第9章射頻微波振蕩器魏峰

第9章

射頻/微波振蕩器

9.1振蕩器的基本原理

9.2集總參數(shù)振蕩器

9.3微帶線振蕩器

9.4壓控振蕩器（VCO）

9.5變?nèi)莨鼙额l器現(xiàn)在是1頁\一共有61頁\編輯于星期四9.1振蕩器的基本原理9.1.1振蕩器的指標(biāo) 射頻/微波振蕩器的主要技術(shù)指標(biāo)是頻率和功率。1.工作頻率 振蕩器的輸出信號基本上就是一個正弦信號。要做到振蕩頻率絕對準(zhǔn)確，是不可能的。頻率越高，誤差越大。影響頻率的因素很多，如環(huán)境溫度、內(nèi)部噪聲、元件老化、機(jī)械振動、電源紋波等。實際設(shè)計中，針對指標(biāo)側(cè)重點(diǎn)，應(yīng)采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施。調(diào)試中，也要有經(jīng)驗和技巧，才能達(dá)到一定的頻率指標(biāo)。關(guān)于頻率經(jīng)常會遇到下列概念?，F(xiàn)在是2頁\一共有61頁\編輯于星期四

(1)頻率精度。頻率精度有絕對精度（Hz）和相對精度（ppm）兩種表示方式。相對精度是最大頻偏和中心頻率的比值。絕對精度是給定環(huán)境條件下的最大頻偏。

(2)頻率溫漂。隨著溫度的變化，物質(zhì)材料的熱脹冷縮引起的尺寸變化會導(dǎo)致振蕩器的頻率偏移，這種頻偏是不可避免的，只能采取恰當(dāng)?shù)姆椒ń档?。常用的方法有：溫度補(bǔ)償（數(shù)字或模擬微調(diào)）、恒溫措施等，用指標(biāo)MHz/℃或ppm/℃描述。

(3)年老化率。隨著時間的推移，振蕩器的輸出頻率也會偏移，用ppm/年描述。

(4)電源牽引。電源的紋波或上電瞬間會影響振蕩器的頻率精度，也可看作電源的頻率調(diào)諧，用Hz/V表示。在振蕩器內(nèi)部增加穩(wěn)壓電路和濾波電容能改善這一指標(biāo)。

現(xiàn)在是3頁\一共有61頁\編輯于星期四 (5)負(fù)載牽引。在振蕩器與負(fù)載緊耦合的情況下，振蕩頻率會受到負(fù)載的影響，使負(fù)載與振蕩器匹配，增加隔離器或隔離放大器，減小負(fù)載的牽引作用。

(6)振動牽引。振蕩器內(nèi)諧振腔或晶振等頻率敏感元件隨機(jī)械振動的形變，會影響振蕩器的輸出頻率。振動敏感性與元件的安裝和固定有關(guān)，用Hz/g表示。

(7)相位噪聲。相位噪聲是近代振蕩器和微波頻率合成器的關(guān)鍵指標(biāo)。它是輸出信號的時域抖動的頻域等效。相位噪聲、調(diào)頻噪聲和抖動是同一問題的不同表達(dá)方式，因為振蕩器含有飽和增益放大器和正反饋環(huán)路，故幅度噪聲增益和相位噪聲增益都有限。幅度和相位變化與平均振蕩頻率有關(guān)。

現(xiàn)在是4頁\一共有61頁\編輯于星期四

用足夠分辨率的頻譜儀測量振蕩器，噪聲會使窄譜線的下端變寬，噪聲按照1/f3或1/f2下降。振蕩器的反饋環(huán)的環(huán)增益按1/f2而不是按諧振頻率下降。1/f因子與器件和諧振器的低頻調(diào)制有關(guān)。相位噪聲用L(fm)=(PSSB(fm)/Hz)/PC表示，可用頻譜儀或相位噪聲分析儀測量。PSSB(fm)/Hz是1Hz帶寬內(nèi)的相位噪聲功率。無論相位噪聲接近噪聲本底還是一個噪聲包絡(luò)，都能清晰地表征噪聲功率的值。fm表示離開載頻的邊頻，也是對載頻的調(diào)制頻率，故有時稱作調(diào)頻噪聲?，F(xiàn)在是5頁\一共有61頁\編輯于星期四

