第10章 射頻信號(hào)產(chǎn)生電路 無線通信射頻電路技術(shù)與設(shè)計(jì)[文光俊]

1、1第10章 射頻信號(hào)產(chǎn)生電路教學(xué)教學(xué)重點(diǎn)重點(diǎn)本章重點(diǎn)介紹了射頻振蕩器起振條件與穩(wěn)定振蕩條件的反本章重點(diǎn)介紹了射頻振蕩器起振條件與穩(wěn)定振蕩條件的反饋法和負(fù)電阻分析法，以及二極管饋法和負(fù)電阻分析法，以及二極管/三極管基射頻振蕩器三極管基射頻振蕩器的類型與結(jié)構(gòu)；介紹了固定頻率式和可調(diào)諧式振蕩器的類的類型與結(jié)構(gòu)；介紹了固定頻率式和可調(diào)諧式振蕩器的類型，典型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù)；介紹了頻率合成器的型，典型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)技術(shù)；介紹了頻率合成器的類型與原理基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。類型與原理基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。 教學(xué)教學(xué)重點(diǎn)重點(diǎn)教學(xué)教學(xué)重點(diǎn)重點(diǎn)掌握：射頻振蕩器的穩(wěn)定振蕩條件；固定頻率振蕩器的類掌握：

2、射頻振蕩器的穩(wěn)定振蕩條件；固定頻率振蕩器的類 型，典型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，參數(shù)計(jì)算方法、性型，典型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，參數(shù)計(jì)算方法、性 能仿真方法等設(shè)計(jì)技術(shù)。能仿真方法等設(shè)計(jì)技術(shù)。了解：可調(diào)諧射頻振蕩器的類型，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。了解：可調(diào)諧射頻振蕩器的類型，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。熟悉：頻率合成器的類型與原理，基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。熟悉：頻率合成器的類型與原理，基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。 能力能力要求要求2本章目錄v第一節(jié) 射頻振蕩器v第二節(jié) 固定頻率振蕩器v第三節(jié) 可調(diào)諧射頻振蕩器v第四節(jié) 頻率合成器 3知識(shí)結(jié)構(gòu)射射頻頻信信號(hào)號(hào)產(chǎn)產(chǎn)生生電電路路射頻振蕩器射頻振蕩器共柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管的振蕩器共柵極場(chǎng)效應(yīng)

3、晶體管的振蕩器振蕩器相位噪聲分析振蕩器相位噪聲分析共反射極的雙極型晶體管振蕩器共反射極的雙極型晶體管振蕩器晶體振蕩器晶體振蕩器TDRO作為串聯(lián)反饋元件作為串聯(lián)反饋元件TDRO作為并聯(lián)反饋元件作為并聯(lián)反饋元件振蕩器電路分析方法振蕩器電路分析方法串聯(lián)反饋與并聯(lián)串聯(lián)反饋與并聯(lián)固定頻率振蕩器固定頻率振蕩器可調(diào)諧射頻振蕩器可調(diào)諧射頻振蕩器頻率合成器頻率合成器振蕩器最大輸出功率振蕩器最大輸出功率TDRO溫度穩(wěn)定溫度穩(wěn)定TDRO的調(diào)諧的調(diào)諧傳輸線諧振腔振蕩器傳輸線諧振腔振蕩器YIG調(diào)諧振蕩器調(diào)諧振蕩器壓控振蕩器（壓控振蕩器（VCO）分頻器分頻器“延時(shí)延時(shí)”帶有靜態(tài)模數(shù)的頻率合成器帶有靜態(tài)模數(shù)的頻率合成器帶有

