第六章微波振蕩器

第六章微波振蕩器振蕩器:使用有源非線性器件（如二極管和晶體管）以及無源諧振元件，將DC轉(zhuǎn)換成穩(wěn)態(tài)微波信號；設(shè)計(jì)目標(biāo)：低噪聲、小體積、低成本、高效率、高穩(wěn)定、高可靠；寬帶可調(diào)、線性調(diào)諧、更短建立時間；主要內(nèi)容負(fù)阻二極管與振蕩晶體管負(fù)阻振蕩器的一般理論負(fù)阻振蕩器電路微波晶體管振蕩器§6.1引言振蕩器主要分類1）二極管振蕩器——高振蕩頻率（400/150GHz）A、碰撞雪崩渡越時間（IMPATT）二極管——高功率、高效率(15%)；B、轉(zhuǎn)移電子器件（Gunn）二極管——低相位噪聲；2）三極管振蕩器——高功率、高效率（40%）、寬帶可調(diào)、頻率穩(wěn)定、工作溫度低、高可靠；低振蕩頻率（40GHz/10mW）3）石英/鎖相式/倍頻鏈?zhǔn)?介質(zhì)晶體振蕩器——高穩(wěn)定、低頻

4）頻率可調(diào)振蕩器A、釔鐵石榴石（YIG、鐵氧體材料）調(diào)諧——寬帶B、變?nèi)莨苷{(diào)諧——高效、小體積§6.2負(fù)阻二極管與振蕩晶體管應(yīng)用：

1、雪崩渡越時間二極管——極高頻/400GHz2、轉(zhuǎn)移電子器件-體效應(yīng)二極管Gunn管是用N型半導(dǎo)體材料如GaAs、InP等制成的二端子負(fù)阻器件。Gunn管不包含任何結(jié)，而是利用半導(dǎo)體材料內(nèi)物理效應(yīng)（體效應(yīng)）的固態(tài)微波器件。這種器件利用了電子在能谷間的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生負(fù)阻，所以它也被稱為轉(zhuǎn)移電子器件（TED），其工作頻段為1～140GHz，輸出功率為十至幾百毫瓦，效率最高可達(dá)30%～35%，但一般都低于10%或更小。Gunn管與適當(dāng)?shù)恼袷庪娐愤B接時，便可得到各種模式的振蕩，其優(yōu)點(diǎn)是噪聲大大低于雪崩管。振蕩晶體管雙極晶體管振蕩器——已成為重要的微波頻率源

相位噪聲低、頻率穩(wěn)定性好、動態(tài)范圍寬、效率高、輸出功率可以從毫瓦到幾瓦，一般采用共基極電路。振蕩GaAsFET管1）共柵振蕩電路：容易調(diào)諧，但由于柵端散熱性能差，限制了輸出功率；2）共源振蕩電路：散熱好，增益高，但從漏極到柵極的回路難以控制和調(diào)諧；3）共漏振蕩電路：既有良好的散熱特性，又可較容易的控制頻率，另外影響器件高頻性能的寄生參量，在共漏振蕩電路中也被減至最小，從而增大了調(diào)諧范圍?！?.3負(fù)阻振蕩器的一般理論負(fù)阻振蕩器起振、平衡條件振蕩器工作點(diǎn)的穩(wěn)定性負(fù)阻振蕩器起振條件在研究振蕩的起振條件時，振蕩處于“小信號”狀態(tài)，jXD（I）可用jXD（0）表示。通常jXD（0）為容抗，因此要求負(fù)載阻抗Z（ω）中的電抗jX(ω)為感抗，與jXD（0）構(gòu)成串聯(lián)諧振回路；分別表示為下圖（a）中元件C和L。圖中

RD(0)為負(fù)阻器件的小信號負(fù)阻，R(ω)為外電路電阻。(a)串聯(lián)振蕩回路(b)并聯(lián)振蕩回路起振時包含負(fù)阻器件的振蕩回路

