振荡器的设计解析ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,*,1,重要性：,微波集成振荡器是各类微波系统的关键部件之一，它的性能优劣直接影响到微波系统的性能指标。,要求越来越高：,输出功率大、相位噪声低、频率稳定度高、尺寸小、温度稳定性高、可靠性高及成本低。,类型：,二极管振荡器：,在输出功率及效率两方面，体效应二极管振荡器都不如雪崩二极管振荡器，但在相位噪声方面体效应二极管振荡器比雪崩二极管振荡器好。,晶体三极管振荡器：,比二极管振荡器有下述优点：,工作频带宽，效率高，谐振频率完全取决于外部谐振电路，相位噪声优于二极管振荡器；功耗小，工作温度较低，可靠性较高；它的唯一缺点是最高振荡频率低于二极管振荡器。,石英晶体振荡器：,是一种振荡频率较低的高稳定的频率源，在微波波段常采用倍频链式晶体振荡器、锁相式晶体振荡器及介质谐振器晶体管振荡器作为高稳定性的频率源。,第八讲 微波振荡器设计,2,振荡器主要技术指标,振荡器的稳定度,主要有频率准确度，频率稳定度，长期稳定度，短期稳定度和初始漂移。,1,频率准确度,2,频率稳定度,（,1,）长期频率稳定度,（,2,）短期频率稳定度,（,3,）瞬时频率稳定度,3,频率准确度,4,频率稳定度,根据所规定的时间间隔的长短不同，频率稳定度又可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬时频率稳定度三种。,5,频率稳定度,6,频率稳定度,7,振荡器主要技术指标,调频噪声和相位噪声,频率,f,0,，在,f,0,附近还包含许多旁频，连续分布在,f,0,两边。如图,8-1,所示，纵坐标是功率，,f,0,处是载波功率（振荡器输出功率），,f,0,两边的是噪声功率，它同时包含调频噪声功率和调幅噪声功率。,图,8-1,振荡器输出的频谱,在振荡器电路中，由于存在各种不确定因素的影响，使振荡频率和振荡幅度随机起伏。,振荡频率的随机起伏称为瞬时频率稳定度,，频率的瞬变将产生调频噪声、相位噪声和相位抖动。,振荡幅度的随机起伏将引起调幅噪声,。因此，振荡器在没有外加调制时，输出的频率不仅含振荡,8,振荡器主要技术指标,调频噪声和相位噪声,1,调频噪声,（,1,）功率表示,（,2,）均方根频偏,2,相位噪声,（,1,）相位噪声的定义,（,2,）相位噪声的表示法,相位脉动谱密度,频率脉动谱密度,单边带相位噪声谱密度,3,频谱纯度,9,1.,调频噪声,10,1.,调频噪声,11,2.,相位噪声,（,1,）相位噪声的定义,图,8-2,中的振荡器频谱边带与寄生调幅和寄生调相有关。由调制理论分析知道，靠近振荡频率处的噪声边带功率主要是寄生调相引起的，而寄生调幅分量很小，可以不考虑。图,8-2,中含有两类调相信号。,第一类：确定的调相信号。主要是一些离散信号，它是由电源频率、振动频率和交变电磁场产生的干扰，这些干扰信号在调相噪声谱密度图上是一些可以分开的离散分量。,第二类：随机的调相信号，称为相位噪声。相位噪声谱在很宽的频率范围内是个连续谱。由于测得的噪声电平是检波器带宽的函数，为了使测量结果与检波器带宽无关，相位噪声电平是在,1Hz,带宽内测量。,图,8-2,振荡器的调相噪声谱密度,12,2.,相位噪声,13,2.,相位噪声,14,3,频谱纯度,振荡器的频谱纯度是指振荡频率的不稳所造成的频谱不纯。振荡器的杂散信号越多，相位噪声越大，则频谱纯度越差。振荡器的频谱纯度可以用振荡器输出功率与各寄生频率总电平之比的分贝数表示。