微波電路西電雷振亞老師的課件9章射頻微波振蕩器.ppt

HMC594LC3B is an LNA that delivers 10 dB gain, 3 dB noise figure, and +36 dBm P3dB RF output. It is housed in a 3 x 3-mm leadless ceramic SMT package,GaAs PHEMT,The HMC609LC4 delivers 20 dB gain, has a 3.5 dB noise figure, and +36.5 dBm P3dB output,housed in a 4 x 4-mm leadless ceramic SMT package,Gain flatness of both devices is 0.2 dB and 0.4 dB. Both are available in chip form as well. They operate from a +6-VDC supply,They feature P1dB input powers as high as +11 dBm, noise figures as low as 7 dB, and gain options from 10 to 40 dB,33 to 75 GHz,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,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(gè)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(dòng)、 電源紋波等。實(shí)際設(shè)計(jì)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(yàn)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(huì)遇到下列概念。,(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(huì)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档汀３Ｓ玫姆椒ㄓ校?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(shí)間的推移,振蕩器的輸出頻率也會(huì)偏移,用ppm/年描述。 (4) 電源牽引。電源的紋波或上電瞬間會(huì)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)。,(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(huì)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(dòng)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(dòng)的形變,會(huì)影響振蕩器的輸出頻率。振動(dòng)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(shí)域抖動(dòng)的頻域等效。相位噪聲、 調(diào)頻噪聲和抖動(dòng)是同一問題的不同表達(dá)方式,因?yàn)檎袷幤骱酗柡驮鲆娣糯笃骱驼答伃h(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)。,用足夠分辨率的頻譜儀測量振蕩器,噪聲會(huì)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1 Hz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(gè)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(shí)稱作調(diào)頻噪聲。,在數(shù)字系統(tǒng)中,通常用時(shí)域抖動(dòng)而不是相位噪聲測量零交叉時(shí)間的偏離,給出峰峰值和有效值。其單位是皮秒或UI(Unit Intervals), UI是時(shí)鐘的一部分, 即UI=抖動(dòng)皮秒/時(shí)鐘一周。因?yàn)橄辔辉肼暯o出了每一個(gè)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(jì)算一個(gè)頻率或時(shí)間的功率是等效的。通信系統(tǒng)對某個(gè)頻率的抖動(dòng)更敏感,所以相位噪聲與邊頻的關(guān)系就是抖動(dòng)。用抖動(dòng)的頻域觀點(diǎn)看,PLL就是一個(gè)“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 ,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(huì)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(huì)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(huì)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。,3. 調(diào)諧范圍 對于可調(diào)諧振蕩器,還有個(gè)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。,圖 9-1 變?nèi)莨艿恼{(diào)諧特性,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(gè)參數(shù)會(huì)影響到環(huán)路增益,因而特別重要。在低電壓時(shí),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(shí),電容的大范圍變化會(huì)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(jì)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(shí)間是最大調(diào)諧范圍所用的時(shí)間。