到微波系统的性能指标要求越来越高输出功率大相位.ppt

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f0 在f0附近还包含许多旁频 连续分布在f0两边 如图8 1所示 纵坐标是功率 f0处是载波功率 振荡器输出功率 f0两边的是噪声功率 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Q0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25 90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f2 对应于温度为T2时的谐振频率 f1 对应于温度为T1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25 60 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 TechInc8000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Q0与介质损耗及环境损耗有关 Q0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Q0的温度特性 Q0值随温度升高而下降 图8 8是Q0的频率特性 Q0值随频率升高而下降 且Q0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Q0尽可能大 用于稳定振荡器频率的Q0值应大于3000 图8 7Q0的温度特性图8 8Q0的频率特性由于低损耗材料的改进 介质谐振器的无载Q0值不断提高 通常10GHz的无载Q0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Q0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TE01 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TE01 场分布 24 1 介质谐振器 圆柱形介质谐振器工作在TE01 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 TE01 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0 50 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Cg 漏栅极之间接正反馈电容Cgd 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QL成正比 因此希望QL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Cds和栅源电容Cgs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f2 对应于温度为T2时的振荡频率 f1 对应于温度为T1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ha增加到hb时 振荡频率沿 曲线变化 输出功率沿1 2 3 4 5 6变化 而当金属盘距离由hb减小到ha时 振荡频率沿 变化 输出功率沿6 5 4 3 8 7 1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h1 h2一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QL 介质谐振器的有载品质因数 Po 振荡器的输出功率 Pr 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QL成反比 与Pr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 19FET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R0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 R0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s11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Q0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Q0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Q0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Q0 当基片厚度减小时 Q0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Q0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5 10 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 s11 从P端往左视入的反射系数s11的模 s11 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R0 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 RL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h1和h2有关 符号 h1和h2的具体含义可参见图8 15 有了一组不同的 h1和h2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h1和h2 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 GD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 CD是等效电容 近似为一常量 Rs是非线性电阻 Ls是引线电感 Cp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 RD和电容CD的并联 封装参数用引线电感Ls和管壳电容Cp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 ZD 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ZD 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ZD I 或等效导纳YD V 就可以设计振荡器 ZD 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ZD I 值 图8 30是体效应管在7GHz时的大信号等效阻抗 ZD 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ZD I 和外电路在负阻器件处的等效阻抗Z 的阻抗轨迹 交点 I0 0 处两条轨迹的夹角为 是ZD 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 H101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 f0是射频振荡频率 f1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 I0是稳流源 C0是寄生分路电容 R0是分路电阻 Rs是串接电阻 Rs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Rs与雪崩管之间并联一个分路电容C1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1 10GHz 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 10 15 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 s11 1 s22 1情况 2 s11 1 s22 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 63 3 振荡建立时间和调谐后漂移 之间的间隔 硅突变结二极管和超突变结二极管具有较短的建立时间 砷化镓突变结变容二极管具有中等的建立时间 砷化镓超突变结变容二极管具有较长的建立时间 调谐后漂移定义为发生在规定时刻t2和t3之间的频率漂移 规定t2值是压控振荡器调谐后 由t1起的10 s至1s范围内 而t3值是在t2后的10 s至1s范围内 引起调谐后漂移的主要原因是偏压漂移和器件的热效应 图8 38定义了建立时间和调谐后漂移 图8 38VCO的振荡建立时间和调谐后漂移的定义 在压控振荡器中 振荡建立时间定义为从触发变容管的触发波形达到最终值的时间开始 到压控振荡器振荡频率落入规定的振荡频率最终值的容差范围内的时间为止 图8 38中触发波形在t0时达到其最终值 到t1时振荡频率落入最终值的容差范围 fc f 内 建立时间是t0和t1 64 用PUFF ADS设计振荡器 用PUFF设计三端口振荡器 见Ref 8 1 Ref 8 2 应用ADS设计VCO 见Ref 8 3