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1 重要性 微波集成振蕩器是各類微波系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一 它的性能優(yōu)劣直接影響到微波系統(tǒng)的性能指標(biāo) 要求越來越高 輸出功率大 相位噪聲低 頻率穩(wěn)定度高 尺寸小 溫度穩(wěn)定性高 可靠性高及成本低 類型 二極管振蕩器 在輸出功率及效率兩方面 體效應(yīng)二極管振蕩器都不如雪崩二極管振蕩器 但在相位噪聲方面體效應(yīng)二極管振蕩器比雪崩二極管振蕩器好 晶體三極管振蕩器 比二極管振蕩器有下述優(yōu)點(diǎn) 工作頻帶寬 效率高 諧振頻率完全取決于外部諧振電路 相位噪聲優(yōu)于二極管振蕩器 功耗小 工作溫度較低 可靠性較高 它的唯一缺點(diǎn)是最高振蕩頻率低于二極管振蕩器 石英晶體振蕩器 是一種振蕩頻率較低的高穩(wěn)定的頻率源 在微波波段常采用倍頻鏈?zhǔn)骄w振蕩器 鎖相式晶體振蕩器及介質(zhì)諧振器晶體管振蕩器作為高穩(wěn)定性的頻率源 第八講微波振蕩器設(shè)計(jì) 2 振蕩器主要技術(shù)指標(biāo) 振蕩器的穩(wěn)定度 主要有頻率準(zhǔn)確度 頻率穩(wěn)定度 長(zhǎng)期穩(wěn)定度 短期穩(wěn)定度和初始漂移 1 頻率準(zhǔn)確度2 頻率穩(wěn)定度 1 長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度 2 短期頻率穩(wěn)定度 3 瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度 3 頻率準(zhǔn)確度 4 頻率穩(wěn)定度 根據(jù)所規(guī)定的時(shí)間間隔的長(zhǎng)短不同 頻率穩(wěn)定度又可分為長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度 短期頻率穩(wěn)定度和瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度三種 5 頻率穩(wěn)定度 6 頻率穩(wěn)定度 7 振蕩器主要技術(shù)指標(biāo) 調(diào)頻噪聲和相位噪聲 頻率f0 在f0附近還包含許多旁頻 連續(xù)分布在f0兩邊 如圖8 1所示 縱坐標(biāo)是功率 f0處是載波功率 振蕩器輸出功率 f0兩邊的是噪聲功率 它同時(shí)包含調(diào)頻噪聲功率和調(diào)幅噪聲功率 圖8 1振蕩器輸出的頻譜 在振蕩器電路中 由于存在各種不確定因素的影響 使振蕩頻率和振蕩幅度隨機(jī)起伏 振蕩頻率的隨機(jī)起伏稱為瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度 頻率的瞬變將產(chǎn)生調(diào)頻噪聲 相位噪聲和相位抖動(dòng) 振蕩幅度的隨機(jī)起伏將引起調(diào)幅噪聲 因此 振蕩器在沒有外加調(diào)制時(shí) 輸出的頻率不僅含振蕩 8 振蕩器主要技術(shù)指標(biāo) 調(diào)頻噪聲和相位噪聲 1 調(diào)頻噪聲 1 功率表示 2 均方根頻偏2 相位噪聲 1 相位噪聲的定義 2 相位噪聲的表示法 相位脈動(dòng)譜密度 頻率脈動(dòng)譜密度 單邊帶相位噪聲譜密度3 頻譜純度 9 1 調(diào)頻噪聲 10 1 調(diào)頻噪聲 11 2 相位噪聲 1 相位噪聲的定義圖8 2中的振蕩器頻譜邊帶與寄生調(diào)幅和寄生調(diào)相有關(guān) 由調(diào)制理論分析知道 靠近振蕩頻率處的噪聲邊帶功率主要是寄生調(diào)相引起的 而寄生調(diào)幅分量很小 可以不考慮 圖8 2中含有兩類調(diào)相信號(hào) 第一類 確定的調(diào)相信號(hào) 主要是一些離散信號(hào) 它是由電源頻率 振動(dòng)頻率和交變電磁場(chǎng)產(chǎn)生的干擾 這些干擾信號(hào)在調(diào)相噪聲譜密度圖上是一些可以分開的離散分量 第二類 隨機(jī)的調(diào)相信號(hào) 稱為相位噪聲 相位噪聲譜在很寬的頻率范圍內(nèi)是個(gè)連續(xù)譜 由于測(cè)得的噪聲電平是檢波器帶寬的函數(shù) 為了使測(cè)量結(jié)果與檢波器帶寬無關(guān) 相位噪聲電平是在1Hz帶寬內(nèi)測(cè)量 圖8 2振蕩器的調(diào)相噪聲譜密度 12 2 相位噪聲 13 2 相位噪聲 14 3 頻譜純度 振蕩器的頻譜純度是指振蕩頻率的不穩(wěn)所造成的頻譜不純 振蕩器的雜散信號(hào)越多 相位噪聲越大 則頻譜純度越差 振蕩器的頻譜純度可以用振蕩器輸出功率與各寄生頻率總電平之比的分貝數(shù)表示 15 介質(zhì)諧振器穩(wěn)頻FET振蕩器 介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器是利用微波介質(zhì)諧振器做為高Q腔對(duì)FET振蕩器進(jìn)行穩(wěn)頻的諧振器 通常簡(jiǎn)稱為介質(zhì)振蕩器 它在1GHz到幾十GHz頻率范圍內(nèi) 可以直接產(chǎn)生所需的振蕩頻率 而不需倍頻 具有體積小 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn) 