到微波系統的性能指標要求越來越高輸出功率大相位.ppt

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1 重要性 微波集成振蕩器是各類微波系統的關鍵部件之一 它的性能優(yōu)劣直接影響到微波系統的性能指標 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 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器 鎖相式晶體振蕩器及介質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計 2 振蕩器主要技術指標 振蕩器的穩(wěn)定度 主要有頻率準確度 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 瞬時頻率穩(wěn)定度 3 頻率準確度 4 頻率穩(wěn)定度 根據所規(guī)定的時間間隔的長短不同 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 振蕩器主要技術指標 調頻噪聲和相位噪聲 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 它同時包含調頻噪聲功率和調幅噪聲功率 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起伏 振蕩頻率的隨機起伏稱為瞬時頻率穩(wěn)定度 頻率的瞬變將產生調頻噪聲 相位噪聲和相位抖動 振蕩幅度的隨機起伏將引起調幅噪聲 因此 振蕩器在沒有外加調制時 輸出的頻率不僅含振蕩 8 振蕩器主要技術指標 調頻噪聲和相位噪聲 1 調頻噪聲 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 相位脈動譜密度 頻率脈動譜密度 單邊帶相位噪聲譜密度3 頻譜純度 9 1 調頻噪聲 10 1 調頻噪聲 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幅和寄生調相有關 由調制理論分析知道 靠近振蕩頻率處的噪聲邊帶功率主要是寄生調相引起的 而寄生調幅分量很小 可以不考慮 圖8 2中含有兩類調相信號 第一類 確定的調相信號 主要是一些離散信號 它是由電源頻率 振動頻率和交變電磁場產生的干擾 這些干擾信號在調相噪聲譜密度圖上是一些可以分開的離散分量 第二類 隨機的調相信號 稱為相位噪聲 相位噪聲譜在很寬的頻率范圍內是個連續(xù)譜 由于測得的噪聲電平是檢波器帶寬的函數 為了使測量結果與檢波器帶寬無關 相位噪聲電平是在1Hz帶寬內測量 圖8 2振蕩器的調相噪聲譜密度 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表示 15 介質諧振器穩(wěn)頻FET振蕩器 介質穩(wěn)頻FET振蕩器是利用微波介質諧振器做為高Q腔對FET振蕩器進行穩(wěn)頻的諧振器 通常簡稱為介質振蕩器 它在1GHz到幾十GHz頻率范圍內 可以直接產生所需的振蕩頻率 而不需倍頻 具有體積小 結構簡單的特點 低損耗介質諧振器材料已有很大進展 介質諧振器Q值已接近金屬空腔諧振器 因此 振蕩器的相位噪聲較低 介質諧振器的溫度系數很容易控制 可以與FET電路互相補償 使介質振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度 因此 介質振蕩器已被廣泛用于各類微波系統中 16 1 介質諧振器 1 微波介質諧振器材料的物理特性微波介質諧振器是一種介電常數高 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諧振器 應采用不同材料實現 它大體分成三類 分別用于L S波段 C波段和X K波段 介質諧振器的主要參數是相對介電常數 r 無載品質因數Q0和諧振頻率溫度系數 f 諧振頻率介質諧振器的諧振頻率與介質的成反比 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公司生產的8000系列介質諧振器 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 介質諧振器 18 1 介質諧振器 諧振頻率溫度系數改變介質諧振器的材料成分配比 可以把介質諧振器的諧振頻率溫度系數 rf控制在 20ppm 20ppm 范圍內任意選定 誤差約為 0 5ppm 介質諧振器的諧振頻率溫度系數可以按下式計算 ppm 8 16 式中f2 對應于溫度為T2時的諧振頻率 f1 對應于溫度為T1時的諧振頻率 通常 介質諧振器參數表上給出的諧振頻率溫度系數 