微波振蕩器設(shè)計(jì)詳解演示文稿

微波振蕩器設(shè)計(jì)詳解演示文稿1目前一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)優(yōu)選微波振蕩器設(shè)計(jì)2目前二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)頻率準(zhǔn)確度3目前三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)頻率穩(wěn)定度根據(jù)所規(guī)定的時(shí)間間隔的長短不同，頻率穩(wěn)定度又可分為長期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度三種。4目前四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)頻率穩(wěn)定度5目前五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)頻率穩(wěn)定度6目前六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)振蕩器主要技術(shù)指標(biāo)—調(diào)頻噪聲和相位噪聲頻率f0，在f0附近還包含許多旁頻，連續(xù)分布在f0兩邊。如圖8-1所示，縱坐標(biāo)是功率，f0處是載波功率（振蕩器輸出功率），f0兩邊的是噪聲功率，它同時(shí)包含調(diào)頻噪聲功率和調(diào)幅噪聲功率。圖8-1振蕩器輸出的頻譜在振蕩器電路中，由于存在各種不確定因素的影響，使振蕩頻率和振蕩幅度隨機(jī)起伏。振蕩頻率的隨機(jī)起伏稱為瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度，頻率的瞬變將產(chǎn)生調(diào)頻噪聲、相位噪聲和相位抖動。振蕩幅度的隨機(jī)起伏將引起調(diào)幅噪聲。因此，振蕩器在沒有外加調(diào)制時(shí)，輸出的頻率不僅含振蕩7目前七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)振蕩器主要技術(shù)指標(biāo)—調(diào)頻噪聲和相位噪聲1．調(diào)頻噪聲（1）功率表示（2）均方根頻偏2．相位噪聲（1）相位噪聲的定義（2）相位噪聲的表示法①相位脈動譜密度②頻率脈動譜密度③單邊帶相位噪聲譜密度3．頻譜純度8目前八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1.調(diào)頻噪聲9目前九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1.調(diào)頻噪聲10目前十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)2.相位噪聲（1）相位噪聲的定義圖8-2中的振蕩器頻譜邊帶與寄生調(diào)幅和寄生調(diào)相有關(guān)。由調(diào)制理論分析知道，靠近振蕩頻率處的噪聲邊帶功率主要是寄生調(diào)相引起的，而寄生調(diào)幅分量很小，可以不考慮。圖8-2中含有兩類調(diào)相信號。第一類：確定的調(diào)相信號。主要是一些離散信號，它是由電源頻率、振動頻率和交變電磁場產(chǎn)生的干擾，這些干擾信號在調(diào)相噪聲譜密度圖上是一些可以分開的離散分量。第二類：隨機(jī)的調(diào)相信號，稱為相位噪聲。相位噪聲譜在很寬的頻率范圍內(nèi)是個(gè)連續(xù)譜。由于測得的噪聲電平是檢波器帶寬的函數(shù)，為了使測量結(jié)果與檢波器帶寬無關(guān)，相位噪聲電平是在1Hz帶寬內(nèi)測量。圖8-2振蕩器的調(diào)相噪聲譜密度11目前十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)2.相位噪聲12目前十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)2.相位噪聲13目前十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)3．頻譜純度振蕩器的頻譜純度是指振蕩頻率的不穩(wěn)所造成的頻譜不純。振蕩器的雜散信號越多，相位噪聲越大，則頻譜純度越差。振蕩器的頻譜純度可以用振蕩器輸出功率與各寄生頻率總電平之比的分貝數(shù)表示。14目前十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)介質(zhì)諧振器穩(wěn)頻FET振蕩器介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器是利用微波介質(zhì)諧振器做為高Q腔對FET振蕩器進(jìn)行穩(wěn)頻的諧振器，通常簡稱為介質(zhì)振蕩器。它在1GHz到幾十GHz頻率范圍內(nèi)，可以直接產(chǎn)生所需的振蕩頻率，而不需倍頻，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。