在數(shù)字系統(tǒng)中，通常用時域抖動而不是相位噪聲測量零交叉時間的偏離，給出峰峰值和有效值。其單位是皮秒或UI(UnitIntervals)，UI是時鐘的一部分，即UI=抖動皮秒/時鐘一周。因為相位噪聲給出了每一個頻率調(diào)制載頻的相位偏移，我們可以累加360°內(nèi)所有的相位偏移，即得到UI。這與計算一個頻率或時間的功率是等效的。通信系統(tǒng)對某個頻率的抖動更敏感，所以相位噪聲與邊頻的關(guān)系就是抖動。用抖動的頻域觀點(diǎn)看，PLL就是一個“頻率衰減器”。PLL反饋環(huán)的濾波器頻帶越窄，調(diào)制頻率越高，但這種頻率和頻帶依賴關(guān)系是有限的。相位噪聲的估算公式為現(xiàn)在是6頁\一共有61頁\編輯于星期四現(xiàn)在是7頁\一共有61頁\編輯于星期四2.輸出功率 功率是振蕩器的又一重要指標(biāo)。如果振蕩器有足夠的功率輸出，就會降低振蕩器內(nèi)諧振器的有載Q值，導(dǎo)致功率隨溫度變化而變化。因此，選用穩(wěn)定的晶體管或采用補(bǔ)償?shù)霓k法，也可增加穩(wěn)幅電路。這樣，又會增加成本和噪聲。為了降低振蕩器的噪聲，讓振蕩器輸出功率小一些，可降低諧振器的負(fù)載，增加一級放大器，以提高輸出功率。通常，振蕩器的噪聲比放大器的噪聲大，故功率放大器不會增加額外噪聲。如果振蕩器是可調(diào)諧的，還要保證頻帶內(nèi)功率平坦度。 現(xiàn)在是8頁\一共有61頁\編輯于星期四3.調(diào)諧范圍 對于可調(diào)諧振蕩器，還有個調(diào)諧帶寬指標(biāo)。通常是指調(diào)諧的最大頻率和最小頻率，而不談中心頻率，對于窄帶可調(diào)振蕩器(如10%)，也有用中心頻率的。調(diào)諧范圍對應(yīng)變?nèi)莨艿碾妷悍秶験IG的電流范圍。為了維持振蕩范圍內(nèi)的高Q特性，變?nèi)莨艿淖钚‰妷捍笥?。調(diào)諧靈敏度的單位是MHz/V，一般地，調(diào)諧靈敏度不等于調(diào)諧范圍/電壓范圍。近似地，調(diào)諧靈敏度在中心頻率的小范圍內(nèi)測量?，F(xiàn)在是9頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-1變?nèi)莨艿恼{(diào)諧特性現(xiàn)在是10頁\一共有61頁\編輯于星期四

調(diào)諧靈敏度比是最大調(diào)諧靈敏度/最小調(diào)諧靈敏度。在PLL的壓控振蕩器中，由于這個參數(shù)會影響到環(huán)路增益，因而特別重要。在低電壓時，變?nèi)莨茈娙葑畲?，隨著電壓的增加，電容很快達(dá)到最大值。低電壓時，電容的大范圍變化會引起頻率的范圍變化大，意味著頻率低端靈敏度高，頻率高端靈敏度低。由圖9-1所示的變?nèi)莨艿恼{(diào)諧特性可知，超突變結(jié)比突變結(jié)變?nèi)莨苷{(diào)諧線性好，設(shè)計中要選線性好的一段并使調(diào)諧電壓放大到合適的范圍。調(diào)諧時間是最大調(diào)諧范圍所用的時間。變?nèi)莨艿恼{(diào)諧速度比YIG的調(diào)諧速度快得多。

現(xiàn)在是11頁\一共有61頁\編輯于星期四4.供電電源 供電電源是保證振蕩器安全工作時所需的電源電壓和電流。直流功率要有足夠余量。5.結(jié)構(gòu)尺寸 振蕩器的外形結(jié)構(gòu)和安裝尺寸受使用場合的限制。在給定的安裝條件下，應(yīng)合理布局電路，考慮散熱，使振蕩器能穩(wěn)定工作?，F(xiàn)在是12頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-2放大器和振蕩器設(shè)計方框圖9.1.2振蕩器的原理 振蕩器設(shè)計與放大器設(shè)計很類似?？梢詫⑼瑯拥木w管、同樣的直流偏置電平和同樣的一組［S］參數(shù)用于振蕩器設(shè)計，對于負(fù)載來說，并不知道是被接到振蕩器，還是被接到放大器，如圖9-2所示?，F(xiàn)在是13頁\一共有61頁\編輯于星期四對于放大器設(shè)計來說，S11′和S22′都小于1，可以用圓圖來設(shè)計M1和M2；而對于振蕩器設(shè)計來說，為了產(chǎn)生振蕩，S11′和Ｓ22′均大于1。振蕩條件可以表示為