rf是指常溫 T 20 條件下的 rf值 而實際電路往往要求在某一溫度范圍內 rf接近0ppm rf變化不應太大 用這種介質諧振器實現的介質振蕩器的頻率穩(wěn)定性能就比較好 目前 在25 60 溫度變化范圍內 大多數介質諧振器的 rf變化只有幾個ppm 當超出上述溫度范圍時 rf的溫度特性變得很壞 rf的變化量可能大到幾百ppm 19 1 介質諧振器 諧振頻率溫度系數圖8 4是Trans Tech公司的8000系列 rf對溫度的變化關系 圖8 5是日本村田制作所產品的 rf對溫度的變化關系 由圖8 4看出 不同型號產品的 rf的溫度特性是不一樣的 其中8515型號 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 介質諧振器 無載品質因數Q介質諧振器的無載品質因數Q0與介質損耗及環(huán)境損耗有關 Q0值是儲能與周期耗散能之比值 具體計算可以用下式表示 8 17 式中含義如圖8 6所示 圖8 6介質諧振器品質因數的確定 21 1 介質諧振器 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 其值隨不同材料而不同 在電路設計時 希望品質因數Q0盡可能大 用于穩(wěn)定振蕩器頻率的Q0值應大于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 介質諧振器的無載Q0值不斷提高 通常10GHz的無載Q0值約為10000 近年報導可達20000 該值已接近拋光金屬空腔 原理上 由于介質諧振器沒有金屬損耗 其無載Q0值還有可能提高 22 1 介質諧振器 23 1 介質諧振器 2 圓柱形介質諧振器的工作模式圖8 9是圓柱形介質諧振器主模TE01 場分布 圖中實線為電力線 虛線為磁力線 圖8 9圓柱形介質諧振器主模TE01 場分布 24 1 介質諧振器 圓柱形介質諧振器工作在TE01 主模時 它與微帶線之間的耦合是通過磁場實現的 如圖8 10所示 微帶線與介質諧振器之間的距離越小 耦合就越緊 介質諧振器的有載品質因數降低越多 可能低于1000 圖8 10介質諧振器 TE01 模 與微帶線耦合結構 3 介質諧振器與微帶線的耦合 25 2 介質穩(wěn)頻FET振蕩器電路 介質穩(wěn)頻振蕩器的有源器件可以用FET 也可以是BJT 但從電路結構和設計方法這兩方面看 介質穩(wěn)頻FET振蕩器與介質穩(wěn)頻BJT振蕩器沒有什么區(qū)別 故這里僅討論介質穩(wěn)頻FET振蕩器 介質穩(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介質腔可以作為振蕩電路中的一個元件 也可以作為反饋電路元件和振蕩電路負載的一部分 使振蕩器在0 50 溫度范圍內 頻率穩(wěn)定度達到10 5量級 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 但可以滿足大多數微波系統的要求 它具有體積小 電路不復雜 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 26 2 介質穩(wěn)頻FET振蕩器電路 介質穩(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 等效在柵極接一個電容Cg 漏柵極之間接正反饋電容Cgd 使FET電路構成自激振蕩器 而在輸出微帶線附近耦合一個高Q介質諧振器 它作負載的一部分 一方面提高了振蕩器電路Q值 另一方面由于它是一個耦合電路 因而存在頻率牽引及頻率調諧的回滯現象 有關回滯現象將在下節(jié)詳述 27 2 介質穩(wěn)頻FET振蕩器電路 2 環(huán)路反饋式圖8 15 a 是環(huán)路反饋式介質穩(wěn)頻振蕩器電路示意圖 不加介質諧振器時 FET電路是微波放大器的工作狀態(tài) 不產生振蕩 當把高Q介質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 當反饋相位和反饋功率合適時將產生振蕩 介質諧振器相當于窄帶帶通濾波器 在介質諧振器的中心頻率處 反饋最強 相位合適 圖8 15 b 是反饋式介質振蕩器的等效電路圖 反饋式介質穩(wěn)頻振蕩器的穩(wěn)頻效果與介質振蕩器有載品質因素QL成正比 因此希望QL越大越好 在設計FET放大器電路時 應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 更不應存在寄生振蕩 圖8 15環(huán)路反饋式介質穩(wěn)頻振蕩器 a 振蕩器電路 b 等效電路 28 2 