4、抖動(dòng)模數(shù)的頻率合成器帶有抖動(dòng)模數(shù)的頻率合成器組合式頻率合成器組合式頻率合成器直接數(shù)字合成器直接數(shù)字合成器410.1 10.1 射頻振蕩器射頻振蕩器10.1.1 振蕩器電路分析方法 振蕩器的核心電路是一個(gè)能夠在特定的頻率上實(shí)現(xiàn)正反饋的環(huán)路。 閉環(huán)電路模型閉環(huán)電路模型網(wǎng)絡(luò)表達(dá)方式網(wǎng)絡(luò)表達(dá)方式閉環(huán)傳遞函數(shù)：oAiFA( )( )1( )( )VHHVHH起振條件：FA( )( )1HH510.1 10.1 射頻振蕩器射頻振蕩器 我們通過負(fù)阻的產(chǎn)生來揭示振蕩器的內(nèi)在機(jī)理，具體通過考察一個(gè)包含電阻R，電感L和電容C的串聯(lián)諧振電路來說明。 當(dāng)電流增加時(shí)，電壓反而減少而不是增加，稱為負(fù)電阻。 傳輸電壓與增益

5、特性的關(guān)系傳輸電壓與增益特性的關(guān)系壓控源的串聯(lián)諧振電路壓控源的串聯(lián)諧振電路由圖可得方程：22d ( )d ( )1d ( )( )ddi ti tv iLRi ttCtdt610.1 射頻振蕩器標(biāo)準(zhǔn)解為：QQjjt12( )e( ee)tti tII式中：/ 2RL 2Q1/ ()(/ 2 )LCRL在R趨于零的極限狀態(tài)下，就會(huì)出現(xiàn)無阻尼的正弦振蕩。 2012( ).v ivRiR i 我們要找到電壓-電流響應(yīng)為 的非線性器件，那么將此表達(dá)式中的某些項(xiàng)做調(diào)整用來恰好補(bǔ)償R。將此級(jí)數(shù)展開式中的前兩項(xiàng)代入方程式可得:212d ( )d ( )1d ( )d ( )( )ddddi ti tv ti

6、 tLRi tRtCttt 合并一階導(dǎo)數(shù)的系數(shù)，并根據(jù)要求令衰減系數(shù)為零，可得：1RR 顯然，該器件具有負(fù)的微分電阻。另外，如果要建立初始振蕩，需要衰減系數(shù)具有正值，這意味著必須 小于R 。1R710.1 射頻振蕩器 實(shí)現(xiàn)負(fù)阻的最直接方法就是利用隧道二極管，這種二極管是以隧道效應(yīng)電流為主要電流分量的晶體二極管，一般應(yīng)用在某些開關(guān)電路或者高頻振蕩電路中，它由極高摻雜產(chǎn)生極窄的空間電荷區(qū)。 隧道二極管振蕩電路及其小信號(hào)等效電路隧道二極管振蕩電路及其小信號(hào)等效電路810.1 射頻振蕩器10.1.2 共反射極的雙極型晶體管振蕩器許多振蕩電路采用雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管，結(jié)構(gòu)可以是共發(fā)射極/源極、共基

7、極/柵極或共集電極/漏極。根據(jù)反饋網(wǎng)絡(luò)形式的反饋網(wǎng)絡(luò)形式的不同，可分為哈特萊（Hartley）、考畢茲（Colpitts）、克拉普（Clapp）和皮爾斯（Pierce）振蕩器。下圖所示的振蕩電路可用來描述所有這些不同的電路。一般晶體管振蕩電路一般晶體管振蕩電路910.1 射頻振蕩器考畢茲振蕩器考畢茲振蕩器哈特萊振蕩器哈特萊振蕩器（1）考畢茲振蕩器振蕩器頻率1203121CCLC C振蕩的必要條件：21migCCG（2）哈特萊振蕩器振蕩器頻率03121CLL振蕩的必要條件：1m2iLgLG1010.1 射頻振蕩器10.1.3 共柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管振蕩器考畢茲晶體振蕩器電路考畢茲晶體振蕩器電路 振蕩