變?nèi)莨艿恼{(diào)諧速度比YIG的調(diào)諧速度快得多。,4. 供電電源 供電電源是保證振蕩器安全工作時(shí)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。 9.1.2 振蕩器的原理 振蕩器設(shè)計(jì)與放大器設(shè)計(jì)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(jì),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。,圖 9-2 放大器和振蕩器設(shè)計(jì)方框圖,對于放大器設(shè)計(jì)來說,S11和S22都小于1,可以用圓圖來設(shè)計(jì)M1和M2；而對于振蕩器設(shè)計(jì)來說,為了產(chǎn)生振蕩,S11和22均大于1。振蕩條件可以表示為 k1 （9-1） GS11 =1 （9-2） LS22 =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(gè)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G和L,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(gè)端口振蕩,它必然在另一個(gè)端口同時(shí)振蕩。,通常,因?yàn)閮H接一個(gè)負(fù)載,因此大部分功率只供給一個(gè)端口。由于|G|和|L|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）,將式（9-6）展開,可得 GS11-DLG=1-S22L L (S22-DG)=1-S11G 同理,有 ,（9-7）,（9-8）,（9-9）,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(gè)端口中的任一端口或同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)端口,但一般負(fù)載是在輸出終端。 根據(jù)上述理論, 可以依下列步驟利用S參數(shù)來設(shè)計(jì)一個(gè)振蕩器。 步驟一: 確定振蕩頻率與輸出負(fù)載阻抗。一般射頻振蕩器的輸出負(fù)載阻抗為50 。,步驟二: 根據(jù)電源選用半導(dǎo)體元件,設(shè)定晶體管的偏壓條件(UCE, IC),確定振蕩頻率下的晶體管的S參數(shù)(S11, S21, S12, S22)。 步驟三： 將所獲得的S參數(shù)代入下列公式以計(jì)算出穩(wěn)定因子K的值。 其中 =S11S22-S12S21,（9 - 11）,步驟四: 檢查K值是否小于1。若K值不夠小,可使用射極或源極增加反饋電路來降低K值，如圖 9-3 所示。圖中, ZmZaZf,（9 - 12）,圖 9-3 有源器件與反饋電路的串聯(lián),步驟五： 利用下列公式計(jì)算出負(fù)載穩(wěn)定圓的圓心A與半徑b,并繪出以L為參量的史密斯圓,如圖 9-4 所示。同理, 亦可計(jì)算出振源穩(wěn)定圓的圓心C與半徑d。 負(fù)載穩(wěn)定圓：|-A|=b,振源穩(wěn)定圓： |-C|=d,圖 9-4 |s|=1映射至L平面的負(fù)載穩(wěn)定圓,步驟六：設(shè)計(jì)一個(gè)諧振電路,一般使用并聯(lián)電容Zs,將其反射系數(shù) Zs轉(zhuǎn)換成L1,并將其標(biāo)記到|L1|=1的圓圖上。 步驟七： 檢查L1的值是否落在負(fù)載穩(wěn)定圓外部與|L|=1的單位圓內(nèi)部的交叉斜線區(qū)域,如圖 9 -5 所示。若沒有,則重選諧振電路的電容值,并重復(fù)步驟六直到符合步驟七的要求。,圖 9-5 振蕩器設(shè)計(jì)圖示,步驟八： 根據(jù)計(jì)算得到的L1值,選擇一個(gè)接近新值L1a,使其對應(yīng)的阻抗值(ZL1a)的實(shí)數(shù)部分(ReZL1a等于輸出負(fù)載阻抗(RL)。 步驟九： 將新值L1a經(jīng)1/S11映射轉(zhuǎn)換成新值s1a,并檢查其絕對值是否小于所選定的s1的絕對值,即較接近|s|=1的圓心,如果符合起振條件|s1|s1a|,如圖 9-5 所示,取,步驟十： 振蕩器電路的實(shí)現(xiàn)分別將Zf、 Zs、Im ZL1a 轉(zhuǎn)成實(shí)際元件值, 可選用電容、 電感或傳輸線實(shí)現(xiàn)這些元件值。 （1）反饋電路: 若選用電容,公式為 若選用等效傳輸線(阻抗Z0),長度為, 若選用電感,公式為 若選用等效傳輸線（阻抗Z0）, 長度為 （2） 諧振電路: 若選用電容,公式為,若選用等效傳輸線(阻抗Z0), 長度為 若選用電感,公式為 若選用等效傳輸線（阻抗Z0）,長度為,(3） 輸出負(fù)載匹配電路: 若Im ZL1a0,則選用并聯(lián)電感或等效匹配傳輸線：,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,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,3. 振蕩器 要把9.1.2 節(jié)中的基本原理變成實(shí)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(gè)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(shí)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。,圖 9-6 振蕩器電路,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(shí)際結(jié)構(gòu)框圖,4. 振蕩器的設(shè)計(jì)步 振蕩器的設(shè)計(jì)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K1。 步驟四: 輸入端諧振,使GS11 =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。,9.2 集總參數(shù)振蕩器,9.2.1 設(shè)計(jì)實(shí)例 設(shè)計(jì)一個(gè)800MHz放大器。