低損耗介質(zhì)諧振器材料已有很大進(jìn)展 介質(zhì)諧振器Q值已接近金屬空腔諧振器 因此 振蕩器的相位噪聲較低 介質(zhì)諧振器的溫度系數(shù)很容易控制 可以與FET電路互相補(bǔ)償 使介質(zhì)振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度 因此 介質(zhì)振蕩器已被廣泛用于各類微波系統(tǒng)中 16 1 介質(zhì)諧振器 1 微波介質(zhì)諧振器材料的物理特性微波介質(zhì)諧振器是一種介電常數(shù)高 損耗低的陶瓷材料 它是含鋅 鉻的鈦酸鹽和鋯酸鹽的混合陶瓷 工作在不同頻率范圍的介質(zhì)諧振器 應(yīng)采用不同材料實(shí)現(xiàn) 它大體分成三類 分別用于L S波段 C波段和X K波段 介質(zhì)諧振器的主要參數(shù)是相對(duì)介電常數(shù) r 無載品質(zhì)因數(shù)Q0和諧振頻率溫度系數(shù) f 諧振頻率介質(zhì)諧振器的諧振頻率與介質(zhì)的成反比 在微波頻率低端要求 r值比較大 以減小電路尺寸 目前 r在25 90范圍 如Trans Tech公司生產(chǎn)的8000系列介質(zhì)諧振器 r從28到80 頻率從UHF波段一直到Ka波段 圖8 3圓柱形金屬空腔情況 17 1 介質(zhì)諧振器 18 1 介質(zhì)諧振器 諧振頻率溫度系數(shù)改變介質(zhì)諧振器的材料成分配比 可以把介質(zhì)諧振器的諧振頻率溫度系數(shù) rf控制在 20ppm 20ppm 范圍內(nèi)任意選定 誤差約為 0 5ppm 介質(zhì)諧振器的諧振頻率溫度系數(shù)可以按下式計(jì)算 ppm 8 16 式中f2 對(duì)應(yīng)于溫度為T2時(shí)的諧振頻率 f1 對(duì)應(yīng)于溫度為T1時(shí)的諧振頻率 通常 介質(zhì)諧振器參數(shù)表上給出的諧振頻率溫度系數(shù) rf是指常溫 T 20 條件下的 rf值 而實(shí)際電路往往要求在某一溫度范圍內(nèi) rf接近0ppm rf變化不應(yīng)太大 用這種介質(zhì)諧振器實(shí)現(xiàn)的介質(zhì)振蕩器的頻率穩(wěn)定性能就比較好 目前 在25 60 溫度變化范圍內(nèi) 大多數(shù)介質(zhì)諧振器的 rf變化只有幾個(gè)ppm 當(dāng)超出上述溫度范圍時(shí) rf的溫度特性變得很壞 rf的變化量可能大到幾百ppm 19 1 介質(zhì)諧振器 諧振頻率溫度系數(shù)圖8 4是Trans Tech公司的8000系列 rf對(duì)溫度的變化關(guān)系 圖8 5是日本村田制作所產(chǎn)品的 rf對(duì)溫度的變化關(guān)系 由圖8 4看出 不同型號(hào)產(chǎn)品的 rf的溫度特性是不一樣的 其中8515型號(hào) rf的溫度特性最好 圖8 4 rf的溫度特性圖8 5 rf的溫度特性 Trans TechInc8000系列 日本村田制作所 20 1 介質(zhì)諧振器 無載品質(zhì)因數(shù)Q介質(zhì)諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)Q0與介質(zhì)損耗及環(huán)境損耗有關(guān) Q0值是儲(chǔ)能與周期耗散能之比值 具體計(jì)算可以用下式表示 8 17 式中含義如圖8 6所示 圖8 6介質(zhì)諧振器品質(zhì)因數(shù)的確定 21 1 介質(zhì)諧振器 圖8 7是Q0的溫度特性 Q0值隨溫度升高而下降 圖8 8是Q0的頻率特性 Q0值隨頻率升高而下降 且Q0與f之積為一常數(shù) 其值隨不同材料而不同 在電路設(shè)計(jì)時(shí) 希望品質(zhì)因數(shù)Q0盡可能大 用于穩(wěn)定振蕩器頻率的Q0值應(yīng)大于3000 圖8 7Q0的溫度特性圖8 8Q0的頻率特性由于低損耗材料的改進(jìn) 介質(zhì)諧振器的無載Q0值不斷提高 通常10GHz的無載Q0值約為10000 近年報(bào)導(dǎo)可達(dá)20000 該值已接近拋光金屬空腔 原理上 由于介質(zhì)諧振器沒有金屬損耗 其無載Q0值還有可能提高 22 1 介質(zhì)諧振器 23 1 介質(zhì)諧振器 2 圓柱形介質(zhì)諧振器的工作模式圖8 9是圓柱形介質(zhì)諧振器主模TE01 場(chǎng)分布 圖中實(shí)線為電力線 虛線為磁力線 圖8 9圓柱形介質(zhì)諧振器主模TE01 場(chǎng)分布 24 1 介質(zhì)諧振器 圓柱形介質(zhì)諧振器工作在TE01 主模時(shí) 它與微帶線之間的耦合是通過磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)的 如圖8 10所示 微帶線與介質(zhì)諧振器之間的距離越小 耦合就越緊 介質(zhì)諧振器的有載品質(zhì)因數(shù)降低越多 可能低于1000 圖8 10介質(zhì)諧振器 TE01 模 與微帶線耦合結(jié)構(gòu) 3 介質(zhì)諧振器與微帶線的耦合 25 2 介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器電路 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的有源器件可以用FET 也可以是BJT 