負(fù)阻振蕩器起振條件為了使起始振蕩能夠建立起來，要求負(fù)阻器件的小信號電阻

RD(0)的絕對值大于負(fù)載阻抗中的電阻R(ω)，即起振條件為為確保起振容易，應(yīng)選擇負(fù)阻振蕩器平衡條件

在穩(wěn)態(tài)振蕩時，回路總阻抗必等于零，也即器件的負(fù)阻值必須和電路的電阻值相等；器件電抗和電路電抗數(shù)值相等且符號相反?；蛘袷幤鞴ぷ鼽c(diǎn)的穩(wěn)定性定義：如果由于某種原因使振蕩偏離原來的平衡點(diǎn)，而當(dāng)引起偏離的因素消失后，振蕩器仍能恢復(fù)到原來的狀態(tài)?！?.4負(fù)阻振蕩器電路負(fù)阻振蕩器的設(shè)計(jì)二極管負(fù)阻器件的大信號等效阻抗：通常采用測試方法獲得器件的值。匹配電路設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)的匹配電路應(yīng)使振蕩器滿足起振條件、平衡條件及最大輸出功率要求。此外，還應(yīng)考慮振蕩器的穩(wěn)定性。直流偏置電路：直流偏置電路應(yīng)盡量減小對振蕩器的影響。頻率調(diào)諧：頻率調(diào)諧可以采用機(jī)械的、電子的、數(shù)字的和光的調(diào)諧方式，尤以機(jī)械和電子調(diào)諧方式為主。負(fù)阻振蕩器基本電路微帶型負(fù)阻振蕩器同軸腔負(fù)阻振蕩器波導(dǎo)腔負(fù)阻振蕩器鰭線振蕩器YIG調(diào)諧振蕩器微帶型負(fù)阻振蕩器(a)微帶電路結(jié)構(gòu)(b)等效電路偏置電路：1-體效應(yīng)管偏置輸入；2-變?nèi)莨芷幂斎耄?-偏置線；8-接地塊；9-旁路電容；調(diào)頻電路：4-變?nèi)莨埽?-諧振線；3-體效應(yīng)管優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便；缺點(diǎn)：損耗大、頻率穩(wěn)定性差、低頻、小功率同軸腔/波導(dǎo)腔負(fù)阻振蕩器(a)同軸腔——寬帶，C波段（8GHz）以下；(b)波導(dǎo)腔——略窄（5~20%），18GHz以上廣泛；低損耗、低噪聲、高穩(wěn)定；鰭線振蕩器主要用于毫米波段，調(diào)諧帶寬百分之幾，效率低YIG（釔鐵石榴石）調(diào)諧振蕩器YIG調(diào)諧振蕩器原理圖§6.5負(fù)阻振蕩器的頻率穩(wěn)定相位平衡條件：提高頻率穩(wěn)定度的一般方法負(fù)阻振蕩器的串聯(lián)電路模型減小外界變化因素——機(jī)械振動；電源電壓變化；環(huán)境溫度變化；減小電路參數(shù)隨外界因素的變化——具有不同溫度膨脹系數(shù)的材料；提高腔體Q值——降低損耗；適當(dāng)減少耦合輸出；外腔穩(wěn)頻法——附加高Q穩(wěn)頻腔；注入鎖定法——用小功率高頻穩(wěn)振蕩器控制大功率低頻穩(wěn)振蕩器；環(huán)路鎖相法——選取小功率高頻穩(wěn)微波信號作為基準(zhǔn)信號并進(jìn)行鑒相（也可混頻后在中頻鑒相或采用取樣鎖相）外腔穩(wěn)頻振蕩器電路(a)反射式高Q腔穩(wěn)頻（b）頻帶反射式高Q腔穩(wěn)頻振蕩器（c）介質(zhì)諧振器穩(wěn)頻的體效應(yīng)管振蕩器注入鎖相原理原理框圖典型的鎖相環(huán)路具有N次倍頻器的鎖相環(huán)微波振蕩器直接由晶振控制微波VCO的鎖相環(huán)路§6.6負(fù)阻振蕩器的調(diào)頻和調(diào)幅噪聲

由一些非確定性因素（隨機(jī)的）影響，使振蕩頻率隨機(jī)起伏，稱之為瞬時頻率穩(wěn)定度。頻率的瞬變將產(chǎn)生調(diào)頻噪聲和相位噪聲。振蕩器的振蕩幅度也可能由于各種隨機(jī)因素而產(chǎn)生隨機(jī)的起伏，如同有寄生調(diào)幅，稱之為調(diào)幅噪聲。調(diào)頻和調(diào)幅噪聲的表示法調(diào)幅噪聲通常用偏離載頻fm處，一定頻帶B的調(diào)幅噪聲功率（即旁頻功率）與載波功率之比的dB數(shù)來表示，即（dB）。

有單邊帶值或雙邊帶值之分，兩者相差3dB。調(diào)頻噪聲同樣也可用類似表示方法，以偏離載頻fm處，一定頻帶內(nèi)的調(diào)頻噪聲功率與載波功率之比的dB數(shù)（）來表示，也是fm的函數(shù)。調(diào)頻和調(diào)幅噪聲的表示法對于調(diào)頻波來說，要比較直觀地看出調(diào)制噪聲相對信號的大小，宜用頻偏來表示調(diào)頻噪聲：即：單一頻率調(diào)制且為小調(diào)制指數(shù)的情況下，單邊帶功率與載波功率之比可用最大頻偏來表示，同時該比值是調(diào)制頻率的函數(shù)。調(diào)頻和調(diào)幅噪聲的表示法用均方值頻偏表示法，有