低損耗介質(zhì)諧振器材料已有很大進(jìn)展，介質(zhì)諧振器Q值已接近金屬空腔諧振器，因此，振蕩器的相位噪聲較低。介質(zhì)諧振器的溫度系數(shù)很容易控制，可以與FET電路互相補(bǔ)償，使介質(zhì)振蕩器具有很高的頻率穩(wěn)定度。因此，介質(zhì)振蕩器已被廣泛用于各類微波系統(tǒng)中。15目前十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1．介質(zhì)諧振器（1）微波介質(zhì)諧振器材料的物理特性微波介質(zhì)諧振器是一種介電常數(shù)高、損耗低的陶瓷材料，它是含鋅、鉻的鈦酸鹽和鋯酸鹽的混合陶瓷。工作在不同頻率范圍的介質(zhì)諧振器應(yīng)采用不同材料實(shí)現(xiàn)，它大體分成三類，分別用于L、S波段；C波段和X、K波段。介質(zhì)諧振器的主要參數(shù)是相對介電常數(shù)r、無載品質(zhì)因數(shù)Q0和諧振頻率溫度系數(shù)f。①諧振頻率介質(zhì)諧振器的諧振頻率與介質(zhì)的成反比，在微波頻率低端要求r值比較大，以減小電路尺寸。目前，r在25~90范圍，如Trans-Tech公司生產(chǎn)的8000系列介質(zhì)諧振器，r從28到80，頻率從UHF波段一直到Ka波段。圖8-3圓柱形金屬空腔情況16目前十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1．介質(zhì)諧振器17目前十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1．介質(zhì)諧振器②諧振頻率溫度系數(shù)改變介質(zhì)諧振器的材料成分配比，可以把介質(zhì)諧振器的諧振頻率溫度系數(shù)rf控制在+20ppm/℃~–20ppm/℃范圍內(nèi)任意選定，誤差約為±0.5ppm/℃。介質(zhì)諧振器的諧振頻率溫度系數(shù)可以按下式計(jì)算 （ppm/℃） （8-16）式中 f2——對應(yīng)于溫度為T2時(shí)的諧振頻率； f1——對應(yīng)于溫度為T1時(shí)的諧振頻率。通常，介質(zhì)諧振器參數(shù)表上給出的諧振頻率溫度系數(shù)rf是指常溫（T=20℃）條件下的rf值，而實(shí)際電路往往要求在某一溫度范圍內(nèi)rf接近0ppm/℃，rf變化不應(yīng)太大，用這種介質(zhì)諧振器實(shí)現(xiàn)的介質(zhì)振蕩器的頻率穩(wěn)定性能就比較好。目前，在25~60℃溫度變化范圍內(nèi)，大多數(shù)介質(zhì)諧振器的rf變化只有幾個(gè)ppm/℃；當(dāng)超出上述溫度范圍時(shí)，rf的溫度特性變得很壞，rf的變化量可能大到幾百ppm/℃。18目前十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1．介質(zhì)諧振器②諧振頻率溫度系數(shù)圖8-4是Trans-Tech公司的8000系列rf對溫度的變化關(guān)系；圖8-5是日本村田制作所產(chǎn)品的rf對溫度的變化關(guān)系。由圖8-4看出，不同型號產(chǎn)品的rf的溫度特性是不一樣的，其中8515型號rf的溫度特性最好。圖8-4rf的溫度特性 圖8-5rf的溫度特性（Trans-TechInc8000系列） （日本村田制作所）19目前十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1．介質(zhì)諧振器③無載品質(zhì)因數(shù)Q介質(zhì)諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)Q0與介質(zhì)損耗及環(huán)境損耗有關(guān)。Q0值是儲能與周期耗散能之比值，具體計(jì)算可以用下式表示 （8-17）式中含義如圖8-6所示。圖8-6介質(zhì)諧振器品質(zhì)因數(shù)的確定20目前二十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1．介質(zhì)諧振器圖8-7是Q0的溫度特性，Q0值隨溫度升高而下降。圖8-8是Q0的頻率特性，Q0值隨頻率升高而下降，且Q0與f之積為一常數(shù)，其值隨不同材料而不同。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，希望品質(zhì)因數(shù)Q0盡可能大，用于穩(wěn)定振蕩器頻率的Q0值應(yīng)大于3000。 圖8-7Q0的溫度特性 圖8-8Q0的頻率特性由于低損耗材料的改進(jìn)，介質(zhì)諧振器的無載Q0值不斷提高，通常10GHz的無載Q0值約為10000，近年報(bào)導(dǎo)可達(dá)20000，該值已接近拋光金屬空腔。原理上，由于介質(zhì)諧振器沒有金屬損耗，其無載Q0值還有可能提高。21目前二十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1．介質(zhì)諧振器22目前二十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1．