但從電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法這兩方面看 介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器與介質(zhì)穩(wěn)頻BJT振蕩器沒有什么區(qū)別 故這里僅討論介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器 介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器電路有共柵極 共漏極及共源極三種振蕩電路形式 高Q介質(zhì)腔可以作為振蕩電路中的一個(gè)元件 也可以作為反饋電路元件和振蕩電路負(fù)載的一部分 使振蕩器在0 50 溫度范圍內(nèi) 頻率穩(wěn)定度達(dá)到10 5量級(jí) 它比倍頻鎖相式振蕩器或分頻鎖相式振蕩器的頻率穩(wěn)定度略低 但可以滿足大多數(shù)微波系統(tǒng)的要求 它具有體積小 電路不復(fù)雜 功耗低 可靠性高和沒有低于主振頻率的分諧波干擾等優(yōu)點(diǎn) 26 2 介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器電路 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路形式有以下三種形式 1 輸出反射式 圖8 14輸出反射式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器 a 振蕩器電路 b 等效電路 圖8 14是輸出反射式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路示意圖 其中 FET的柵極接一段小于 g 4開路微帶線 等效在柵極接一個(gè)電容Cg 漏柵極之間接正反饋電容Cgd 使FET電路構(gòu)成自激振蕩器 而在輸出微帶線附近耦合一個(gè)高Q介質(zhì)諧振器 它作負(fù)載的一部分 一方面提高了振蕩器電路Q值 另一方面由于它是一個(gè)耦合電路 因而存在頻率牽引及頻率調(diào)諧的回滯現(xiàn)象 有關(guān)回滯現(xiàn)象將在下節(jié)詳述 27 2 介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器電路 2 環(huán)路反饋式圖8 15 a 是環(huán)路反饋式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路示意圖 不加介質(zhì)諧振器時(shí) FET電路是微波放大器的工作狀態(tài) 不產(chǎn)生振蕩 當(dāng)把高Q介質(zhì)諧振器放置在輸出微帶線與輸入微帶線之間 通過磁耦合把輸出功率的一部分反饋到柵極 當(dāng)反饋相位和反饋功率合適時(shí)將產(chǎn)生振蕩 介質(zhì)諧振器相當(dāng)于窄帶帶通濾波器 在介質(zhì)諧振器的中心頻率處 反饋?zhàn)顝?qiáng) 相位合適 圖8 15 b 是反饋式介質(zhì)振蕩器的等效電路圖 反饋式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的穩(wěn)頻效果與介質(zhì)振蕩器有載品質(zhì)因素QL成正比 因此希望QL越大越好 在設(shè)計(jì)FET放大器電路時(shí) 應(yīng)確保振蕩頻率處的增益最高 而在其他頻率處盡可能沒有增益 更不應(yīng)存在寄生振蕩 圖8 15環(huán)路反饋式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器 a 振蕩器電路 b 等效電路 28 2 介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器電路 3 柵極耦合式圖8 16 a 是柵極耦合式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路 FET接成共漏極電路 漏極接微帶低通濾波器 使漏極對(duì)微波接地 并構(gòu)成漏壓直流通路 介質(zhì)諧振器耦合到柵極微帶線上 耦合面到柵極的距離l約為 g 4 它在柵極等效于接一個(gè)高Q 圖8 16柵極耦合式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器 a 振蕩器電路 b 等效電路 的串聯(lián)諧振電路 與FET的漏源電容Cds和柵源電容Cgs構(gòu)成電容式三點(diǎn)振蕩電路 如圖8 16 b 所示 源極經(jīng)匹配電路后輸出振蕩功率 29 3 專門術(shù)語的說明 為了設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的 性能良好的介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器 應(yīng)該考慮頻率溫度系數(shù) 頻率初始漂移 推頻系數(shù) 頻率牽引 穩(wěn)頻系數(shù)及回滯現(xiàn)象等 1 頻率溫度系數(shù)當(dāng)溫度變化時(shí) 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化 頻率變化越小 則振蕩器的溫度穩(wěn)定性能越好 