非線性微波電路與系統(tǒng)第十章演示文稿

非線性微波電路與系統(tǒng)第十章演示文稿當(dāng)前第1頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)優(yōu)選非線性微波電路與系統(tǒng)第十章當(dāng)前第2頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器雙極晶體管：工作頻率低，相位噪聲低，直流到射頻的轉(zhuǎn)換效率高。FET類(lèi)（包括GaAsMESFET、HEMT、PHEMT和HBT等）：相位噪聲大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于集成，成本低，可以用于更高的頻率。雪崩（IMPATT）和耿氏（Gunn)二極管：工作頻率高，噪聲電平比較高，直流到射頻的轉(zhuǎn)換效率很低。當(dāng)前第3頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)§10.1基本理論

（負(fù)阻振蕩理論）微波振蕩器物理概念：阻抗的實(shí)部為負(fù)，即“負(fù)阻”i(t)Zl(ω)Zs(I0,ω)Vs(t)Гs(ω)源或負(fù)載或振蕩平衡條件幅度平衡條件，決定振蕩器的輸出功率相位平衡條件，決定振蕩器的振蕩頻率或當(dāng)前第4頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)

穩(wěn)定振蕩過(guò)程是一個(gè)逐步建立起來(lái)的瞬態(tài)，振蕩開(kāi)始時(shí)V0和I0很小，不滿足上式，直到V0和I0

很大到達(dá)某一定值時(shí)，上式成立，振蕩趨于穩(wěn)定。且受擾動(dòng)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(dá)方式：當(dāng)前第5頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)§10.1基本理論

微波振蕩器正反饋理論→三極管振蕩器當(dāng)前第6頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第7頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)FET振蕩器的設(shè)計(jì)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?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)低噪聲和高頻率穩(wěn)定度，諧振器的設(shè)計(jì)通常也包含在振蕩器的設(shè)計(jì)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(zhì)。頻率調(diào)諧可以采用變?nèi)荻O管或鐵磁材料。微波振蕩器當(dāng)前第8頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第9頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)一、小信號(hào)設(shè)計(jì)方法微波振蕩器當(dāng)前第10頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)可以證明，如果輸入端振蕩，輸出端也振蕩；當(dāng)輸出端振蕩時(shí)，輸入端也振蕩。微波振蕩器當(dāng)前第11頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)

這一結(jié)論也可推廣到一個(gè)n端口振蕩器，只要一個(gè)端口振蕩，其余的端口也必然同時(shí)振蕩。微波振蕩器當(dāng)前第12頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)設(shè)計(jì)一個(gè)FET振蕩器的一般步驟是：1、potentiallyunstabletransistor,如果不是，則采用反饋元件2、3、4、5、Loadmatchingnetwork微波振蕩器當(dāng)前第13頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)Example:GaAsFET.(1)(2)微波振蕩器當(dāng)前第14頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)（3）（4）微波振蕩器當(dāng)前第15頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)二、大信號(hào)設(shè)計(jì)方法

大信號(hào)方法與小信號(hào)方法類(lèi)似。大信號(hào)S參數(shù)可以通過(guò)測(cè)試儀器或大信號(hào)模型獲取，但相對(duì)比較困難，他的設(shè)計(jì)步驟如下：1、2、3、微波振蕩器當(dāng)前第16頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)三、FET振蕩器的非線性分析

以上采用小信號(hào)線性S參數(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，得不到精確預(yù)計(jì)輸出功率和對(duì)應(yīng)的負(fù)載阻抗。

FET振蕩器非線性分析方法→Volterra級(jí)數(shù)法。而采用諧波平衡法有以下兩個(gè)難點(diǎn)：①建立飽和狀態(tài)模型較為困難；②HB法只能分析一個(gè)外激勵(lì)頻率信號(hào)去激勵(lì)一個(gè)非線性電路，而振蕩穩(wěn)定是一個(gè)逐漸建立的過(guò)程，開(kāi)始振蕩時(shí)的頻率與穩(wěn)定后的振蕩頻率不同，且電路參數(shù)是隨頻率變化的過(guò)程。微波振蕩器當(dāng)前第17頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)FFS(t)S(t)W(t)W(t)FF-PPFF-PP閉環(huán)非線性反饋系統(tǒng)開(kāi)環(huán)非線性系統(tǒng)閉環(huán)等效電路開(kāi)環(huán)系統(tǒng)S(t)X(t)W(t)kωωS(t)X(t)W(t)kωωZ(t)微波振蕩器當(dāng)前第18頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第19頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)