k<1（9-1）

ΓGS11′=1（9-2）

ΓLS22′=1（9-3）首先保證穩(wěn)定系數(shù)都應(yīng)該小于1，如果不滿足這個條件，則應(yīng)該改變公共端或加正反饋；其次，必須加無源終端ΓG和ΓL，以便使輸入端口和輸出端口諧振于振蕩頻率。我們可以證明，如果式（9-2）得到滿足，則式（9-3）亦必定滿足，反之亦然。換句話說，如果振蕩器在一個端口振蕩，它必然在另一個端口同時振蕩?，F(xiàn)在是14頁\一共有61頁\編輯于星期四通常，因為僅接一個負(fù)載，因此大部分功率只供給一個端口。由于|ΓG|和|ΓL|均小于1，式（9-2）和式（9-3）就意味著|S11′|>1和|S22′|>1。 假定端口1滿足振蕩條件 則有

（9-4）（9-5）（9-6）現(xiàn)在是15頁\一共有61頁\編輯于星期四

將式（9-6）展開，可得

ΓGS11-DΓLΓG=1-S22ΓL

ΓL(S22-DΓG)=1-S11ΓG

同理，有（9-7）（9-8）（9-9）現(xiàn)在是16頁\一共有61頁\編輯于星期四

比較式（9-7）和式（9-9），得 這就意味著，在端口2也滿足振蕩條件。如兩端口中任一端口發(fā)生振蕩，則另一端口必然同樣振蕩，負(fù)載可以出現(xiàn)在兩個端口中的任一端口或同時出現(xiàn)在兩個端口，但一般負(fù)載是在輸出終端。現(xiàn)在是17頁\一共有61頁\編輯于星期四9.1.3振蕩器常用元器件1.有源器件 用于射頻/微波振蕩器的有源器件及使用頻段見表9-1。

表9-1用于射頻/微波振蕩器的有源器件及使用頻段現(xiàn)在是18頁\一共有61頁\編輯于星期四2.諧振器

用于射頻/微波振蕩器的諧振器及使用頻段見表9-2。一般以振蕩器的成本、指標(biāo)來選擇諧振器。表9-2用于射頻/微波振蕩器的諧振器及使用頻段現(xiàn)在是19頁\一共有61頁\編輯于星期四3.振蕩器 要把9.1.2節(jié)中的基本原理變成實際電路，應(yīng)該了解振蕩器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖9-6給出了振蕩器的四種基本連接形式。圖（a）是射頻/微波振蕩器原始等效電路，振蕩器供出能量等效為負(fù)阻，負(fù)載吸收能量是正電阻，這個電路對于各種振蕩器都是有效的，只是在二極管振蕩器中概念更直觀。圖（b）和圖（c）用途最廣，技術(shù)成熟。圖（b）是柵極反饋振蕩器，常用于變?nèi)莨苷{(diào)諧和各種傳輸線諧振器振蕩器，工作于串聯(lián)諧振器的電感部分。圖（c）是源極反饋振蕩器，常用于YIG調(diào)諧、介質(zhì)諧振器和傳輸線諧振器振蕩器，工作于并聯(lián)諧振器的電容部分。在微波頻段，反饋電容C1就是器件的結(jié)等效電容。圖（b）和圖（c）實質(zhì)上是相同的，只是調(diào)諧的位置不同。柵極起到諧振器與負(fù)載的隔離作用。圖（d）是交叉耦合反饋電路。近代集成電路的發(fā)展使得低頻電路的振蕩器結(jié)構(gòu)向射頻/微波領(lǐng)域移植。

現(xiàn)在是20頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-6振蕩器電路現(xiàn)在是21頁\一共有61頁\編輯于星期四

為了保證振蕩器的輸出功率和頻率不受負(fù)載影響，也使振蕩器有足夠的功率輸出，通常振蕩器要加隔離放大器，如圖9-7所示。

圖9-7振蕩器的實際結(jié)構(gòu)框圖現(xiàn)在是22頁\一共有61頁\編輯于星期四4.振蕩器的設(shè)計步振蕩器的設(shè)計步驟如下： 步驟一:選管子，在工作頻率上有足夠的增益和輸出功率。(以手冊為基礎(chǔ))