介質穩(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 使漏極對微波接地 并構成漏壓直流通路 介質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高Q 圖8 16柵極耦合式介質穩(wěn)頻振蕩器 a 振蕩器電路 b 等效電路 的串聯諧振電路 與FET的漏源電容Cds和柵源電容Cgs構成電容式三點振蕩電路 如圖8 16 b 所示 源極經匹配電路后輸出振蕩功率 29 3 專門術語的說明 為了設計一個穩(wěn)定的 性能良好的介質穩(wěn)頻振蕩器 應該考慮頻率溫度系數 頻率初始漂移 推頻系數 頻率牽引 穩(wěn)頻系數及回滯現象等 1 頻率溫度系數當溫度變化時 介質穩(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描述 介質穩(wěn)頻振蕩器的頻率溫度系數 ppm 8 25 式中f2 對應于溫度為T2時的振蕩頻率 f1 對應于溫度為T1時的振蕩頻率 0f中包括兩部分 一部分是介質諧振器的諧振頻率溫度系數 rf 另一部分是沒有介質諧振器時的振蕩器頻率隨溫度的相對變化 適當選擇 rf 使它與第二部分的變化大小相等而變化方向相反 介質穩(wěn)頻振蕩器的頻率溫度系數將減到最小 30 3 專門術語的說明 2 頻率初始漂移在常溫下 介質穩(wěn)頻振蕩器開機頻率隨著電路溫度的上升將產生變化 直到電路達到熱平衡 振蕩頻率也達到某一穩(wěn)定值 介質穩(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 推頻系數介質穩(wěn)頻振蕩器的振蕩頻率會隨著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 在設計振蕩器時用推頻系數描述這項性能 并有柵壓推頻系數和漏壓推頻系數兩種 柵壓推頻系數是漏壓固定不變而柵壓變化時 振蕩頻率變化量與柵壓變化量的比值同樣 漏壓推頻系數是柵壓固定不變而漏壓變化時 振蕩頻率變化量與漏壓變化量的比值由分析知道 推頻系數與介質諧振器的品質因數成反比 31 3 專門術語的說明 4 回滯現象輸出反射式介質穩(wěn)頻FET振蕩器的振蕩頻率與輸出功率在頻率調諧過程中存在雙值性 如圖8 17所示 圖中橫軸h表示頻率調節(jié)金屬盤至介質的距離 虛線表示的曲線是頻率變化規(guī)律 實線是振蕩器輸出功率的變化規(guī)律 當h由ha增加到hb時 振蕩頻率沿 曲線變化 輸出功率沿1 2 3 4 5 6變化 而當金屬盤距離由hb減小到ha時 振蕩頻率沿 變化 輸出功率沿6 5 4 3 8 7 1變化 這種現象稱為振蕩器的調諧回滯 圖8 17機械調諧使振蕩頻率與輸出功率出現的回滯現象 a 振蕩器機械調諧機構 b 回滯曲線 現象 它使振蕩頻率和輸出功率出現雙值性 這種現象縮小了振蕩器的調諧范圍 從曲線可以看出 只有在h1 h2一小段范圍內是單值穩(wěn)定區(qū) 而在穩(wěn)定區(qū)兩旁出現了回滯現象 同樣 柵源電壓和漏壓的變化也會使振蕩頻率與輸出功率出現回滯現象 圖8 18 a 是柵壓變化使振蕩頻率與輸出功率出現的回滯現象 圖8 18 b 是漏壓變化使振蕩頻率與輸出功率出現的回滯現象 32 3 專門術語的說明 圖8 18電壓變化時振蕩頻率與輸出功率的回滯現象 a 柵壓變化的回滯曲線 b 漏壓變化的回滯曲線 4 回滯現象 33 3 專門術語的說明 5 頻率牽引當振蕩器負載變化時 介質穩(wěn)頻振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化 把這種現象稱為振蕩器的頻率牽引 負載的變化相當于振蕩器輸出端口駐波比發(fā)生變化 在設計振蕩器時 要求駐波比在某范圍內頻率牽引系數不大于規(guī)定值 頻率牽引系數可按下式計算 8 28 式中QL 介質諧振器的有載品質因數 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F牽引與QL成反比 與Pr成正比 34 3 專門術語的說明 35 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 36 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 圖8 19FET的三個端口編號 37 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 2 介質諧振器耦合電路參數的擬合圖8 16中的介質諧振器與微帶線在A面向電阻R0方向看的等效電路如圖8 20所示 介質諧振器相當于并聯諧振電路串聯在主線中 R0是50 匹配負載電阻 圖中的L C R值取決于介質諧振器的無載Q值 