【無線射頻電路】-壓控振蕩器VCO的非線性特性解

----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----壓控振蕩器VCO的非線性特性如何解壓控振蕩器VoltageControlledOscillator（簡稱VCO）是射頻電路的重要組成部分，在通信、電子、航天、航空及醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域的用途非常廣泛，尤其在通信系統(tǒng)電路中更是與功放具有同等重要地位的必不行少的關(guān)鍵部件。

伴隨采納新體制、新技術(shù)、新材料和新工藝的現(xiàn)代通信、雷達(dá)、電子干擾和電子偵察等電子信息系統(tǒng)的進展，對電子設(shè)備及其關(guān)鍵部件VCO的要求也越來越高，而VCO在端接不同負(fù)載阻抗下會消失頻率偏移現(xiàn)象，由此導(dǎo)致電子設(shè)備工作不穩(wěn)定甚至消失失效，產(chǎn)生嚴(yán)峻影響，因此解決VCO的非線性特性（如頻率牽引）測試問題并由此實現(xiàn)最優(yōu)匹配顯得日益重要和緊迫。

VCO的非線性特性

以典型雙極型晶體管管芯封裝的科耳皮茲壓控振蕩器為例，如圖1所示。從圖中可以看出，根據(jù)振蕩器的基本原理其有諧振電路、有源器件及輸出負(fù)載三部分組成。調(diào)諧電壓（Vcontrol）從電路左端輸入，諧振回路包括變?nèi)荻O管Cvar、諧振電感L1以及電容C1、C2、C3、C4和C5，其中變?nèi)荻O管是一種在PN結(jié)上加反向偏壓時產(chǎn)生電容變化的二極管，用于轉(zhuǎn)變振蕩器的電容量以達(dá)到輸出頻率可調(diào)的目的；有源器件為雙極型晶體管用以放大振蕩信號；輸出負(fù)載為應(yīng)用該振蕩信號的部分，抱負(fù)狀態(tài)為50歐姆負(fù)載。

當(dāng)選取的諧振回路器件滿意振蕩器起振條件時振蕩器開頭工作，VCO內(nèi)的有源器件等效構(gòu)成的負(fù)電阻部分所供應(yīng)的能量能夠滿意諧振回路所消耗的能量則振蕩電路的振蕩條件能夠得以維持，VCO能夠正常工作。

然而，VCO實際的工作狀態(tài)絕非抱負(fù)狀態(tài)，并不是設(shè)計時所假定的終端連接抱負(fù)的50歐姆負(fù)載，因此其終端負(fù)載條件的變化會導(dǎo)致VCO消失輸出振蕩頻率發(fā)生變化的非線性現(xiàn)象，這就是頻率牽引，其表征參數(shù)為頻率牽引系數(shù)。從圖1可以看出，從VCO輸出看去的阻抗變化會引起VCO的有源器件結(jié)上直流電壓的變化，也就是說，VCO輸出反射回來的信號功率能引起晶體管漏電流和偏置點的波動，導(dǎo)致該雙極型晶體管集電極與基極之間的電壓（Vcb）發(fā)生變化，影響集電極與基極之間的電容（Ccb），從而通過影響整個回路的諧振狀態(tài)和條件導(dǎo)致振蕩頻率和相位噪聲的轉(zhuǎn)變。

圖1、典型雙極型晶體管VCO模型

解決方案

傳統(tǒng)的測試方法是在被測VCO的輸出端連接6dB衰減器、定向耦合器和機械式拉伸線，一方面滿意終端連接回波損耗12dB的負(fù)載條件，另一方面通過手動調(diào)整機械式拉伸線實現(xiàn)360度相位的轉(zhuǎn)變。但是這種方法存在著如下問題：

①對操力量依靠程度高；

②費時且費勁；

③對應(yīng)不同振蕩頻率的VCO需要相應(yīng)工作頻段的機械式拉伸線和開/短路技術(shù)以避開消失相位調(diào)整范圍無法滿意要求的現(xiàn)象；

④負(fù)載阻抗反射系數(shù)的模固定且不能敏捷調(diào)整。因此，測試效率與測試結(jié)果都不能很好地滿意越來越高的測試要求。中電科儀器儀表有限公司采納先進的負(fù)載牽引測試技術(shù)推出基于通用測試儀器的應(yīng)用解決方案，測試框圖如圖2所示，使得這一狀況得到有效改觀，徹底解決測試難題。

