微波電路西電雷振亞老師的課件9章射頻微波振蕩器

1、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 packageGaAs PHEMTThe 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 packageGain

2、 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 supplyThey feature P1dB input powers as high as +11 dBm, noise figures as low as 7 dB, and gain options from 10 to 40 dB33 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

3、控振蕩器（VCO）9.5 變容管倍頻器9.1 振蕩器的基本原理9.1.1 振蕩器的指標射頻/微波振蕩器的主要技術指標是頻率和功率。1. 工作頻率振蕩器的輸出信號基本上就是一個正弦信號。要做到振蕩頻率絕對準確,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、 內部噪聲、 元件老化、 機械振動、 電源紋波等。實際設計中,針對指標側重點,應采取相應的補償措施。調試中,也要有經(jīng)驗和技巧,才能達到一定的頻率指標。關于頻率經(jīng)常會遇到下列概念。 (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

4、。(2) 頻率溫漂。隨著溫度的變化,物質材料的熱脹冷縮引起的尺寸變化會導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?shù)姆椒ń档?。常用的方法有?溫度補償（數(shù)字或模擬微調）、 恒溫措施等,用指標MHz/或ppm/描述。(3) 年老化率。隨著時間的推移,振蕩器的輸出頻率也會偏移,用ppm/年描述。 (4) 電源牽引。電源的紋波或上電瞬間會影響振蕩器的頻率精度,也可看作電源的頻率調諧,用Hz/V表示。在振蕩器內部增加穩(wěn)壓電路和濾波電容能改善這一指標。 (5) 負載牽引。在振蕩器與負載緊耦合的情況下,振蕩頻率會受到負載的影響,使負載與振蕩器匹配,增加隔離器或隔離放大器,減小負載的牽引作用。(

5、6) 振動牽引。振蕩器內諧振腔或晶振等頻率敏感元件隨機械振動的形變,會影響振蕩器的輸出頻率。振動敏感性與元件的安裝和固定有關,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鍵指標。它是輸出信號的時域抖動的頻域等效。相位噪聲、 調頻噪聲和抖動是同一問題的不同表達方式,因為振蕩器含有飽和增益放大器和正反饋環(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。 用足夠分辨率的頻譜儀測量振蕩器,噪聲會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制有關。相位噪聲

6、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帶寬內的相位噪聲功率。無論相位噪聲接近噪聲本底還是一個噪聲包絡,都能清晰地表征噪聲功率的值。fm表示離開載頻的邊頻,也是對載頻的調制頻率, 故有時稱作調頻噪聲。 在數(shù)字系統(tǒng)中,通常用時域抖動而不是相位噪聲測量零交叉時間的偏離,給出峰峰值和有效值。其單位是皮秒或UI(Unit Intervals), UI是時鐘的一部分, 即UI=抖動皮秒/時鐘一周。因為相位噪聲給出了每一個頻率調制載頻的相位偏移,我們可以累加360內所有的相位偏移,即得到UI。這與計算一個頻率或時間的功率是等效

7、的。通信系統(tǒng)對某個頻率的抖動更敏感,所以相位噪聲與邊頻的關系就是抖動。用抖動的頻域觀點看,PLL就是一個“頻率衰減器”。PLL反饋環(huán)的濾波器頻帶越窄,調制頻率越高,但這種頻率和頻帶依賴關系是有限的。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。如果振蕩器有足夠的功率輸出,就會降低振蕩器內諧振器的有載Q值,導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償?shù)霓k法,也可增加穩(wěn)幅電路。這樣,又會增加成本和噪聲。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,故功率放大器不會增加額外噪聲。如

8、果振蕩器是可調諧的,還要保證頻帶內功率平坦度。3. 調諧范圍 對于可調諧振蕩器,還有個調諧帶寬指標。通常是指調諧的最大頻率和最小頻率, 而不談中心頻率,對于窄帶可調振蕩器(如10%),也有用中心頻率的。調諧范圍對應變容管的電壓范圍或YIG的電流范圍。為了維持振蕩范圍內的高Q特性,變容管的最小電壓大于0。調諧靈敏度的單位是MHz/V, 一般地,調諧靈敏度不等于調諧范圍/電壓范圍。近似地,調諧靈敏度在中心頻率的小范圍內測量。圖 9-1 變容管的調諧特性 調諧靈敏度比是最大調諧靈敏度/最小調諧靈敏度。在PLL的壓控振蕩器中,由于這個參數(shù)會影響到環(huán)路增益,因而特別重要。在低電壓時,變容管電容最大，隨著