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的溫度穩(wěn)定性能好壞可以用頻率溫度系數(shù)描述 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的頻率溫度系數(shù) ppm 8 25 式中f2 對(duì)應(yīng)于溫度為T2時(shí)的振蕩頻率 f1 對(duì)應(yīng)于溫度為T1時(shí)的振蕩頻率 0f中包括兩部分 一部分是介質(zhì)諧振器的諧振頻率溫度系數(shù) rf 另一部分是沒有介質(zhì)諧振器時(shí)的振蕩器頻率隨溫度的相對(duì)變化 適當(dāng)選擇 rf 使它與第二部分的變化大小相等而變化方向相反 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的頻率溫度系數(shù)將減到最小 30 3 專門術(shù)語的說明 2 頻率初始漂移在常溫下 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器開機(jī)頻率隨著電路溫度的上升將產(chǎn)生變化 直到電路達(dá)到熱平衡 振蕩頻率也達(dá)到某一穩(wěn)定值 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器從加電到熱平衡 其頻率發(fā)生的漂移稱為頻率初始漂移 3 推頻系數(shù)介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的振蕩頻率會(huì)隨著FET的柵偏壓 漏壓的變化而變化 振蕩頻率變化越小 則振蕩器性能越穩(wěn)定 在設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)用推頻系數(shù)描述這項(xiàng)性能 并有柵壓推頻系數(shù)和漏壓推頻系數(shù)兩種 柵壓推頻系數(shù)是漏壓固定不變而柵壓變化時(shí) 振蕩頻率變化量與柵壓變化量的比值同樣 漏壓推頻系數(shù)是柵壓固定不變而漏壓變化時(shí) 振蕩頻率變化量與漏壓變化量的比值由分析知道 推頻系數(shù)與介質(zhì)諧振器的品質(zhì)因數(shù)成反比 31 3 專門術(shù)語的說明 4 回滯現(xiàn)象輸出反射式介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器的振蕩頻率與輸出功率在頻率調(diào)諧過程中存在雙值性 如圖8 17所示 圖中橫軸h表示頻率調(diào)節(jié)金屬盤至介質(zhì)的距離 虛線表示的曲線是頻率變化規(guī)律 實(shí)線是振蕩器輸出功率的變化規(guī)律 當(dāng)h由ha增加到hb時(shí) 振蕩頻率沿 曲線變化 輸出功率沿1 2 3 4 5 6變化 而當(dāng)金屬盤距離由hb減小到ha時(shí) 振蕩頻率沿 變化 輸出功率沿6 5 4 3 8 7 1變化 這種現(xiàn)象稱為振蕩器的調(diào)諧回滯 圖8 17機(jī)械調(diào)諧使振蕩頻率與輸出功率出現(xiàn)的回滯現(xiàn)象 a 振蕩器機(jī)械調(diào)諧機(jī)構(gòu) b 回滯曲線 現(xiàn)象 它使振蕩頻率和輸出功率出現(xiàn)雙值性 這種現(xiàn)象縮小了振蕩器的調(diào)諧范圍 從曲線可以看出 只有在h1 h2一小段范圍內(nèi)是單值穩(wěn)定區(qū) 而在穩(wěn)定區(qū)兩旁出現(xiàn)了回滯現(xiàn)象 同樣 柵源電壓和漏壓的變化也會(huì)使振蕩頻率與輸出功率出現(xiàn)回滯現(xiàn)象 圖8 18 a 是柵壓變化使振蕩頻率與輸出功率出現(xiàn)的回滯現(xiàn)象 圖8 18 b 是漏壓變化使振蕩頻率與輸出功率出現(xiàn)的回滯現(xiàn)象 32 3 專門術(shù)語的說明 圖8 18電壓變化時(shí)振蕩頻率與輸出功率的回滯現(xiàn)象 a 柵壓變化的回滯曲線 b 漏壓變化的回滯曲線 4 回滯現(xiàn)象 33 3 專門術(shù)語的說明 5 頻率牽引當(dāng)振蕩器負(fù)載變化時(shí) 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化 把這種現(xiàn)象稱為振蕩器的頻率牽引 負(fù)載的變化相當(dāng)于振蕩器輸出端口駐波比發(fā)生變化 在設(shè)計(jì)振蕩器時(shí) 要求駐波比在某范圍內(nèi)頻率牽引系數(shù)不大于規(guī)定值 頻率牽引系數(shù)可按下式計(jì)算 8 28 式中QL 介質(zhì)諧振器的有載品質(zhì)因數(shù) Po 振蕩器的輸出功率 Pr 振蕩器的輸出端口的反射功率 上式表明 頻率牽引系數(shù)F牽引與QL成反比 與Pr成正比 34 3 專門術(shù)語的說明 35 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 36 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 圖8 19FET的三個(gè)端口編號(hào) 37 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 2 介質(zhì)諧振器耦合電路參數(shù)的擬合圖8 16中的介質(zhì)諧振器與微帶線在A面向電阻R0方向看的等效電路如圖8 20所示 