介質(zhì)諧振器（2）圓柱形介質(zhì)諧振器的工作模式圖8-9是圓柱形介質(zhì)諧振器主模TE01場分布，圖中實(shí)線為電力線，虛線為磁力線。圖8-9圓柱形介質(zhì)諧振器主模TE01場分布23目前二十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1．介質(zhì)諧振器圓柱形介質(zhì)諧振器工作在TE01主模時(shí)，它與微帶線之間的耦合是通過磁場實(shí)現(xiàn)的，如圖8-10所示。微帶線與介質(zhì)諧振器之間的距離越小，耦合就越緊，介質(zhì)諧振器的有載品質(zhì)因數(shù)降低越多，可能低于1000。圖8-10介質(zhì)諧振器（TE01模）與微帶線耦合結(jié)構(gòu)（3）介質(zhì)諧振器與微帶線的耦合24目前二十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)2．介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器電路介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的有源器件可以用FET，也可以是BJT，但從電路結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法這兩方面看，介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器與介質(zhì)穩(wěn)頻BJT振蕩器沒有什么區(qū)別，故這里僅討論介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器。介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器電路有共柵極、共漏極及共源極三種振蕩電路形式。高Q介質(zhì)腔可以作為振蕩電路中的一個(gè)元件，也可以作為反饋電路元件和振蕩電路負(fù)載的一部分，使振蕩器在0~50℃溫度范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定度達(dá)到10–5量級。它比倍頻鎖相式振蕩器或分頻鎖相式振蕩器的頻率穩(wěn)定度略低，但可以滿足大多數(shù)微波系統(tǒng)的要求。它具有體積小、電路不復(fù)雜、功耗低、可靠性高和沒有低于主振頻率的分諧波干擾等優(yōu)點(diǎn)。25目前二十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)2．介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器電路介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路形式有以下三種形式。（1）輸出反射式圖8-14輸出反射式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器（a）振蕩器電路；（b）等效電路。圖8-14是輸出反射式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路示意圖。其中，F(xiàn)ET的柵極接一段小于g/4開路微帶線，等效在柵極接一個(gè)電容Cg，漏柵極之間接正反饋電容Cgd，使FET電路構(gòu)成自激振蕩器；而在輸出微帶線附近耦合一個(gè)高Q介質(zhì)諧振器，它作負(fù)載的一部分，一方面提高了振蕩器電路Q值，另一方面由于它是一個(gè)耦合電路，因而存在頻率牽引及頻率調(diào)諧的回滯現(xiàn)象。有關(guān)回滯現(xiàn)象將在下節(jié)詳述。26目前二十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)2．介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器電路（2）環(huán)路反饋式圖8-15（a）是環(huán)路反饋式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路示意圖。不加介質(zhì)諧振器時(shí)，F(xiàn)ET電路是微波放大器的工作狀態(tài)，不產(chǎn)生振蕩；當(dāng)把高Q介質(zhì)諧振器放置在輸出微帶線與輸入微帶線之間，通過磁耦合把輸出功率的一部分反饋到柵極，當(dāng)反饋相位和反饋功率合適時(shí)將產(chǎn)生振蕩，介質(zhì)諧振器相當(dāng)于窄帶帶通濾波器，在介質(zhì)諧振器的中心頻率處，反饋?zhàn)顝?qiáng)，相位合適。圖8-15（b）是反饋式介質(zhì)振蕩器的等效電路圖。反饋式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的穩(wěn)頻效果與介質(zhì)振蕩器有載品質(zhì)因素QL成正比，因此希望QL越大越好。在設(shè)計(jì)FET放大器電路時(shí)，應(yīng)確保振蕩頻率處的增益最高，而在其他頻率處盡可能沒有增益，更不應(yīng)存在寄生振蕩。