非線性微波電路與系統(tǒng)第十章教學內容

1、1非線性微波電路與系統(tǒng)第十章210.1 基本理論基本理論 （負阻振蕩理論（負阻振蕩理論 ）微波振蕩器微波振蕩器 物理概念：阻抗的實部為負，即物理概念：阻抗的實部為負，即“負阻負阻”i(t)Zl()Zs( (I0,) )Vs(t)s s( () )0)(),(0)(),()(),()()()()()()(),(),(),(),(),(),(000000000plpsplpsplpsllllllssssssBVBGVGYVYjBGYjXRZVjBVGVYIjXIRIZ源源或或負載負載或或振蕩平衡條件振蕩平衡條件幅度平衡條件，決定振蕩器的輸出功率幅度平衡條件，決定振蕩器的輸出功率相位平衡條件，決定振

2、蕩器的振蕩頻率相位平衡條件，決定振蕩器的振蕩頻率或或3穩(wěn)定振蕩過程是一個逐步建立起來的瞬態(tài)，穩(wěn)定振蕩過程是一個逐步建立起來的瞬態(tài)，振蕩開始時振蕩開始時V0和和I0很小，不滿足上式，直到很小，不滿足上式，直到 V0和和I0 很大到達某一定值時，上式成立，振蕩趨于穩(wěn)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。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：定值。穩(wěn)定振蕩另一種表達方式：0lslsRIXXIR4+HA()HF()VinVoutVf)()(1)(FAAinoutAHHHVVG10.1 基本理論基本理論 0)()(1FiFrA

3、HHH微波振蕩器微波振蕩器 正反饋理論正反饋理論三極管振蕩器三極管振蕩器5等效負阻外電路ZD=-RD+jXDZL=RL+jXLi微波振蕩器微波振蕩器 6 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。 微波振蕩器微波振蕩器 7微波振蕩器微波振蕩器 8一、小信號設計方法 0)(),()(),(0000fXfvXfRfvRLoutLout)(3),(00fRf

4、vRLout11111inTinoutLoutK 微波振蕩器微波振蕩器 922111LTLSS 11221LinLSS 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。122111111221221122112212211111111 ()outLLinLToutTTLoutTS SSSS SSSSS SS SS 1Tin微波振蕩器微波振蕩器 10 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。微波振蕩器微波振蕩器 11設計一個FET振蕩器的一般步驟是： 1、potentially unstable transistor ,如果不是，則采

5、用反饋元件 TTZor2、122122221ToutTS SSS3、1out4、LZ00()()LoutXfXf 001()(0,)3LoutRfRf5、Load matching network 微波振蕩器微波振蕩器 12Example: GaAs FET. 08fG111221220.98 163 ,0.3954 ,0.6751610.465 120SSSS(1) 2221122122110.52912SSKS S (2) *11222211()1.35156sSSCS 122122110.521sS SS 微波振蕩器微波振蕩器 137.5TZj 027.5cotTglZjjZ 027.5

6、cotTglZjjZ 050 , =0.226gZl（3） 1221221112.816.61ToutTS SSS582.61outZj （4） 119.332.61LoutLoutRRXXj 微波振蕩器微波振蕩器 14二、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、 1TToutorZ 2、 ,outoutZ000000(,)(,)(,)outoutoutZVfRVfjXVf3、 LZ000000()(,)()(,)LoutLoutRfRVfXfXVf 微波振蕩器微波振蕩器 15三、三、FET振蕩器的非線性

7、分析振蕩器的非線性分析以上采用小信號線性以上采用小信號線性S參數(shù)進行分析和設計，得不參數(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。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振蕩器非線性分析方法VolterraVolterra級數(shù)法。級數(shù)法。而采用諧波平衡法有以下兩個難點：而采用諧波平衡法有以下兩個難點：建立飽和狀態(tài)模型較為困難；建立飽和狀態(tài)模型較為困難；HBHB法只能分析一個外激勵頻率信號去激勵一個非線性電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

