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

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1、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

2、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 式 晶 體 振 蕩

3、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 。 2主 要 有 頻 率 準(zhǔn) 確 度 ， 頻 率 穩(wěn) 定 度 ， 長 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 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 是 指 振 蕩 器 實(shí) 際 工 作 頻 率 與 標(biāo) 稱 頻 率 之 間 的 偏 差 。 有 絕 對(duì) 頻 率 準(zhǔn) 確 度 和 相 對(duì) 頻 率 準(zhǔn) 確 度 兩種 表

4、示 方 法 。絕 對(duì) 頻 率 準(zhǔn) 確 度 是 實(shí) 際 工 作 頻 率 與 標(biāo) 稱 頻 率 的 差 值 。 用 下 式 表 示 Hz0fff 式 中 f 實(shí) 際 工 作 頻 率 ； f0 標(biāo) 稱 頻 率 。相 對(duì) 頻 率 準(zhǔn) 確 度 是 絕 對(duì) 頻 率 準(zhǔn) 確 度 與 標(biāo) 稱 頻 率 的 比 值 。 用 下 式 表 示 0 00 f ffff 4頻 率 穩(wěn) 定 度 是 指 在 規(guī) 定 的 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) ， 頻 率 準(zhǔn) 確 度 變 化 的 最 大 值 。 它 也 有 兩 種 表 示 方 法 ： 即 絕 對(duì) 頻 率 穩(wěn) 定度 和 相 對(duì) 頻 率 穩(wěn) 定 度 。 通 常 用 相 對(duì) 頻 率 穩(wěn)

5、定 度 來 表 示 ，又 簡 稱 為 頻 率 穩(wěn) 定 度 。 用 下 式 表 示時(shí) 間 間 隔0 max0fff 式 中 ， max0ff 是 在 規(guī) 定 時(shí) 間 內(nèi) 的 絕 對(duì) 頻 率 準(zhǔn) 確 度 的最 大 值 。根 據(jù) 所 規(guī) 定 的 時(shí) 間 間 隔 的 長 短 不 同 ， 頻 率 穩(wěn) 定 度 又 可 分 為 長 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（ 1） 長 期 頻 率 穩(wěn) 定 度如 果 所 規(guī) 定 的 時(shí) 間 間 隔 在 1 天 以 上 ， 在 這 段 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) 的 相 對(duì) 頻 率 準(zhǔn) 確 度 稱 為 長 期

6、頻 率 穩(wěn) 定 度 。 它 主 要 取 決 于 有 源 器 件 和 電 路 元 件 等 老 化 特 性 。式 （ 8-3） 的 含 義 是 在 規(guī) 定 時(shí) 間 內(nèi) 用 實(shí) 際 頻 率 偏 離 標(biāo) 稱 頻 率 的 最 大 值 作 為頻 率 穩(wěn) 定 度 。 在 度 量 長 期 頻 率 穩(wěn) 定 度 時(shí) 是 不 很 合 理 。 例 如 ， 振 蕩 器 在 一 個(gè) 月 內(nèi) 所 觀 測(cè) 到 的 穩(wěn) 定 度 經(jīng) 常 會(huì) 出 現(xiàn) 瞬 間 不 穩(wěn) ， 即 偶 然 在 幾 秒 鐘 內(nèi) 是 104， 而 大部 分 時(shí) 間 是 105。 如 果 按 式 （ 8-3） 的 定 義 ， 則 該 振 蕩 器 的 長 期 穩(wěn)