圖8-15環(huán)路反饋式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器（a）振蕩器電路；（b）等效電路。27目前二十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)2．介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器電路（3）柵極耦合式圖8-16（a）是柵極耦合式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路。FET接成共漏極電路。漏極接微帶低通濾波器，使漏極對微波接地，并構(gòu)成漏壓直流通路。介質(zhì)諧振器耦合到柵極微帶線上，耦合面到柵極的距離l約為g/4，它在柵極等效于接一個(gè)高Q圖8-16柵極耦合式介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器（a）振蕩器電路；（b）等效電路。的串聯(lián)諧振電路，與FET的漏源電容Cds和柵源電容Cgs構(gòu)成電容式三點(diǎn)振蕩電路，如圖8-16（b）所示。源極經(jīng)匹配電路后輸出振蕩功率。28目前二十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)3．專門術(shù)語的說明為了設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定的、性能良好的介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器，應(yīng)該考慮頻率溫度系數(shù)、頻率初始漂移、推頻系數(shù)、頻率牽引、穩(wěn)頻系數(shù)及回滯現(xiàn)象等。（1）頻率溫度系數(shù)當(dāng)溫度變化時(shí)，介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化，頻率變化越小，則振蕩器的溫度穩(wěn)定性能越好。介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的溫度穩(wěn)定性能好壞可以用頻率溫度系數(shù)描述。介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的頻率溫度系數(shù) （ppm/℃） （8-25）式中 f2——對應(yīng)于溫度為T2時(shí)的振蕩頻率； f1——對應(yīng)于溫度為T1時(shí)的振蕩頻率。0f中包括兩部分，一部分是介質(zhì)諧振器的諧振頻率溫度系數(shù)rf；另一部分是沒有介質(zhì)諧振器時(shí)的振蕩器頻率隨溫度的相對變化。適當(dāng)選擇rf，使它與第二部分的變化大小相等而變化方向相反，介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的頻率溫度系數(shù)將減到最小。29目前二十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)3．專門術(shù)語的說明（2）頻率初始漂移在常溫下，介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器開機(jī)頻率隨著電路溫度的上升將產(chǎn)生變化，直到電路達(dá)到熱平衡，振蕩頻率也達(dá)到某一穩(wěn)定值。介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器從加電到熱平衡，其頻率發(fā)生的漂移稱為頻率初始漂移。（3）推頻系數(shù)介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的振蕩頻率會隨著FET的柵偏壓、漏壓的變化而變化，振蕩頻率變化越小，則振蕩器性能越穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)用推頻系數(shù)描述這項(xiàng)性能，并有柵壓推頻系數(shù)和漏壓推頻系數(shù)兩種。柵壓推頻系數(shù)是漏壓固定不變而柵壓變化時(shí)，振蕩頻率變化量與柵壓變化量的比值

同樣，漏壓推頻系數(shù)是柵壓固定不變而漏壓變化時(shí)，振蕩頻率變化量與漏壓變化量的比值

由分析知道，推頻系數(shù)與介質(zhì)諧振器的品質(zhì)因數(shù)成反比。30目前三十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)3．專門術(shù)語的說明（4）回滯現(xiàn)象輸出反射式介質(zhì)穩(wěn)頻FET振蕩器的振蕩頻率與輸出功率在頻率調(diào)諧過程中存在雙值性，如圖8-17所示。圖中橫軸h表示頻率調(diào)節(jié)金屬盤至介質(zhì)的距離，虛線表示的曲線是頻率變化規(guī)律，實(shí)線是振蕩器輸出功率的變化規(guī)律。