射頻微波電路導(dǎo)論課件(西電版)第9章

1、射頻/微波振蕩器是用來產(chǎn)生射頻/微波信號的器件。固體振蕩器核心是一個有源非線性器件（如而二極管和晶體管）和一個諧振電路?；镜木w管振蕩器電路在低頻下使用，包括著名的哈特萊（Hartley）和考畢茲（Colpitts）結(jié)構(gòu)和晶體控制振蕩器在較高頻率處可以使用偏置于負(fù)阻工作點的二極管或晶體管以及腔體、傳輸線或者介質(zhì)振蕩器以達(dá)到高達(dá)100GHz的基頻振蕩，另外采用頻率倍增器也可以獲得較高的頻率輸出振蕩器基本指標(biāo)振蕩器基本指標(biāo)1 頻率精度2 頻率穩(wěn)定度（PPM/） 典型頻率穩(wěn)定度2 PPM/0.5 PPM/3 電源牽引（Hz/V）4 AM和FM噪聲（dBc/Hz）-相位噪聲 是輸出信號的時域抖動的頻

2、域等效 典型相噪在偏離載波10KHz處為80dBc110dBc5 諧波（dBc）6 調(diào)諧范圍（MHz/V）正弦振蕩器的基本工作原理正弦振蕩器的基本工作原理輸出電壓表示為)()()()(00AVHAVVi其中A為放大器電壓增益，H()為反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù))()(1)(0iVAHAV在某個頻率下，上式分母成為零，就有可能在輸入電壓為零時輸出電壓不為零，因此形成振蕩器。這叫奈奎斯特準(zhǔn)則(Nyquist)。與放大器設(shè)計不同，振蕩器依賴于不穩(wěn)定性電路晶體管振蕩器電路原理晶體管振蕩器電路原理晶體管振蕩器的一般電路將V3和V4連接起來就可以構(gòu)成反饋，而且這一電路可以分別在V2、V1和V4接地構(gòu)成共發(fā)射極/源

3、極、共基極/柵極或共集電極/漏極結(jié)構(gòu)寫出上原理圖的四個節(jié)點的基爾霍夫方程，得出下面的矩陣方程00)(0)()()(0)()(43210032230202113131VVVVGgGgYYYYGYgGGYYgGYYGYGYYmmmimiii對于該矩陣方程，若電路第i節(jié)點接地，則矩陣方程可以消去第i行和列，使矩陣階數(shù)減1。若兩個節(jié)點連接在一起，則矩陣相應(yīng)行和列相加對于共發(fā)射極的雙極型晶體管振蕩器，V20，并從集電極反饋以使V3V4V，這矩陣方程可以簡化為0)()()(1323331VVYYYgYGYYmi對于非零的V1和V，上式成立的條件是矩陣行列式為零若反饋網(wǎng)絡(luò)僅包含無耗電容和電感，則有Y1jB1

4、，Y2jB2和Y3jB30)()(323331BBjjBgjBBBjGmi分別使用行列式的實部和虛部等于零的到兩方程0111321BBB01)1 (123BGgBim0321XXX把電納轉(zhuǎn)為電抗，取X1=1/B1, X2=1/B2和X3=1/B3,則可將上兩式改寫為21XGgXim因為 和 是正值，所以X1和X2是相同符號，因而兩者都是電容或都是電感，而X3必須與X1和X2的符號相反，是相反電抗的元件mgiG若X1和X2是電容，X3是電感，就得到考畢茲振蕩器可以解出振蕩器的頻率為)(1212130CCCCL12migCCG振蕩的必要條件若X1和X2是電感，X3是電容，就得到哈萊特振蕩器可以解出

5、振蕩器的頻率為)(12130LLC21migLLG振蕩的必要條件晶體振蕩器晶體振蕩器 石英晶體有安裝在兩個金屬板之間的石英切片構(gòu)成，通過壓電效應(yīng)可以在晶體中激勵機(jī)械振蕩，其等效電路為 石英晶體的Q值可以高達(dá)100，000，并且頻率漂移小于0.001%/,因而石英晶體振蕩器可以獲得更好的頻率穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性由等效電路可知串聯(lián)和并聯(lián)諧振頻率s和p，分別為LCs1)(100CCCCLp晶體諧振器的輸入阻抗為 可以看出在串聯(lián)和并聯(lián)諧振之間的頻率范圍內(nèi)電抗石感性的，這就是晶體使用的工作點，可以用晶體代替哈萊特或考畢茲振蕩器的電感微波振蕩器單端口微波振蕩器單端口RF負(fù)阻振蕩器負(fù)阻振蕩器ZinRinjXi