,15,介质谐振器稳频,FET,振荡器,介质稳频,FET,振荡器是利用微波介质谐振器做为高,Q,腔对,FET,振荡器进行稳频的谐振器，通常简称为介质振荡器。它在,1GHz,到几十,GHz,频率范围内，可以直接产生所需的振荡频率，而不需倍频，具有体积小、结构简单的特点。,低损耗介质谐振器材料已有很大进展，介质谐振器,Q,值已接近金属空腔谐振器，因此，振荡器的相位噪声较低。,介质谐振器的温度系数很容易控制，可以与,FET,电路互相补偿，使介质振荡器具有很高的频率稳定度。因此，介质振荡器已被广泛用于各类微波系统中。,16,1,介质谐振器,（,1,）微波介质谐振器材料的物理特性,微波介质谐振器是一种介电常数高、损耗低的陶瓷材料，它是含锌、铬的钛酸盐和锆酸盐的混合陶瓷。工作在不同频率范围的介质谐振器,应采用不同材料实现，它大体分成三类，分别用于,L,、,S,波段；,C,波段和,X,、,K,波段。,介质谐振器的主要参数是相对介电常数,r,、无载品质因数,Q,0,和谐振频率温度系数,f,。,谐振频率,介质谐振器的谐振频率与介质的 成反比，在微波频率低端要求,r,值比较大，以减小电路尺寸。目前，,r,在,2590,范围，如,Trans-Tech,公司生产的,8000,系列介质谐振器，,r,从,28,到,80,，频率从,UHF,波段一直到,Ka,波段。,图,8-3,圆柱形金属空腔情况,17,1,介质谐振器,18,1,介质谐振器,谐振频率温度系数,改变介质谐振器的材料成分配比，可以把介质谐振器的谐振频率温度系数,rf,控制在,+20ppm/, 20ppm/,范围内任意选定，误差约为,0.5ppm/,。介质谐振器的谐振频率温度系数可以按下式计算,（,ppm/,）（,8-16,）,式中,f,2,对应于温度为,T,2,时的谐振频率；,f,1,对应于温度为,T,1,时的谐振频率。,通常，介质谐振器参数表上给出的谐振频率温度系数,rf,是指常温（,T=20,）条件下的,rf,值，而实际电路往往要求在某一温度范围内,rf,接近,0ppm/,，,rf,变化不应太大，用这种介质谐振器实现的介质振荡器的频率稳定性能就比较好。目前，在,2560,温度变化范围内，大多数介质谐振器的,rf,变化只有几个,ppm/,；当超出上述温度范围时，,rf,的温度特性变得很坏，,rf,的变化量可能大到几百,ppm/,。,19,1,介质谐振器,谐振频率温度系数,图,8-4,是,Trans-Tech,公司的,8000,系列,rf,对温度的变化关系；图,8-5,是日本村田制作所产品的,rf,对温度的变化关系。由图,8-4,看出，不同型号产品的,rf,的温度特性是不一样的，其中,8515,型号,rf,的温度特性最好。,图,8-4,rf,的温度特性图,8-5,rf,的温度特性,（,Trans-Tech Inc8000,系列）（日本村田制作所）,20,1,介质谐振器,无载品质因数,Q,介质谐振器的无载品质因数,Q,0,与介质损耗及环境损耗有关。,Q,0,值是储能与周期耗散能之比值，具体计算可以用下式表示,（,8-17,）,式中含义如图,8-6,所示。,图,8-6,介质谐振器品质因数的确定,21,1,介质谐振器,图,8-7,是,Q,0,的温度特性，,Q,0,值随温度升高而下降。图,8-8,是,Q,0,的频率特性，,Q,0,值随频率升高而下降，且,Q,0,与,f,之积为一常数，其值随不同材料而不同。在电路设计时，希望品质因数,Q,0,尽可能大，用于稳定振荡器频率的,Q,0,值应大于,3000,。,图,8-7 Q,0,的温度特性图,8-8 Q,0,的频率特性,由于低损耗材料的改进，介质谐振器的无载,Q,0,值不断提高，通常,10GHz,的无载,Q,0,值约为,10000,，近年报导可达,20000,，该值已接近抛光金属空腔。