也取 圖8 20介質諧振器與微帶線耦合的等效電路 決于微帶線損耗 以及介質諧振器與微帶線的耦合強弱 耦合電路參數的擬合過程如下 首先測出介質諧振器在各個頻率下不同m m是介質諧振器中心到微帶線中心線的耦合距離 時的若干組s11的模和相角 然后用計算機擬合出不同m時的L C R值 38 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 3 介質諧振器頻率調諧機構在實際的介質振蕩器中 經常需要調諧介質諧振器的諧振頻率 從而實現振蕩頻率的調諧 調諧方式可以是機械調諧 也可以是電調諧 機械調諧介質諧振器頻率的調諧機構如圖8 17 a 和圖8 21所示 圖8 2l諧振頻率調諧機構 a 介質桿 b 金屬桿 c 介質塊 39 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 3 介質諧振器頻率調諧機構 機械調諧圖8 22給出了介質諧振器采用機械調諧機構時的諧振頻率和無載品質因數Q0對調諧距離的變化特性 調諧距離h越小 諧振頻率增高越多 但同時使無載品質因數Q0下降越多 當h超過某一值時 諧振頻率和無載品質因數將不隨h的增加而變化 在調諧頻率時為了使無載品質因數下降不太多 機械調諧機構的頻率調諧范圍不應超出5 圖8 22諧振頻率和品質因數對調諧距離的變化特性 40 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 電調諧在微波集成電路技術中 主要采用變容管電調諧 它是把變容管通過微帶線與介質諧振器耦合形成電調諧電路 如圖8 23所示 調諧電壓加在變容管兩端 改變變容管結電容 就可以實現諧振頻率的調整 圖8 23變容管電調諧振蕩器電路 3 介質諧振器頻率調諧機構 41 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 42 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 4 基片厚度對無載品質因數的影響在介質穩(wěn)頻振蕩器電路中 電路基片的損耗對介質諧振器的無載品質因數Q0影響很大 圖8 24給出了三種不同基片厚度的介質諧 圖8 24基片厚度對無載品質因數的影響 振器Q0 當基片厚度減小時 Q0也被相應減小 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 為此 在電路設計時 都采用厚度較薄的基片 以便減小色散效應 同時采用低損耗和低介電常數的圓柱環(huán) 把介質諧振器適當墊高 使介質諧振器的Q0減小不多 43 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 恒溫技術在提高介質穩(wěn)頻振蕩器溫度穩(wěn)定度的技術中 恒溫技術也是一種常用的方法 它是將振蕩器整個盒體封裝在恒溫槽內 恒溫裝置是由加熱元件 熱敏元件 有關的控制電路和恒溫槽組成 槽內溫度通常比環(huán)境最高溫度還要高5 10 在 30 50 范圍內頻率穩(wěn)定度可以優(yōu)于1ppm 具有較高的溫度穩(wěn)定度 與數字技術相比 有較好的相位噪聲 但尺寸及功耗較大 圖8 25數字控制穩(wěn)頻技術框圖 5 高溫度穩(wěn)定度實現方法提高介質穩(wěn)頻振蕩器的溫度穩(wěn)定度的方法有以下三種 正溫度系數補償法 數字技術和恒溫技術 正溫度系數介質諧振器補償法由分析知道 FET振蕩器電路溫度系數是負的 通常采用一個具有正溫度系數的介質諧振器來補償頻率隨溫度的漂移 數字技術見圖8 25 44 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 6 柵極耦合式振蕩器設計由分析知道 柵極耦合式振蕩電路中的介質諧振器可以等效為串接在主線中的并聯諧振回路 整個電 圖8 26柵極耦合式振蕩器電路設計 式中 s11 從P端往左視入的反射系數s11的模 s11 相角 采用CAD技術即可選出最佳耦合位置 傳輸線長度及輸出匹配電路參數 路由匹配電阻R0 并聯諧振回路 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是外負載電阻 電路應滿足的振蕩穩(wěn)定條件是 45 4 介質穩(wěn)頻振蕩器設計 7 環(huán)路反饋式振蕩器設計環(huán)路反饋式振蕩器的設計可按以下步驟進行 FET放大電路設計由于環(huán)路反饋式振蕩器在沒有介質諧振器反饋元件時 FET電路本身是一個放大電路 因此 可以按放大器來設計 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 通常采用松耦合結構 