8、的振蕩頻率不同，且電路參數(shù)是隨頻率變化的率與穩(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。過程。微波振蕩器微波振蕩器 16FFS(t)S(t)W(t)W(t)FF-PPFF-PP閉環(huán)非線性反饋系統(tǒng)閉環(huán)非線性反饋系統(tǒng)開環(huán)非線性系統(tǒng)開環(huán)非線性系統(tǒng)閉環(huán)等效電路閉環(huán)等效電路開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)S(t)X(t)W(t)kS(t)X(t)W(t)kZ(t)微波振蕩器微波振蕩器 17 tjztjztjstjsnniitjsinsisiiniinNitjnsinniiineVeVtPtZeVeVtPtSeVVVteVtSdtSnhtninii 21212121,.2, 1.)(11,21211,1111而令

9、微波振蕩器微波振蕩器 18 321311121, 111,212121211HHHHHHVVeVVHeVeVtZeVeVtSszninitjsinsiinintjztjztjstjsini以及可求出令同頻項相等，使則開始 由此可求出振蕩器的輸出信號幅度的大小和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)振蕩頻率的高低，而轉移函數(shù)H是由具體的是由具體的FET等等效電路，偏置，工作狀態(tài)和電路拓撲所決定。效電路，偏置，工作狀態(tài)和電路拓撲所決定。微波振蕩器微波振蕩器 19五、性能參數(shù)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

10、大的影響： 1、輸出頻率和頻率準確度、輸出頻率和頻率準確度由器件和電路結構決定。微波振蕩器微波振蕩器 0000ffffffff2、輸出功率、輸出功率P0主要取決于器件。203、相位噪聲、相位噪聲微波振蕩器微波振蕩器 輸出頻譜中產(chǎn)生的噪聲邊帶。輸出頻譜中產(chǎn)生的噪聲邊帶。21 要把相位噪聲減至最小，不僅要使用低噪聲器件，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。用鎖相振蕩器也可以實現(xiàn)低的相位噪聲，如晶體振蕩器。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。 微波振蕩器微波振蕩器 224、頻率牽引和推頻、

11、頻率牽引和推頻 負載的變化引起輸出頻率改變負載的變化引起輸出頻率改變 負載阻抗的變化通過in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in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。 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。 采用高Q諧振腔。微波振蕩器微波振蕩器 235、熱穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性 TT的變化引起的變化引起f f0 0和和P P0 0的變化的變化 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in，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

12、，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。 微波振蕩器微波振蕩器 246、頻率滯后調諧漂移、頻率滯后調諧漂移 7、諧波和假響應輸出、諧波和假響應輸出 可采用濾波器進行抑制?？刹捎脼V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。 微波振蕩器微波振蕩器 25 10.2 電路拓撲電路拓撲 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

13、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)。 微波振蕩器微波振蕩器 DSGL地地26 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)（3040）。 微波振蕩器微波振蕩器 2712iurrjQ 微波振蕩器微波振蕩器 28微波振蕩器微波振蕩器 29 12.2 VCO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 微波振蕩器微波振蕩器 30微波振蕩器微波振蕩器 31微波振蕩器微波振蕩器 32微波振蕩器微波振蕩器 33微波振蕩器微波振蕩器 34微波振蕩器微波振蕩器

14、 35l例 耿氏管：RD=10，CD=1pF，LP=1nH l 變容二極管： Cj(0)=1pF，Vbi=1V 微波振蕩器微波振蕩器 3625010220ccRZRTpCLf12 RDRc 滿足振蕩條件 jDjDjDTCCCCCCC/微波振蕩器微波振蕩器 37pFCCjj1)0(GHzf12. 7pFVVCCbijj218. 0)2011 ()1 (2/12/10當 V=O 時 當 V=10 時GHzf90.11微波振蕩器微波振蕩器 38l例2 V-band (60GHz) 微帶 Gunn VCO 微波振蕩器微波振蕩器 39)/1 (1111VVVcppcCjRLjRCjYZLjZ微波振蕩器微波振蕩器 40CjRZRRCCLjCCRLRCRRCLjRRLjZDVCPVVVPLVLpVLVVVLpc1)/1()/()/1(2微波振蕩器微波振蕩器 41X波段PHEMT管VCO的設計實例 中心頻率為9.1GHz，調諧帶寬200MHz，輸出功率8dBm，相噪為-70dBc/Hz1kHz 在Rogers 6010上制作，基片厚0.635mm，介電常