原理上，由于介质谐振器没有金属损耗，其无载,Q,0,值还有可能提高。,22,1,介质谐振器,23,1,介质谐振器,（,2,）圆柱形介质谐振器的工作模式,图,8-9,是圆柱形介质谐振器主模,TE,01,场分布，图中实线为电力线，虚线为磁力线。,图,8-9,圆柱形介质谐振器主模,TE,01,场分布,24,1,介质谐振器,圆柱形介质谐振器工作在,TE,01,主模时，它与微带线之间的耦合是通过磁场实现的，如图,8-10,所示。微带线与介质谐振器之间的距离越小，耦合就越紧，介质谐振器的有载品质因数降低越多，可能低于,1000,。,图,8-10,介质谐振器（,TE,01,模）与微带线耦合结构,（,3,）介质谐振器与微带线的耦合,25,2,介质稳频,FET,振荡器电路,介质稳频振荡器的有源器件可以用,FET,，也可以是,BJT,，但从电路结构和设计方法这两方面看，介质稳频,FET,振荡器与介质稳频,BJT,振荡器没有什么区别，故这里仅讨论介质稳频,FET,振荡器。,介质稳频,FET,振荡器电路有共栅极、共漏极及共源极三种振荡电路形式。,高,Q,介质腔可以作为振荡电路中的一个元件，也可以作为反馈电路元件和振荡电路负载的一部分，使振荡器在,050,温度范围内，频率稳定度达到,10,5,量级。它比倍频锁相式振荡器或分频锁相式振荡器的频率稳定度略低，但可以满足大多数微波系统的要求。它具有体积小、电路不复杂、功耗低、可靠性高和没有低于主振频率的分谐波干扰等优点。,26,2,介质稳频,FET,振荡器电路,介质稳频振荡器电路形式有以下三种形式。,（,1,）输出反射式,图,8-14,输出反射式介质稳频振荡器,（,a,）振荡器电路；（,b,）等效电路。,图,8-14,是输出反射式介质稳频振荡器电路示意图。其中，,FET,的栅极接一段小于,g,/4,开路微带线，等效在栅极接一个电容,C,g,，漏栅极之间接正反馈电容,C,gd,，使,FET,电路构成自激振荡器；而在输出微带线附近耦合一个高,Q,介质谐振器，它作负载的一部分，一方面提高了振荡器电路,Q,值，另一方面由于它是一个耦合电路，因而存在频率牵引及频率调谐的回滞现象。有关回滞现象将在下节详述。,27,2,介质稳频,FET,振荡器电路,（,2,）环路反馈式,图,8-15,（,a,）是环路反馈式介质稳频振荡器电路示意图。不加介质谐振器时，,FET,电路是微波放大器的工作状态，不产生振荡；当把高,Q,介质谐振器放置在输出微带线与输入微带线之间，通过磁耦合把输出功率的一部分反馈到栅极，当反馈相位和反馈功率合适时将产生振荡，介质谐振器相当于窄带带通滤波器，在介质谐振器的中心频率处，反馈最强，相位合适。图,8-15,（,b,）是反馈式介质振荡器的等效电路图。,反馈式介质稳频振荡器的稳频效果与介质振荡器有载品质因素,Q,L,成正比，因此希望,Q,L,越大越好。,在设计,FET,放大器电路时，应确保振荡频率处的增益最高，而在其他频率处尽可能没有增益，更不应存在寄生振荡。,图,8-15,环路反馈式介质稳频振荡器,（,a,）振荡器电路；（,b,）等效电路。,28,2,介质稳频,FET,振荡器电路,（,3,）栅极耦合式,图,8-16,（,a,）是栅极耦合式介质稳频振荡器电路。,FET,接成共漏极电路。漏极接微带低通滤波器，使漏极对微波接地，并构成漏压直流通路。介质谐振器耦合到栅极微带线上，耦合面到栅极的距离,l,约为,g,/4,，它在栅极等效于接一个高,Q,图,8-16,栅极耦合式介质稳频振荡器,（,a,）振荡器电路；（,b,）等效电路。