介質(zhì)諧振器相當(dāng)于并聯(lián)諧振電路串聯(lián)在主線中 R0是50 匹配負(fù)載電阻 圖中的L C R值取決于介質(zhì)諧振器的無載Q值 也取 圖8 20介質(zhì)諧振器與微帶線耦合的等效電路 決于微帶線損耗 以及介質(zhì)諧振器與微帶線的耦合強(qiáng)弱 耦合電路參數(shù)的擬合過程如下 首先測(cè)出介質(zhì)諧振器在各個(gè)頻率下不同m m是介質(zhì)諧振器中心到微帶線中心線的耦合距離 時(shí)的若干組s11的模和相角 然后用計(jì)算機(jī)擬合出不同m時(shí)的L C R值 38 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 3 介質(zhì)諧振器頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu)在實(shí)際的介質(zhì)振蕩器中 經(jīng)常需要調(diào)諧介質(zhì)諧振器的諧振頻率 從而實(shí)現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)諧 調(diào)諧方式可以是機(jī)械調(diào)諧 也可以是電調(diào)諧 機(jī)械調(diào)諧介質(zhì)諧振器頻率的調(diào)諧機(jī)構(gòu)如圖8 17 a 和圖8 21所示 圖8 2l諧振頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu) a 介質(zhì)桿 b 金屬桿 c 介質(zhì)塊 39 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 3 介質(zhì)諧振器頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu) 機(jī)械調(diào)諧圖8 22給出了介質(zhì)諧振器采用機(jī)械調(diào)諧機(jī)構(gòu)時(shí)的諧振頻率和無載品質(zhì)因數(shù)Q0對(duì)調(diào)諧距離的變化特性 調(diào)諧距離h越小 諧振頻率增高越多 但同時(shí)使無載品質(zhì)因數(shù)Q0下降越多 當(dāng)h超過某一值時(shí) 諧振頻率和無載品質(zhì)因數(shù)將不隨h的增加而變化 在調(diào)諧頻率時(shí)為了使無載品質(zhì)因數(shù)下降不太多 機(jī)械調(diào)諧機(jī)構(gòu)的頻率調(diào)諧范圍不應(yīng)超出5 圖8 22諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)對(duì)調(diào)諧距離的變化特性 40 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 電調(diào)諧在微波集成電路技術(shù)中 主要采用變?nèi)莨茈娬{(diào)諧 它是把變?nèi)莨芡ㄟ^微帶線與介質(zhì)諧振器耦合形成電調(diào)諧電路 如圖8 23所示 調(diào)諧電壓加在變?nèi)莨軆啥?改變變?nèi)莨芙Y(jié)電容 就可以實(shí)現(xiàn)諧振頻率的調(diào)整 圖8 23變?nèi)莨茈娬{(diào)諧振蕩器電路 3 介質(zhì)諧振器頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu) 41 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 42 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 4 基片厚度對(duì)無載品質(zhì)因數(shù)的影響在介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路中 電路基片的損耗對(duì)介質(zhì)諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)Q0影響很大 圖8 24給出了三種不同基片厚度的介質(zhì)諧 圖8 24基片厚度對(duì)無載品質(zhì)因數(shù)的影響 振器Q0 當(dāng)基片厚度減小時(shí) Q0也被相應(yīng)減小 為了減弱這種影響 希望采用厚的基片 但厚的基片又將增大電路的色散效應(yīng) 為此 在電路設(shè)計(jì)時(shí) 都采用厚度較薄的基片 以便減小色散效應(yīng) 同時(shí)采用低損耗和低介電常數(shù)的圓柱環(huán) 把介質(zhì)諧振器適當(dāng)墊高 使介質(zhì)諧振器的Q0減小不多 43 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 恒溫技術(shù)在提高介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器溫度穩(wěn)定度的技術(shù)中 恒溫技術(shù)也是一種常用的方法 它是將振蕩器整個(gè)盒體封裝在恒溫槽內(nèi) 恒溫裝置是由加熱元件 熱敏元件 有關(guān)的控制電路和恒溫槽組成 槽內(nèi)溫度通常比環(huán)境最高溫度還要高5 10 在 30 50 范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度可以優(yōu)于1ppm 