微波有源器件實驗

1、實驗一 壓控振蕩器（VCO）一、實驗目的（1）掌握壓控振蕩器的工作原理，了解其性能指標。（2）學會用頻譜儀對壓控振蕩器的性能指標進行測試。二、實驗原理1. 壓控振蕩器概述壓控振蕩器是振蕩頻率受控制電壓控制的振蕩器，即是一種頻率電壓變換器。輸出頻率, K是壓控振蕩器控制靈敏度或者增益系數(shù)，單位為（弧度/秒）/伏。VCO作為一個振蕩器，它的頻率由電壓來控制。壓控振蕩器實現(xiàn)壓控的方法主要有如下兩種:（1）直接改變決定振蕩頻率的振蕩回路元件（如R, L, C）的數(shù)值;（2）控制多諧振蕩器中定時元件的充放電電流或電壓。利用上述方法，原則上各種振蕩器都可能改造成為一個壓控振蕩器。VCO首先是一個振蕩器，只

2、是多了一個控制端，可以用電壓去控制振蕩器的振蕩頻率。壓控振蕩器主要有如下幾種類型:（1）LC壓控振蕩器（2）RC壓控振蕩器（3）負阻壓控振蕩器（4）晶體壓控振蕩器在應用中究竟采用那種形式的壓控振蕩器，必須視場合和要求而定。如果只是為了簡便和有很寬的調(diào)諧范圍（即頻率覆蓋)，而對相位噪聲沒什么要求，那么可以選用由RC振蕩器所構(gòu)成的VCO；如果要求有較寬的調(diào)諧范圍和較低的相位噪聲，可以選用由LC振蕩器構(gòu)成的VCO;如果對相位噪聲指標要求較高，而調(diào)諧范圍并不要求那么寬，那么可以選用由晶體振蕩器所構(gòu)成的VCO。2. 壓控振蕩器的主要技術(shù)指標（1）中心頻率及頻率變化范圍，要求頻率覆蓋范圍大（2）頻率穩(wěn)定度

3、高（短期和長期)壓控振蕩器的頻率相對穩(wěn)定度一般低于用同樣電路構(gòu)成的固定頻率振蕩器。一般LC壓控振蕩器和負阻壓控振蕩器穩(wěn)定度可達10-4-10-6/月，晶體壓控振蕩器可達10-6-10-10/月。一般希望VCO的頻率穩(wěn)定度在長期和短期范圍內(nèi)比較高。（3）相位噪聲，要求盡可能低，這是VCO最重要的質(zhì)量指標。頻率源的相位噪聲直接影響頻率源的短期頻率穩(wěn)定度。頻率源的短期頻率穩(wěn)定度有兩種表征法，在頻域用單邊相位噪聲功率表征，在時域則用阿倫方差表征。頻域表征能較好地反映高頻相位噪聲對頻率穩(wěn)定度的影響。而時域表征能較好的反應低頻相位噪聲對頻率穩(wěn)定度的影響。在此只介紹更為常用的頻域表征法。頻率穩(wěn)定度的頻域表征

4、法是用單邊（SSB）相位噪聲譜密度表示。單邊相位噪聲譜密度是指偏離載頻一定量處，單位頻帶內(nèi)噪聲功率相對于平均載波功率比值的分貝值，使用模擬頻譜儀測量單邊帶相位噪聲譜密度公式如下：其中，為單邊帶相位噪聲譜密度，；為偏離載頻處的噪聲功率電平，；為載波電平，；為頻譜測量隨機噪聲修正值，對模擬頻譜儀其值為；為頻譜儀等效噪聲帶寬。例如，測得載波功率為7dBm,在偏離載頻10kHz處在帶寬1kHz內(nèi)的噪聲功率-43dBm那么單位頻帶內(nèi)的相對單邊噪聲功率為-43dBm-7dBm-2.5dB-10lg(1000)dB=-82dBc/Hz10kHz（4）壓控線性一般壓控振蕩器在頻率覆蓋范圍內(nèi)并不一定能保證很好的