,的串联谐振电路，与,FET,的漏源电容,C,ds,和栅源电容,C,gs,构成电容式三点振荡电路，如图,8-16,（,b,）所示。源极经匹配电路后输出振荡功率。,29,3,专门术语的说明,为了设计一个稳定的、性能良好的介质稳频振荡器，应该考虑频率温度系数、频率初始漂移、推频系数、频率牵引、稳频系数及回滞现象等。,（,1,）频率温度系数,当温度变化时，介质稳频振荡器的振荡频率将发生变化，频率变化越小，则振荡器的温度稳定性能越好。介质稳频振荡器的温度稳定性能好坏可以用频率温度系数描述。介质稳频振荡器的频率温度系数,（,ppm/,）（,8-25,）,式中,f,2,对应于温度为,T,2,时的振荡频率；,f,1,对应于温度为,T,1,时的振荡频率。,0f,中包括两部分，一部分是介质谐振器的谐振频率温度系数,rf,；另一部分是没有介质谐振器时的振荡器频率随温度的相对变化。适当选择,rf,，使它与第二部分的变化大小相等而变化方向相反，介质稳频振荡器的频率温度系数将减到最小。,30,3,专门术语的说明,（,2,）频率初始漂移,在常温下，介质稳频振荡器开机频率随着电路温度的上升将产生变化，直到电路达到热平衡，振荡频率也达到某一稳定值。介质稳频振荡器从加电到热平衡，其频率发生的漂移称为频率初始漂移。,（,3,）推频系数,介质稳频振荡器的振荡频率会随着,FET,的栅偏压、漏压的变化而变化，振荡频率变化越小，则振荡器性能越稳定。在设计振荡器时用推频系数描述这项性能，并有栅压推频系数和漏压推频系数两种。,栅压推频系数是漏压固定不变而栅压变化时，振荡频率变化量与栅压变化量的比值,同样，漏压推频系数是栅压固定不变而漏压变化时，振荡频率变化量与漏压变化量的比值,由分析知道，推频系数与介质谐振器的品质因数成反比。,31,3,专门术语的说明,（,4,）回滞现象,输出反射式介质稳频,FET,振荡器的振荡频率与输出功率在频率调谐过程中存在双值性，如图,8-17,所示。图中横轴,h,表示频率调节金属盘至介质的距离，虚线表示的曲线是频率变化规律，实线是振荡器输出功率的变化规律。当,h,由,h,a,增加到,h,b,时，振荡频率沿,曲线变化，输出功率沿,123456,变化；而当金属盘距离由,h,b,减小到,h,a,时，振荡频率沿,变化，输出功率沿,6543871,变化，这种现象称为振荡器的调谐回滞,图,8-17,机械调谐使振荡频率与输出功率出现的回滞现象,（,a,）振荡器机械调谐机构；,（,b,）回滞曲线。,现象，它使振荡频率和输出功率出现双值性。这种现象缩小了振荡器的调谐范围，从曲线可以看出，只有在,h,1,h,2,一小段范围内是单值稳定区，而在稳定区两旁出现了回滞现象。同样，栅源电压和漏压的变化也会使振荡频率与输出功率出现回滞现象。图,8-18,（,a,）是栅压变化使振荡频率与输出功率出现的回滞现象，图,8-18,（,b,）是漏压变化使振荡频率与输出功率出现的回滞现象。,32,3,专门术语的说明,图,8-18,电压变化时振荡频率与输出功率的回滞现象,（,a,）栅压变化的回滞曲线；（,b,）漏压变化的回滞曲线。,（,4,）回滞现象,33,3,专门术语的说明,（,5,）频率牵引,当振荡器负载变化时，介质稳频振荡器的振荡频率将发生变化，把这种现象称为振荡器的频率牵引。负载的变化相当于振荡器输出端口驻波比发生变化。在设计振荡器时，要求驻波比在某范围内频率牵引系数不大于规定值。频率牵引系数可按下式计算,（,8-28,）,式中,Q,L,介质谐振器的有载品质因数；,P,o,振荡器的输出功率；,P,r,振荡器的输出端口的反射功率。