具有較高的溫度穩(wěn)定度 與數(shù)字技術(shù)相比 有較好的相位噪聲 但尺寸及功耗較大 圖8 25數(shù)字控制穩(wěn)頻技術(shù)框圖 5 高溫度穩(wěn)定度實(shí)現(xiàn)方法提高介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的溫度穩(wěn)定度的方法有以下三種 正溫度系數(shù)補(bǔ)償法 數(shù)字技術(shù)和恒溫技術(shù) 正溫度系數(shù)介質(zhì)諧振器補(bǔ)償法由分析知道 FET振蕩器電路溫度系數(shù)是負(fù)的 通常采用一個(gè)具有正溫度系數(shù)的介質(zhì)諧振器來補(bǔ)償頻率隨溫度的漂移 數(shù)字技術(shù)見圖8 25 44 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 6 柵極耦合式振蕩器設(shè)計(jì)由分析知道 柵極耦合式振蕩電路中的介質(zhì)諧振器可以等效為串接在主線中的并聯(lián)諧振回路 整個(gè)電 圖8 26柵極耦合式振蕩器電路設(shè)計(jì) 式中 s11 從P端往左視入的反射系數(shù)s11的模 s11 相角 采用CAD技術(shù)即可選出最佳耦合位置 傳輸線長(zhǎng)度及輸出匹配電路參數(shù) 路由匹配電阻R0 并聯(lián)諧振回路 傳輸線 共漏極FET和輸出匹配電路等五部分組成 如圖8 26所示 圖中P端是功率輸出端口 RL是外負(fù)載電阻 電路應(yīng)滿足的振蕩穩(wěn)定條件是 45 4 介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì) 7 環(huán)路反饋式振蕩器設(shè)計(jì)環(huán)路反饋式振蕩器的設(shè)計(jì)可按以下步驟進(jìn)行 FET放大電路設(shè)計(jì)由于環(huán)路反饋式振蕩器在沒有介質(zhì)諧振器反饋元件時(shí) FET電路本身是一個(gè)放大電路 因此 可以按放大器來設(shè)計(jì) 盡可能在振蕩頻率處的放大量最大 頻帶越窄越好 它有利于FET的充分利用 為了改善相位噪聲性能 通常采用松耦合結(jié)構(gòu) 但耦合弱會(huì)使電路不易起振 解決辦法可以采用多級(jí)FET放大電路 在要求雜波較嚴(yán)時(shí) 如雜波應(yīng)小于 50dBc時(shí) 在設(shè)計(jì)FET放大電路時(shí)不應(yīng)存在微弱的寄生振蕩 反饋電路設(shè)計(jì)反饋電路設(shè)計(jì)主要是確定介質(zhì)諧振器與輸入 輸出傳輸線之間的耦合距離 通常測(cè)出介質(zhì)諧振器與柵極傳輸線 輸出傳輸線之間的不同鍋合距離時(shí)的二口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù) 它與柵極傳輸線和輸出傳輸線之間的夾角 介質(zhì)諧振器與柵極傳輸線 輸出傳輸線之間的距離h1和h2有關(guān) 符號(hào) h1和h2的具體含義可參見圖8 15 有了一組不同的 h1和h2的二口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù) 就可以用CAD技術(shù)選出滿足振蕩穩(wěn)定條件 見公式 8 37 的最佳耦合夾角 和最佳耦合距離h1和h2 46 體效應(yīng)二極管振蕩器與雪崩二極管振蕩器 微波三極管振蕩器盡管在微波很多領(lǐng)域被廣泛采用 但迄今為止它們的使用頻率不是很高 在20GHz以上 主要采用二極管負(fù)阻振蕩器 例如 雪崩二極管振蕩器和體效應(yīng)二極管振蕩器 目前雪崩管振蕩器和體效應(yīng)管振蕩器的振蕩頻率已高達(dá)幾百干兆赫 雪崩管在94GHz的單管脈沖功率已大于10W 采用合成技術(shù)后 60GHz連續(xù)波輸出功率已大于瓦級(jí) 47 1 二極管負(fù)阻等效電路 由前面分析知道 雪崩二極管和體效應(yīng)管是負(fù)阻器件 它們的等效電路應(yīng)包含一個(gè)負(fù)電阻 圖8 27 a 是雪崩二極管等效電路 其中虛線框內(nèi)表示的是管芯等效電路 GD是負(fù)電導(dǎo) 它與二極管上的直流電壓和交流電壓幅度呈非線性關(guān)系 CD是等效電容 近似為一常量 Rs是非線性電阻 Ls是引線電感 Cp是管殼電容 它們都是封裝引入的封裝參數(shù) 圖8 27 b 是體效應(yīng)管等效電路 管芯等效成負(fù)電阻 RD和電容CD的并聯(lián) 封裝參數(shù)用引線電感Ls和管殼電容Cp等效 圖8 27二極管負(fù)阻等效電路 a 雪崩二極管 b 體效應(yīng)二極管 48 2 負(fù)阻振蕩器的起振條件和平衡條件 圖8 28微波二極管振蕩器示意圖圖8 29負(fù)阻振蕩器的一般等效電路圖8 28是負(fù)阻二極管構(gòu)成的微波振蕩器示意圖 振蕩器是由一個(gè)波導(dǎo)諧振腔構(gòu)成 負(fù)阻器件放置在腔內(nèi) 腔的終端安裝一個(gè)可調(diào)的短路活塞 輸出端口有一個(gè)調(diào)配器 接至負(fù)載 可以用圖8 29表示它們的等效電路 圖中用一個(gè)二口網(wǎng)絡(luò)表示諧振電路 它位于負(fù)載Z 與負(fù)阻器件 ZD I 之間 外電路在負(fù)阻器件端口的等效阻抗是Z 