一種HBAR諧振器及可調諧微波振蕩器的製作方法

2023-11-03 20:01:07

本發明涉及微波射頻領域，尤其涉及一種hbar諧振器及可調諧微波振蕩器。

背景技術：

隨著無線通信設備的飛速發展，微波射頻領域受到了人們的廣泛關注。頻率的產生源是大部分電子系統不可或缺的組成部分，特別是對微波毫米波頻率源的性能指標要求也越來越高。在很多現代無線通信系統中，一些可調的信號源比如壓控振蕩器也廣泛應用於手機、衛星通信、雷達等電子系統，因此對微波頻率源以及可調頻的微波頻率源的研究具有重要的意義。

傳統的微波信號源的設計一般是採用石英晶體諧振器在低頻下產生振蕩(一般為幾兆赫～幾十兆赫)，然後採用倍頻的辦法形成高頻信號，這樣做的缺點是造成線路複雜、體積大、成本高，同時經過幾次倍頻之後，相位噪聲變大。採用介質同軸諧振器雖然可直接工作在ghz，具有較好的溫度特性，但是成本較高，q值較低，體積較大；採用聲表面波諧振器雖然具有較高的q值，但由於其固有的叉指結構，受限於加工工藝的精度，很難將工作頻率擴展到ghz以上，而且製作成本較高。

隨著現在各種可攜式的電子設備以及軍事設備的快速應用，使得現在的可調振蕩器組件不斷向小型化、高頻率、高穩定性的方向發展。傳統的基於lc或者晶體諧振器的壓控振蕩器雖然可以產生參考頻率信號，但是頻率較低，所需的各種頻率信號再由這個信號經分頻、混頻或倍頻而得到。但與此同時也會帶來電路複雜、體積大而笨重、相位噪聲變大等問題。

技術實現要素：

本發明的目的是解決現有技術中存在的缺陷。

為實現上述目的，本發明第一方面提供了一種hbar諧振器，主要由頂電極、壓電薄膜和底電極組成的夾心換能器結構和其下的基底層構成，頂電極和底電極採用離子鍍鉻-金膜製備，壓電薄膜採用直流磁控濺射zno製備，基底層採用低損耗的藍寶石。

本發明第二方面提供了一種可調諧微波振蕩器，包括hbar諧振器、功率放大器和調諧器，其中，hbar諧振器具有高q值和多模諧振特性，決定環路振蕩頻率，功率放大器採用低噪聲係數的元器件組成，用於對信號功率進行放大，調諧器用於篩選目標頻率信號，通過調節調諧器，使hbar諧振器工作在不同模式上，以改變可調諧微波振蕩器環路輸出頻率。

優選地，功率放大器主要由高頻低噪聲三極體和第一電阻、第二電阻、第三電阻、第三電容、第四電容構成，調諧器主要由第一電容、第二電容和電感組成的lc並聯諧振電路構成，hbar諧振器一端接地，另一端與功率放大器連接。

優選地，hbar諧振器具有多模諧振特性，通過調整調諧器改變輸出頻率，調諧方法採用程序控制、電壓控制、開關控制等方法中的任意一種。

優選地，lc並聯諧振電路計算公式為：其中

優選地，高頻低噪聲三極體為nec公司的三極體2sc4226。

附圖說明

圖1為本發明提供的hbar諧振器結構示意圖；

圖2為本發明提供的一種可調諧微波振蕩器簡化電路示意圖；

圖3為本發明提供的一種可調諧微波振蕩器兩相鄰模式的頻譜圖。

具體實施方式

下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。

圖1為本發明提供的hbar諧振器結構示意圖，hbar諧振器1是由頂電極10、壓電薄膜11和底電極12組成的夾心換能器結構110和其下的基底層13構成的。

具體地，hbar諧振器1採用mems工藝製備；其中，頂電極10和底電極12採用離子鍍鉻-金膜製備，壓電薄膜11採用直流磁控濺射zno製備，基底層13為低損耗的藍寶石。