7、 定 度 是 104，這 個(gè) 結(jié) 果 顯 然 是 不 合 理 的 。 為 了 合 理 表 征 長 期 頻 率 穩(wěn) 定 度 ， 通 常 采 用 統(tǒng) 計(jì) 的 方 法 ， 即 用 均 方 根 值 表 示 長 期 頻 率 穩(wěn) 定 度 。 用 下 式 表 示 ni in ffffn 1 2001 式 中 n 測(cè) 量 次 數(shù) ； iff 0 第 i 次 所 測(cè) 的 相 對(duì) 頻 率 穩(wěn) 定 度 ； 0ff n個(gè) 測(cè) 量 數(shù) 據(jù) 的 平 均 值 。 6（ 2） 短 期 頻 率 穩(wěn) 定 度如 果 所 規(guī) 定 的 時(shí) 間 間 隔 在 一 天 以 內(nèi) ， 在 這 段 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) 的 相 對(duì) 頻 率 準(zhǔn) 確

8、度 稱 為 短 期 頻 率 穩(wěn) 定 度 ， 通 常 稱 為 頻 率 漂 移 。 它 主 要 取 決 于 溫 度 變 化 、 電 壓 變 化和 電 路 參 數(shù) 不 穩(wěn) 定 等 因 素 。（ 3） 瞬 時(shí) 頻 率 穩(wěn) 定 度如 果 所 規(guī) 定 的 時(shí) 間 間 隔 在 秒 以 內(nèi) ， 在 這 段 時(shí) 間 間 隔 內(nèi) 的 相 對(duì) 頻 率 準(zhǔn) 確 度 稱 為 瞬 時(shí) 頻 率 穩(wěn) 定 度 ， 它 是 由 振 蕩 器 的 內(nèi) 部 噪 聲 引 起 的 頻 率 起 伏 。由 于 頻 率 的 瞬 時(shí) 值 是 無 法 測(cè) 量 的 ， 其 所 測(cè) 得 的 頻 率 僅 僅 是 在 某 一 段 時(shí) 間 內(nèi)的 平 均 值

9、， 因 此 瞬 間 頻 率 穩(wěn) 定 度 是 不 能 用 式 （ 8-3） 度 量 的 。 通 常 ， 采 用 阿 侖 方差 來 度 量 瞬 間 頻 率 穩(wěn) 定 度 ， 有 時(shí) 也 稱 秒 級(jí) 頻 率 穩(wěn) 定 度 。 用 下 式 表 示 nj jjny fffn 1 2122202 211lim （ 8-5）式 中 每 次 測(cè) 量 的 取 樣 時(shí) 間 ； f 0 標(biāo) 稱 頻 率 ； n 測(cè) 量 組 數(shù) ； f 2j, f2j1 第 2j 次 和 第 2j1 次 所 測(cè) 得 的 頻 率 值 ， j = 1, 2, , n。式 （ 8-5） 中 ， 要 求 無 間 歇 地 測(cè) 出 每 對(duì) 數(shù) 據(jù) ，

10、 而 對(duì) 與 對(duì) 之 間 的 間 隔 時(shí) 間 可 任 取 。 7頻 率 f 0， 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

11、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 81 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

12、純 度 9（ 1） 功 率 表 示調(diào) 頻 噪 聲 可 以 用 離 載 頻 f 0為 fm處 的 單 位 頻 帶 調(diào) 頻 噪 聲 功 率 Pn與 載 波 功 率Po之 比 表 示 。 它 與 調(diào) 制 頻 率 及 頻 偏 的 關(guān) 系 如 下22 mpFMSSBon ffPP 式 中 fp 頻 偏 峰 值 ； fm 調(diào) 制 頻 率 ； Pn 偏 離 載 頻 f0為 fm處 的 單 位 帶 寬 單 邊 帶 噪 聲 功 率 。如 果 P n取 雙 邊 帶 功 率 值 ， 則 上 式 改 為 2 2 mpDSBFMon ffPP用 dB 數(shù) 表 示 上 兩 式 ， 即 HzdBcffPP mpSSBFMo