8、器設(shè)計(jì)需要考慮到一些諸如晶體管特性隨溫度的變化、晶體管偏置和去耦電路以及電感損耗等的影響，在此利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)將會(huì)有很大幫助。 考畢茲振蕩器的諧振頻率為：i03121312111111G RLCCCLCC11i1CCRG 1C的定義為：1110.1 射頻振蕩器10.1.4 晶體振蕩器 由于振蕩器的諧振頻率由振蕩條件決定，即要求晶體管的輸入和輸出之間達(dá)到180相移。為了使振蕩器的頻率穩(wěn)定性好，可以采用石英晶體，特別是頻率低于幾百M(fèi)Hz時(shí)，LC諧振電路的Q值很難超過幾百，而石英晶體的Q值可以高達(dá)100000，并且頻率漂移小于0.001/，所以晶體控制振蕩器廣泛用做RF系統(tǒng)的穩(wěn)定頻率源。晶

9、體等效電路及晶體諧振器的輸入電抗晶體等效電路及晶體諧振器的輸入電抗其中：S1LCp001C CLCC1210.1 射頻振蕩器10.1.5 振蕩器相位噪聲分析實(shí)際振蕩器電路實(shí)際振蕩器電路m()L f 假定信號(hào)從放大器輸出端取出，并著重考慮半帶寬的單邊帶相位噪聲 。220o0immm0eULULm11()18fPfPFkTL fPfWQQf0eW0oPiPRP式中， 為電抗功率，為諧振輸出頻率， 為信號(hào)輸出功率， 為反饋輸入的信號(hào)功率， 為諧振回路電阻 消耗的功率。1310.1 射頻振蕩器設(shè)計(jì)原則：ULQ（1）使諧振回路的 最大。（2）使儲(chǔ)存在諧振回路中的電抗能量最大。 ULQ（3）要盡量使振蕩器

10、的限幅不降低 。 （4）選擇低噪聲系數(shù)F的有源器件。 （5）使加性噪聲與最低可用信號(hào)功率之比給出的相位噪聲最小。 1mf（6）選擇低閃爍噪聲 的有源器件（7）使閃爍噪聲調(diào)制有源器件的跨導(dǎo)、輸入和輸出阻抗影響最小。 （8）從諧振回路耦合輸出信號(hào)（功率）。 1410.2 固定頻率振蕩器 常用介質(zhì)諧振型晶體管振蕩器（TDRO）可分為兩類：一類用作串聯(lián)反饋元件，另一類用作并聯(lián)反饋元件，如下圖所示：串聯(lián)型串聯(lián)型并聯(lián)型并聯(lián)型 晶體管微波振蕩器通常是串聯(lián)或并聯(lián)多端口電路形式。在設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)，可使其中任何一個(gè)導(dǎo)抗包含輸出電阻性負(fù)載成分，而其余兩個(gè)通常為電抗性的。在固定頻率振蕩器中，導(dǎo)抗都是固定的，但如果通過采

11、用變?nèi)荻O管或YIG諧振器形式，將一個(gè)或幾個(gè)導(dǎo)抗做成可調(diào)諧的。1510.2 固定頻率振蕩器10.2.1 TDRO作為串聯(lián)反饋元件TDRO的各種結(jié)構(gòu)形式的各種結(jié)構(gòu)形式下圖是負(fù)載牽引法所用的測(cè)試裝置：單端口振蕩器的負(fù)載牽引裝置單端口振蕩器的負(fù)載牽引裝置1610.2 固定頻率振蕩器1Z3Z 其中振蕩器的作用類似于功率源，晶體管電路接最佳負(fù)載和 ，在其漏極端口經(jīng)50歐線接到負(fù)載牽引測(cè)量系統(tǒng)的反射計(jì)輸入端口并加上功率。通過極坐標(biāo)顯示器上所觀察到的阻抗就是振蕩器輸出端所呈現(xiàn)的阻抗。根據(jù)功率計(jì)的功率讀數(shù)，利用輸出調(diào)諧器并借助連接到極坐標(biāo)顯示器的x-y記錄儀，可在史密斯圓圖上畫出恒定輸出功率的等值線。下圖是典