9、電壓的增加,電容很快達到最大值。低電壓時,電容的大范圍變化會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 所示的變容管的調諧特性可知,超突變結比突變結變容管調諧線性好,設計中要選線性好的一段并使調諧電壓放大到合適的范圍。調諧時間是最大調諧范圍所用的時間。變容管的調諧速度比YIG的調諧速度快得多。 4. 供電電源供電電源是保證振蕩器安全工作時所需的電源電壓和電流。直流功率要有足夠余量。5. 結構尺寸振蕩器的外形結構和安裝尺寸受使用場合的限制。在給定的安裝條件下,應合理布局電路,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計與放大器設計很類似?？梢詫?/p>

10、同樣的晶體管、 同樣的直流偏置電平和同樣的一組S參數(shù)用于振蕩器設計,對于負載來說,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 放大器和振蕩器設計方框圖對于放大器設計來說,S11和S22都小于1,可以用圓圖來設計M1和M2；而對于振蕩器設計來說,為了產(chǎn)生振蕩,S11和22均大于1。振蕩條件可以表示為k1 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

11、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,負載可以出現(xiàn)在兩個端口中的任一端口或同時出現(xiàn)在兩個端口,但一般負載是在輸出終端。根據(jù)上述理論, 可以依下列步驟利用S參數(shù)來設計一個振蕩器。步驟一: 確定振蕩頻率與輸出負載阻抗。一般射頻振蕩器的輸出負載阻抗為50 。 步驟二: 根據(jù)電源選用半導體元件,設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

12、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： 利用下列公式計算出負載穩(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, 亦可計算出振源穩(wěn)定圓的圓心C與半徑d。負載穩(wěn)定圓：|-A|=b振源穩(wěn)定圓： |-C|=d圖 9-4 |s|=1映射至L平面的負載穩(wěn)定圓步驟六：設計一個諧振電路,一般使用并聯(lián)電容Zs,將其反射系數(shù) Zs轉換成L1,并將其標記到|L1|=1的圓圖上。步驟七： 檢查L1的值是否落在負載穩(wěn)定圓外部與|L|=1的單位圓內部的交叉斜線區(qū)域,如圖 9 -5 所示。若沒有,則重選諧振

13、電路的電容值,并重復步驟六直到符合步驟七的要求。 圖 9-5 振蕩器設計圖示步驟八： 根據(jù)計算得到的L1值,選擇一個接近新值L1a,使其對應的阻抗值(ZL1a)的實數(shù)部分(ReZL1a等于輸出負載阻抗(RL)。步驟九： 將新值L1a經(jīng)1/S11映射轉換成新值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： 振蕩器電路的實現(xiàn)分別將Zf、 Zs、Im ZL1a 轉成實際元件值, 可選用電容、 電感或傳輸線實現(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

14、,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

15、節(jié)中的基本原理變成實際電路,應該了解振蕩器的基本拓撲結構。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阻,負載吸收能量是正電阻,這個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,技術成熟。圖（b）是柵極反饋振蕩器，常用于變容管調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調諧、 介質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就是器件的結等效電容。圖（b）和圖（c）實質上是相同的,只是調諧的位置不同。柵極起到

16、諧振器與負載的隔離作用。 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構向射頻/微波領域移植。 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 振蕩器的實際結構框圖4. 振蕩器的設計步振蕩器的設計步驟如下：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)步驟二: 選拓撲結構,適當反饋,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)

17、,電路拓撲結構都一樣。9.2 集總參數(shù)振蕩器9.2.1 設計實例設計一個800MHz放大器。電源為12V DC,負載阻抗為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 設計過程如下： （1） 計算可得有源器件的原始k值為1.021,大于1,需設計反饋電路。選用一個18pF的電容做反饋電路,經(jīng)公式計算后可得修正后的k值為-0.84,遠小于1。設計可行。 （2）選用11.5 pF電容做諧振電路,設其內電阻為2.5 ,將其反射系數(shù)s1經(jīng)1/S22映射公式轉換成L1,并標記到|L|=1的史密斯圓圖上,可得確實落于|s|

