ka频段高q传输腔稳频gunn振荡器研究

Ka频段高Q传输腔稳频 G u n n 振荡器研究 张三喜徐 军薛良金 电子科技大学应用所成都6 1 0 0 5 4 ) 摘要1基于高Q传 输腔稳 频的爷本思想， 本x i t 计 制作t 一K a 频 段高Q腔稳 频的G u n n 振荡器 该振荡器具有约 1 .4 G H z 的机械调诺带宽， 带内 输出功率人于I O m w ，开N 6 后两小时倾偏小超过2 MH z 4偏离中心频率( 3 3 . 3 G H z ) I O O K H z 处测得振荡糕相噪为一 9 8 .2 8 d B e / H z 关性词: G u n n氏_极管 振荡糕领率稳定度 相噪 一引言 雪崩止极管振荡器和 G u n n 振荡器是微波领域重要的固体信号源， 特别是在毫米波 频段应用十分广泛，但由手 这两类器件 特别是 1 M P A T T管)本身的唤声较人，因而 它们的振荡器短期频率稳定度较差，长 稳性亦不好.在 0 - 5 0 C a度范围内，G u n n振荡 器的稳定度约为 . O -3 数量级，满足不了 现代通讯系统和雷达系统等对高频稳度和低相噪 的要求，因此必须采取适当的稳频措施。 在提高微波、毫米波固态振荡器的频稳度以及降低其噪卢方面，国内 外进行了人 量的 研究，目 前已 有许多可行方法。土要分为两方 面:一是从器件制造着手，一是 从振 荡器电 路着手。 在电 路方面 士要采取偏压补 偿、 腔体补偿、 注入锁 相、 环路 锁定和高Q 腔稳频等。 在高Q腔稳颇技术中， 直接祸合反射式高Q腔稳频方法因 其结构简单、 频稳度较 好、而且由于 稳频引 起的输出功率损火 不人，因而被) 泛采用，然而这种直 接祸合反射 式高 Q腔稳频振荡器不只存在一个可能的( 一 作模式，这就使得振荡器有可能在一定条 件下 发生模式跳变， 而这恰是实用振荡器所不期望的。高Q传输腔稳频是另 一种简单 而有效改善振荡器频稳度的方法，井曾 被认为是最有发展前途的高Q腔稳频方式之一， 然 而国内 外对此的相关报道太少。本文在介绍了儿种高 Q传输腔稳频振荡器典1 1 1) 电 路 特点的基础上，设 计了一高Q圆 柱形传输腔稳频的G u n n 振荡器，获得了 良 好的频率稳 定度和低相噪。 二. 几种典型的 传输腔稳频振荡器简介 文 献 2 1 介 绍了一种典I 1 的传输腔稳频振荡器电路及其实验结果 该振荡器结构上 要包括三个部分 ! ) 装有 二 极管的同轴一 波导M 2 )圆柱形高Q传P i it ; ; 通过两A合 _-一 孔分别与土腔和输出波导相接 3) 波导终端。在该电路结构中，I M队Tr二 极管偏坏 通过同轴内导体加入， 趾 生的微波功率一部分通过传输腔进入输出波导，另 部分消耗 在波导终端上，波导终端充当个稳模电阻的作川测试结果显示该振荡器在 80G H z 、 0 一 5 0 的温度范围内获得了1 只! 0 一 礴 的频率稳定度和人犷1 0dBI 二的输出功率 文献3 的 振荡器电路在文献1 2 的基 础上做了 改 进，该振荡器 要山 一极管安 装结 构、 高Q腔和装有衰耗电 阻的祸合线纠成。 在 此结构中， 侮一部分是一个谐 振结构。 G unn 氏_极管偏压由阶梯柱加入，调 y 粗合线上衰耗电阻抽入的深度，可改变消耗在该电阻 上的微波功率，使输出功率和电路稳定到达最优，消除了跳模问题 文 献f介绍了另一 种高 Q传输胜稳频 G un。振荡器电路及其基本理论，该振荡器 由一个圆柱形谐振腔和安装有 G unn _ 极管的同轴电路组成，圆柱形谐振腔通过两祸合 孔与同轴电路和输出波导相连。这种结构易于满足本振对低噪声和高稳定度的要求。 三. 