當(dāng)h由ha增加到hb時(shí)，振蕩頻率沿①—②—③—④—⑤—⑥曲線變化，輸出功率沿1—2—3—4—5—6變化；而當(dāng)金屬盤距離由hb減小到ha時(shí)，振蕩頻率沿⑥—⑦—⑧—⑨—⑩—①變化，輸出功率沿6—5—4—3—8—7—1變化，這種現(xiàn)象稱為振蕩器的調(diào)諧回滯圖8-17機(jī)械調(diào)諧使振蕩頻率與輸出功率出現(xiàn)的回滯現(xiàn)象（a）振蕩器機(jī)械調(diào)諧機(jī)構(gòu)；（b）回滯曲線。現(xiàn)象，它使振蕩頻率和輸出功率出現(xiàn)雙值性。這種現(xiàn)象縮小了振蕩器的調(diào)諧范圍，從曲線可以看出，只有在h1~h2一小段范圍內(nèi)是單值穩(wěn)定區(qū)，而在穩(wěn)定區(qū)兩旁出現(xiàn)了回滯現(xiàn)象。同樣，柵源電壓和漏壓的變化也會使振蕩頻率與輸出功率出現(xiàn)回滯現(xiàn)象。圖8-18（a）是柵壓變化使振蕩頻率與輸出功率出現(xiàn)的回滯現(xiàn)象，圖8-18（b）是漏壓變化使振蕩頻率與輸出功率出現(xiàn)的回滯現(xiàn)象。31目前三十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)3．專門術(shù)語的說明圖8-18電壓變化時(shí)振蕩頻率與輸出功率的回滯現(xiàn)象（a）柵壓變化的回滯曲線；（b）漏壓變化的回滯曲線。（4）回滯現(xiàn)象32目前三十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)3．專門術(shù)語的說明（5）頻率牽引當(dāng)振蕩器負(fù)載變化時(shí)，介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的振蕩頻率將發(fā)生變化，把這種現(xiàn)象稱為振蕩器的頻率牽引。負(fù)載的變化相當(dāng)于振蕩器輸出端口駐波比發(fā)生變化。在設(shè)計(jì)振蕩器時(shí)，要求駐波比在某范圍內(nèi)頻率牽引系數(shù)不大于規(guī)定值。頻率牽引系數(shù)可按下式計(jì)算 （8-28）式中 QL——介質(zhì)諧振器的有載品質(zhì)因數(shù)； Po——振蕩器的輸出功率； Pr——振蕩器的輸出端口的反射功率。上式表明，頻率牽引系數(shù)F牽引與QL成反比，與Pr成正比。33目前三十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)3．專門術(shù)語的說明34目前三十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)35目前三十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)圖8-19FET的三個(gè)端口編號36目前三十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)（2）介質(zhì)諧振器耦合電路參數(shù)的擬合圖8-16中的介質(zhì)諧振器與微帶線在A面向電阻R0方向看的等效電路如圖8-20所示。介質(zhì)諧振器相當(dāng)于并聯(lián)諧振電路串聯(lián)在主線中，R0是50匹配負(fù)載電阻。圖中的L、C、R值取決于介質(zhì)諧振器的無載Q值，也取圖8-20介質(zhì)諧振器與微帶線耦合的等效電路決于微帶線損耗，以及介質(zhì)諧振器與微帶線的耦合強(qiáng)弱。耦合電路參數(shù)的擬合過程如下：首先測出介質(zhì)諧振器在各個(gè)頻率下不同m（m是介質(zhì)諧振器中心到微帶線中心線的耦合距離）時(shí)的若干組s11的模和相角，然后用計(jì)算機(jī)擬合出不同m時(shí)的L、C、R值。37目前三十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)（3）介質(zhì)諧振器頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu)在實(shí)際的介質(zhì)振蕩器中，經(jīng)常需要調(diào)諧介質(zhì)諧振器的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)諧，調(diào)諧方式可以是機(jī)械調(diào)諧，也可以是電調(diào)諧。①機(jī)械調(diào)諧介質(zhì)諧振器頻率的調(diào)諧機(jī)構(gòu)如圖8-17（a）和圖8-21所示。圖8-2l諧振頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu)(a)介質(zhì)桿；(b)金屬桿；(c)介質(zhì)塊。38目前三十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)（3）介質(zhì)諧振器頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu)①機(jī)械調(diào)諧圖8-22給出了介質(zhì)諧振器采用機(jī)械調(diào)諧機(jī)構(gòu)時(shí)的諧振頻率和無載品質(zhì)因數(shù)Q0對調(diào)諧距離的變化特性。