13、n /2lg20 HzdBcffPP mpDSBFMon /2lg20 可 以 看 出 ， 調(diào) 頻 噪 聲 是 頻 偏 和 調(diào) 制 頻 率 的 函 數(shù) ， 頻 偏 越 大 ， 調(diào) 頻 噪 聲 越 大 ；調(diào) 制 頻 率 越 低 ， 調(diào) 頻 噪 聲 越 大 。 10（ 2） 均 方 根 頻 偏 調(diào) 頻 噪 聲 也 可 以 用 頻 偏 直 接 表 示 ， 即 采 用 均 方 根 頻偏 frms 表 示 調(diào) 頻 噪 聲 ， 它 是 單 位 帶 寬 噪 聲 邊 帶 對(duì) 應(yīng) 的 頻 偏 均 方 值 。 frms的 數(shù) 值 由 下 式 表 示2prms ff （ Hz） （ 8-10） 從 式 （ 8-8）

14、 、 （ 8-9） 和 式 （ 8-10） 看 出 ， 用 功 率 表 示 調(diào)頻 噪 聲 時(shí) ， 應(yīng) 注 明 是 單 邊 帶 調(diào) 頻 噪 聲 功 率 還 是 雙 邊 帶 調(diào) 頻 噪 聲 功 率 ， 兩 者 之 間 差 3dB； 而 用 均 方 根 頻 偏 表 示 調(diào)頻 噪 聲 時(shí) ， 就 不 必 注 明 是 單 邊 帶 調(diào) 頻 噪 聲 功 率 還 是 雙 邊 帶 調(diào) 頻 噪 聲 功 率 。 11（ 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

15、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)

16、 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 的 表 示 法 通 常 用 相 位 噪 聲 譜 密 度 來 表 示 相 位 噪 聲 的 大 小 ， 根 據(jù) 不同 用 途 ， 相 位 噪 聲 譜 密 度 的 表 示 方 法 也 不 同 。 相 位 脈 動(dòng) 譜 密 度 相 位 脈 動(dòng) 譜 密 度 可 以 寫 為 2K fSfS rmsV （ rad

17、 2/Hz）式 中 fS rmsV 相 位 檢 波 器 電 壓 脈 動(dòng) 輸 出 的 功 率 譜 密 度 ； K 相 位 檢 波 器 常 數(shù) ， 單 位 是 V/rad。這 個(gè) 參 量 適 用 于 具 有 相 位 敏 感 電 路 的 系 統(tǒng) ， 用 它 分 析 相 位 噪聲 對(duì) 系 統(tǒng) （ 如 數(shù) 字 調(diào) 頻 通 信 系 統(tǒng) ） 的 影 響 。 13 頻 率 脈 動(dòng) 譜 密 度 頻 率 脈 動(dòng) 譜 密 度 可 以 由 相 位 脈 動(dòng) 譜 密 度 確 定 ， 得 fSffS 2 （ rad Hz） 由 上 式 看 出 ， 頻 率 脈 動(dòng) 譜 密 度 是 與 頻 率 有 關(guān) 的 。 單 邊 帶 相

18、位 噪 聲 譜 密 度在 大 多 數(shù) 場(chǎng) 合 下 ， 并 不 采 用 上 述 二 種 表 示 方 法 ， 而 是 采 用 相 對(duì) 載 波 電 平 的 相 位 脈 動(dòng) 的 實(shí) 際 單 邊 帶 功 率 ， 表 示 為L cnPfPf （ dBc/Hz） 式 中 L(f) 單 邊 帶 相 位 噪 聲 譜 密 度 ， 單 位 取 dBc/Hz； Pn(f) 在 偏 離 載 頻 為 f 處 的 帶 寬 為 1Hz 的 單 邊 帶功 率 ， 以 dBm 為 單 位 ； P c 載 波 功 率 ， 以 dBm 為 單 位 。 14振 蕩 器 的 頻 譜 純 度 是 指 振 蕩 頻 率 的 不 穩(wěn) 所 造 成

19、 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) 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 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

20、 有 體 積 小 、 結(jié) 構(gòu) 簡單 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） 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