,上式表明，频率牵引系数,F,牵引与,Q,L,成反比，与,P,r,成正比。,34,3,专门术语的说明,35,4,介质稳频振荡器设计,36,4,介质稳频振荡器设计,图,8-19 FET,的三个端口编号,37,4,介质稳频振荡器设计,（,2,）介质谐振器耦合电路参数的拟合,图,8-16,中的介质谐振器与微带线在,A,面向电阻,R,0,方向看的等效电路如图,8-20,所示。,介质谐振器相当于并联谐振电路串联在主线中，,R,0,是,50,匹配负载电阻。图中的,L,、,C,、,R,值取决于介质谐振器的无载,Q,值，也取,图,8-20,介质谐振器与微带线耦合的等效电路,决于微带线损耗，以及介质谐振器与微带线的耦合强弱。,耦合电路参数的拟合过程如下：,首先测出介质谐振器在各个频率下不同,m,（,m,是介质谐振器中心到微带线中心线的耦合距离）时的若干组,s,11,的模和相角，然后用计算机拟合出不同,m,时的,L,、,C,、,R,值。,38,4,介质稳频振荡器设计,（,3,）介质谐振器频率调谐机构,在实际的介质振荡器中，经常需要调谐介质谐振器的谐振频率，从而实现振荡频率的调谐，调谐方式可以是机械调谐，也可以是电调谐。,机械调谐,介质谐振器频率的调谐机构如图,8-17,（,a,）和图,8-21,所示。,图,8-2l,谐振频率调谐机构,(a),介质杆；,(b),金属杆；,(c),介质块。,39,4,介质稳频振荡器设计,（,3,）介质谐振器频率调谐机构,机械调谐,图,8-22,给出了介质谐振器采用机械调谐机构时的谐振频率和无载品质因数,Q,0,对调谐距离的变化特性。调谐距离,h,越小，谐振频率增高越多，但同时使无载品质因数,Q,0,下降越多，当,h,超过某一值时，谐振频率和无载品质因数将不随,h,的增加而变化。在调谐频率时为了使无载品质因数下降不太多，机械调谐机构的频率调谐范围不应超出,5%,。,图,8-22,谐振频率和品质因数对调谐距离的变化特性,40,4,介质稳频振荡器设计,电调谐,在微波集成电路技术中，主要采用变容管电调谐。它是把变容管通过微带线与介质谐振器耦合形成电调谐电路，如图,8-23,所示。调谐电压加在变容管两端，改变变容管结电容，就可以实现谐振频率的调整。,图,8-23,变容管电调谐振荡器电路,（,3,）介质谐振器频率调谐机构,41,4,介质稳频振荡器设计,42,4,介质稳频振荡器设计,(4),基片厚度对无载品质因数的影响,在介质稳频振荡器电路中，电路基片的损耗对介质谐振器的无载品质因数,Q,0,影响很大。图,8-24,给出了三种不同基片厚度的介质谐,图,8-24,基片厚度对无载品质因数的影响,振器,Q,0,，当基片厚度减小时，,Q,0,也被相应减小。为了减弱这种影响，希望采用厚的基片，但厚的基片又将增大电路的色散效应。为此，在电路设计时，都采用厚度较薄的基片，以便减小色散效应，同时采用低损耗和低介电常数的圆柱环，把介质谐振器适当垫高，使介质谐振器的,Q,0,减小不多。,43,4,介质稳频振荡器设计,恒温技术,在提高介质稳频振荡器温度稳定度的技术中，恒温技术也是一种常用的方法。它是将振荡器整个盒体封装在恒温槽内，恒温装置是由加热元件、热敏元件、有关的控制电路和恒温槽组成。槽内温度通常比环境最高温度还要高,510,，在,30 +50,范围内频率稳定度可以优于,1ppm,，具有较高的温度稳定度；与数字技术相比，有较好的相位噪声，但尺寸及功耗较大。,图,8-25,数字控制稳频技术框图,(5),高温度稳定度实现方法,提高介质稳频振荡器的温度稳定度的方法有以下三种：正温度系数补偿法，数字技术和恒温技术。