非線性微波電路與系統(tǒng)第十章演示文稿

非線性微波電路與系統(tǒng)第十章演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有45頁\編輯于星期四優(yōu)選非線性微波電路與系統(tǒng)第十章現(xiàn)在是2頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器雙極晶體管：工作頻率低，相位噪聲低，直流到射頻的轉換效率高。FET類（包括GaAsMESFET、HEMT、PHEMT和HBT等）：相位噪聲大，結構簡單，便于集成，成本低，可以用于更高的頻率。雪崩（IMPATT）和耿氏（Gunn)二極管：工作頻率高，噪聲電平比較高，直流到射頻的轉換效率很低。現(xiàn)在是3頁\一共有45頁\編輯于星期四§10.1基本理論

（負阻振蕩理論）微波振蕩器物理概念：阻抗的實部為負，即“負阻”i(t)Zl(ω)Zs(I0,ω)Vs(t)Гs(ω)源或負載或振蕩平衡條件幅度平衡條件，決定振蕩器的輸出功率相位平衡條件，決定振蕩器的振蕩頻率或現(xiàn)在是4頁\一共有45頁\編輯于星期四

穩(wěn)定振蕩過程是一個逐步建立起來的瞬態(tài)，振蕩開始時V0和I0很小，不滿足上式，直到V0和I0

很大到達某一定值時，上式成立，振蕩趨于穩(wěn)定。且受擾動后，正弦電壓和電流仍回到它的穩(wěn)定值。穩(wěn)定振蕩另一種表達方式：現(xiàn)在是5頁\一共有45頁\編輯于星期四§10.1基本理論

微波振蕩器正反饋理論→三極管振蕩器現(xiàn)在是6頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是7頁\一共有45頁\編輯于星期四FET振蕩器的設計與FET放大器十分相似，它使用的器件，偏置電路以及S參數(shù)都與放大器相同，只是工作在不穩(wěn)定區(qū)域為了實現(xiàn)低噪聲和高頻率穩(wěn)定度，諧振器的設計通常也包含在振蕩器的設計中，諧振器可以是集中參數(shù)電路，也可以是分布參數(shù)傳輸線、或是腔體、介質。頻率調諧可以采用變容二極管或鐵磁材料。微波振蕩器現(xiàn)在是8頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是9頁\一共有45頁\編輯于星期四一、小信號設計方法微波振蕩器現(xiàn)在是10頁\一共有45頁\編輯于星期四可以證明，如果輸入端振蕩，輸出端也振蕩；當輸出端振蕩時，輸入端也振蕩。微波振蕩器現(xiàn)在是11頁\一共有45頁\編輯于星期四

這一結論也可推廣到一個n端口振蕩器，只要一個端口振蕩，其余的端口也必然同時振蕩。微波振蕩器現(xiàn)在是12頁\一共有45頁\編輯于星期四設計一個FET振蕩器的一般步驟是：1、potentiallyunstabletransistor,如果不是，則采用反饋元件2、3、4、5、Loadmatchingnetwork微波振蕩器現(xiàn)在是13頁\一共有45頁\編輯于星期四Example:GaAsFET.(1)(2)微波振蕩器現(xiàn)在是14頁\一共有45頁\編輯于星期四（3）（4）微波振蕩器現(xiàn)在是15頁\一共有45頁\編輯于星期四二、大信號設計方法

大信號方法與小信號方法類似。大信號S參數(shù)可以通過測試儀器或大信號模型獲取，但相對比較困難，他的設計步驟如下：1、2、3、微波振蕩器現(xiàn)在是16頁\一共有45頁\編輯于星期四三、FET振蕩器的非線性分析

以上采用小信號線性S參數(shù)進行分析和設計，得不到精確預計輸出功率和對應的負載阻抗。

FET振蕩器非線性分析方法→Volterra級數(shù)法。而采用諧波平衡法有以下兩個難點：①建立飽和狀態(tài)模型較為困難；②HB法只能分析一個外激勵頻率信號去激勵一個非線性電路，而振蕩穩(wěn)定是一個逐漸建立的過程，開始振蕩時的頻率與穩(wěn)定后的振蕩頻率不同，且電路參數(shù)是隨頻率變化的過程。微波振蕩器現(xiàn)在是17頁\一共有45頁\編輯于星期四FFS(t)S(t)W(t)W(t)FF-PPFF-PP閉環(huán)非線性反饋系統(tǒng)開環(huán)非線性系統(tǒng)閉環(huán)等效電路開環(huán)系統(tǒng)S(t)X(t)W(t)kωωS(t)X(t)W(t)kωωZ(t)微波振蕩器現(xiàn)在是18頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是19頁\一共有45頁\編輯于星期四