調(diào)諧距離h越小，諧振頻率增高越多，但同時(shí)使無載品質(zhì)因數(shù)Q0下降越多，當(dāng)h超過某一值時(shí)，諧振頻率和無載品質(zhì)因數(shù)將不隨h的增加而變化。在調(diào)諧頻率時(shí)為了使無載品質(zhì)因數(shù)下降不太多，機(jī)械調(diào)諧機(jī)構(gòu)的頻率調(diào)諧范圍不應(yīng)超出5%。圖8-22諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)對調(diào)諧距離的變化特性39目前三十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)②電調(diào)諧在微波集成電路技術(shù)中，主要采用變?nèi)莨茈娬{(diào)諧。它是把變?nèi)莨芡ㄟ^微帶線與介質(zhì)諧振器耦合形成電調(diào)諧電路，如圖8-23所示。調(diào)諧電壓加在變?nèi)莨軆啥?，改變變?nèi)莨芙Y(jié)電容，就可以實(shí)現(xiàn)諧振頻率的調(diào)整。圖8-23變?nèi)莨茈娬{(diào)諧振蕩器電路（3）介質(zhì)諧振器頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu)40目前四十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)41目前四十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)(4)基片厚度對無載品質(zhì)因數(shù)的影響在介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器電路中，電路基片的損耗對介質(zhì)諧振器的無載品質(zhì)因數(shù)Q0影響很大。圖8-24給出了三種不同基片厚度的介質(zhì)諧圖8-24基片厚度對無載品質(zhì)因數(shù)的影響振器Q0，當(dāng)基片厚度減小時(shí)，Q0也被相應(yīng)減小。為了減弱這種影響，希望采用厚的基片，但厚的基片又將增大電路的色散效應(yīng)。為此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，都采用厚度較薄的基片，以便減小色散效應(yīng)，同時(shí)采用低損耗和低介電常數(shù)的圓柱環(huán)，把介質(zhì)諧振器適當(dāng)墊高，使介質(zhì)諧振器的Q0減小不多。42目前四十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)③恒溫技術(shù)在提高介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器溫度穩(wěn)定度的技術(shù)中，恒溫技術(shù)也是一種常用的方法。它是將振蕩器整個(gè)盒體封裝在恒溫槽內(nèi)，恒溫裝置是由加熱元件、熱敏元件、有關(guān)的控制電路和恒溫槽組成。槽內(nèi)溫度通常比環(huán)境最高溫度還要高5~10℃，在–30~+50℃范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定度可以優(yōu)于1ppm，具有較高的溫度穩(wěn)定度；與數(shù)字技術(shù)相比，有較好的相位噪聲，但尺寸及功耗較大。圖8-25數(shù)字控制穩(wěn)頻技術(shù)框圖(5)高溫度穩(wěn)定度實(shí)現(xiàn)方法提高介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器的溫度穩(wěn)定度的方法有以下三種：正溫度系數(shù)補(bǔ)償法，數(shù)字技術(shù)和恒溫技術(shù)。①正溫度系數(shù)介質(zhì)諧振器補(bǔ)償法由分析知道，F(xiàn)ET振蕩器電路溫度系數(shù)是負(fù)的，通常采用一個(gè)具有正溫度系數(shù)的介質(zhì)諧振器來補(bǔ)償頻率隨溫度的漂移。②數(shù)字技術(shù)見圖8-25。43目前四十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)(6)柵極耦合式振蕩器設(shè)計(jì)由分析知道，柵極耦合式振蕩電路中的介質(zhì)諧振器可以等效為串接在主線中的并聯(lián)諧振回路，整個(gè)電圖8-26柵極耦合式振蕩器電路設(shè)計(jì)式中|s11|——從P端往左視入的反射系數(shù)s11的模；∠s11——相角。采用CAD技術(shù)即可選出最佳耦合位置、傳輸線長度及輸出匹配電路參數(shù)。路由匹配電阻R0、并聯(lián)諧振回路、傳輸線、共漏極FET和輸出匹配電路等五部分組成，如圖8-26所示。圖中P端是功率輸出端口，RL是外負(fù)載電阻。電路應(yīng)滿足的振蕩穩(wěn)定條件是44目前四十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．