但耦合弱會使電路不易起振 解決辦法可以采用多級FET放大電路 在要求雜波較嚴時 如雜波應小于 50dBc時 在設計FET放大電路時不應存在微弱的寄生振蕩 反饋電路設計反饋電路設計主要是確定介質諧振器與輸入 輸出傳輸線之間的耦合距離 通常測出介質諧振器與柵極傳輸線 輸出傳輸線之間的不同鍋合距離時的二口網絡S參數 它與柵極傳輸線和輸出傳輸線之間的夾角 介質諧振器與柵極傳輸線 輸出傳輸線之間的距離h1和h2有關 符號 h1和h2的具體含義可參見圖8 15 有了一組不同的 h1和h2的二口網絡S參數 就可以用CAD技術選出滿足振蕩穩(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 主要采用二極管負阻振蕩器 例如 雪崩二極管振蕩器和體效應二極管振蕩器 目前雪崩管振蕩器和體效應管振蕩器的振蕩頻率已高達幾百干兆赫 雪崩管在94GHz的單管脈沖功率已大于10W 采用合成技術后 60GHz連續(xù)波輸出功率已大于瓦級 47 1 二極管負阻等效電路 由前面分析知道 雪崩二極管和體效應管是負阻器件 它們的等效電路應包含一個負電阻 圖8 27 a 是雪崩二極管等效電路 其中虛線框內表示的是管芯等效電路 GD是負電導 它與二極管上的直流電壓和交流電壓幅度呈非線性關系 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 圖8 27 b 是體效應管等效電路 管芯等效成負電阻 RD和電容CD的并聯 封裝參數用引線電感Ls和管殼電容Cp等效 圖8 27二極管負阻等效電路 a 雪崩二極管 b 體效應二極管 48 2 負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負阻振蕩器的一般等效電路圖8 28是負阻二極管構成的微波振蕩器示意圖 振蕩器是由一個波導諧振腔構成 負阻器件放置在腔內 腔的終端安裝一個可調的短路活塞 輸出端口有一個調配器 接至負載 可以用圖8 29表示它們的等效電路 圖中用一個二口網絡表示諧振電路 它位于負載Z 與負阻器件 ZD I 之間 外電路在負阻器件端口的等效阻抗是Z 它的實部包括電路損耗及負載電阻兩部分 而負阻器件的阻抗對頻率的變化相對外電路來講是很緩慢的 因此 等效電路中的負阻器件阻抗僅僅是振蕩幅度的函數 表示為式中I是振蕩電流的振幅 49 2 負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負阻振蕩器的一般等效電路 50 2 負阻振蕩器的起振條件和平衡條件 圖8 29負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 負阻振蕩器設計 中標志的數字表示相應的振蕩功率 直流偏置電壓為10V 電流為1 1A 在設計振蕩器前 應測出不同偏置條件及不同工作頻率下的一組ZD I 作為設計的依據 圖8 30體效應管的大信號等效阻抗 負阻振蕩器的設計包括負載匹配電路設計 直流偏置電路和頻率調諧電路 1 二極管負阻器件的大信號等效阻抗由前面分析知道 一旦知道二極管負載器件的等效阻抗ZD I 或等效導納YD V 就可以設計振蕩器 ZD I 可以通過器件物理模型來確定 但計算比較復雜 通常采用測試方法獲得器件的ZD I 值 圖8 30是體效應管在7GHz時的大信號等效阻抗 ZD I 圖 52 3 負阻振蕩器設計 圖8 31是穩(wěn)定工作點的圖示判別法 圖中橫坐標是阻抗的實部R 縱坐標是阻抗的虛部jX 圖中畫出負阻器件ZD I 和外電路在負阻器件處的等效阻抗Z 的阻抗軌跡 交點 I0 0 處兩條軌跡的夾角為 是ZD I 阻抗線箭頭方向順時針轉到Z 負載線箭頭方向的夾角 由分析知道 工作點穩(wěn)定的條件是 180 8 46 可以看出 用圖示判別工作點的穩(wěn)定性是一種較簡便的方法 2 匹配電路設計設計的匹配電路應使振蕩器滿足起振條件 平衡條件及最大輸出功率要求 即匹配電路應該提供必要的電抗 與負阻器件電抗形成諧振回路 同時將負載阻抗變換到合適的數值 使振蕩器滿足振蕩的起振條件 平衡條件及最大輸出功率 在設計匹配電路時 除上述考慮外 還應考慮振蕩器的穩(wěn)定性 圖8 31穩(wěn)定工作點的圖示判別法 53 3 負阻振蕩器設計 3 直流偏置電路直流偏置電路應盡量減小對振蕩器的影響 通常在振蕩器的偏置端串接一個低通濾波電路來實現上述要求 4 頻率調諧負阻振蕩器除固定振蕩頻率運用外 還經常需要頻率調諧 以便改變振蕩頻率 頻率調諧可以是機械調諧 變容管調諧 偏壓調諧及YIG調諧 偏置調諧是直接改變負阻器件的偏壓和偏流 使振蕩頻率改變 這種調諧方法比較簡便 但調諧范圍窄 調諧線性差 輸出功率變化較大 YIG調諧范圍寬 調諧線性好 但調諧結構復雜 調諧速度慢 54 