6、n是有源器件（比如偏置二極管）的輸入阻抗，通常這一阻抗與電流（或電壓）有關(guān)，也與頻率有關(guān)，可表示為Zin( i,j)=Rin( i,j)+jXin(i,j)應(yīng)用基爾霍夫電壓定律可得0)(IZZinL0inLRR0inLXX若振蕩產(chǎn)生，使得RF電流I不為零，則下述條件必須滿足因為負(fù)載是無源得，RL0，則Rin0，其中正電阻表示能量消耗，負(fù)電阻表示提供能量的源，而電抗等式條件控制頻率。對于穩(wěn)態(tài)振蕩有ZL-Zin，則反射系數(shù)有下述關(guān)系inininininLLLZZZZZZZZZZZZ1000000振蕩過程依賴于Zin的非線性特性。開始，整個電路必須在某一頻率下出現(xiàn)不穩(wěn)定，即 ，然后任意的激勵或者噪聲

7、將在頻率引起振蕩當(dāng)I增加時 應(yīng)變成較小的負(fù)值，直到電流達(dá)到I0，使得 和振蕩過程振蕩過程滿足上述條件后，振蕩器在穩(wěn)態(tài)下運行，最后形成振蕩頻率0通常不同于起振頻率，因為Xin與電流有關(guān)，因此0),(LinRjwIR),(jwIRin0),(00LinRjwIR0),(),(0000jwIXjwIXLin),(),(00jwIXjwIXinin例如：單端口振蕩器使用負(fù)阻二極管，對于f6GHz，在要求的工作點處具有 ，為50歐的負(fù)載阻抗設(shè)計匹配電路)50(4025. 10Zin解：從Smith圓圖或者直接計算的輸入阻抗為由穩(wěn)態(tài)振蕩的阻抗關(guān)系式可得負(fù)載阻抗必須是用并聯(lián)短截線或串聯(lián)傳輸線將50歐轉(zhuǎn)換為Z

8、L得12344jZin12344jZL晶體管振蕩器晶體管振蕩器在放大器設(shè)計時，希望器件具有高度穩(wěn)定性（無條件穩(wěn)定）。而對于振蕩器，我們需要具有高度不穩(wěn)定性，把潛在不穩(wěn)定的晶體管終端連接一個阻抗，選擇它的數(shù)值使得在不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)驅(qū)動器件，就可以有效建立負(fù)阻單端網(wǎng)絡(luò)對于共源或共柵FET電路（共發(fā)射極或共基雙極晶體管電路）常常引入正反饋的方式增加晶體管的不穩(wěn)定性選定晶體管電路結(jié)構(gòu)以后，在 平面畫出輸出穩(wěn)定性圓，并且選擇 使在晶體管的輸入處產(chǎn)生大的負(fù)阻抗，然后選擇負(fù)載阻抗ZL和Zin匹配T3inLRRinLXX由于設(shè)計使用了小信號S參量，由于振蕩功率建立起來后Rin將變得不夠負(fù)，這就需要選擇RLRin0的

9、點時振蕩將停止，實際上常取T當(dāng)振蕩發(fā)生在負(fù)載網(wǎng)絡(luò)和晶體管之間時，輸出端口能否也產(chǎn)生振蕩？對于輸入端的穩(wěn)態(tài)振蕩，必須由 ，則可得1inLTTTTinLSSSSSS22112221121111121122211SSSS其中求解出LLTSS22111LLLLoutSSSSSS11221121122211可以證明 ，滿足了終端網(wǎng)絡(luò)的振蕩條件 1outT例如：應(yīng)用共柵電路結(jié)構(gòu)的GaAs FET設(shè)計一個工作于4GHz的晶體管振蕩器，其中與柵極串聯(lián)一個5nH的電感以增加不穩(wěn)定性。選擇一個與50歐匹配的終端網(wǎng)絡(luò)和適當(dāng)?shù)恼{(diào)諧網(wǎng)絡(luò)。共源電路結(jié)構(gòu)的晶體管S參量為（Z050歐）：5473. 05703. 0766 .

10、 211672. 022122111SSSS解：解：首先將共源結(jié)構(gòu)的S參量轉(zhuǎn)換成帶有串聯(lián)電感的共柵電路結(jié)構(gòu)的晶體管S參量9675. 23518. 22111SS15552. 01826. 12212SS3308. 1|)(22221122SSSCT對比可知|S11|比|S11|大很多，這表明加電感的結(jié)構(gòu)比共源結(jié)構(gòu)更不穩(wěn)定計算的輸出穩(wěn)定園的參量，得到665. 0|22222112SSSRT因為|S11|2.11,所以穩(wěn)定區(qū)域在圓內(nèi)，如圖所示。在選擇 時，存在的自由度很大，但是一個目的是使得 取大值，經(jīng)過多次選擇選取穩(wěn)定圓相對一邊的 T10459. 0Tin所得電路原理圖對應(yīng)輸入端的輸入反射系數(shù)為