介質(zhì)穩(wěn)頻振蕩器設(shè)計(jì)(7)環(huán)路反饋式振蕩器設(shè)計(jì)環(huán)路反饋式振蕩器的設(shè)計(jì)可按以下步驟進(jìn)行。①FET放大電路設(shè)計(jì)由于環(huán)路反饋式振蕩器在沒有介質(zhì)諧振器反饋元件時(shí)，F(xiàn)ET電路本身是一個(gè)放大電路，因此，可以按放大器來設(shè)計(jì)，盡可能在振蕩頻率處的放大量最大，頻帶越窄越好，它有利于FET的充分利用。為了改善相位噪聲性能，通常采用松耦合結(jié)構(gòu)，但耦合弱會使電路不易起振，解決辦法可以采用多級FET放大電路。在要求雜波較嚴(yán)時(shí)，如雜波應(yīng)小于–50dBc時(shí)，在設(shè)計(jì)FET放大電路時(shí)不應(yīng)存在微弱的寄生振蕩。②反饋電路設(shè)計(jì)反饋電路設(shè)計(jì)主要是確定介質(zhì)諧振器與輸入、輸出傳輸線之間的耦合距離。通常測出介質(zhì)諧振器與柵極傳輸線、輸出傳輸線之間的不同鍋合距離時(shí)的二口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)，它與柵極傳輸線和輸出傳輸線之間的夾角、介質(zhì)諧振器與柵極傳輸線、輸出傳輸線之間的距離h1和h2有關(guān)，符號、h1和h2的具體含義可參見圖8-15。有了一組不同的、h1和h2的二口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)，就可以用CAD技術(shù)選出滿足振蕩穩(wěn)定條件(見公式(8-37))的最佳耦合夾角和最佳耦合距離h1和h2。45目前四十五頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)體效應(yīng)二極管振蕩器與雪崩二極管振蕩器微波三極管振蕩器盡管在微波很多領(lǐng)域被廣泛采用，但迄今為止它們的使用頻率不是很高。在20GHz以上，主要采用二極管負(fù)阻振蕩器。例如，雪崩二極管振蕩器和體效應(yīng)二極管振蕩器。目前雪崩管振蕩器和體效應(yīng)管振蕩器的振蕩頻率已高達(dá)幾百干兆赫，雪崩管在94GHz的單管脈沖功率已大于10W，采用合成技術(shù)后，60GHz連續(xù)波輸出功率已大于瓦級。46目前四十六頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)1．二極管負(fù)阻等效電路由前面分析知道，雪崩二極管和體效應(yīng)管是負(fù)阻器件，它們的等效電路應(yīng)包含一個(gè)負(fù)電阻。圖8-27(a)是雪崩二極管等效電路，其中虛線框內(nèi)表示的是管芯等效電路，–GD是負(fù)電導(dǎo)，它與二極管上的直流電壓和交流電壓幅度呈非線性關(guān)系，CD是等效電容，近似為一常量，Rs是非線性電阻，Ls是引線電感，Cp是管殼電容，它們都是封裝引入的封裝參數(shù)。圖8-27(b)是體效應(yīng)管等效電路，管芯等效成負(fù)電阻–RD和電容CD的并聯(lián)，封裝參數(shù)用引線電感Ls和管殼電容Cp等效。圖8-27二極管負(fù)阻等效電路(a)雪崩二極管；(b)體效應(yīng)二極管。47目前四十七頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)2．負(fù)阻振蕩器的起振條件和平衡條件圖8-28微波二極管振蕩器示意圖 圖8-29負(fù)阻振蕩器的一般等效電路圖8-28是負(fù)阻二極管構(gòu)成的微波振蕩器示意圖。振蕩器是由一個(gè)波導(dǎo)諧振腔構(gòu)成，負(fù)阻器件放置在腔內(nèi)，腔的終端安裝一個(gè)可調(diào)的短路活塞，輸出端口有一個(gè)調(diào)配器，接至負(fù)載?？梢杂脠D8-29表示它們的等效電路。圖中用一個(gè)二口網(wǎng)絡(luò)表示諧振電路，它位于負(fù)載Z()與負(fù)阻器件–ZD(I)之間；外電路在負(fù)阻器件端口的等效阻抗是Z()，它的實(shí)部包括電路損耗及負(fù)載電阻兩部分。而負(fù)阻器件的阻抗對頻率的變化相對外電路來講是很緩慢的，因此，等效電路中的負(fù)阻器件阻抗僅僅是振蕩幅度的函數(shù)，表示為

式中I是振蕩電流的振幅。48目前四十八頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)2．負(fù)阻振蕩器的起振條件和平衡條件圖8-28微波二極管振蕩器示意圖 圖8-29負(fù)阻振蕩器的一般等效電路49目前四十九頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)2．負(fù)阻振蕩器的起振條件和平衡條件圖8-29負(fù)阻振蕩器的一般等效電路圖8-28微波二極管振蕩器示意圖50目前五十頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)3．負(fù)阻振蕩器設(shè)計(jì)中標(biāo)志的數(shù)字表示相應(yīng)的振蕩功率，直流偏置電壓為10V、電流為1.1A。