由此可求出振蕩器的輸出信號(hào)幅度的大小和振蕩頻率的高低，而轉(zhuǎn)移函數(shù)H是由具體的FET等效電路，偏置，工作狀態(tài)和電路拓?fù)渌鶝Q定。微波振蕩器當(dāng)前第20頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)五、性能參數(shù)

振蕩器的兩個(gè)主要性能是它的頻率和輸出功率，但其它性能參數(shù)對(duì)微波或毫米波系統(tǒng)的性能也有很大的影響：1、輸出頻率和頻率準(zhǔn)確度

由器件和電路結(jié)構(gòu)決定。微波振蕩器2、輸出功率P0

主要取決于器件。當(dāng)前第21頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)3、相位噪聲微波振蕩器輸出頻譜中產(chǎn)生的噪聲邊帶。當(dāng)前第22頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)

要把相位噪聲減至最小，不僅要使用①低噪聲器件，②而且還要使用高的有載Q諧振器，在電壓控制振蕩器中，應(yīng)使用高Q變?nèi)荻O管。③用鎖相振蕩器也可以實(shí)現(xiàn)低的相位噪聲，如晶體振蕩器。④由于相位噪聲也可由來(lái)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。微波振蕩器當(dāng)前第23頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)4、頻率牽引和推頻→負(fù)載的變化引起輸出頻率改變

負(fù)載阻抗的變化通過(guò)Гin的相位改變可以影響振蕩頻率。這種現(xiàn)象稱(chēng)為頻率牽引。

直流偏壓的變化可以引起FET的S參數(shù)和Гin的變化，因而引起振蕩頻率變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)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。

①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。②采用高Q諧振腔。微波振蕩器當(dāng)前第24頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)5、熱穩(wěn)定性→T的變化引起f0和P0的變化

振蕩器的溫度變化可以同時(shí)影響諧振器的諧振頻率和FET的Гin，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，甚至可以使振蕩完全停止。溫度補(bǔ)償電路一般包含在偏置電路中。諧振器也可以按補(bǔ)償振蕩器頻率的變化進(jìn)行設(shè)計(jì)。微波振蕩器當(dāng)前第25頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)6、頻率滯后調(diào)諧漂移7、諧波和假響應(yīng)輸出 可采用濾波器進(jìn)行抑制。

在設(shè)計(jì)良好的振蕩器中，引起頻率滯后調(diào)諧漂移的主要原因是由變?nèi)莨苌系臒岷纳⒁鸬?。微波振蕩器?dāng)前第26頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)§

10.2電路拓?fù)?/p>

1）VCO

共柵電路是實(shí)現(xiàn)VCO的最流行的一種，因?yàn)橹恍栌靡粋€(gè)非常簡(jiǎn)單的反饋電路（一個(gè)電感）就可以在很寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)電導(dǎo)。2）點(diǎn)頻振蕩器 采用共源電路。在這些應(yīng)用中，一般是使用介質(zhì)諧振器的固定頻率振蕩器。介質(zhì)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DSGL地當(dāng)前第27頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)DR是一個(gè)具有高介電常數(shù)的軟磁體，電磁均被封閉在其內(nèi)部及周?chē)刃щ娐窞橹C振電路，特點(diǎn)是低損耗，高空載Q，低溫度參數(shù)及高介電常數(shù)（30~40）。微波振蕩器當(dāng)前第28頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第29頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第30頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)§

12.2VCO機(jī)械調(diào)諧變?nèi)荻O管調(diào)諧偏置調(diào)諧YIG調(diào)諧VCO的特點(diǎn)：

輸出功率穩(wěn)定

調(diào)諧范圍寬調(diào)諧速度快微波振蕩器當(dāng)前第31頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第32頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第33頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第34頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第35頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第36頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)例耿氏管：RD=10，CD=1pF，LP=1nH

變?nèi)荻O管：Cj(0)=1pF，Vbi=1V微波振蕩器當(dāng)前第37頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)

∵RD＞Rc

∴滿足振蕩條件

∴微波振蕩器當(dāng)前第38頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)當(dāng)V=O時(shí) 當(dāng)V=10時(shí)微波振蕩器當(dāng)前第39頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)例2V-band(60GHz)微帶GunnVCO微波振蕩器當(dāng)前第40頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第41頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)微波振蕩器當(dāng)前第42頁(yè)\共有45頁(yè)\編于星期三\12點(diǎn)X波段PHEMT管VCO的設(shè)計(jì)實(shí)例中心頻率為9.1GHz，調(diào)諧帶寬>200MHz，輸出功率