21、 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

22、比 較 大 ， 以 減 小 電 路 尺 寸 。 目 前 ， r在 2590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r 17介 質(zhì) 諧 振 器 的 諧 振 頻 率 與 它 周 圍 環(huán) 境 有 關(guān) 。 如 果 介 質(zhì) 諧 振 器 放 在 圓 柱 形 金 屬 空 腔 內(nèi) ， 空 腔 的 高 度 約 為 諧 振 器 高 度 的 3 倍 ， 直徑 約 為 介 質(zhì) 諧 振 器 直 徑 的 2 倍 ， 如 圖 8-3 所 示 。 這 種

23、 情 況 的 圓 柱形 介 質(zhì) 諧 振 器 諧 振 頻 率 （ 工 作 在 TE 01模 式 ） 可 按 下 式 計(jì) 算 4.02.10 DLDcf r 當(dāng) 孤 立 的 圓 柱 形 介 質(zhì) 諧 振 器 的 諧 振 頻 率 可 以 用 下 式 計(jì) 算 9.6340 LDDf r 式 中 c 光 速 ， C = 31011mm/s； D 圓 柱 形 介 質(zhì) 諧 振 器 直 徑 （ mm） ； f 0 圓 柱 形 介 質(zhì) 諧 振 器 頻 率 （ GHz） ； L 圓 柱 形 介 質(zhì) 諧 振 器 高 度 （ mm） 。在 1.0D/L4， 30 r50 情 況 下 ， 式 （ 8-15） 的 精 度

24、在 2%左 右 。 18 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 f 2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

25、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 2560 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 pp

26、m/ 。 2 11 2 1rf f ff T T 19 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-Tech Inc8000系 列 ） （ 日 本 村 田 制 作 所 ） 2

27、0 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 。 00 2 1fQ f f 圖 8-6 介 質(zhì) 諧 振 器 品 質(zhì) 因 數(shù) 的確 定 21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

28、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 8-7 Q 0的 溫 度 特 性 圖 8-8 Q0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

29、高 。 22（ 2） 圓 柱 形 介 質(zhì) 諧 振 器 的 工 作 模 式 介 質(zhì) 諧 振 器 材 料 的 相 對(duì) 介 電 常 數(shù) 很 高 ， 因 而 電 磁 場(chǎng) 集 中 于 介 質(zhì) 材 料 之 中 。在 介 質(zhì) 穩(wěn) 頻 振 蕩 器 中 ， 圓 柱 形 介 質(zhì) 諧 振 器 用 得 比 較 多 。圓 柱 形 介 質(zhì) 諧 振 器 可 以 看 成 兩 端 開 路 的 介 質(zhì) 波 導(dǎo) ， 它 有 無 限 多 振 蕩 模 式 ；與 金 屬 諧 振 腔 不 同 ， 介 質(zhì) 諧 振 器 沿 軸 向 的 長 度 L 不 是 半 波 長 的 整 數(shù) 倍 ， 因 為 介 質(zhì) 與 空 氣 分 界 面 上 的 場(chǎng) 不

30、是 零 ， 而 是 按 指 數(shù) 規(guī) 律 在 空 氣 中 衰 減 ， 所 以 ,2,1,0,12 ppL g 圓 柱 形 介 質(zhì) 諧 振 器 的 工 作 模 式 有 pmnpmnpmnpmn EHHETMTE ,相 應(yīng) 模 式 的 介 質(zhì) 諧 振 器 長 度 為 2/12/ gg pLp 圓 柱 形 介 質(zhì) 諧 振 器 的 最 低 次 模 可 能 是 TE01模 ， 也 可 能 是 TM01模 。 為 了 保 證 TE01是 主 模 ， 圓 柱 形 介 質(zhì) 諧 振 器 的 長 度 與 直 徑 的 比 值 L/D 應(yīng) 在 0.30.5 之 間 ， 如 果高 度 L 過 小 ， 將 引 起 Q 值

31、下 降 。 23（ 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 ，

32、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

33、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 050 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)