電源為12V DC,負(fù)載阻抗為50。晶體管AT41511的S參數(shù)如表9-3所示。(UCE=, IC=25mA,Z0=50, TA=25),表9-3 參 數(shù) 表,設(shè)計(jì)過程如下： （1） 計(jì)算可得有源器件的原始k值為1.021,大于1,需設(shè)計(jì)反饋電路。選用一個(gè)18pF的電容做反饋電路,經(jīng)公式計(jì)算后可得修正后的k值為-0.84,遠(yuǎn)小于1。設(shè)計(jì)可行。 （2）選用11.5 pF電容做諧振電路,設(shè)其內(nèi)電阻為2.5 ,將其反射系數(shù)s1經(jīng)1/S22映射公式轉(zhuǎn)換成L1,并標(biāo)記到|L|=1的史密斯圓圖上,可得確實(shí)落于|s| 1及|L|1的交叉區(qū)域,即穩(wěn)定振蕩區(qū)內(nèi),故可用。,（3）選定一接近值L1a,以使得其對應(yīng)的阻抗值ZL1a=50+j250的實(shí)數(shù)部分ReZL1a50等于輸出負(fù)載阻抗RL=50 。 （4）將新值L1a經(jīng)1/S11 映射轉(zhuǎn)換成新值s1a,其絕對值（=0.878）確實(shí)小于原先選定的s1的絕對值（=0.914）,符合起振條件,|s1|s1a|。 （5）選用電感來設(shè)計(jì)輸出負(fù)載匹配電路,經(jīng)公式計(jì)算可得其值為50 nH。 （6）代入射頻模擬軟件分析驗(yàn)證。經(jīng)Mathcad分析,Microwave Office仿真結(jié)果如圖9 - 所示。,圖 9-8 800 MHz振蕩器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),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(jì)有許多元件是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)選的,可代入公式驗(yàn)證。圖9-9、 圖 9-10 和圖9-11 給出了幾個(gè)典型電路供參考。,圖 9-9 晶體振蕩器,圖 9-10 1.04 GHz集成振蕩器,圖 9-10 1.04 GHz集成振蕩器,圖 9-11 4 GHz振蕩器,9.3 微帶線振蕩器,1. 2 GHz振蕩器 雙極結(jié)晶體管的參數(shù)和電路設(shè)計(jì)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?yàn)算,|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)莨堋IG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)。,圖 9-12 2GHz振蕩器的管子參數(shù)和設(shè)計(jì)結(jié)果,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(jì)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。,圖 9-13 同軸介質(zhì)諧振器,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。,同型介質(zhì)諧振器等效為一個(gè)并聯(lián)諧振回路。諧振時(shí)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=2.5k。 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0.52.5GHz頻率范圍。變?nèi)莨苷{(diào)諧可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)壓控振蕩器(VCO)。,圖 9-14 介質(zhì)諧振器振蕩器典型電路（0.52.5GHz）,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(gè)并聯(lián)諧振器。將這個(gè)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。,圖 9-15 圓柱型介質(zhì)諧振器,圖 9-16 4GHz介質(zhì)振蕩器,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。,圖 9-17 介質(zhì)諧振器與微帶線的耦合,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。,圖 9-18 各種微波介質(zhì)振蕩器,圖9 - 19 是一個(gè)14 GHz微波振蕩器實(shí)例,微封裝后就像普通晶振一樣使用。,圖 9-19 14GHz介質(zhì)場效應(yīng)振蕩器,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(shí)際結(jié)構(gòu),這個(gè)電路也是成熟振蕩器,用途廣泛。,圖 9-20 X波段介質(zhì)諧振器GUNN振蕩器,圖 9 - 21 是介質(zhì)諧振器與雪崩管振蕩器結(jié)合的實(shí)例, 這是一個(gè)頻帶反射式振蕩器。,圖 9-21 X波段介質(zhì)諧振器IMPATT振蕩器,5. 微機(jī)械振蕩器 為了實(shí)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 6.8 mm8 mm1.4 mm。HEMT器件FHR20X的UGS=-0.3 V,UDS=2V,IDS=10mA,f0=28.7GHz, P0=0.6dBm。,圖 9-22 微機(jī)械振蕩器結(jié)構(gòu)示意,圖 9-22 微機(jī)械振蕩器結(jié)構(gòu)示意,圖 9-22 微機(jī)械振蕩器結(jié)構(gòu)示意,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(jì)步驟如下: 步驟一: 選用電路結(jié)構(gòu)。首先, 計(jì)算K=fmax/fmin: 若K1.4,兩個(gè)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