振荡器设计考虑 本文 基于 文献川所述的 传输腔稳 频基本 理论 和以上 典刑电 路特点，设 计了 一 种Ka 频段高Q圆 柱形传输腔稳频G unn 振荡器， 结构示意图见图1 ，设 计考虑如卜 : 圆柱形谐振腔用殷钢和黄铜制成，肺体内壁镀银，黄铜用以补偿温度变化范围内 的 尺寸 变 化。 该 腔 卜 作于T 氏 : ， 模式， 其无 载Q值约为1 5 o 00。 圆 柱形谐 振腔选用T E 。 : 波型的主要优点是可以最小体积获取最 人Q值，此外，由于 侧壁与端壁电 流 为 闭 合 的 圆 圈 ， 无 电 流 跨 越 侧 壁 与 端 壁时 L附 之间的界线，这样的电流分布可使我们吸 收 嗦 将调节腔长的活塞做成不接触式的，这 一方面可以避免额外的损耗，另一方面 对某些不需要的干扰波型也有抑制作 用。 最后T EO， 模的场为圆周对称分布， 由于 无极化简并波型，故不存在圆极化 简并引起的不稳定性。 T E o 1 1 波型由于 是高阶波犁，所以容易产生低阶波烈的 干扰，但可以通过选择腔体的尺寸和激 励方式及采取其它办法最人限度地抑制 某些可能出现的干扰波烈本文设计中 借助圆柱形谐振腔“ 波型图”( 或“ 模式图” 愉出波 学 四分之波长 阳扒变换器 极诀 图t 振荡器结构 ) 来尽可能地消除干扰波划， 选取 0 几目. 67， 式中D为圆柱形谐振腔的直 径，定为127 m 。 ，L为腔长 同轴电路: G unn_极管装在同轴线的一端，同轴线通过个人的椭圆拙合孔与圆 柱形谐振腔进行磁场祸合。同轴线的另一 端接徘形吸收负载川来饱定振荡一 个完全锥 形的 ( 匹配的)终端，山于 功率的消耗可以保证最稳定的 _ 作，泪以降低效率为代价二 I OG 囚此为了 提高效率，终端阳抗必须减小使招消耗在终端的功率较小阳将史多 的功率祸 台到圆柱形传输辟设计 卜 我们制作了儿种不同材半 : 和不同形状的吸收负载，来扶取最 佳的结果。同轴线内外导体尺寸 之比选为 b /a 二 2 ，4 铆 寸 ，b为同物外导体l 干 径，尺寸定为 3 2 m m a为内导体百行实验中我们也改用过不同尺寸的内导体，但对改善振荡器性 能不明显。同时使) 月了 四分之一波民阻抗变换器，川以实现电路的良好匹配G unn _ 极管到输入拙合孔之间的距离设 计为略小J3 /2人 祸合 孔设计考虑:本文设计的G un门 振荡器结构等效电 路如图2 所小.图中2为 匹 配负 载， R (、 代表同 轴电 路 终端吸收负 载电阻， 一 Y d 代表 耿氏 一 极管器 件浮 纳， 2 ， 为 四 分 之一阻抗变换器特性阻抗，圆柱形传输稳频腔用 R 、L 、C的并联1 匕 路衣刁，输入、输 出 祸合孔分别川变比为 ! :n . 和变比为 。 2 :!的两 理想变压器代替根据振荡器 振荡 条 rl和简化等效电路可得出电路效率q、稳定系数5 的表达式 2 刀 . 刀 ， 叩 .= ( 1 + 刀 2 ) ( 1 + 2 刀 . + 刀 : ) 图2 振荡器件效电路 式中日 . 为同 轴电 路到传输腔的输入祸合系数，尸 为传输腔ylJ负载的输出祸合系数从该式可知， 增人扫有利于电 路效率的提高 电路稳定系数 5 可表示为: 。 引2 八 5=卜 三 . 一 一一 二 之 土_ _ G、 ( 1 + 刀 : ) ( 1 + 2 刀 . + 刀 : ) 式中Q. 、 为谐 振腔的无 载Q 值， Q. . 为 一 极管的Q 值. 从 此式可以 石出 ，在其 它条 州 不变的 情况卜 Q : 越高， 5 越人;日 . 越人， 5 越人:已 : 越小， 5越人. 囚 此设 计 考 虑 时我们采用紧祸合输入1而采用弱祸合输出，输入椭圆祸合孔定为 从4 二又; 2 二输 出锅合孔定为中21 。 们的圆孔。 四.侧试结果 NH一) 一 根据传输腔稳频的丛本思 想及其典型电路结构特户 、 ，我们 没计了一K a频段高 Q圆柱形传 输腔稳频的 u nn 振荡器，汀改 室温 卜 对其进行了 测试测试结 果为:该振荡器在月 机后两小11 寸 狮 ! 