它的實(shí)部包括電路損耗及負(fù)載電阻兩部分 而負(fù)阻器件的阻抗對(duì)頻率的變化相對(duì)外電路來講是很緩慢的 因此 等效電路中的負(fù)阻器件阻抗僅僅是振蕩幅度的函數(shù) 表示為式中I是振蕩電流的振幅 49 2 負(fù)阻振蕩器的起振條件和平衡條件 圖8 28微波二極管振蕩器示意圖圖8 29負(fù)阻振蕩器的一般等效電路 50 2 負(fù)阻振蕩器的起振條件和平衡條件 圖8 29負(fù)阻振蕩器的一般等效電路 圖8 28微波二極管振蕩器示意圖 51 3 負(fù)阻振蕩器設(shè)計(jì) 中標(biāo)志的數(shù)字表示相應(yīng)的振蕩功率 直流偏置電壓為10V 電流為1 1A 在設(shè)計(jì)振蕩器前 應(yīng)測(cè)出不同偏置條件及不同工作頻率下的一組ZD I 作為設(shè)計(jì)的依據(jù) 圖8 30體效應(yīng)管的大信號(hào)等效阻抗 負(fù)阻振蕩器的設(shè)計(jì)包括負(fù)載匹配電路設(shè)計(jì) 直流偏置電路和頻率調(diào)諧電路 1 二極管負(fù)阻器件的大信號(hào)等效阻抗由前面分析知道 一旦知道二極管負(fù)載器件的等效阻抗ZD I 或等效導(dǎo)納YD V 就可以設(shè)計(jì)振蕩器 ZD I 可以通過器件物理模型來確定 但計(jì)算比較復(fù)雜 通常采用測(cè)試方法獲得器件的ZD I 值 圖8 30是體效應(yīng)管在7GHz時(shí)的大信號(hào)等效阻抗 ZD I 圖 52 3 負(fù)阻振蕩器設(shè)計(jì) 圖8 31是穩(wěn)定工作點(diǎn)的圖示判別法 圖中橫坐標(biāo)是阻抗的實(shí)部R 縱坐標(biāo)是阻抗的虛部jX 圖中畫出負(fù)阻器件ZD I 和外電路在負(fù)阻器件處的等效阻抗Z 的阻抗軌跡 交點(diǎn) I0 0 處兩條軌跡的夾角為 是ZD I 阻抗線箭頭方向順時(shí)針轉(zhuǎn)到Z 負(fù)載線箭頭方向的夾角 由分析知道 工作點(diǎn)穩(wěn)定的條件是 180 8 46 可以看出 用圖示判別工作點(diǎn)的穩(wěn)定性是一種較簡(jiǎn)便的方法 2 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 即匹配電路應(yīng)該提供必要的電抗 與負(fù)阻器件電抗形成諧振回路 同時(shí)將負(fù)載阻抗變換到合適的數(shù)值 使振蕩器滿足振蕩的起振條件 平衡條件及最大輸出功率 在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí) 除上述考慮外 還應(yīng)考慮振蕩器的穩(wěn)定性 圖8 31穩(wěn)定工作點(diǎn)的圖示判別法 53 3 負(fù)阻振蕩器設(shè)計(jì) 3 直流偏置電路直流偏置電路應(yīng)盡量減小對(duì)振蕩器的影響 通常在振蕩器的偏置端串接一個(gè)低通濾波電路來實(shí)現(xiàn)上述要求 4 頻率調(diào)諧負(fù)阻振蕩器除固定振蕩頻率運(yùn)用外 還經(jīng)常需要頻率調(diào)諧 以便改變振蕩頻率 頻率調(diào)諧可以是機(jī)械調(diào)諧 變?nèi)莨苷{(diào)諧 偏壓調(diào)諧及YIG調(diào)諧 偏置調(diào)諧是直接改變負(fù)阻器件的偏壓和偏流 使振蕩頻率改變 這種調(diào)諧方法比較簡(jiǎn)便 但調(diào)諧范圍窄 調(diào)諧線性差 輸出功率變化較大 YIG調(diào)諧范圍寬 調(diào)諧線性好 但調(diào)諧結(jié)構(gòu)復(fù)雜 調(diào)諧速度慢 54 4 負(fù)阻振蕩器基本電路 諧元件變?nèi)莨芷幂斎攵?6是隔直電容 7是偏置線 8是接地塊 9是旁路電容 10是變?nèi)莨芘c體效應(yīng)管的連線 圖8 32 b 是該振蕩器的等效電路 微帶型體效應(yīng)管振蕩器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 便于設(shè)計(jì) 制作方便 但損耗大 頻率穩(wěn)定度差 且不便于機(jī)械調(diào)諧 只適用于微波頻率較低的小功率振蕩器 圖8 32微帶型體效應(yīng)管振蕩器 a 微帶電路結(jié)構(gòu) b 等效電路 負(fù)阻振蕩器有微帶 同軸及波導(dǎo)等幾種結(jié)構(gòu)形式 下面將分別介紹 1 微帶型負(fù)阻振蕩器圖8 32 a 是微帶型體效應(yīng)管振蕩器 變?nèi)莨?串接在體效應(yīng)管3和諧振線5之間 作串聯(lián)調(diào)諧 1端是體效應(yīng)管偏置輸入端 2端是電調(diào) 55 4 負(fù)阻振蕩器基本電路 2 同軸腔負(fù)阻振蕩器圖8 33 a 是同軸腔體效應(yīng)管振蕩器電路結(jié)構(gòu)示意圖 體效應(yīng)管3安裝在同軸腔底部管座2上 管座底部裝有散熱塊1 體效應(yīng)管負(fù)端接同軸腔外導(dǎo)體4 正偏置6接入同軸腔內(nèi)導(dǎo)體8 同軸腔內(nèi)外導(dǎo)體之間用聚四氟乙烯 圖8 33同軸腔體效應(yīng)管振蕩器 a 電路結(jié)構(gòu) b 等效電路 介質(zhì)套筒7隔開 機(jī)械調(diào)諧采用扼流式不接觸型活塞5 射頻功率通過期合環(huán)9輸出 圖8 33 b 是該振蕩器的等效電路 