由此可求出振蕩器的輸出信號幅度的大小和振蕩頻率的高低，而轉移函數(shù)H是由具體的FET等效電路，偏置，工作狀態(tài)和電路拓撲所決定。微波振蕩器現(xiàn)在是20頁\一共有45頁\編輯于星期四五、性能參數(shù)

振蕩器的兩個主要性能是它的頻率和輸出功率，但其它性能參數(shù)對微波或毫米波系統(tǒng)的性能也有很大的影響：1、輸出頻率和頻率準確度

由器件和電路結構決定。微波振蕩器2、輸出功率P0

主要取決于器件?，F(xiàn)在是21頁\一共有45頁\編輯于星期四3、相位噪聲微波振蕩器輸出頻譜中產生的噪聲邊帶?，F(xiàn)在是22頁\一共有45頁\編輯于星期四

要把相位噪聲減至最小，不僅要使用①低噪聲器件，②而且還要使用高的有載Q諧振器，在電壓控制振蕩器中，應使用高Q變容二極管。③用鎖相振蕩器也可以實現(xiàn)低的相位噪聲，如晶體振蕩器。④由于相位噪聲也可由來自直流電源或耦合到直流偏置電路的噪聲引起，所以直流電源的濾波在減小相位噪聲方面是不可忽視的。微波振蕩器現(xiàn)在是23頁\一共有45頁\編輯于星期四4、頻率牽引和推頻→負載的變化引起輸出頻率改變

負載阻抗的變化通過Гin的相位改變可以影響振蕩頻率。這種現(xiàn)象稱為頻率牽引。

直流偏壓的變化可以引起FET的S參數(shù)和Гin的變化，因而引起振蕩頻率變化，這種現(xiàn)象稱為推頻。減小推頻的直接方法是在振蕩器的偏置電路中采取穩(wěn)定措施。

①在振蕩器的輸出端加入輸出隔離器或緩沖放大器就可以減小頻率牽引。②采用高Q諧振腔。微波振蕩器現(xiàn)在是24頁\一共有45頁\編輯于星期四5、熱穩(wěn)定性→T的變化引起f0和P0的變化

振蕩器的溫度變化可以同時影響諧振器的諧振頻率和FET的Гin，從而使振蕩頻率發(fā)生變化。

溫度變化也可以使輸出功率減小，甚至可以使振蕩完全停止。溫度補償電路一般包含在偏置電路中。諧振器也可以按補償振蕩器頻率的變化進行設計。微波振蕩器現(xiàn)在是25頁\一共有45頁\編輯于星期四6、頻率滯后調諧漂移7、諧波和假響應輸出 可采用濾波器進行抑制。

在設計良好的振蕩器中，引起頻率滯后調諧漂移的主要原因是由變容管上的熱耗散引起的。微波振蕩器現(xiàn)在是26頁\一共有45頁\編輯于星期四§

10.2電路拓撲

1）VCO

共柵電路是實現(xiàn)VCO的最流行的一種，因為只需用一個非常簡單的反饋電路（一個電感）就可以在很寬的頻率范圍內實現(xiàn)負電導。2）點頻振蕩器 采用共源電路。在這些應用中，一般是使用介質諧振器的固定頻率振蕩器。介質諧振器是用新型陶瓷材料做成的，具有高的介電常數(shù)。微波振蕩器DSGL地現(xiàn)在是27頁\一共有45頁\編輯于星期四DR是一個具有高介電常數(shù)的軟磁體，電磁均被封閉在其內部及周圍，等效電路為諧振電路，特點是低損耗，高空載Q，低溫度參數(shù)及高介電常數(shù)（30~40）。微波振蕩器現(xiàn)在是28頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是29頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是30頁\一共有45頁\編輯于星期四§

12.2VCO機械調諧變容二極管調諧偏置調諧YIG調諧VCO的特點：

輸出功率穩(wěn)定

調諧范圍寬調諧速度快微波振蕩器現(xiàn)在是31頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是32頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是33頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是34頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是35頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是36頁\一共有45頁\編輯于星期四例耿氏管：RD=10，CD=1pF，LP=1nH

變容二極管：Cj(0)=1pF，Vbi=1V微波振蕩器現(xiàn)在是37頁\一共有45頁\編輯于星期四

∵RD＞Rc

∴滿足振蕩條件

∴微波振蕩器現(xiàn)在是38頁\一共有45頁\編輯于星期四當V=O時 當V=10時微波振蕩器現(xiàn)在是39頁\一共有45頁\編輯于星期四例2V-band(60GHz)微帶GunnVCO微波振蕩器現(xiàn)在是40頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是41頁\一共有45頁\編輯于星期四微波振蕩器現(xiàn)在是42頁\一共有45頁\編輯于星期四X波段PHEMT管VCO的設計實例中心頻率為9.1GHz，調諧帶寬>200MHz，輸出功