用dB數(shù)表示為

或（dB）

（dB）

結(jié)論：在假定噪聲源僅僅是熱噪聲的情況下，可導(dǎo)出由此產(chǎn)生的負(fù)阻振蕩器調(diào)幅、調(diào)頻噪聲的一般表示式如下：用均方根頻偏表示的調(diào)頻噪聲為

振蕩回路的Q值越高，噪聲越小，尤其對減小調(diào)頻噪聲的影響大，因此要盡可能提高回路有載Q值。所以采用外腔穩(wěn)頻法提高振蕩器頻穩(wěn)度的同時，可以降低振蕩器噪聲。在fm不太大的情況下，調(diào)幅噪聲遠(yuǎn)小于調(diào)頻噪聲。理想無噪聲頻譜實(shí)際有噪聲頻譜§6.7微波晶體管振蕩器

分析和設(shè)計(jì)方法：正反饋放大器設(shè)計(jì)法：利用器件的大信號Z或Y參數(shù)設(shè)計(jì)振蕩器；準(zhǔn)線性法：利用器件的小信號S參數(shù)并結(jié)合器件的靜態(tài)特性進(jìn)行，小信號S參數(shù)用于線性部分，靜態(tài)特性用于飽和部分；S參數(shù)法：利用器件的大信號S參數(shù)設(shè)計(jì)振蕩器，但由于S參數(shù)是對基波特性的線性描述，當(dāng)器件工作在強(qiáng)非線性條件下時該方法不精確，而在器件的非線性不太厲害的情況下，用S參數(shù)設(shè)計(jì)振蕩器是較為簡便而又有效的方法。反饋振蕩器的振蕩條件

振蕩平衡條件為分別表示為幅度平衡與相位平衡條件：式中，，代表放大器開環(huán)增益；，L代表反饋網(wǎng)絡(luò)衰減。負(fù)阻振蕩器的振蕩條件

假設(shè)：

，則

如果

則端口1是穩(wěn)定的。此時1端口穩(wěn)定條件

同理：對2端口有

穩(wěn)定工作條件

回顧放大器：

當(dāng)晶體管參數(shù)為，時，則起振條件為當(dāng)晶體管參數(shù)為，時，則起振條件為說明：1、對放大器要求穩(wěn)定，當(dāng)不穩(wěn)定時就可能成為振蕩器；2、對放大器要求兩個端口穩(wěn)定，而對振蕩器，只需要一個端口不穩(wěn)定，另一端口也會不穩(wěn)定。負(fù)阻振蕩器的振蕩條件

或振蕩平衡條件為小信號S參數(shù)設(shè)計(jì)法1、計(jì)算晶體管K值，決定是否必須外加反饋元件：

（1）若K<1，如圖（a）所示，只需要1-1

端口接一段合適的傳輸線，就可能使2-2

端口呈現(xiàn)負(fù)阻，當(dāng)然也可以外加反饋元件來調(diào)整振蕩頻率和功率；內(nèi)部反饋已足夠大。（2）若K>1，如圖（b）所示，必須外加反饋，如在源極也接一段合適的傳輸線，才有可能在2-2

端口呈現(xiàn)負(fù)阻。(a)雙極晶體管振蕩器(b)FET振蕩器小信號S參數(shù)設(shè)計(jì)法2、選擇適當(dāng)?shù)木w管端接條件（包括必要的反饋元件），使輸出端呈現(xiàn)負(fù)阻，并盡可能大。

負(fù)阻振蕩器電路框圖小信號S參數(shù)設(shè)計(jì)法3、設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)妮敵銎ヅ渚W(wǎng)絡(luò)，同時滿足調(diào)諧及輸出功率最大的要求。起振過程可用小信號S參數(shù)，振蕩平衡時則應(yīng)用大信號S參數(shù)。為回避測量大信號S參數(shù)的困難，設(shè)計(jì)時可按以下原則估算，然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)修正。

或固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)最通用的振蕩器設(shè)計(jì)方法是兩端口網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法:首先要選擇晶體管的電路結(jié)構(gòu)以便符合K<1的條件（也許需要增加反饋電感）;其次應(yīng)選擇合適的

L，以便形成

in>1

；或選擇合適的

s，以便形成

out>1。這兩個條件都包含了使對方成立的條件。例如，如果

out>1，則必有

in>1，反之亦然。固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例例6.1集總元件固定頻率振蕩器的設(shè)計(jì)已知在共基極電路中使用的BJT是Phillips半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的BF748CB。在直流偏置條件Vcb=10V，Ic=15mA，工作頻率為1GHz時測得該晶體管的S參量為：S11=0.888∠81.1o，S12=0.279∠101.2o，S21=1.401∠