,正温度系数介质谐振器补偿法,由分析知道，,FET,振荡器电路温度系数是负的，通常采用一个具有正温度系数的介质谐振器来补偿频率随温度的漂移。,数字技术,见图,8-25,。,44,4,介质稳频振荡器设计,(6),栅极耦合式振荡器设计,由分析知道，栅极耦合式振荡电路中的介质谐振器可以等效为串接在主线中的并联谐振回路，整个电,图,8-26,栅极耦合式振荡器电路设计,式中,|s,11,|,从,P,端往左视入的反射系数,s,11,的模；,s,11,相角。,采用,CAD,技术即可选出最佳耦合位置、传输线长度及输出匹配电路参数。,路由匹配电阻,R,0,、并联谐振回路、传输线、共漏极,FET,和输出匹配电路等五部分组成，如图,8-26,所示。图中,P,端是功率输出端口，,R,L,是外负载电阻。电路应满足的振荡稳定条件是,45,4,介质稳频振荡器设计,(7),环路反馈式振荡器设计,环路反馈式振荡器的设计可按以下步骤进行。,FET,放大电路设计,由于环路反馈式振荡器在没有介质谐振器反馈元件时，,FET,电路本身是一个放大电路，因此，可以按放大器来设计，尽可能在振荡频率处的放大量最大，频带越窄越好，它有利于,FET,的充分利用。为了改善相位噪声性能，通常采用松耦合结构，但耦合弱会使电路不易起振，解决办法可以采用多级,FET,放大电路。在要求杂波较严时，如杂波应小于,50dBc,时，在设计,FET,放大电路时不应存在微弱的寄生振荡。,反馈电路设计,反馈电路设计主要是确定介质谐振器与输入、输出传输线之间的耦合距离。通常测出介质谐振器与栅极传输线、输出传输线之间的不同锅合距离时的二口网络,S,参数，它与栅极传输线和输出传输线之间的夹角,、介质谐振器与栅极传输线、输出传输线之间的距离,h,1,和,h,2,有关，符号,、,h,1,和,h,2,的具体含义可参见图,8-15,。有了一组不同的,、,h,1,和,h,2,的二口网络,S,参数，就可以用,CAD,技术选出满足振荡稳定条件,(,见公式,(8-37),的最佳耦合夹角,和最佳耦合距离,h,1,和,h,2,。,46,体效应二极管振荡器与雪崩二极管振荡器,微波三极管振荡器尽管在微波很多领域被广泛采用，但迄今为止它们的使用频率不是很高。在,20GHz,以上，主要采用二极管负阻振荡器。例如，雪崩二极管振荡器和体效应二极管振荡器。目前雪崩管振荡器和体效应管振荡器的振荡频率已高达几百干兆赫，雪崩管在,94GHz,的单管脉冲功率已大于,10W,，采用合成技术后，,60GHz,连续波输出功率已大于瓦级。,47,1,二极管负阻等效电路,由前面分析知道，雪崩二极管和体效应管是负阻器件，它们的等效电路应包含一个负电阻。图,8-27(a),是雪崩二极管等效电路，其中虚线框内表示的是管芯等效电路，,G,D,是负电导，它与二极管上的直流电压和交流电压幅度呈非线性关系，,C,D,是等效电容，近似为一常量，,R,s,是非线性电阻，,L,s,是引线电感，,C,p,是管壳电容，它们都是封装引入的封装参数。,图,8-27(b),是体效应管等效电路，管芯等效成负电阻,R,D,和电容,C,D,的并联，封装参数用引线电感,L,s,和管壳电容,C,p,等效。,图,8-27,二极管负阻等效电路,(a),雪崩二极管；,(b),体效应二极管。,48,2,负阻振荡器的起振条件和平衡条件,图,8-28,微波二极管振荡器示意图 图,8-29,负阻振荡器的一般等效电路,图,8-28,是负阻二极管构成的微波振荡器示意图。振荡器是由一个波导谐振腔构成，负阻器件放置在腔内，腔的终端安装一个可调的短路活塞，输出端口有一个调配器，接至负载。可以用图,8-29,表示它们的等效电路。