34、 點(diǎn) 。 26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 ，F(xiàn)ET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)

35、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） 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

36、 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 最 強(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 Q L成 正 比 ，因 此 希 望 QL越 大 越 好 。在 設(shè) 計(jì)

37、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（ 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

38、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

39、 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 f 2對(duì) 應(yīng) 于 溫 度 為 T2時(shí) 的 振 蕩

40、 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 。2 10 2 11f f ff T T 30（ 2） 頻 率 初 始 漂 移在 常 溫 下 ， 介 質(zhì) 穩(wěn) 頻 振 蕩

41、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

42、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 。0 dsgs VfF v 柵 推 常 數(shù)0 dsds VfF v 漏 推 常 數(shù) 31（ 4） 回 滯 現(xiàn) 象輸 出 反 射 式 介 質(zhì) 穩(wěn) 頻 FE

43、T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 123456變 化 ；而 當(dāng) 金 屬 盤 距 離 由 h b減 小 到 ha時(shí) ， 振蕩 頻 率 沿 變化 ， 輸 出 功 率 沿 6543871變 化 ， 這 種 現(xiàn) 象

44、 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 h1h2一 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

45、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 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（ 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

46、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 Q L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 ，

47、與 Pr成 正 比 。1 rL oPF Q P牽 引 34（ 6） 穩(wěn) 頻 系 數(shù)介 質(zhì) 穩(wěn) 頻 FET 振 蕩 器 的 穩(wěn) 頻 系 數(shù) 是 指 當(dāng) 環(huán) 境 條 件 變 化 時(shí) ， 加 穩(wěn) 頻 措 施 后 比 無 穩(wěn) 頻 措 施 時(shí) 頻 漂 的 改 善 倍 數(shù) 。 穩(wěn) 頻 系 數(shù) 可 按 下 式 計(jì) 算100 FfS 式 中 0 振 蕩 頻 率 標(biāo) 稱 值 ； F 無 穩(wěn) 頻 措 施 時(shí) ， 環(huán) 境 條 件 變 化 后 的 振 蕩 頻 率 ； 1 有 穩(wěn) 頻 措 施 時(shí) ， 環(huán) 境 條 件 變 化 后 的 振 蕩 頻 率 ；反 饋 式 介 質(zhì) 穩(wěn) 頻 振 蕩 器 的 穩(wěn) 頻 系 數(shù)FLf QQ

48、S 1 式 中 QL 介 質(zhì) 諧 振 器 的 有 載 Q 值 ； QF 無 介 質(zhì) 諧 振 器 時(shí) 放 大 電 路 的 等 效 Q。上 式 表 明 ， 穩(wěn) 頻 系 數(shù) S f與 QL成 正 比 。 35介 質(zhì) 穩(wěn) 頻 振 蕩 器 的 設(shè) 計(jì) 包 括 輸 出 匹 配 電 路 、 輸 入 匹 配 電 路 、 介 質(zhì) 諧 振 器 安 裝 、耦 合 及 調(diào) 諧 機(jī) 構(gòu) 、 電 路 溫 度 補(bǔ) 償 機(jī) 構(gòu) 等 。 （ 1） 共 漏 極 FET 的 S參 數(shù) 計(jì) 算通 常 ， FET 參 數(shù) 手 冊(cè) 給 出 的 S 參 數(shù) 都 是 共 源 極 S 參 數(shù) 。 而 有 些 振 蕩 器 電 路 是共 漏 極

49、電 路 ， 需 要 將 共 源 極 S 參 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 為 共 漏 極 S 參 數(shù) 。 轉(zhuǎn) 換 的 具 體 步 驟 如 下 。 確 定 共 源 極 Y參 數(shù) ssss sssssss yy yyYs 221121 1222112211 2221 1211 12 211 1其 中 21122211 sssss 確 定 FET的 不 定 導(dǎo) 納 矩 陣 FET 的 不 定 導(dǎo) 納 矩 陣 可 以 用 共 源 極 Y 參 數(shù) 表 示 2221121122122111 22212221 121112110 yyyyyyyy yyyy yyyyY 36 確 定 共 漏 極 Y 參 數(shù) 在 圖 8-19