在設(shè)計(jì)振蕩器前，應(yīng)測出不同偏置條件及不同工作頻率下的一組ZD(I)，作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。圖8-30體效應(yīng)管的大信號等效阻抗負(fù)阻振蕩器的設(shè)計(jì)包括負(fù)載匹配電路設(shè)計(jì)、直流偏置電路和頻率調(diào)諧電路。(1)二極管負(fù)阻器件的大信號等效阻抗由前面分析知道，一旦知道二極管負(fù)載器件的等效阻抗ZD(I)(或等效導(dǎo)納YD(V))，就可以設(shè)計(jì)振蕩器。ZD(I)可以通過器件物理模型來確定，但計(jì)算比較復(fù)雜，通常采用測試方法獲得器件的ZD(I)值。圖8-30是體效應(yīng)管在7GHz時(shí)的大信號等效阻抗–ZD(I)，圖51目前五十一頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)3．負(fù)阻振蕩器設(shè)計(jì)圖8-31是穩(wěn)定工作點(diǎn)的圖示判別法。圖中橫坐標(biāo)是阻抗的實(shí)部R，縱坐標(biāo)是阻抗的虛部jX。圖中畫出負(fù)阻器件ZD(I)和外電路在負(fù)阻器件處的等效阻抗Z()的阻抗軌跡，交點(diǎn)(I0，0)處兩條軌跡的夾角為，是ZD(I)阻抗線箭頭方向順時(shí)針轉(zhuǎn)到Z()負(fù)載線箭頭方向的夾角。由分析知道，工作點(diǎn)穩(wěn)定的條件是

<180 （8-46）可以看出，用圖示判別工作點(diǎn)的穩(wěn)定性是一種較簡便的方法。(2)匹配電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的匹配電路應(yīng)使振蕩器滿足起振條件、平衡條件及最大輸出功率要求，即匹配電路應(yīng)該提供必要的電抗，與負(fù)阻器件電抗形成諧振回路；同時(shí)將負(fù)載阻抗變換到合適的數(shù)值，使振蕩器滿足振蕩的起振條件、平衡條件及最大輸出功率。在設(shè)計(jì)匹配電路時(shí)，除上述考慮外，還應(yīng)考慮振蕩器的穩(wěn)定性。圖8-31穩(wěn)定工作點(diǎn)的圖示判別法52目前五十二頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)3．負(fù)阻振蕩器設(shè)計(jì)(3)直流偏置電路直流偏置電路應(yīng)盡量減小對振蕩器的影響。通常在振蕩器的偏置端串接一個(gè)低通濾波電路來實(shí)現(xiàn)上述要求。(4)頻率調(diào)諧負(fù)阻振蕩器除固定振蕩頻率運(yùn)用外，還經(jīng)常需要頻率調(diào)諧，以便改變振蕩頻率。頻率調(diào)諧可以是機(jī)械調(diào)諧、變?nèi)莨苷{(diào)諧、偏壓調(diào)諧及YIG調(diào)諧。偏置調(diào)諧是直接改變負(fù)阻器件的偏壓和偏流，使振蕩頻率改變。這種調(diào)諧方法比較簡便，但調(diào)諧范圍窄，調(diào)諧線性差，輸出功率變化較大；YIG調(diào)諧范圍寬，調(diào)諧線性好，但調(diào)諧結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)諧速度慢。53目前五十三頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．負(fù)阻振蕩器基本電路諧元件變?nèi)莨芷幂斎攵耍?是隔直電容，7是偏置線，8是接地塊，9是旁路電容，10是變?nèi)莨芘c體效應(yīng)管的連線。圖8-32(b)是該振蕩器的等效電路。微帶型體效應(yīng)管振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，便于設(shè)計(jì)，制作方便，但損耗大，頻率穩(wěn)定度差，且不便于機(jī)械調(diào)諧，只適用于微波頻率較低的小功率振蕩器。圖8-32微帶型體效應(yīng)管振蕩器（a）微帶電路結(jié)構(gòu)；（b）等效電路。負(fù)阻振蕩器有微帶、同軸及波導(dǎo)等幾種結(jié)構(gòu)形式。下面將分別介紹。(1)微帶型負(fù)阻振蕩器圖8-32(a)是微帶型體效應(yīng)管振蕩器。變?nèi)莨?串接在體效應(yīng)管3和諧振線5之間，作串聯(lián)調(diào)諧，1端是體效應(yīng)管偏置輸入端，2端是電調(diào)54目前五十四頁\總數(shù)五十九頁\編于二十點(diǎn)4．負(fù)阻振蕩器基本電路(2)同軸腔負(fù)阻振蕩器圖8-33(a)是同軸腔體效應(yīng)管振蕩器電路結(jié)構(gòu)示意圖。體效應(yīng)管3安裝在同軸腔底部管座2上，管座底部裝有散熱塊1，體效應(yīng)管負(fù)端接同軸腔外導(dǎo)體4，正偏置6接入同軸腔內(nèi)導(dǎo)體8，同軸腔內(nèi)外導(dǎo)體之間用聚四氟乙烯圖8-33同軸腔體效應(yīng)管振蕩器(a)電路結(jié)構(gòu)；(b)等效電路。介質(zhì)套筒7隔開，機(jī)械調(diào)諧采用扼流式不接觸型活塞5，射頻功率通過期合環(huán)9輸出。圖8-33(b)是該振蕩器的等效電路。同軸腔體效應(yīng)管