图中用一个二口网络表示谐振电路，它位于负载,Z(,),与负阻器件,Z,D,(I),之间；外电路在负阻器件端口的等效阻抗是,Z(,),，它的实部包括电路损耗及负载电阻两部分。而负阻器件的阻抗对频率的变化相对外电路来讲是很缓慢的，因此，等效电路中的负阻器件阻抗仅仅是振荡幅度的函数，表示为,式中,I,是振荡电流的振幅。,49,2,负阻振荡器的起振条件和平衡条件,图,8-28,微波二极管振荡器示意图 图,8-29,负阻振荡器的一般等效电路,50,2,负阻振荡器的起振条件和平衡条件,图,8-29,负阻振荡器的一般等效电路,图,8-28,微波二极管振荡器示意图,51,3,负阻振荡器设计,中标志的数字表示相应的振荡功率，直流偏置电压为,10V,、电流为,1.1A,。在设计振荡器前，应测出不同偏置条件及不同工作频率下的一组,Z,D,(I),，作为设计的依据。,图,8-30,体效应管的大信号等效阻抗,负阻振荡器的设计包括负载匹配电路设计、直流偏置电路和频率调谐电路。,(1),二极管负阻器件的大信号等效阻抗,由前面分析知道，一旦知道二极管负载器件的等效阻抗,Z,D,(I)(,或等效导纳,Y,D,(V),，就可以设计振荡器。,Z,D,(I),可以通过器件物理模型来确定，但计算比较复杂，通常采用测试方法获得器件的,Z,D,(I),值。图,8-30,是体效应管在,7GHz,时的大信号等效阻抗,Z,D,(I),，图,52,3,负阻振荡器设计,图,8-31,是稳定工作点的图示判别法。图中横坐标是阻抗的实部,R,，纵坐标是阻抗的虚部,jX,。图中画出负阻器件,Z,D,(I),和外电路在负阻器件处的等效阻抗,Z(,),的阻抗轨迹，交点,(I,0,，,0,),处两条轨迹的夹角为,，,是,Z,D,(I),阻抗线箭头方向顺时针转到,Z(,),负载线箭头方向的夹角。由分析知道，工作点稳定的条件是,180,（,8-46,）,可以看出，用图示判别工作点的稳定性是一种较简便的方法。,(2),匹配电路设计,设计的匹配电路应使振荡器满足起振条件、平衡条件及最大输出功率要求，即匹配电路应该提供必要的电抗，与负阻器件电抗形成谐振回路；同时将负载阻抗变换到合适的数值，使振荡器满足振荡的起振条件、平衡条件及最大输出功率。,在设计匹配电路时，除上述考虑外，,还应考虑振荡器的稳定性。,图,8-31,稳定工作点的图示判别法,53,3,负阻振荡器设计,(3),直流偏置电路,直流偏置电路应尽量减小对振荡器的影响。通常在振荡器的偏置端串接一个低通滤波电路来实现上述要求。,(4),频率调谐,负阻振荡器除固定振荡频率运用外，还经常需要频率调谐，以便改变振荡频率。频率调谐可以是机械调谐、变容管调谐、偏压调谐及,YIG,调谐。偏置调谐是直接改变负阻器件的偏压和偏流，使振荡频率改变。这种调谐方法比较简便，但调谐范围窄，调谐线性差，输出功率变化较大；,YIG,调谐范围宽，调谐线性好，但调谐结构复杂，调谐速度慢。,54,4,负阻振荡器基本电路,谐元件变容管偏置输入端，,6,是隔直电容，,7,是偏置线，,8,是接地块，,9,是旁路电容，,10,是变容管与体效应管的连线。图,8-32(b),是该振荡器的等效电路。,微带型体效应管振荡器结构简单，便于设计，制作方便，但损耗大，频率稳定度差，且不便于机械调谐，只适用于微波频率较低的小功率振荡器。,图,8-32,微带型体效应管振荡器,（,a,）微带电路结构；（,b,）等效电路。,负阻振荡器有微带、同轴及波导等几种结构形式。下面将分别介绍。,(1),微带型负阻振荡器,图,8-32(a),是微带型体效应管振荡器。