节半波长U型谐振器与平行耦合线20之间的缝隙来实现，通过这二者的调节来达到整个X波段压控振荡器所需的带宽要求。
[0017] 偏置和调谐电路采用高低阻抗线实现扼流。偏置电路扼流由扇形微带开路枝节12、15和高阻抗微带线11、14构成，均为1/4工作波长。调谐电路扼流由扇形微带开路枝节
23和高阻抗微带线22构成，均为1/4工作波长。
[0018] 综上，本发明提供的X波段压控振荡器，采用低损耗氧化铝陶瓷基片和微带线集成工艺，具有体积小、重量轻的特点；采用BZN介质薄膜压控电容对电路进行调谐，调谐带宽大于100MHz；同时采用半波长U型微带线耦合谐振器作为VCO的谐振回路，降低了压控振荡器的相位噪声。
附图说明
[0019] 图1为半波长U型微带线谐振器结构及其等效电路。
[0020] 图2为半波长U型微带线耦合谐振器结构及其等效电路。
[0021] 图3为本发明具体实施方式中U型微带线耦合谐振器的结构尺寸示意。
[0022] 图4为本发明提供的X波段压控振荡器中，砷化镓场效应晶体管的连接示意。
[0023] 图5为本发明提供的X波段压控振荡器的电路结构示意。
具体实施方式
[0024] 一种X波段压控振荡器，如图5所示，制作于介电常数为9.9、厚度为0.635mm、损耗角正切值为0.0002的氧化铝陶瓷基片上，包括一个半波长U型微带线耦合谐振器、一个BZN介质薄膜压控电容Cv和一个砷化镓场效应晶体管。半波长U型微带线耦合谐振器由一个半波长U型微带线谐振器和分别与半波长U型微带线谐振器两个侧边平行耦合的微带线构成。半波长U型微带线耦合谐振器中，与半波长U型微带线谐振器一个侧边平行耦合的微带线20的一端通过BZN介质薄膜压控电容Cv接地；与半波长U型微带线谐振器的另一个侧边平行耦合的微带线8的一端通过第一微带连接线9后再通过匹配电阻R1接地，另一端依次通过第二微带连接线7、第一隔直电容C2和第三微带连接线6后接砷化镓场效应晶体管的源极S。砷化镓场效应晶体管的栅极G通过相位调节微带线4接地，砷化镓场效应晶体管的漏极D依次通过第一微带高阻线3、第四微带连接线2、第二隔直电容C1后与输出微带线1相连。BZN介质薄膜压控电容Cv的压控信号通过第二微带高阻线22施加于与半波长U型微带线谐振器一个侧边平行耦合的微带线20的中间点，第二微带高阻线22上具有由第一旁路电容C5和第一扇形微带开路枝节23构成的低通滤波器。砷化镓场效应晶体管的漏极D偏置电压通过第三微带高阻线11施加于第四微带连接线2上，第三微带高阻线11上具有由第二旁路电容C3和第二扇形微带开路枝节12构成的低通滤波器。砷化镓场效应晶体管的源极S偏置电压通过第四微带高阻线14施加于第三微带连接线6上，第四微带高阻线14上具有由第三旁路电容C4和第三扇形微带开路枝节15构成的低通滤波器。
[0025] 上述方案中：
[0026] 所述半波长U型微带线耦合谐振器如图3所示，其中半波长U型微带线谐振器的一个侧边的宽度为0.62mm、长度为1.98mm，另一个侧边的宽度为0.4mm、长度为1.98mm，底边宽度为0.62mm，两个侧边相距1.48mm，与一个侧边平行耦合、耦合间距为0.2mm的微带线8的宽度为0.62mm、长度为1.98mm，与另一个侧边平行耦合、耦合间距为0.1mm的微带线20的宽度为0.4mm、长度为1.98mm；
[0027] 所述砷化镓场效应晶体管的型号为CF001，管芯尺寸为400um×250um；所述输出微带线1、第一微带连接线9、第二微带连接线7、第三微带连接线6、第四微带连接线2的宽度均为0.62mm；所述第一微带高阻线3的宽度为100um、长度为1.6mm；所述相位调节微带线4的宽度为100um、长度为1.3mm；所述第二微带高阻线22、第三微带高阻线11和第四微带高阻线14的宽度为0.1mm、长度为1/4波长；所述匹配电阻R1的阻值为50欧姆；所述旁路电容(C3、C4、C5)的电容值为20pf；所述隔直电容(C1、C2)的电容值为20pf；所述BZN介质薄膜压控电容Cv的电容值变化范围为0.24～1.2pf；所述第一扇形微带开路枝节23、第二扇形微带开路枝节12、第三扇形微带开路枝节15的扇形角度应尽可能大，线半径为3.4mm。
[0028] 上述X波段VCO的技术指标经实测，其输出频率为9.6GHz～9.77GHz，带宽为170MHz，相位噪声系数小于-115dBc。