120o，S22=1.08∠

50.3o。請?jiān)O(shè)計(jì)一個在f=1GHz頻率點(diǎn)符合條件的串聯(lián)反饋振蕩器。固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例解設(shè)計(jì)程序的第一步是必須確認(rèn)晶體管至少應(yīng)當(dāng)具有潛在的不穩(wěn)定性。這需要計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)：由于K小于1，所以晶體管確實(shí)具有潛在的不穩(wěn)定性。根據(jù)輸入穩(wěn)定性判別圓確定輸入端口的反射系數(shù)。輸入穩(wěn)定性判別圓的圓心和半徑可根據(jù)公式計(jì)算得

固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)振蕩器的輸入穩(wěn)定圓（類似于S1圓，用以確定對輸入負(fù)載的選擇，也叫輸出穩(wěn)定判別圓）備注：與放大器一章類似，而不是本章小信號S參數(shù)設(shè)計(jì)法所述。包含P圓不穩(wěn)定區(qū)固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例由圖可知，我們選擇輸入匹配網(wǎng)絡(luò)反射系數(shù)的自由度相當(dāng)大。從理論上講，不穩(wěn)定圓內(nèi)的任何都能滿足我們的要求。然而在實(shí)際工作中，我們希望選用能夠?qū)е伦畲筝敵龇瓷湎禂?shù)的

s值：由上式可見當(dāng)時，有最大值。在的條件下，由于輸出反射系數(shù)趨于無窮大，根據(jù)

out

s=1可知（即）。固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例試探過幾個源反射系數(shù)值以后，我們最終選定根據(jù)可計(jì)算出源阻抗為它可以用電容相串聯(lián)實(shí)現(xiàn)?？捎?jì)算出輸出反射系數(shù)為由可求解輸出匹配網(wǎng)絡(luò)并求得這對應(yīng)于阻抗，可以用的電阻與3.57nH的電感相串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例BJT串聯(lián)反饋振蕩器電路固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例

設(shè)計(jì)過程中的最后一個問題：當(dāng)振蕩器的輸出功較大時，晶體管的小信號S參量將失效。通常，晶體管的S參量與其輸出功率有關(guān)，當(dāng)輸出功率較大時，晶體管的S參量變化將導(dǎo)致的負(fù)阻成分減小。因此，必須根據(jù)的條件選擇。在實(shí)際應(yīng)用中，通常選擇。但這種選擇只適用于我們前面提到的遠(yuǎn)離的情況。另外，還會產(chǎn)生振蕩頻率的偏移。在此設(shè)計(jì)中選擇。由于我們采用的負(fù)載電阻非常接近于，所以振蕩器的頻率偏差很小。固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例例6.2微帶線GaAsFET振蕩器的設(shè)計(jì)。已知在共柵極電路中GaAsFET(Hewlett-PackardATF13100)在8GHz頻率點(diǎn)的S參量測量值為S11=0.98∠163o，S12=0.39∠

45o，S21=0.675∠

161o，S22=0.465∠120o。請?jiān)O(shè)計(jì)一個輸出阻抗為，基波頻率為8GHz的振蕩器。解首先通過計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)確定晶體管的穩(wěn)定性：

雖然K<1表明晶體管具有潛在的不穩(wěn)定性，我們?nèi)詫⒃诰w管的柵極上連接反饋電感以便增加其不穩(wěn)定性。固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例考慮到連接電感后的電路可以用如圖所示的兩端口網(wǎng)絡(luò)表達(dá)。柵極接電感的FET網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加不穩(wěn)定性

固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例整個網(wǎng)絡(luò)的S參量可用如下方法求解：首先將晶體管的S參量變換為阻抗參量，然后將晶體管的阻抗參量與電感的阻抗參量相加，最后再將總阻抗參量變換成S參量。利用Z參量和S參量之間的變換公式：可得晶體管在共柵極電路中的參量。

固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例對于電感，其Z矩陣為

將與相加就可得到整個電路的Z參量，通過變換則可得到相應(yīng)的S參量。為了求出穩(wěn)定系數(shù)與反饋電感的函數(shù)關(guān)系，我們必須對每一個L值重復(fù)上述計(jì)算過程，全部計(jì)算結(jié)果如圖所示。

固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例共柵極電路中FET的穩(wěn)定系數(shù)與柵極電感的函數(shù)關(guān)系固定頻率振蕩器設(shè)計(jì)舉例當(dāng)L=0.2nH時晶體管最不穩(wěn)定。由于振蕩器的