【word】 基于复合左右手传输线结构的新型振荡器设计

【word】 基于复合左右手传输线结构的新型振荡器 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 基于复合左右手传输线结构的新型振荡器 设计 空间电子技术 SPACEELECTRONlCTECHNOLOGY2010年第3期 基于复合左右手传输线结构的新型振荡器设计 陈燕马伟 (中国空间技术研究院西安分院,西安710000) 摘要文章介绍了复合左右手微带传输线构成的零阶谐振器的基本特性,并将这种零阶谐 振器作为选频器件,设计出1.5GHz基于复合左右手传输线谐振器的振荡器.经与1.5GHz基于发 卡式谐振器的振荡器相比较,提出的振荡器具有体积小,二次谐波抑制性较强的特点,适于在微波 振荡器应用. 关键词振荡器复合左右手微带传输线结构谐振器谐波抑制性 0引言 微带线实现的复合左右手传输线结构最早由 C.Caloz等人提出,并通过交指电容和过孔接地的短 截线实现,随后引起了众多科研工作者的广泛关注. 复合左右手传输线具有超越右手传输线的传输特 性,可以实现负的等效磁导率和介电常数.经典的 复合左右手微带线由串连的交指电容和并联的短路 短截线电感单元组成,形成一个宽带小插损的左手 通带,从而在微波部件中得到开创性的应用?. 同时,组成复合左右手微带传输线的单元晶格也可 以构成零阶谐振器,这种新型谐振器的使用也有了 开拓性的发展,已经设计了多种结构的滤波器.然 而,如何将这种新型的谐振器作为选频器件应用到 振荡器的设计中去,在以往的文献中还较少见. 所以,文章将这种由单元晶格构成的零阶谐振 器作为选频器件,应用振荡器的工程设计技术,采用 HFSS高频仿真软件和ADS仿真软件进行场,路结 合的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 进行振荡器的混合仿真与优化设计,并且 加工出实物进行实测比较,探讨零阶谐振器在振荡 器设计中的应用. 收稿日期:2009—04—14;修回日期:2009一o6—24 1零阶谐振器的基本特性 对于两端开路(或短路)的普通传输线谐振 器,当谐振器长度一定时,满足(1)式频率都能 谐振. L=7r凡:1,2,3,…(1) 式中,是普通传输线相位常数;是谐振器阶数, 为任意正整数.表明传输线形式谐振器具有多谱 性.但n不能为0,如果为0,意味着相位常数= 0,这用两种情况来 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 :对于TEM波,只有频率为 0时,相位常数/3=0;对于TE或TM波,只有当频率 等于该传输线截止频率时,相位常数/30=0,此时群 速等于0,波不能有效传输. 但复合左右手微带传输线不一样,它有一个明 显的特点,即在非0频率上相位常数k可以等于0, 而此时群速不为0,波能传输.3J.由此,组成复合 左右手微带传输线的单元晶格可以构成零阶谐振 器.这种单元晶格由串联的交指电容和并联的短路 短截线电感单元组成,等效电路如图1所示.在参 考文献[3]中给出了一种零阶谐振器结构.文章在 此基础上作了改进,形成了一种新型的适用于振荡 器设计的零阶谐振器,其结构如图2所示. 2010年第3期陈燕等:基于复合左右手传输线结构的新型振荡器设 计 + 图1一维周期复合传输线单元晶格的等效电路 a {h1 金属孔化接妇..h. / 图2零阶谐振器 对于终端开路的微带单元晶格结构,在忽略了 有耗复合左右手传输线串联电阻R和并联电导G 的情况下,其输入阻抗可近似表示成: Z=一jzBctg(ka)(2) 其中 = ?一】一】 1?【一】 (3) ,c分别是周期加载的并联电感和串联电容, ,是非加载传输线每单位长度的串联电感和并 联电容,d是单元尺寸. 当kd<<l时,ctg(kd)1/kd,这样(3)式可简化 为: 叫1 它表明谐振频率仅与分布电容(C=Cod)和 加载的电感有关.这一点比较重要,无论是设计还 是调试,都是着眼于这两个参数,特别是调试谐振器 谐振频率时,改变加载的电感,是比较容易的事. 2两种谐振器的设计与仿真 在微带传输线中,电磁场在横向受到限制不能 传播,从而成为驻波场,而在纵向是不受限制的,因 而成为行波场,使电磁波沿传输线传播.若电磁场 在纵向也受到限制不能传播,形成驻波场,则传输系 统就变成了谐振系统,即谐振器.当复合左右手传 输线端接短路截线或开路时,由于短路/开路边界条 件支持驻波传播,使复合左右手传输线成为一个微 带线谐振器J,在传统的微带线(右手传输线)中也 是如此. 