12、型的負(fù)載牽引線數(shù)據(jù)，該負(fù)載阻抗圖可用來設(shè)計(jì)晶體管的輸出電路。 負(fù)載牽引數(shù)據(jù)的典型值負(fù)載牽引數(shù)據(jù)的典型值1710.2 固定頻率振蕩器1l10.2.2 TDRO用做并聯(lián)反饋元件 同時(shí)將耦合于兩根微帶線的介質(zhì)諧振器用作晶體管的并聯(lián)反饋元件，同樣能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的振蕩器。 并聯(lián)反饋的并聯(lián)反饋的TDRO20f 調(diào)節(jié) 和 的大小，使振蕩器頻率 在時(shí)由放大器和反饋電路組成的環(huán)路總相移為 的整數(shù)倍：2lARC2,1,2,3k kACR0f其中， 、 和 分別是放大器、諧振器和反饋電路其余部分在 的插入相位。 0f 振蕩建立的另一條件是在振蕩頻率 時(shí)的開環(huán)小信號(hào)增益必須大于1，即：ARC0 dBGLL1810.2 固

13、定頻率振蕩器10.2.3 串聯(lián)反饋與并聯(lián) 相對(duì)并聯(lián)反饋而言，由于串聯(lián)反饋耦合于微帶線的一側(cè)，因此串聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)中的DR位置要易于調(diào)整；另外，在并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)中，介質(zhì)諧振器同時(shí)耦合于微帶線的兩側(cè)，這使得串聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)電路工作的頻帶比并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)寬得多。在并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)中，采用高增益放大器，允許DR與微帶線間輕度耦合，使介質(zhì)諧振器具有較高的有載品質(zhì)因數(shù)，從而振蕩器有較低的相位噪聲。這兩種情況下諧振器耦合結(jié)構(gòu)的不同使得補(bǔ)償振蕩器溫度所需的DR材料的溫度穩(wěn)定性也不同。1910.2 固定頻率振蕩器satPinP10.2.4 振蕩器最大輸出功率一個(gè)放大器中，給定晶體管的輸出功率近似為：0inoutsatsat1e

14、xpG PPPP是飽和輸出功率， 是輸入功率， 是小信號(hào)增益。 0G由上式可得到最佳輸入功率： sat0inopt0logPGPG從而有：0oscsatmax00log11GPPGG2010.2 固定頻率振蕩器10.2.5 TDRO的溫度穩(wěn)定度Q TDRO的溫度穩(wěn)定度可由耦合系數(shù) 、 值以及晶體管反射相位隨溫度的變化率來確定。 用于分析溫度變化的電路用于分析溫度變化的電路可得到振蕩頻率與功率的關(guān)系式： G0(1)tan( ,)21( )LfT Pf T1( , )GT P取導(dǎo)數(shù)得： 0G0udd1dd2fff TfTQT上式可寫為： 0GffL12QT實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度穩(wěn)定的工作，需要 ，因此要求：

15、f00GfL12QT 2110.2 固定頻率振蕩器10.2.6 TDRO的調(diào)諧1. 機(jī)械調(diào)諧dh 該方法基于已知原理：DR的諧振頻率對(duì)屏蔽是十分敏感的，換言之就是對(duì)接地板的靠近程度很敏感。將調(diào)諧螺釘從外殼頂部蓋板伸到DR的正上方，當(dāng)調(diào)諧螺釘?shù)纳疃?增加時(shí)，常用的TE01 模式中的DR諧振頻率提高。注意應(yīng)小心地保持諧振器與調(diào)諧螺釘之間的距離 至少為諧振器高度的0.5倍，以免DR的品質(zhì)因數(shù)降低。介質(zhì)諧振器的機(jī)械調(diào)諧介質(zhì)諧振器的機(jī)械調(diào)諧2210.2 固定頻率振蕩器2. 變?nèi)萜髡{(diào)諧 在變?nèi)莨苷{(diào)諧的TDRO中，微帶線組合的變?nèi)莨苤C振頻率在DR附近。該諧振電路通過與介質(zhì)諧振器電磁耦合，形成一對(duì)互耦合的諧振