11、4.296.3122211211TTinSSSS9 . 184jZin3520jZT輸入阻抗為所選終端反射系數(shù)對應(yīng)的終端阻抗為根據(jù)振蕩器負(fù)載端阻抗的選擇公式可得9 . 1283jjXRZininL分別設(shè)計輸入端匹配電路和輸出端匹配電路可得電路原理圖介質(zhì)諧振器振蕩器介質(zhì)諧振器振蕩器集總參數(shù)元件或者微帶線和短截線構(gòu)成的諧振網(wǎng)絡(luò)的典型Q值量級限制在幾百，而波導(dǎo)腔諧振器的Q值可以達(dá)到104或者更高，但是不適合集成在小型的微波集成電路里，而且隨溫度的變化由很大的頻率漂移介質(zhì)諧振器可以由高介電常數(shù)陶瓷構(gòu)成，不僅體積小便于平面電路集成，而且溫度穩(wěn)定性好，未加載Q值可以達(dá)到幾千，可以應(yīng)用到整個微波和毫米波頻段

12、典型的介質(zhì)諧振器：工作于TE01模的圓柱型介質(zhì)諧振器和TEM模的介質(zhì)同軸型諧振器介質(zhì)諧振器和微帶線之間的耦合介質(zhì)諧振器和微帶線之間的耦合圓柱介質(zhì)諧振器工作于TE01模式，與微帶線的邊緣發(fā)生磁場耦合，耦合強(qiáng)度取決于諧振器與微帶線之間的間隔d，通過磁場耦合，諧振器表現(xiàn)在微帶線上是串聯(lián)負(fù)載，等效電路如圖介質(zhì)振蕩器的并聯(lián)反饋布局介質(zhì)振蕩器的并聯(lián)反饋布局并聯(lián)反饋布局采用諧振器耦合到兩條微帶線，其功能是最為高Q帶通濾波器將一部分晶體管輸出返回輸入端。調(diào)節(jié)諧振器與微帶線之間的間距可以調(diào)整耦合量，調(diào)節(jié)微帶線長度可以調(diào)節(jié)相位介質(zhì)振蕩器的串聯(lián)反饋布局介質(zhì)振蕩器的串聯(lián)反饋布局單條微帶線饋線一般沒有并聯(lián)反饋的調(diào)諧范圍

13、寬，但是設(shè)計和調(diào)試過程要相對簡單一些典型的單端反饋布局的振蕩器介質(zhì)振蕩器放在距微帶線開路終端/4處，可以調(diào)節(jié)傳輸線長度lr就可以與需要的 值的相位匹配L122122111LoutLS SSS上式表明1-S11 3outToutRZjXL2|180rj lLLe 對于介質(zhì)振蕩器，由介質(zhì)振蕩器的等效電路可知，從微帶線看到的諧振器等效阻抗在諧振頻率處是實數(shù)，所以在這點反射系數(shù) 的相角是零或者180，對于欠耦合并聯(lián)RLC諧振器有RZ0,相角應(yīng)該取180，所以有根據(jù)上式可以求出Lr的值，并進(jìn)一步可以求出諧振時諧振器的等效阻抗以及耦合系數(shù)等參數(shù)011LLLZZ out隨頻率變化的曲線從輸出端反射系數(shù)可以證

14、明介質(zhì)諧振器能夠獲得尖銳的頻率選擇性壓控振蕩器（壓控振蕩器（VCO）壓控振蕩器是靠改變調(diào)諧電壓來改變振蕩器輸出的頻率，是頻率合成器的核心器件之一變?nèi)莨苡质荲CO的核心器件之一，靠改變加載變?nèi)莨軆啥说姆聪螂妷簛砀淖儽热莨艿牡刃щ娙?，從而實現(xiàn)振蕩頻率的改變變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管是利用二極管在反向偏置條件下，勢壘電容隨外加電壓而變化的一種器件變?nèi)荻O管符號變?nèi)莨艿钠秒娐纷內(nèi)莨艿钠秒娐菲渲蠨1是變?nèi)莨?，電容C1是隔直電容（C1容量一般比變?nèi)莨艿刃щ娙荽笤S多）；電阻R1取值在10470K，起到對變?nèi)莨芷鹣蘖髯饔?，同時也把二極管和其他電路隔離開；電容C2起到RF退耦作用一種典型的一種典型的LC壓控振蕩器壓控振蕩器電容0.01uF交流短路，晶體管就構(gòu)成共基形式，兩個背靠背串聯(lián)的變?nèi)荻O管D1和D2與電感L組成并聯(lián)LC回路，回路輸出電壓通過電容C（10pF）反饋回輸入端，構(gòu)成正反饋，這四個器件共同決定振蕩頻率振蕩器的相位噪聲振蕩器的相位噪聲相位噪聲歸因于振蕩器信號頻率（或相位）的短期隨機(jī)起伏相位噪聲會引起檢測數(shù)字調(diào)制信號時的不確定性，造成誤碼率增加增