18、 1及|L|s1a|。（5）選用電感來設計輸出負載匹配電路,經(jīng)公式計算可得其值為50 nH。（6）代入射頻模擬軟件分析驗證。經(jīng)Mathcad分析,Microwave Office仿真結果如圖9 - 所示。圖 9-8 800 MHz振蕩器設計結構9.2.2 電路拓撲結構舉例 從上例可以看出,振蕩器的設計有許多元件是根據(jù)經(jīng)驗預選的,可代入公式驗證。圖9-9、 圖 9-10 和圖9-11 給出了幾個典型電路供參考。 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振蕩器雙極結晶體

19、管的參數(shù)和電路設計結果如圖 9-12所示。電感LB的加入,可保證振蕩穩(wěn)定。可以驗算,|S11 |1, |S22|1。電容C與管子引線電感構成諧振回路,電容C可以用變容管、YIG或介質諧振器代替,來構成不同功能的振蕩器。微帶線是阻抗變換網(wǎng)絡。 圖 9-12 2GHz振蕩器的管子參數(shù)和設計結果2. 同軸型介質諧振器振蕩器在微波低端,近年大量使用同軸型介質諧振器制作振蕩器。圖9 - 12 所示振蕩器中的電容C的位置可以用介質諧振器代替,重新設計其他元件,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圓外方同軸諧振器。圓柱套型高介電常數(shù)的陶瓷介質內外表面有金屬導體,引腳端開路

20、,另一端短路。諧振器的邊長與內徑滿足高Q條件。 圖 9-13 同軸介質諧振器表9 - 4 常用同軸介質諧振器 表9-4 給出了不同介電常數(shù)的使用頻段。同型介質諧振器等效為一個并聯(lián)諧振回路。諧振時的等效電阻為式中,Z0為諧振器的特性阻抗,R*為導體損耗,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。變容管調諧可以在一定范圍內實現(xiàn)壓控振蕩器(VCO)。圖 9-14 介質諧振器振蕩器典型電路（0.52.5GHz）3. 圓柱（方柱）介質諧振器FET振蕩器如圖9-15所示

21、,圓柱型介質可以等效為一個并聯(lián)諧振器。將這個振蕩器放入前述4GHz振蕩器中,可得圖9-16所示介質振蕩器。 圖 9-15 圓柱型介質諧振器圖 9-16 4GHz介質振蕩器介質諧振器與微帶電路的耦合參見圖9-17。調節(jié)諧振器的三維位置就可改變耦合量。 圖 9-17 介質諧振器與微帶線的耦合圖9 - 18給出各種介質諧振器的安裝拓撲。微波場效應振蕩器的技術成熟于20世紀80年代, 目前已在各類微波系統(tǒng)中得到使用。 圖 9-18 各種微波介質振蕩器圖9 - 19 是一個14 GHz微波振蕩器實例,微封裝后就像普通晶振一樣使用。 圖 9-19 14GHz介質場效應振蕩器4. 圓柱（方柱）介質諧振器二極

22、管振蕩器圖9-20是介質諧振器與體效應二極管振蕩器結合的實際結構,這個電路也是成熟振蕩器,用途廣泛。 圖 9-20 X波段介質諧振器GUNN振蕩器圖 9 - 21 是介質諧振器與雪崩管振蕩器結合的實例, 這是一個頻帶反射式振蕩器。 圖 9-21 X波段介質諧振器IMPATT振蕩器5. 微機械振蕩器為了實現(xiàn)K波段以上的振蕩器,近年發(fā)展起來一種微機械諧振器。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）中的介質諧振器換成圖（b）所示的結構就得到微機械諧振器。圖 (c) 是微機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

23、UGS=-0.3 V,UDS=2V,IDS=10mA,f0=28.7GHz, P0=0.6dBm。圖 9-22 微機械振蕩器結構示意圖 9-22 微機械振蕩器結構示意圖 9-22 微機械振蕩器結構示意9.4 壓控振蕩器（VCO）9.4.1 集總元件壓控諧振電路用變容二極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。其設計步驟如下:步驟一: 選用電路結構。首先, 計算K=fmax/fmin: 若K1.4,兩個變容二極管并聯(lián)。步驟二: 確定VCO電路使用場合。若單獨應用,則需要使用微調電容來調整fmax和固定值電容來增加溫度補償; 若用于鎖相環(huán),一般情況下,可以不用微調電容與固定電