50、中 ， 漏 極 接 地 就 是 第 2 口 接 地 ， 只 要 把 FET 不 定 導(dǎo) 納 矩 陣 Y0的第 二 行 和 第 二 列 都 刪 除 ， 就 可 以 得 到 FET 共 漏 極 Y 參 數(shù) DD DDD yy yy yyyyyy yyyY 2221 1211 222112112111 121111 確 定 共 漏 極 S參 數(shù)根 據(jù) y參 數(shù) 與 s參 數(shù) 的 關(guān) 系 ， 由 上 式 可 以 得 到 FET 共 漏 極 S 參 數(shù) DDDD DDDDDDD DD DDD yyyy yyyyyyy ss ssS 222221 1222111211 2221 1211 12 211 1

51、 其 中 DDDDD yyyyy 21122211 圖 8-19 FET的 三 個(gè) 端 口 編 號(hào) 37（ 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

52、 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（ 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)

53、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（ 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

54、越 小 ， 諧 振頻 率 增 高 越 多 ， 但 同 時(shí) 使 無 載品 質(zhì) 因 數(shù) Q 0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 電 調(diào) 諧在 微 波 集 成 電 路 技 術(shù) 中 ，主 要 采 用 變 容 管 電 調(diào) 諧 。它 是 把 變 容 管 通 過

55、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)?管 兩 端 ， 改 變 變 容 管結(jié) 電 容 ， 就 可 以 實(shí) 現(xiàn) 諧 振 頻 率 的 調(diào) 整 。 圖 8-23 變 容 管 電 調(diào) 諧 振 蕩 器 電 路（ 3） 介 質(zhì) 諧 振 器 頻 率 調(diào) 諧 機(jī) 構(gòu) 41電 調(diào) 諧 電 路 頻 率 的 相 對(duì) 頻 偏 可 以 按 下 式 計(jì) 算00 2QBZcc 式 中 c 耦 合 系 數(shù) ； B 一 變 容 管 調(diào) 諧 范 圍 內(nèi) 的 電 納 變 化 量 ； Zc 微 帶 線 特 性 阻 抗 ； Q 設(shè) 有 調(diào) 諧 時(shí)

56、 的 介 質(zhì) 諧 振 器 無 載 Q； 電 調(diào) 諧 電 調(diào) 的 頻 偏 ； 0 諧 振 頻 率 。而 電 調(diào) 諧 的 介 質(zhì) 諧 振 器 無 載 Q 是00 2 vQQ 式 中 ， Qv 是 變 容 管 的 無 載 Q0 從 上 兩 式 可 以 看 出 ， 變 容 管 電 路 與 介 質(zhì) 諧 振器 耦 合 越 緊 ， 變 容 管 調(diào) 諧 范 圍 內(nèi) 的 電 納 變 化 量 越 大 ， 則 電 調(diào) 諧 電 路 的 頻偏 越 大 ； 而 頻 偏 越 大 ， 變 容 管 的 無 載 Q 越 低 ， 則 電 調(diào) 諧 時(shí) 的 介 質(zhì) 諧 振 器 無 載 Q 越 低 ， 即 振 蕩 器 的 頻 率 穩(wěn) 定

57、 度 越 低 ， 所 以 頻 偏 與 穩(wěn) 定 度 是 互 相 矛盾 的 ， 設(shè) 計(jì) 時(shí) 應(yīng) 折 衷 考 慮 。 42(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

58、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 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

59、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 510 ， 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

60、 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(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 1111 10ss 圖 8-

61、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 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(7)環(huán) 路 反 饋

62、 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 ，

63、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

64、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 。

65、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

66、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 L s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)