5、壓控線性，使用上一般則希望壓控振蕩器在一定的頻率范圍內(nèi)控制線性度越高越好。（5）壓控增益（或稱壓控靈敏度）要求有一定的壓控靈敏度K。K的大小根據(jù)技術(shù)指標要求和實際可能性來確定。從同步帶的角度希望K越大越好，從邊帶抑制的角度希望K越小越好。因此在滿足同步范圍的前提下盡可能選取較小的K。（6）其他如壓控方便，電路宜于集成化、抗機械振動及抗電磁干擾等。三、實驗設(shè)備 AV4062頻譜儀，壓控振蕩器模塊，直流電源，1-20V直流可調(diào)電源四、測量內(nèi)容和實驗步驟測量VCO的頻率，頻率覆蓋范圍，輸出功率，線性度/伏，諧波分量，雜散1）將壓控振蕩器模塊按下圖連接AV4062VCO+12V1-20V2）開啟AV4

6、062頻譜儀電源和DC電源，調(diào)節(jié)VCO的調(diào)諧電壓Vtune至最小，觀察AV4062頻譜儀上所顯示頻率、功率、相位噪聲（偏移載頻1MHz、100KHz）、雜散等并記錄。3）調(diào)節(jié)VCO的調(diào)諧電壓Vtune至最大（20V），觀察AT6030D頻譜儀上所顯示頻率、功率相位噪聲（偏移載頻1MHz、100KHz）、雜散等并記錄。4）調(diào)節(jié)VCO的調(diào)諧電壓Vtune，觀察AV4062頻譜儀上所顯示頻譜的變化，并用MARKER跟蹤，讀出不同調(diào)諧電壓下的頻率值和功率值，給出壓控線性圖（頻率/每伏（0-10V表格或曲線）， 同時觀測VCO的二次諧波分量記錄并比較。五、實驗數(shù)據(jù)測量及分析1. 壓控線性表調(diào)諧電壓/V頻

7、率/GHz調(diào)諧電壓/V頻率/GHz51.348121.70861.388131.77071.455141.84381.500151.92291.545162.001101.607172.074111.669182.101調(diào)諧電壓超過16V以后，發(fā)現(xiàn)VCO輸出頻譜有誤，說明此時已超出工作范圍。2. 功率相位噪聲（偏移載頻1MHz）調(diào)諧電壓/V頻率/GHz功率/dBm頻偏+1MHz頻偏-1MHz101.61117.9-21.0-21.2151.93412.2-25.0-25.081.51216.6-21.0-23.0實驗二 放大器一、實驗目的1、掌握射頻放大器的基本原理和設(shè)計方法；2、利用實驗模塊

8、實際測量，了解放大器的特性；3、學會用頻譜儀的測試結(jié)果提取放大器的主要參數(shù)。二、88實驗原理射頻頻帶放大器可分為寬帶放大器和窄帶放大器，其主要的技術(shù)指標有：中心頻率：中心頻率就是放大器的工作頻率，一般在幾百千赫到幾百兆赫。它是放大器的主要指標，是根據(jù)設(shè)備的整體指標確定的。1.增益：增益是表示放大電路對有用信號的放大能力。通常用在中心頻率上電壓增益和功率增益兩種方法表示：電壓增益 功率增益 式中，、分別為放大電路中心頻率上的輸出、輸入電壓幅度，、分別為放大電路中心頻率上的輸出、輸入功率。通常增益用分貝表示。2.通頻帶：為保證頻帶信號無失真地通過放大電路，要求放大器的增益頻率響應特性必須有與信號帶

9、寬相適應的平坦寬度。放大電路電壓增益頻率響應特性中增益由最大值下降3dB時對應的頻帶寬度，稱為放大器的通頻帶。通常以B或表示。3.選擇性：是指對通頻帶之外干擾信號的衰減能力，有兩種描述方法：一是用矩形系數(shù)來說明臨近波道選擇性的好壞；二是用抑制比來說明對帶外某一特定干擾頻率信號抑制能力的大小，其定義為，式中是中心頻率上的功率增益；是某特定干擾頻率上的功率增益。抑制比用分貝表示則為4.工作穩(wěn)定性：是指當放大電路的工作狀態(tài)、元件參數(shù)等發(fā)生可能的變化時，放大器的主要性能的穩(wěn)定程度。不穩(wěn)定現(xiàn)象表現(xiàn)在增益變化、中心頻率偏移、通頻帶變窄、諧振曲線變形等。不穩(wěn)定狀態(tài)的極端情況是放大器自激振蕩，以致使放大器完全