圖2、VCO非線性特性（頻率牽引）測試框圖

其中，中電儀器的176X系列主流程控直流電源產(chǎn)品能夠為被測VCO供應(yīng)程控狀態(tài)下的偏置電源及調(diào)諧電壓；243X系列功率計產(chǎn)品能夠在程控狀態(tài)下測量各個測試點的輸出功率參數(shù)；4051X系列頻譜分析儀產(chǎn)品能夠在程控狀態(tài)下測量各個測試點的輸出頻譜或頻率參數(shù)；定向耦合器實現(xiàn)分別信號分別供應(yīng)測試信號至功率計和頻譜分析儀；自動阻抗調(diào)配器在程控狀態(tài)下沿等效反射系數(shù)模（即回波損耗12dB，駐波比1.67）或其它要求值的等反射系數(shù)圓在360范圍內(nèi)等間距調(diào)整相位以實現(xiàn)負(fù)載阻抗精確可控變化；主控計算機及系統(tǒng)軟件是整個系統(tǒng)的掌握中心，一方面實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)各儀器設(shè)備的程控并協(xié)調(diào)各儀器設(shè)備根據(jù)測試步驟完成測試數(shù)據(jù)的采集、保存，另一方面依據(jù)對自動阻抗調(diào)配器進行校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)根據(jù)S參數(shù)級聯(lián)方式及相關(guān)算法計算出等效網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)和去除通道中各部分插損后的輸出功率等參數(shù)。全部測試工作均不需要人為干預(yù)，可在條件、狀態(tài)均設(shè)置合適的狀況下自動完成測試并輸出相應(yīng)的測試結(jié)果。

應(yīng)用實例

圖3、HE405

圖4、HE486

應(yīng)用該解決方案對中國電科XX所研制的HE405（頻率范圍1~2GHz，外觀如圖3所示）和HE486（頻率范圍2~3GHz，外觀如圖4所示）兩種TO-8C封裝VCO進行測試，測試在不同工作頻點下端接負(fù)載阻抗沿等反射系數(shù)圓360范圍內(nèi)勻稱轉(zhuǎn)變相位時的頻偏變化，測試結(jié)果如下：

①HE405在工作頻率1.6GHz時的頻率牽引最大頻偏為24.433334MHz，即頻率牽引系數(shù)為1.53%@1.6GHz；輸出功率最大偏移1.10dB，此時輸出功率16.00dBm。測試曲線如下圖5所示，其中縱坐標(biāo)為工作頻率測試值（Hz），橫坐標(biāo)為沿等反射系數(shù)圓360范圍內(nèi)勻稱轉(zhuǎn)變負(fù)載阻抗相位時的測試點（該測試結(jié)果一共包含36個點）。

圖5HE405工作頻率在1.6GHz時的非線性特性（頻率牽引）測試曲線

②HE405在工作頻率2GHz時的頻率牽引最大頻偏為24.666666MHz，即頻率牽引系數(shù)為1.23%@2GHz；輸出功率最大偏移1.95dB，此時輸出功率15.03dBm。測試曲線如下圖6所示，其中縱坐標(biāo)為工作頻率測試值（Hz），橫坐標(biāo)為沿等反射系數(shù)圓360范圍內(nèi)勻稱轉(zhuǎn)變負(fù)載阻抗相位時的測試點（該測試結(jié)果一共包含36個點）。

圖6、HE405工作頻率在2GHz時的非線性特性（頻率牽引）測試曲線

③HE486在工作頻率2.5GHz時的頻率牽引最大頻偏為42.000000MHz，即頻率牽引系數(shù)為1.68%@2.5GHz；輸出功率最大偏移2.15dB，此時輸出功率16.70dBm。測試曲線如下圖7所示，其中縱坐標(biāo)為工作頻率測試值（Hz），橫坐標(biāo)為沿等反射系數(shù)圓360范圍內(nèi)勻稱轉(zhuǎn)變負(fù)載阻抗相位時的測試點（該測試結(jié)果一共包含36個點）。

圖7、HE486工作頻率在2.5GHz時的非線性特性（頻率牽引）測試曲線

④HE486在工作頻率3GHz時的頻率牽引最大頻偏為40.400000MHz，即頻率牽引系數(shù)為1.35%@3GHz；輸出功率最大偏移1.30dB，此時輸出功率14.46dBm。測試曲線如下圖8所示，其中縱坐標(biāo)為工作頻率測試值（Hz），橫坐標(biāo)為沿等反射系數(shù)圓360范圍內(nèi)勻稱轉(zhuǎn)變負(fù)載阻抗相位時的測試點（該測試結(jié)果一共包含36個點）。

圖8、HE486工作頻率在3GHz時的非線性特性（頻率牽引