一种基于BGA-GWG谐振腔的微波振荡器 |
|||||||
| 申请号 | CN202310812982.3 | 申请日 | 2023-07-04 | 公开(公告)号 | CN117917853A | 公开(公告)日 | 2024-04-23 |
| 申请人 | 南京海疆创智科技有限公司; | 发明人 | 张平; 刘睿; 施永荣; 姜勋; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于BGA‑GWG 谐振腔 的 微波 振荡器 ，包括振荡 电路 、BGA‑GWG谐振腔和源端微带线；振荡电路采用场效应 三极管 作为有源器件，场效应三极管的栅极 串联 欧姆微带线；漏极连接第一串联微带线和并联开路微带线的一端，第一串联微带线和并联开路微带线的另一端为振荡器输出端；源极连接第二串联微带线和并联开路微带线的一端，第二串联微带线和并联开路微带线的另一端为振荡器源端，与源端微带线连接；BGA‑GWG腔体为基于BGA倒装技术的GWG腔体，其耦合于源端微带线旁边。本发明振荡器输出 频率 的超高 稳定性 和超低 相位 噪声，且具有轻量化、体积小的特性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于BGA‑GWG谐振腔的微波振荡器，其特征在于，包括振荡电路、BGA‑GWG谐振腔和源端微带线(1)； |
||||||
| 说明书全文 | 一种基于BGA‑GWG谐振腔的微波振荡器技术领域背景技术[0002] 现代雷达和通信系统发展迅猛，承载着越来越大的数据量和越来越高的传播速度。因此，射频硬件系统就需要越来越高性能的微波频率源。可以说微波频率源就是现代通信系统的心脏，而频率源的研制又依赖于更底层的振荡器。因此，振荡器的性能优劣直接高度影响频率源的性能表现，从而进一步影响着整个通信系统。相位噪声是振荡器最重要的性能参数，其决定了通信系统的整体性能，为了实现低相位噪声振荡器，需要高品质因数的稳频元件。稳频元件主要采用各种谐振结构，包括介质谐振器，基片集成波导(SIW)谐振器等高Q值谐振器件。 [0003] 近些年来，对振荡器的研究主要集中在对高选频特性的谐振器的研究上，部分研究人员提出具有体积小、集成度高、稳定性高等优势的基片集成波导技术，利用LTCC和PCB工艺进行实现。基片集成波导腔体自身的平面化的结构可以很方便的与外部电路进行连接，因此将基片集成波导技术应用到振荡器的设计中，具有重要的现实意义。2009年瑞典的P.‑S.Kildal教授提出间隙基片集成凹槽间隙波导(Gap Waveguide,GWG)传输线技术。间隙基片集成凹槽间隙波导分为三种类型：脊间隙基片集成凹槽间隙波导(Ridge GWG)，凹槽间隙基片集成凹槽间隙波导(Groove GWG)和微带间隙基片集成凹槽间隙波导。这三种GWG结构可由全金属构成，也可由金属与印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)混合构成。 [0004] 基于GWG结构的谐振器具有极高的Q值和极低的损耗，能够作为稳频器件使振荡器的输出频率稳定性得到极大的改善，并且可以极大地降低微波振荡器的相位噪声。对于典型的脊GWG设计，应用了钉子单元，脊在非传播方向上被周期性钉子包围，它通常通过机加工制造。脊型GWG或微带GWG也可以通过印刷电路板(PCB)或低温共烧陶瓷(LTCC)基板集成。LTCC或PCB基板由基于金属底座的基板框架支撑，以保持气隙层和低传输损耗特性。然而，这种加工方式很难在大尺寸上保持恒定的气隙高度，甚至可能在暴露于任何小压力或碰撞时崩溃，这将导致基于传统GWG的谐振腔的性能下降或不稳定，从而导致基于传统GWG的微波振荡器性能不稳定等问题。为了解决以上问题，需要采用新型GWG谐振腔结构的微波振荡器。 发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于BGA‑GWG谐振腔的微波振荡器，其相位噪声可达‑105.1dBc/Hz@100kHz、‑125.1dBc/Hz@1MHz；同时，该振荡器实现了轻量化、体积小的特性。 [0006] 为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为： [0007] 一种基于BGA‑GWG谐振腔的微波振荡器，包括振荡电路、BGA‑GWG谐振腔和源端微带线； [0008] 所述振荡电路采用场效应三极管作为有源器件，场效应三极管的栅极串联欧姆微带线；漏极连接第一串联微带线和并联开路微带线的一端，第一串联微带线和并联开路微带线的另一端为振荡器输出端；源极连接第二串联微带线和并联开路微带线的一端，第二串联微带线和并联开路微带线的另一端为振荡器源端，与源端微带线连接； [0009] 所述BGA‑GWG腔体为基于BGA倒装技术的GWG腔体，其耦合于源端微带线旁边； [0010] 所述振荡器的源端和输出端通过第一串联微带线和并联开路微带线和第二串联微带线和并联开路微带线实现阻抗变换。 [0011] 为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括： [0012] 上述的场效应三极管采用砷化镓场效应三极管。 [0014] 上述的微带线均为50欧姆微带线。 [0015] 上述的BGA‑GWG谐振腔包括T‑基板、B‑基板以及T‑基板、B‑基板之间的BGA焊料球，且T‑基板通过倒装技术装配于B‑基板上方，BGA焊料球支撑T‑基板、B‑基板形成空气间隙层。 [0016] 上述的BGA‑GWG谐振腔腔体中，每一个BGA焊料球、其正上方T‑基板部分、正下方B‑基板部分以及空气间隙层部分构成一个BGA周期单元。 [0017] 上述的BGA‑GWG谐振腔腔体中心部分为谐振区域，靠近振荡器源端部分去除一个4×4BGA周期单元用于谐振腔与源端微带线之间的电磁耦合。 [0018] 上述的T‑基板和B‑基板的下表面都被金属覆盖。 [0019] 本发明具有以下有益效果： [0020] 本发明振荡器采用砷化镓场效应三极管作为有源器件，通过共栅结构使场效应三极管工作在可产生振荡的不稳定状态；采用高Q值的BGA‑GWG谐振腔稳定输出频率并且降低相位噪声。由于谐振器部分具有更高的Q值和更低的损耗，该BGA‑GWG谐振器与振荡器源端微带线之间电磁耦合，振荡器通过该高Q值和低损耗的谐振器进行选频，实现振荡器输出频率的超高稳定性和超低相位噪声。谐振腔由基于BGA倒装芯片技术的GWG实现，没有金属通孔，重量轻，外形低。且BGA‑GWG的底层基板可与振荡器其他部分共用基板，降低了加工难度和生产成本。振荡器的源端和输出端的阻抗变换网络由串联50欧姆微带线和并联开路50欧姆微带线实现，振荡电路和BGA‑GWG腔体通过双面PCB板即可实现。本发明振荡器在实际应用中既可直接应用于接收机的解调应用和发射机的调制应用；同时，也可以结合直接数字式频率合成技术以及锁相环频率合成技术用于产生灵活多变的低相噪频率源。附图说明 [0021] 图1为本发明微波振荡器示意图； [0022] 附图标记为：1‑源端微带线、2‑BGA焊料球、3‑第二串联微带线和并联开路微带线、4‑欧姆微带线、5‑第一串联微带线和并联开路微带线、6‑T‑基板、7‑B‑基板、8‑空气间隙层； [0023] 图2为本发明微波振荡器中BGA‑GWG谐振腔与源端微带线耦合示意及其尺寸标注。 具体实施方式[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0027] 本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。 [0028] 如图1所示，本发明一种基于BGA‑GWG谐振腔(基于球栅阵列倒装半充气基片集成凹槽间隙波导腔体)的微波振荡器，如14GHz微波振荡器，包括振荡电路、BGA‑GWG谐振腔和源端微带线1； [0029] 所述振荡电路采用砷化镓场效应三极管作为有源器件，通过共栅结构使场效应三极管工作在可产生振荡的不稳定状态，具体的： [0030] 场效应三极管的栅极串联欧姆微带线4，具体为一段50欧姆微带线，以降低效应三极管的稳定性，使其更容易产生振荡； [0031] 漏极连接第一串联微带线和并联开路微带线5的一端，第一串联微带线和并联开路微带线5的另一端为振荡器输出端；源极连接第二串联微带线和并联开路微带线3的一端，第二串联微带线和并联开路微带线3的另一端为振荡器源端，与源端微带线1连接； [0032] 在场效应三极管的源极与漏极连接直流电压Vs与Vd，用于提供场效应三极管的静态工作点； [0033] 在源端微带线1旁边放置谐振频率同样为14GHz的BGA‑GWG谐振腔所述BGA‑GWG腔体是基于球栅阵列Ball Grid Array,BGA倒装技术的半充气基片集成凹槽间隙波导Gap Waveguide,GWG腔体，采用倒装芯片技术，没有金属通孔，重量轻，外形低，其耦合于源端微带线1旁边； [0034] 所述振荡器的源端和输出端通过第一串联微带线和并联开路微带线5和第二串联微带线和并联开路微带线3实现阻抗变换。 [0035] 即漏极采用一段开路微带线与串联微带线进行阻抗匹配；GWG腔体耦合于源端微带线1旁边，串联一段微带线和并联一小段开路微带线进行阻抗变换； [0036] 采用高Q值的BGA‑GWG谐振腔稳定了输出频率并且降低了相位噪声。 [0037] 振荡电路和BGA‑GWG腔体通过双面PCB板即可实现。 [0038] 本发明所使用的BGA‑GWG谐振腔，由多组4×4BGA周期单元组成，具体的： [0039] 所述BGA‑GWG谐振腔包括T‑基板6、B‑基板7以及T‑基板6、B‑基板7之间的BGA焊料球2，且T‑基板6在上，B‑基板7在下，BGA焊料球2支撑T‑基板6、B‑基板7形成空气间隙层8。 [0040] 所述BGA‑GWG谐振腔腔体中，每一个BGA焊料球2、其正上方T‑基板6部分、正下方B‑基板7部分以及空气间隙层8部分构成一个BGA周期单元。 [0041] BGA‑GWG谐振腔的下层B‑基板7与振荡电路的其他部分共用基板，BGA‑GWG谐振腔的靠近微带线部分需要缺少一部分BGA周期单元以便谐振腔与微带线之间的电磁耦合。具体的，所述BGA‑GWG谐振腔腔体中心部分为谐振区域，靠近振荡器源端部分去除一个4×4BGA周期单元用于谐振腔与源端微带线1之间的电磁耦合。 [0042] 所述T‑基板6和B‑基板7的下表面都被金属覆盖。 [0043] 实施例 [0044] 如图1所示为一种基于BGA‑GWG谐振器的14GHz微波振荡器示意图，该微波振荡器采用印刷电路板技术加工制作而成，其双面衬底介质为Rogers4350，相对介电常数εr为3.48。 [0045] 所使用的场效应三极管为ATF‑13100，在场效应三极管的源极与漏极连接直流电压Vs与Vd分别为0.65V，0.3V，用于提供三极管的静态工作电流； [0046] 在该场效应三极管栅极串联一段电长度为49°的50欧姆微带线4用于提高场效应三极管的不稳定性； [0047] 所述BGA‑GWG谐振腔包括T‑基板6、B‑基板7以及T‑基板6、B‑基板7之间的BGA焊料球2，且T‑基板6在上，B‑基板7在下，BGA焊料球2支撑T‑基板6、B‑基板7形成空气间隙层8。 [0048] 如图2所示，为上述BGA‑GWG谐振腔的14GHz微波振荡器中BGA‑GWG谐振腔与源端微带线耦合示意及其尺寸标注。具体结构尺寸为：L1＝35mm,d1＝0.5mm,d2＝4.7mm。 [0049] 图3和图4为本发明微波振荡器的输出频谱和输出相位噪声仿真结果图，可以观察到输出频率可达13.98GHz，当输出频率在14GHz时，偏移频率为100kHz处，相位噪声为‑105.1dBc/Hz，偏移频率为100kHz处，相位噪声为‑125.1dBc/Hz。 [0050] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。 [0051] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