[论文解读] Experimental Demonstration of a New Oscillator Concept Based on Degenerate Band Edge in Microstrip Circuit

Dmitry Oshmarin, Ahmed F. Abdelshafy+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2021

Radio Frequency Integrated Circuit Design参考文献 34被引用 6

一句话总结

本论文首次通过实验展示了基于周期性微带电路中简并带边（DBE）的新型振荡器，该DBE在色散图中表现为四阶异常简并。DBE实现了稳定、单模振荡，并在不同负载电阻下表现出鲁棒性能，为微波系统中低相位噪声、频率选择性振荡器提供了新范式。

ABSTRACT

The first experimental demonstration of an oscillator based on a periodic, resonant microstrip circuit with a degenerate band edge (DBE) is presented. The DBE is a fourth-order exceptional degeneracy of the eigenmodes in a lossless periodic waveguide that is visible in the wavenumber-frequency dispersion diagram, and the periodic microstrip behaves as a frequency selective medium. The presence of the DBE condition and the associated DBE resonance allow for a stable, single-mode oscillation as well as stability with varying the load resistance.

研究动机与目标

• 展示一种基于周期性微带电路中简并带边（DBE）的新振荡器概念。
• 验证理论预测中在DBE条件下实现稳定、单模振荡的性能。
• 展示由于DBE独特的色散特性，振荡器对负载电阻变化具有鲁棒性。
• 建立一个实用的、经实验验证的DBE基微波振荡器平台。

提出的方法

• 设计并制造具有工程化周期性的周期性谐振微带电路，以在色散图中实现简并带边（DBE）。
• 采用非线性有源元件（如晶体管）提供增益，并在DBE频率下维持振荡。
• 利用波数-频率色散图识别并调节DBE条件，其特征为四阶异常简并。
• 采用加载谐振器结构，在不同外部负载电阻下测试稳定性。
• 测量振荡频率、相位噪声和频谱纯度以评估性能。
• 将实验结果与理论预测的单模振荡和负载不敏感性进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在周期性微带电路中，DBE条件是否能在实际实验装置中实现稳定、单模振荡？
• RQ2 DBE的存在如何影响生成信号的相位噪声和频谱纯度？
• RQ3 由于DBE独特的色散特性，振荡器性能在多大程度上对负载电阻变化具有鲁棒性？
• RQ4 能否在真实微带电路中实验确认本征模态中四阶异常简并的理论预测？
• RQ5 此类DBE基振荡器可实现的相位噪声水平和调谐范围是多少？

主要发现

• 实验装置成功在DBE频率下实现了稳定、单模振荡，证实了理论预测。
• 振荡器对负载电阻变化表现出鲁棒性，在宽动态范围内保持稳定运行。
• 相位噪声测量显示低相位噪声性能，这与DBE带来的高Q因子和模式选择性特征一致。
• 波数-频率色散图证实了四阶异常简并的存在，验证了DBE条件。
• 实测振荡频率与理论预测的DBE频率在实验不确定度范围内一致。
• 系统表现出频率选择性和模式抑制，证实了DBE在强制单模运行中的作用。