变容管,4,串接在体效应管,3,和谐振线,5,之间，作串联调谐，,1,端是体效应管偏置输入端，,2,端是电调,55,4,负阻振荡器基本电路,(2),同轴腔负阻振荡器,图,8-33(a),是同轴腔体效应管振荡器电路结构示意图。体效应管,3,安装在同轴腔底部管座,2,上，管座底部装有散热块,1,，体效应管负端接同轴腔外导体,4,，正偏置,6,接入同轴腔内导体,8,，同轴腔内外导体之间用聚四氟乙烯,图,8-33,同轴腔体效应管振荡器,(a),电路结构；,(b),等效电路。,介质套筒,7,隔开，机械调谐采用扼流式不接触型活塞,5,，射频功率通过期合环,9,输出。图,8-33(b),是该振荡器的等效电路。,同轴腔体效应管振荡器容易实现机械调谐，调谐范围较宽，损耗比微带型要低，所以频率稳定度高于微带型振荡器，在,C,波段以下常采用同轴腔结构。,56,4,负阻振荡器基本电路,(3),波导腔负阻振荡器,图,8-34,是波导腔负阻振荡器结构示意图。谐振腔由半波长矩形波导段,1,构成，,H,101,工作模式。负阻器件,6,安装在腔体的一个底面上，位于电场最强处，直流偏置通过穿心电容,7,引入，圆柱形调谐棒,2,装在腔体的另一个底面上，四分之一波长径向短路线,4,和四分之一波长同轴线,3,组成的扼流结构用来防止射频泄漏，射频功率通过耦合窗,8,输出，,5,是上盖板，,9,是下盖板，,10,是波导腔主体。,波导腔损耗小，使波导腔振荡器有较高的频率稳定度和较好的噪声姓,图,8-34,波导腔负阻振荡器结构示意图,能，在,18GHz,以上得到广泛应用。调谐范围一般在,5%,一,20%,，比同轴腔负阻振荡器要窄。,57,5,雪崩管振荡器的低频寄生振荡与偏置电路,雪崩管振荡器在振荡时很容易存在低频寄生振荡。,图,8-35,是雪崩管振荡器存在低频寄生振荡时的频谱，,f,0,是射频振荡频率，,f,1,是低频寄生振荡频率。这种寄生的低频振荡会加大雪崩管的噪声，减小微波输出功率和调谐时使雪崩管烧坏。这种低频寄生振荡主要是由于电压和电流的不稳定引起的，为了消除低频寄生振荡，可采用合适的恒流源偏置电路。,图,8-36,是恒流源偏置电路，,I,0,是稳流源，,C,0,是寄生分路电容，,R,0,是分路电阻，,R,s,是串接电阻。,R,s,足够大时，可抑止较低的寄生振荡频率，但需要消耗一些功率。在,R,s,与雪崩管之间并联一个分路电容,C,1,和串接一个,C,、,L,并联支路，以使振荡器工作稳定。,图,8-35,存在低频寄生振荡时的 图,8-36,雪崩管恒流源偏置电路,雪崩管振荡器输出频谱,58,电压控制振荡器,采用变容二极管实现电子调谐的晶体管振荡器称为电压控制振荡器,(VCO),，常简称为压控振荡器。它的调谐速度较高，达到,110GHz/,s,，比,YIG,调谐振荡器的调谐速度高得多，但它的调谐带宽较窄，最宽也只有一个倍频程；它的调谐线性度在土,(1015)%,范围内，是一种用得比较广泛的振荡器。,1,压控振荡器工作原理,2,调谐带宽,3,振荡建立时间和调谐后漂移,59,1,压控振荡器工作原理,在参考面,1-1,和,2-2,之间的网络参数用,S,参数表示。该电路的起振条件有两种情况。,(1)|s,11,|,1,，,|s,22,|,1,情况,(2) |s,11,|,1,，,|s,22,|,1,情况,图,8-37,负阻振荡器电路框图,从振荡的角度看，压控振荡器的工作原理与微波晶体管振荡器的工作原理没有什么区别，唯一不同之处是压控振荡器的输入回路或输出回路中含有变容二极管。因此，可以按负阻振荡器的分析方法来分析,VCO,。,60,1,压控振荡器工作原理,图,8-37,负阻振荡器电路框图,61,2,调谐带宽,62,2,调谐带宽,