4 負阻振蕩器基本電路 諧元件變容管偏置輸入端 6是隔直電容 7是偏置線 8是接地塊 9是旁路電容 10是變容管與體效應管的連線 圖8 32 b 是該振蕩器的等效電路 微帶型體效應管振蕩器結構簡單 便于設計 制作方便 但損耗大 頻率穩(wěn)定度差 且不便于機械調諧 只適用于微波頻率較低的小功率振蕩器 圖8 32微帶型體效應管振蕩器 a 微帶電路結構 b 等效電路 負阻振蕩器有微帶 同軸及波導等幾種結構形式 下面將分別介紹 1 微帶型負阻振蕩器圖8 32 a 是微帶型體效應管振蕩器 變容管4串接在體效應管3和諧振線5之間 作串聯調諧 1端是體效應管偏置輸入端 2端是電調 55 4 負阻振蕩器基本電路 2 同軸腔負阻振蕩器圖8 33 a 是同軸腔體效應管振蕩器電路結構示意圖 體效應管3安裝在同軸腔底部管座2上 管座底部裝有散熱塊1 體效應管負端接同軸腔外導體4 正偏置6接入同軸腔內導體8 同軸腔內外導體之間用聚四氟乙烯 圖8 33同軸腔體效應管振蕩器 a 電路結構 b 等效電路 介質套筒7隔開 機械調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 同軸腔體效應管振蕩器容易實現機械調諧 調諧范圍較寬 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構 56 4 負阻振蕩器基本電路 3 波導腔負阻振蕩器圖8 34是波導腔負阻振蕩器結構示意圖 諧振腔由半波長矩形波導段1構成 H101工作模式 負阻器件6安裝在腔體的一個底面上 位于電場最強處 直流偏置通過穿心電容7引入 圓柱形調諧棒2裝在腔體的另一個底面上 四分之一波長徑向短路線4和四分之一波長同軸線3組成的扼流結構用來防止射頻泄漏 射頻功率通過耦合窗8輸出 5是上蓋板 9是下蓋板 10是波導腔主體 波導腔損耗小 使波導腔振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定度和較好的噪聲姓 圖8 34波導腔負阻振蕩器結構示意圖 能 在18GHz以上得到廣泛應用 調諧范圍一般在5 一20 比同軸腔負阻振蕩器要窄 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加大雪崩管的噪聲 減小微波輸出功率和調諧時使雪崩管燒壞 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 可抑止較低的寄生振蕩頻率 但需要消耗一些功率 在Rs與雪崩管之間并聯一個分路電容C1和串接一個C L并聯支路 以使振蕩器工作穩(wěn)定 圖8 35存在低頻寄生振蕩時的圖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 采用變容二極管實現電子調諧的晶體管振蕩器稱為電壓控制振蕩器 VCO 常簡稱為壓控振蕩器 它的調諧速度較高 達到1 10GHz s 比YIG調諧振蕩器的調諧速度高得多 但它的調諧帶寬較窄 最寬也只有一個倍頻程 它的調諧線性度在土 10 15 范圍內 是一種用得比較廣泛的振蕩器 1 壓控振蕩器工作原理2 調諧帶寬3 振蕩建立時間和調諧后漂移 59 1 壓控振蕩器工作原理 在參考面1 1 和2 2 之間的網絡參數用S參數表示 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容二極管 因此 可以按負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負阻振蕩器電路框圖 61 2 調諧帶寬 62 2 調諧帶寬 63 3 振蕩建立時間和調諧后漂移 之間的間隔 硅突變結二極管和超突變結二極管具有較短的建立時間 砷化鎵突變結變容二極管具有中等的建立時間 砷化鎵超突變結變容二極管具有較長的建立時間 調諧后漂移定義為發(fā)生在規(guī)定時刻t2和t3之間的頻率漂移 規(guī)定t2值是壓控振蕩器調諧后 由t1起的10 s至1s范圍內 而t3值是在t2后的10 s至1s范圍內 引起調諧后漂移的主要原因是偏壓漂移和器件的熱效應 圖8 38定義了建立時間和調諧后漂移 圖8 38VCO的振蕩建立時間和調諧后漂移的定義 在壓控振蕩器中 振蕩建立時間定義為從觸發(fā)變容管的觸發(fā)波形達到最終值的時間開始 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的時間為止 圖8 38中觸發(fā)波形在t0時達到其最終值 到t1時振蕩頻率落入最終值的容差范圍 fc f 內 建立時間是t0和t1 64 用PUFF ADS設計振蕩器 用PUFF設計三端口振蕩器 見Ref 8 1 Ref 8 2 應用ADS設計VCO 見Ref 8 3