步驟二:選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適當(dāng)反饋，保證K<1。 步驟三:選擇輸出匹配網(wǎng)絡(luò)，保證在50Ω負(fù)載時|S11′|>1。 步驟四:輸入端諧振，使ΓGS11′=1，保證|S22′|>1。還要注意，晶體管的偏置對特性影響很大，無論什么管子(HBJT、FET、MMIC等)，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都一樣。現(xiàn)在是23頁\一共有61頁\編輯于星期四9.2集總參數(shù)振蕩器9.2.1設(shè)計實例 設(shè)計一個800MHz放大器。電源為12VDC，負(fù)載阻抗為50Ω。晶體管AT41511的S參數(shù)如表9-3所示。(UCE=８Ｖ，IC=25mA，Z0=50Ω，TA=25℃)

表9-3參

數(shù)

表

現(xiàn)在是24頁\一共有61頁\編輯于星期四設(shè)計過程如下：（1）計算可得有源器件的原始k值為1.021，大于1，需設(shè)計反饋電路。選用一個18pF的電容做反饋電路，經(jīng)公式計算后可得修正后的k值為-0.84，遠(yuǎn)小于1。設(shè)計可行。（2）選用11.5pF電容做諧振電路，設(shè)其內(nèi)電阻為2.5Ω，將其反射系數(shù)Γs1經(jīng)1/S22′映射公式轉(zhuǎn)換成ΓL1，并標(biāo)記到|ΓL|=1的史密斯圓圖上，可得確實落于|Γs|<1及|ΓL|<1的交叉區(qū)域，即穩(wěn)定振蕩區(qū)內(nèi)，故可用?，F(xiàn)在是25頁\一共有61頁\編輯于星期四

（3）選定一接近值ΓL1a，以使得其對應(yīng)的阻抗值ZL1a=50+j250Ω的實數(shù)部分Re［ZL1a］＝50Ω等于輸出負(fù)載阻抗RL=50Ω。 （4）將新值ΓL1a經(jīng)1/S11′映射轉(zhuǎn)換成新值Γs1a

，其絕對值（=0.878）確實小于原先選定的Γs1的絕對值（=0.914），符合起振條件，|Γs1|>|Γs1a|。 （5）選用電感來設(shè)計輸出負(fù)載匹配電路，經(jīng)公式計算可得其值為50nH。 （6）代入射頻模擬軟件分析驗證。經(jīng)Mathcad分析，MicrowaveOffice仿真結(jié)果如圖9-８所示?，F(xiàn)在是26頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-8800MHz振蕩器設(shè)計結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是27頁\一共有61頁\編輯于星期四9.2.2電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)舉例從上例可以看出，振蕩器的設(shè)計有許多元件是根據(jù)經(jīng)驗預(yù)選的，可代入公式驗證。圖9-9、

圖

9-10和圖9-11給出了幾個典型電路供參考。

圖9-9晶體振蕩器現(xiàn)在是28頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-101.04GHz集成振蕩器現(xiàn)在是29頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-101.04GHz集成振蕩器現(xiàn)在是30頁\一共有61頁\編輯于星期四9.3微帶線振蕩器1.2GHz振蕩器 雙極結(jié)晶體管的參數(shù)和電路設(shè)計結(jié)果如圖9-12所示。電感LB的加入，可保證振蕩穩(wěn)定?？梢则炈悖瑋S11′|>1，|S22′|>1。電容C與管子引線電感構(gòu)成諧振回路，電容C可以用變?nèi)莨?、YIG或介質(zhì)諧振器代替，來構(gòu)成不同功能的振蕩器。微帶線是阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)在是31頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-122GHz振蕩器的管子參數(shù)和設(shè)計結(jié)果現(xiàn)在是32頁\一共有61頁\編輯于星期四2.同軸型介質(zhì)諧振器振蕩器 在微波低端，近年大量使用同軸型介質(zhì)諧振器制作振蕩器。圖9-12所示振蕩器中的電容C的位置可以用介質(zhì)諧振器代替，重新設(shè)計其他元件，這樣能提高振蕩器的頻率穩(wěn)定性。 如圖9-13所示是四分之一波長的內(nèi)圓外方同軸諧振器。圓柱套型高介電常數(shù)的陶瓷介質(zhì)內(nèi)外表面有金屬導(dǎo)體，引腳端開路，另一端短路。諧振器的邊長與內(nèi)徑滿足高Q條件。

現(xiàn)在是33頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-13同軸介質(zhì)諧振器現(xiàn)在是34頁\一共有61頁\編輯于星期四表9-4常用同軸介質(zhì)諧振器