偏不超过 Z M H z ，敏率一时门 蓦 3 : 1 :今 吕 6 3 :飞 3 8 5 _ 吕 3 3 3 8 污 :飞 3 3 吕 4 石 : : 亏 3 8 4 :1 3 :弓 5 3 5 凡 : 弓 3 8 : 弓 :瑞 : 互 3 只 2 5 屯 : 考 3 日 2 谗 补 11 5弓 日4 万日: 丁 时陌 ( 分钟 图3 振荡器领件一时川戈 分 州 私 门亡曰 ，于曰 弓 2 . 63 2 93 3 艺， 弓 :瑞 _ 43 . 了 频率 G 阶少 1 4 气 特性见图 3 振荡器具有约 14 G H z 的机械调谐带宽和人丁 1 0 m w的带 内功率，输出功率随频率变化的关 系曲线由图4 所示.振荡器在偏离 中心额率 ( 3 3 . 3 G l l z )1 0 0 k 日 :处测 得振荡器相噪为一 9 8 _ 2 8 d B c / H z ，相 噪特性见图5 . 图遭 振荡器输山功率一频率特性 圆卜 一 旅 -门 门 口门飞门芍一 几 从 :口一 l t 门一 到巴口刁1氏 二 门l州 困 引陌1门门广 1 曰 国圃髓碾曰目目目 擞鲤 翼募鲁葡翻黔 愈 户目 圈脚 碗 晌 踢 司. 矗 喇 石 留 . 旧 呀11 几 玛尸丫巫 . 图曰国问酬酬蘸箭 止 丝曰 囚曰囚目圈翩窿 目麟曰 ，种曰.口.目一二 峨 烈 穷 劲 ， 釜 加1 曲油 0， 一 洲台欲昭吕 r 界口 图5 振荡器相噪特性 参考文献: 【 1 JR O B E TA S H L E YA N DCB . S E A R L ES， M l c r o w a v eo s c l l l l t o rN o 1 、 。R e d u c t i o nb l aT r a n s m i s s i o ns t a b i l l z i n gC a v i t y 甲 I E E ET R A N S C T I O N SO NM I C R 洲A V ET H E O 尺 Y A N DT E C l l N I Q U E S ， V O L . M T T 一 1 6 ， N O . 9 ， S E PTE 姗E R 1 9 6 8 【 2 1 S H I GE MI C H I N A G A N O ， ，AL o w 一 N o i s e 8 0 一 G H z s i i c o nI MI叭T TO s c i l a t o r H ig h 少 S t a b i l i zedw 1 t h a Tra n s m i s s i o n C a v ity， I E E ET ran s 一 Mic r o wav e T l l e o r ) Tec h ， v o 】 . MT T 一 2 2 ，N o . 1 2 ， D 扎e m b e r l 9 7 4 3 1 K L A U S S C H U N E M A N N N” O n t l1 e Ma t c h i n g o f Tra n s m i s s lo n C a v i t y S 砚 a b i l lz e d M i c rowa V eos c i l ! a t o 陈， ”I EEETRANS CT! ONSON MI CRO认毛 入 VETHEOR Y A N D DT E C H NI Q U E S S . V O LMI ， 丁 ，一 2 6 ，N O .3 MA R C H1 9 7 8 汀 4 1 B e rn a rdR Van d e r H y d e n ， ， D e s l g n o f S l a b l e ，