10、不能工作。引起不穩(wěn)定的原因，主要是寄生反饋作用。為了消除或減少不穩(wěn)定現(xiàn)象，必須盡力找出寄生反饋的途徑，力圖消除一切可能產(chǎn)生反饋的因素。5.噪聲系數(shù)：噪聲系數(shù)是用來描述放大器本身產(chǎn)生噪聲電平大小的一個參數(shù)。放大器本身產(chǎn)生噪聲電平的大小對所傳輸?shù)男盘?，特別是對微弱信號的影響是極其不利的。6.工作頻率范圍：指放大器滿足各級指標的工作頻率范圍。放大器實際的工作頻率范圍可能會大于定義的工作頻率范圍。圖2-1增益平坦度7.增益平坦度()：指在一定溫度下，在整個工作頻率范圍內(nèi)，放大器增益變化的范圍。 增益平坦度由下式表示。 dB其中 ：增益平坦度Gmax：增益頻率掃頻曲線的幅度最大值Gmin：增益頻率掃頻曲

11、線的幅度最小值上述指標相互之間，既有聯(lián)系又有矛盾。例如增益和穩(wěn)定性、通頻帶和選擇性等。需要根據(jù)實際決定主次，進行合理設(shè)計與調(diào)整。8.1dB壓縮點輸出功率（）放大器有一個線性動態(tài)范圍，在這個范圍內(nèi)，放大器的輸出功率隨輸入功率線性增加。這種放大器稱之為線性放大器，這兩個功率之比就是功率增益G。隨著輸入功率的繼續(xù)增大，放大器進入非線性區(qū)，其輸出功率不再隨輸入功率的增加而線性增加，也就是說，其輸出功率低于小信號增益所預計的值。通常把增益下降到比線性增益低1dB時的輸出功率值定義為輸出功率的1dB壓縮點，用表示。（見圖2-2）圖2-2 放大器的輸出功率和互調(diào)分量隨輸入功率的變化典型情況下，當功率超過時，

12、增益將迅速下降并達到一個最大的或完全飽和的輸出功率，其值比大3-4dB。9. 放大器的動態(tài)范圍動態(tài)范圍是指低噪聲放大器輸入信號允許的最小功率和最大功率的范圍。動態(tài)范圍的上限取決于放大器的非線性性能，如和IP3。動態(tài)范圍的下限取決于噪聲性能。當放大器的噪聲系數(shù)Nf給定時，輸入信號功率允許最小值是：其中：微波系統(tǒng)的通頻帶(例如中頻放大器通頻帶)；M 微波系統(tǒng)輸出端允許的最小信噪比；T0 環(huán)境溫度，293K。三、實驗設(shè)備 AV4062頻譜分析儀、AV1485射頻合成信號發(fā)生器，射頻放大器、直流電源四、實驗內(nèi)容及步驟測量射頻放大器的頻響曲線、放大增益、1dB壓縮點輸出功率（）。設(shè)置AV4062頻譜儀中

13、心頻率fc=1500MHz，SPEN為3000MHz，用信號源和頻譜分析儀測試放大器的增益及P1dB。被測件輸入端連接至信號源；輸出端接頻譜分析儀。設(shè)置頻譜儀中心頻率1.5GHz；SPAN為1MHz；同時設(shè)置信號源頻率為1.5GHz；輸出功率-20dBm，給放大器加電，不斷改變輸入功率大小，觀察頻譜分析儀上放大器的輸出幅度，觀察放大器輸出幅度，增益要求放大器工作在線性范圍內(nèi)，觀察并記錄測試值。當增加信號輸入到輸入與輸出信號不呈現(xiàn)線性變化，輸出信號與輸入信號壓縮1 dB時放大器輸出功率即為放大器的P1dB壓縮點，觀察并記錄；改變射頻合成信號發(fā)生器AV1485頻率，觀察100MHz、1GHz、1.5GHz、2GHz、2.5GHz、的增益、輸出功率并記錄。 AV4062 IN AV1485OUT 電源放大器五、實驗數(shù)據(jù)及分析1. 放大器功率增益表（Pin=-30dBm）頻率/Hz輸出功率/dBm100M-11.11G-141.5G-17.52.0G-20.22.5G-23從上表可以看出，輸出功率增益約為13dB，且輸出功率隨頻率增加而減小。2. P1dB壓縮點（1.5GHz下）Pin/dBmPout/dBm-103.1-94.3-84.9-76.1-67.1-57.9-48.7-39.3-210.1從上表可以看出，P1dB壓縮點約為10.1dB。實