具體地，hbar諧振器1在外加電場作用下，壓電薄膜11作厚度方向的伸縮振動，壓電薄膜體聲波換能器110將一部分能量注入低損耗的基底層13諧振腔中形成駐波，從而產生諧振。hbar的一個重要特點是具有多個分立諧振頻率，其頻率間隔是δf＝2v/dm，其中v為基底材料聲速，而dm為基底材料厚度。

具體地，本發明提供的hbar諧振器1，與傳統的石英晶體諧振器、介質諧振器、聲表面波諧振器相比，具有體積小、高q值的優勢。根據hbar諧振器1的q值計算公式：

可以得到hbar諧振器1的q值，其中f為諧振頻率，為輸入阻抗的相位。本發明提供的hbar諧振器1的q值在104量級，這與產生信號的相位噪聲密切相關，即諧振q值越高，噪聲越低，反之諧振q值越低，噪聲越高。因此本發明提供的可調諧微波振蕩器體積更小、相位噪聲更低。

作為具體實施例，本例中hbar諧振器1採用的是低損耗的藍寶石作為基底層13，基底厚度400um，hbar的一個重要特點是具有多個分立諧振頻率，其頻率間隔是δf＝2v/dm，其中v為基底材料縱波聲速，而dm為基底材料厚度。藍寶石材料中的縱波聲速為11350m/s，可以計算得到該hbar諧振器的諧振模式頻率間隔大約為14mhz。

圖2為本發明提供的一種可調諧微波振蕩器簡化電路示意圖，包括hbar諧振器1、功率放大器2和調諧器3。

具體地，功率放大器2主要由高頻低噪聲三極體t和第一電阻r1、第二電阻r2、第三電阻r3、第三電容c3、第四電容c4構成，調諧器3主要由第一電容c1、第二電容c2和電感l組成的lc並聯諧振電路構成，hbar諧振器1一端接地，另一端與功率放大器2連接。

具體地，hbar諧振器1，具有高q值和多模諧振特性，決定環路振蕩頻率，功率放大器2採用低噪聲係數的元器件組成，用於對信號功率進行放大，調諧器3用於篩選目標頻率信號，通過調節調諧器3，使hbar諧振器1工作在不同模式上，以改變可調諧微波振蕩器環路輸出頻率。

具體地，hbar諧振器1具有多模諧振特性，通過調整調諧器3改變輸出頻率，調諧方法採用程序控制、電壓控制、開關控制等方法中的任意一種。

具體地，高頻低噪聲三極體為nec公司的三極體2sc4226。

具體地，對于振蕩波來說，電路中的並聯諧振頻率必須在hbar諧振器1的頻率附近。電感l或者電容c可以採用可變電感或者可變電容的形式，在忽略三極體內部電容、pcb的寄生電容的情況下，由c1、c2並聯l組成的lc並聯諧振電路f計算公式如下：

其中

這僅為進一步優化提供了初始的參考值，實際電路要複雜得多，因為實際電路中存在很多寄生電容的影響，這在微波電路中是不容忽視的，比如三極體的極間電容，pcb電容等。r1，r2和r3是直流偏置電阻。當通電以後，lc電路中產生振蕩時，可調諧微波振蕩器就開始工作，工作頻率通過l、c1、c2來調整。lc自由振蕩頻率應與hbar諧振器1的目標諧振頻率非常接近，這樣可調諧微波振蕩器才會穩定在期望的目標頻率上。也可以通過採用壓控或者程控的方式對迴路的調諧器進行調整，從而可以達到調頻的目的。

圖3為本發明提供的一種可調諧微波振蕩器兩相鄰模式的頻譜圖，本發明提供的電路頻率為1.302ghz，這正好是hbar諧振器1的諧振模式之一，測試得到輸出信號的頻譜，且通過調整調諧器在兩相鄰諧振模式之間實現了調頻功能，頻率間隔14mhz。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。