16、電路。這樣，通過調(diào)整偏壓來改變變?nèi)莨茈娙?，從而調(diào)整DR的諧振頻率（該DR兩側(cè)分別耦合于變?nèi)莨芪Ь€和50歐微帶線）。 變?nèi)萜髡{(diào)諧介質(zhì)諧振器變?nèi)萜髡{(diào)諧介質(zhì)諧振器變?nèi)萜髡{(diào)諧對(duì)變?nèi)萜髡{(diào)諧對(duì)TDRO調(diào)頻噪聲的影響調(diào)頻噪聲的影響2310.2 固定頻率振蕩器3. 光調(diào)諧 目前，微波器件和分系統(tǒng)的光學(xué)控制已成為一個(gè)迅速發(fā)展的研究領(lǐng)域。在TDRO中所用DR的諧振頻率，如圖所示可用光學(xué)手段來調(diào)整。在介質(zhì)諧振器上面直接放上高電阻率硅一類的光敏材料，來自激光器或發(fā)光二極管的光經(jīng)光纖照射在光敏材料上，改變其電導(dǎo)率并且微擾諧振器內(nèi)部及周圍的電磁場(chǎng)。擾動(dòng)使TDRO的中心頻率偏移。采用這種技術(shù)已實(shí)現(xiàn)X波段的調(diào)諧帶寬超過0.

17、1。介質(zhì)諧振器的光調(diào)諧介質(zhì)諧振器的光調(diào)諧2410.2 固定頻率振蕩器10.2.7 傳輸線諧振腔振蕩器LQ如果優(yōu)先考慮振蕩器的尺寸、成本和集成能力，那么平面?zhèn)鬏斁€諧振腔振蕩器就是一種重要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。一個(gè)變?nèi)荻O管能夠被設(shè)計(jì)耦合于諧振腔的任意一端，諧振腔的線長度要求滿足諧振條件。下圖是一個(gè)窄帶可調(diào)的壓控微帶諧振腔振蕩器。提高諧振腔的 值的一種方法是將諧振腔傳輸線的長度以半波長為單位進(jìn)行增加來滿足振蕩條件，但諧振腔的長度也不能任意增加，它受到損耗增加的限制。微帶諧振腔振蕩器微帶諧振腔振蕩器2510.3 可調(diào)諧射頻振蕩器 常用的基本寬帶可調(diào)振蕩器有兩種：電壓可控的VCO和電流可控的YTO。 23( )

18、( )XX、 為使調(diào)諧元件在所需頻帶內(nèi)有一個(gè)具有負(fù)實(shí)部的阻抗，振蕩器的設(shè)計(jì)需要首先確定圖中的 和 。 2R可調(diào)諧振蕩器的等效電路表示可調(diào)諧振蕩器的等效電路表示2610.3 可調(diào)諧射頻振蕩器10.3.1 YIG調(diào)諧振蕩器 YIG調(diào)諧振蕩器（YTO）通常作為能夠同時(shí)滿足帶寬和低相位噪聲的寬帶信號(hào)源，它能工作在頻率低達(dá)0.5GHz的電路中。圖(a)是采用GaAs FET 和雙極型晶體管的YTO。圖(b)是柵極和源極端口都用YIG球的電路圖，這種振蕩電路以結(jié)構(gòu)復(fù)雜為代價(jià)，但能得到一個(gè)十倍頻(220GHz)。YTO電路電路2710.3 可調(diào)諧射頻振蕩器下圖為典型的YIG振蕩器電路。 基于基于YIG調(diào)諧元