表9-4給出了不同介電常數(shù)的使用頻段?，F(xiàn)在是35頁\一共有61頁\編輯于星期四

同型介質(zhì)諧振器等效為一個并聯(lián)諧振回路。諧振時的等效電阻為 式中，Z0為諧振器的特性阻抗，R*為導(dǎo)體損耗，l為諧振器長度。如在450MHz、介電常數(shù)88條件下，可得Rp=2.5kΩ。 圖9-14給出了使用這種諧振器的振蕩器典型電路。變換諧振器尺寸，可以工作在0.5～2.5GHz頻率范圍。變?nèi)莨苷{(diào)諧可以在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)壓控振蕩器(VCO)?，F(xiàn)在是36頁\一共有61頁\編輯于星期四 3.圓柱（方柱）介質(zhì)諧振器FET振蕩器 如圖9-15所示，圓柱型介質(zhì)可以等效為一個并聯(lián)諧振器。將這個振蕩器放入前述4GHz振蕩器中，可得圖9-16所示介質(zhì)振蕩器。

現(xiàn)在是37頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-15圓柱型介質(zhì)諧振器現(xiàn)在是38頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-164GHz介質(zhì)振蕩器現(xiàn)在是39頁\一共有61頁\編輯于星期四

介質(zhì)諧振器與微帶電路的耦合參見圖9-17。調(diào)節(jié)諧振器的三維位置就可改變耦合量。

現(xiàn)在是40頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-17介質(zhì)諧振器與微帶線的耦合現(xiàn)在是41頁\一共有61頁\編輯于星期四

圖9-18給出各種介質(zhì)諧振器的安裝拓?fù)?。微波場效?yīng)振蕩器的技術(shù)成熟于20世紀(jì)80年代，目前已在各類微波系統(tǒng)中得到使用。

現(xiàn)在是42頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-18各種微波介質(zhì)振蕩器現(xiàn)在是43頁\一共有61頁\編輯于星期四

圖9-19是一個14GHz微波振蕩器實例，微封裝后就像普通晶振一樣使用。

圖9-1914GHz介質(zhì)場效應(yīng)振蕩器現(xiàn)在是44頁\一共有61頁\編輯于星期四4.圓柱（方柱）介質(zhì)諧振器二極管振蕩器 圖9-20是介質(zhì)諧振器與體效應(yīng)二極管振蕩器結(jié)合的實際結(jié)構(gòu)，這個電路也是成熟振蕩器，用途廣泛。

現(xiàn)在是45頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-20X波段介質(zhì)諧振器GUNN振蕩器現(xiàn)在是46頁\一共有61頁\編輯于星期四

圖

9-21是介質(zhì)諧振器與雪崩管振蕩器結(jié)合的實例，這是一個頻帶反射式振蕩器。

圖9-21X波段介質(zhì)諧振器IMPATT振蕩器現(xiàn)在是47頁\一共有61頁\編輯于星期四5.微機(jī)械振蕩器 為了實現(xiàn)K波段以上的振蕩器，近年發(fā)展起來一種微機(jī)械諧振器。它把微帶諧振線做在一種特制材料薄膜上，體積小，性能穩(wěn)定將圖9-22（a）中的介質(zhì)諧振器換成圖（b）所示的結(jié)構(gòu)就得到微機(jī)械諧振器。圖(c)是微機(jī)械諧振器電路的尺寸，電路外形尺寸為6.8mm×8mm×1.4mm。HEMT器件FHR20X的UGS=-0.3V，UDS=2V，IDS=10mA，f0=28.7GHz，P0=0.6dBm?，F(xiàn)在是48頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-22微機(jī)械振蕩器結(jié)構(gòu)示意現(xiàn)在是49頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-22微機(jī)械振蕩器結(jié)構(gòu)示意現(xiàn)在是50頁\一共有61頁\編輯于星期四圖9-22微機(jī)械振蕩器結(jié)構(gòu)示意現(xiàn)在是51頁\一共有61頁\編輯于星期四9.4壓控振蕩器（VCO）9.4.1集總元件壓控諧振電路 用變?nèi)荻O管取代諧振回路中的部分電容，即可將振蕩器修改成壓控振蕩器，這是常用的方法。修改后的諧振電路如圖9-23所示。其設(shè)計步驟如下:

步驟一:選用電路結(jié)構(gòu)。首先，計算K=fmax/fmin:若K<1.4，變?nèi)荻O管與一個固定值電容串聯(lián);若K>1.4，兩個變?nèi)荻O管并聯(lián)。 步驟二:確定VCO電路使用場合。若單獨(dú)應(yīng)用，則需要使用微調(diào)電容來調(diào)整fmax和固定值電容來增加溫度補(bǔ)償;若用于鎖相環(huán)，一般情況下，可以不用微調(diào)電容與固定電容?，F(xiàn)在是52頁\一共有61頁\編輯于星期四步驟三:估算等效諧振電容Cr。

Cr=固定電容＋可調(diào)電容＋有源元件等效電