同軸腔體效應(yīng)管振蕩器容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械調(diào)諧 調(diào)諧范圍較寬 損耗比微帶型要低 所以頻率穩(wěn)定度高于微帶型振蕩器 在C波段以下常采用同軸腔結(jié)構(gòu) 56 4 負(fù)阻振蕩器基本電路 3 波導(dǎo)腔負(fù)阻振蕩器圖8 34是波導(dǎo)腔負(fù)阻振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖 諧振腔由半波長(zhǎng)矩形波導(dǎo)段1構(gòu)成 H101工作模式 負(fù)阻器件6安裝在腔體的一個(gè)底面上 位于電場(chǎng)最強(qiáng)處 直流偏置通過穿心電容7引入 圓柱形調(diào)諧棒2裝在腔體的另一個(gè)底面上 四分之一波長(zhǎng)徑向短路線4和四分之一波長(zhǎng)同軸線3組成的扼流結(jié)構(gòu)用來防止射頻泄漏 射頻功率通過耦合窗8輸出 5是上蓋板 9是下蓋板 10是波導(dǎo)腔主體 波導(dǎo)腔損耗小 使波導(dǎo)腔振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定度和較好的噪聲姓 圖8 34波導(dǎo)腔負(fù)阻振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖 能 在18GHz以上得到廣泛應(yīng)用 調(diào)諧范圍一般在5 一20 比同軸腔負(fù)阻振蕩器要窄 57 5 雪崩管振蕩器的低頻寄生振蕩與偏置電路 雪崩管振蕩器在振蕩時(shí)很容易存在低頻寄生振蕩 圖8 35是雪崩管振蕩器存在低頻寄生振蕩時(shí)的頻譜 f0是射頻振蕩頻率 f1是低頻寄生振蕩頻率 這種寄生的低頻振蕩會(huì)加大雪崩管的噪聲 減小微波輸出功率和調(diào)諧時(shí)使雪崩管燒壞 這種低頻寄生振蕩主要是由于電壓和電流的不穩(wěn)定引起的 為了消除低頻寄生振蕩 可采用合適的恒流源偏置電路 圖8 36是恒流源偏置電路 I0是穩(wěn)流源 C0是寄生分路電容 R0是分路電阻 Rs是串接電阻 Rs足夠大時(shí) 可抑止較低的寄生振蕩頻率 但需要消耗一些功率 在Rs與雪崩管之間并聯(lián)一個(gè)分路電容C1和串接一個(gè)C L并聯(lián)支路 以使振蕩器工作穩(wěn)定 圖8 35存在低頻寄生振蕩時(shí)的圖8 36雪崩管恒流源偏置電路雪崩管振蕩器輸出頻譜 58 電壓控制振蕩器 采用變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)電子調(diào)諧的晶體管振蕩器稱為電壓控制振蕩器 VCO 常簡(jiǎn)稱為壓控振蕩器 它的調(diào)諧速度較高 達(dá)到1 10GHz s 比YIG調(diào)諧振蕩器的調(diào)諧速度高得多 但它的調(diào)諧帶寬較窄 最寬也只有一個(gè)倍頻程 它的調(diào)諧線性度在土 10 15 范圍內(nèi) 是一種用得比較廣泛的振蕩器 1 壓控振蕩器工作原理2 調(diào)諧帶寬3 振蕩建立時(shí)間和調(diào)諧后漂移 59 1 壓控振蕩器工作原理 在參考面1 1 和2 2 之間的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)用S參數(shù)表示 該電路的起振條件有兩種情況 1 s11 1 s22 1情況 2 s11 1 s22 1情況 圖8 37負(fù)阻振蕩器電路框圖 從振蕩的角度看 壓控振蕩器的工作原理與微波晶體管振蕩器的工作原理沒有什么區(qū)別 唯一不同之處是壓控振蕩器的輸入回路或輸出回路中含有變?nèi)荻O管 因此 可以按負(fù)阻振蕩器的分析方法來分析VCO 60 1 壓控振蕩器工作原理 圖8 37負(fù)阻振蕩器電路框圖 61 2 調(diào)諧帶寬 62 2 調(diào)諧帶寬 63 3 振蕩建立時(shí)間和調(diào)諧后漂移 之間的間隔 硅突變結(jié)二極管和超突變結(jié)二極管具有較短的建立時(shí)間 砷化鎵突變結(jié)變?nèi)荻O管具有中等的建立時(shí)間 砷化鎵超突變結(jié)變?nèi)荻O管具有較長(zhǎng)的建立時(shí)間 調(diào)諧后漂移定義為發(fā)生在規(guī)定時(shí)刻t2和t3之間的頻率漂移 規(guī)定t2值是壓控振蕩器調(diào)諧后 由t1起的10 s至1s范圍內(nèi) 而t3值是在t2后的10 s至1s范圍內(nèi) 引起調(diào)諧后漂移的主要原因是偏壓漂移和器件的熱效應(yīng) 圖8 38定義了建立時(shí)間和調(diào)諧后漂移 圖8 38VCO的振蕩建立時(shí)間和調(diào)諧后漂移的定義 在壓控振蕩器中 振蕩建立時(shí)間定義為從觸發(fā)變?nèi)莨艿挠|發(fā)波形達(dá)到最終值的時(shí)間開始 到壓控振蕩器振蕩頻率落入規(guī)定的振蕩頻率最終值的容差范圍內(nèi)的時(shí)間為止 圖8 38中觸發(fā)波形在t0時(shí)達(dá)到其最終值 到t1時(shí)振蕩頻率落入最終值的容差范圍 fc f 內(nèi) 建立時(shí)間是t0和t1 64 用PUFF ADS設(shè)計(jì)振蕩器 用PUFF設(shè)計(jì)三端口振蕩器 見Ref 8 1 Ref 8 2 應(yīng)用ADS設(shè)計(jì)VCO 見Ref 8 3