设计中使用的介质基片为RogersR04003,= 3.38,tant$=0.0027,h=1.53ram,覆铜厚度设定为 0.O18mm.谐振器的谐振频率为1.5GHz.首先,由 ADS仿真软件计算出5012导体带的宽度是3. 46ramo 2.11.5GI-Iz零阶谐振器的设计与仿真 根据振荡器传统的设计方法,可以将这种新型 的零阶谐振器放到微带传输线附近,使其与振荡电 路耦合,以达到选频的目的.利用AnsofiHFSS软件 按图2所示的结构建立零阶谐振器的拓扑结构如图 3所示,并对零阶谐振器耦合微带线部分进行场仿 真.其中,口=10mm,b=1.2mm,c:0.8mm,h1= 1ITlm,h2=1.4mm,金属化孔直径为0.7ram,所有的 交指指宽为0.3mm,电容间隙为0.2mm,调整谐振 器与微带线之间的缝隙可以改变分布电容c,调整 短路短截线可以改变加载的电感L,目的是实现谐 振频率在1.5GHz,耦合缝隙为0.4ram. 在HFSS中得到的仿真结果如图4所示. (4)2.21.5GI-Iz发卡式谐振器的设计与仿真 终端开路的微带单元晶格结构呈现的是并联谐振器 特性,该谐振器的谐振频率为: 1(5) 为了充分体现出复合左右手传输线零阶谐振器 结构的优点,采用高频仿真软件AnsofiHFSS同时仿 真了传统的发卡式谐振器.该谐振器同样可以有效 缩小尺寸.设计采用A/2传输线谐振器,由U型发卡 谐振器耦合50n微带线构成.其拓扑结构如图5(a) 空间电子技术2010年第3期 所示,参数结构如图5(b)所示,耦合缝隙为0.4mm. 图3零阶谐振器平面外形结构 (a)平面外形结构 在HFSS中得到的仿真结果如图6所示. :tsorporat~onXYPlot1HFSSDesign f 图5发卡式谐振器 Freq(GHz)? 图41GHz一10GHzS参数仿真结果 (b)结构参数 Freq(GHz) 图61GHz,10GHzS参数仿真结果 2.3两种结构谐振器的性能比较 由上述HFSS仿真结果可以得出,在同一谐振 频率,零阶谐振器的有效面积明显要比发卡式谐振 器的有效面积小,前者大约为48mm,而后者约为 186mm.这是因为零阶谐振器的相移常数为0,使 得谐振频率与尺寸无关,理论上该谐振器可以做成 任意大小,但实际上受到加工条件的限制.有效面 积的减小可以大大减少单片微波集成电路的成本. 从两种结构谐振器的宽频带幅频特性可以明显 看出,零阶谐振器高端频率直至5GHz没有出现谐 波,利用这一特性可以提高振荡器的谐波抑制性. 3两种振荡器的设计 振荡器的谐振频率由振荡条件决定,即要求晶 体管输人和输出之间的相移达到不.若谐振反馈电 路具有高Q值,以致相移随频率变化非常迅速,则 振荡器将具有好的频率稳定性.所以,谐振回路的 设计是振荡器设计中关键的一步. 上一节详细介绍并仿真了一种新型的基于复合 2010年第3期陈燕等:基于复合左右手传输线结构的新型振荡器设 计 左右手传输线零阶谐振特性的谐振器,并且与传统 的发卡式谐振器在性能上作了比较.前者具有体积 小,在较宽的频带内没有谐波的优点,下面将尝试利 用这种零阶谐振器作为选频器件设计一种新型振荡 器,以达到改善其性能指标的目的.同时设计出基 于发卡式谐振器的振荡器以做比较. 3.1基于复合左右手传输线谐振器的振荡器设计 按照振荡器的设计技术,采用ADS谐波平衡法 设计加工出的电路如图7所示.其中,复合左右手 微带传输线谐振器的尺寸与图3相同. 图7基于零阶谐振器的振荡器实物 图8输出功率 使用AgilentE4407B频谱分析仪对其输出功率 和相位噪声进行了实际测量.图8为输出功率实测 数据.可以看出,基频为1.5025GHz,输出功率为 8.52dBm,二次谐波比基波低26dB.同时测出偏离 载频10kHz时,相位噪声为一99.16dBc/Hz,偏离载 频100kHz时,相位噪声为一116.5dBc/Hz. 3.2基于发卡式谐振器的振荡器设计 为了使两种振荡器具有可比性,所设计的振荡 器频率都是1.5GHz,介质基片,BJT晶体管,静态工 作点,直流偏置电路和反馈网络以及输出匹配网络 选用相同的结构,不同的是谐振网络分别选用零阶 谐振器和发卡式谐振器.采用ADS谐波平衡法设 计加工出基于发卡式谐振器的振荡器电路如图9所 示.其中,发卡式谐振器的尺寸与图5(b)相同. 图9基于发卡式谐振器的振荡器实物 图lO输出功率 同样使用AgilentE4407B频谱分析仪对其输出 功率和相位噪声进行实际测量.