19、件的振蕩器電路調(diào)諧元件的振蕩器電路無載品質(zhì)因數(shù)為： s0uL43MHQHsMLH其中 為YIG小球的飽和磁化強(qiáng)度， 為調(diào)諧振蕩寬。 小球的諧振頻率由外加的偏置磁場(chǎng)決定：002H并聯(lián)諧振電路中的電感值： 30m02043Lad 由諧振條件，可得到電容：2000CL最后可求得電導(dǎo)：2030mu43dGQa 2810.3 可調(diào)諧射頻振蕩器10.3.2 壓控振蕩器（VCO） 用來實(shí)現(xiàn)電子調(diào)諧的變?nèi)荻O管可以是硅二極管，也可以是GaAs二極管。硅與GaAs之間的主要區(qū)別是：GaAs器件能實(shí)現(xiàn)較高Q值（這是由于對(duì)于給定摻雜級(jí)N，GaAs的電阻率較低），其熱阻也比硅器件的高，這使得GaAs器件的頻率穩(wěn)定時(shí)間

20、比硅器件長得多。 右圖是采用雙極型晶體管和硅突變結(jié)二極管的低噪聲VCO結(jié)構(gòu)。該振蕩器在8GHz調(diào)諧帶寬為8，在偏離載頻100kHz處有低達(dá)210dBc的出色的相位噪聲。變?nèi)莨苷{(diào)諧的寬帶雙極型晶體管振蕩器變?nèi)莨苷{(diào)諧的寬帶雙極型晶體管振蕩器2910.3 可調(diào)諧射頻振蕩器 下表對(duì)前面討論的YIG調(diào)諧技術(shù)和變?nèi)莨苷{(diào)諧技術(shù)的一些重要參數(shù)作了比較。 變?nèi)莨芸刂频恼袷幤髋c變?nèi)莨芸刂频恼袷幤髋cYIG調(diào)諧振蕩器的比較調(diào)諧振蕩器的比較3010.4 頻率合成器10.4.1 分頻器“延時(shí)” 采樣-保持操作中的“保持”部分可以建模為一個(gè)其沖激響應(yīng)為方脈沖的元件。而這個(gè)脈沖具有單位面積，且時(shí)間寬度為T秒，如圖所示。這個(gè)元

21、件正式的稱呼為零階（ZOH），它的傳輸函數(shù)可以表示為： -sT1eH ssT其模為：sin22THjT相位為：2HjT 因此時(shí)間的延時(shí)是 T/2 s 。零階保持的沖激響應(yīng)零階保持的沖激響應(yīng)3110.4 頻率合成器10.4.2 帶有靜態(tài)模數(shù)的頻率合成器 最簡單的鎖相環(huán)頻率合成器用到了一個(gè)參考振蕩器和兩個(gè)分頻器，下圖是一個(gè)簡單的改進(jìn)模型。該頻率合成器的輸出可以表示為： outrefMffNP改進(jìn)的鎖相環(huán)頻率合成器改進(jìn)的鎖相環(huán)頻率合成器ref/fNPref/fNM 由上式可以看出該頻率合成器的最小輸出頻率增量為 。但是環(huán)路以 的頻率來比較相位，因此其速度是前一種結(jié)構(gòu)的P倍，這使得對(duì)環(huán)路帶寬的限制改進(jìn)了P倍，鎖相環(huán)也因此具有比原來快倍的P振蕩。同樣， 的分頻器也要快P倍。經(jīng)典的鎖相環(huán)頻率合成器經(jīng)典的鎖相環(huán)頻率合成器3210.4 頻率合成器10.4.3 帶有抖動(dòng)模數(shù)的頻率合成器 解決頻率合成器的頻道間隔限制環(huán)路帶寬問題的一種方法是在兩個(gè)分頻模數(shù)之間抖動(dòng)，從而產(chǎn)生小于參考頻率的頻道間隔，如圖所示。帶有抖動(dòng)模塊的頻率合成器帶有抖動(dòng)模塊的頻率合成器 在這種設(shè)計(jì)中，分頻器每K個(gè)VCO周期對(duì)壓控振蕩器輸出用一個(gè)模數(shù)（稱為N+1）分頻，而在剩下的