图10为输出功率 实测数据.基频为1.4950GHz,输出功率为6. 37dBm,二次谐波比基波低13dB.同时测出偏离载 频10kHz时,相位噪声为一92.5dBc/Hz,偏离载频 100kHz时,相位噪声为一113.6dBc/Hz. 3.3两种结构振荡器的性能比较 首先,基于复合左右手传输线单元晶格构成的 零阶谐振器与传统的发卡式谐振器相比,Q值并没 有明显的提高,所以,新型振荡器的相位噪声并未有 明显改善,但是零阶谐振器体积明显减小,这为振荡 器体积的小型化提供可能. 从谐振器的宽频带幅频特性可以明显看出,零 空间电子技术2010年第3期 阶谐振器高端频率直至5GHz没有出现谐波,利用 这一特性可以提高振荡器的谐波抑制性.从两种结 构振荡器的输出功率与频率的关系可以看出,基于 发卡式谐振器的振荡器二次谐波较基波低13dB,而 基于零阶谐振器的振荡器二次谐波较基波低26dB, 大约有13dB的改善. 4结论 文章首先介绍了复合左右手微带传输线构成的 零阶谐振器的基本特性,并将这种由单元晶格构成 的零阶谐振器作为选频器件耦合到微带线中,应用 振荡器的工程设计技术,设计加工出1.5GHz基于 复合左右手传输线谐振器的振荡器.同时设计加工 出1.5GHz基于发卡式谐振器的振荡器以做比较. 实测结果表明:基于复合左右手传输线谐振器的振 荡器具有体积小,谐波抑制性较强的特点,从而验证 了零阶谐振器在微波振荡器领域中应用的可能性, 同时也提供了可行的实现途径,因此,拥有一定的工 程应用前景. 参考文献 [1]EleftheradesGV,BalmainKG.Negative—refraction metamaterials[M].IEEEPress,PublishedbyJohnWi. 1eySons,Inc.2005 [2]MaoSG,ChenSLandHuangCW.Effectiveelectro. magneticparametersofnoveldistributedleft..handedmi.. crostriplines[J].IEEETrans.MicrowaveTheory Tech.,2005:1515—1521 [3]LaiAandItohT.Compositeriglht/left—handedtransmis. sionlinemetamaterials[J].IEEEMicrowaveMagazine, 5O Sep.2004:34— [4]GilI,BonacheJ,GilM.Accuratecircuitanalysisofres. onanttypelefthandedtransmissionlineswitllinter-re sonatorgcoupling[J].JournalofAppliedPhysics.2006. 100(7):074908+10 作者简介 陈燕1981年生,中国空间技术研究院西安 分院在读硕士研究生.主要研究方向为电磁场与微 波技术. 马伟1960年生,研究员.主要研究方向为 电磁场与微波技术. TheDesignofOscillatorBasedonCompositeRight/LefiedTransmissionLin e ChenYanMaWei (ChinaAcademyofSpaceTechnology(Xian),Xian710000,China) AbstractThecharacteristicsofcompositeright/left-handedtransmissionline(CRLH—TL)resonatorisimro— ducedinthispaper.Anovel1.5GHztransistoroscillatorcouplingthisresonatoras~equencystabilityinstrumentis proposed.Comparedwithanother1.5GHzoscillatorbasedonba~eueresonator,thenoveloscillatorhasbetterchar- acteristiesofsecondharmonicrejectionandsmallerinsize.ThemeasuredresultsshowthattheCRLH—TLresonator maybeusedinmicrowaveoscillators. KeywordsOscillatorCRLH.TLResonatorSecondharmonicreiection