微波毫米波振蕩器培訓(xùn)

微波/毫米波振蕩器北京理工大學(xué)電子工程系孫厚軍微波/毫米波振蕩器一、微波/毫米波振蕩器件二、微波/毫米波振蕩器的基本原理三、DRO振蕩器的原理與設(shè)計四、毫米波振蕩器五、微波/毫米波鎖相源一、微波/毫米波振蕩器件單端口器件IMPATTGDIODEGUNNDIODE雙端口器件BJT雙極晶體管FET場效應(yīng)晶體管1.1 微波雙極晶體管因有兩種載流子參與導(dǎo)電,故稱雙極晶體管截止工作頻率fT,而取決于發(fā)射極和集電極之間的渡越時間

ec。

ec=

e+

c+

b+

d其中

e為發(fā)射結(jié)的充電時間

c為集電結(jié)的充電時間

b為基區(qū)渡越電時間

d為集電結(jié)渡越電時間微波雙極晶體管的模型(1)管芯等效電路R’E----發(fā)射極擴(kuò)展電阻R’s----集電極擴(kuò)展電阻RE----發(fā)射極空間電荷電阻CE----發(fā)射極--基極結(jié)電容CC------集電極--基極結(jié)電容CCE----集電極--發(fā)射極結(jié)電容Rb------基極擴(kuò)展電阻

-----零頻共基極電流放大倍數(shù)微波雙極晶體管的模型(2)封裝等效電路C1,C2,C3,C4----各封裝接點之間的電容C5------------------輸入和輸出端之間的電容L1,L4-------------參考面與封裝邊緣之間的引線電感L2,L3-------------封裝邊緣與金屬絲接點之間的引線電感L5-----------------芯片與發(fā)射極端子的金絲電感微波場效應(yīng)晶體管是由GaAs材料制成。具有肖特基勢壘柵的場效應(yīng)管通常稱為MSFET最高振蕩頻率可達(dá)60GHz。1.2

微波場效應(yīng)管FET微波場效應(yīng)管FET等效電路gm0----器件的跨導(dǎo)Gd-----輸出電導(dǎo)Cgs

-----柵、源極之間的電容Cds

-----漏、柵極反饋電容Ri

----未耗盡溝道電阻Rd

，Rs，Rg

金屬層接觸電阻與半導(dǎo)體體電阻Csd

-----源、漏極之間的電容1.3

體效應(yīng)二極管GunnN型GaAs轉(zhuǎn)移電子器件結(jié)構(gòu)示意圖轉(zhuǎn)移電子器件為無結(jié)器件，它是由一段兩端為歐姆接觸的均勻攙雜的N型GaAs半導(dǎo)體構(gòu)成的依靠電子從低能谷到高能谷轉(zhuǎn)移所產(chǎn)生的負(fù)的微分遷移率實現(xiàn)微波振蕩，工作頻率可以達(dá)到100GHz以上。1.3

雪崩渡越時間二極管IMPATTIMATTGaAs器件的結(jié)構(gòu)示意圖雪崩二極管或崩越二極管是利用雪崩倍增效應(yīng)和渡越時間效應(yīng)相結(jié)合而產(chǎn)生負(fù)阻特性的器件 雪崩渡越現(xiàn)象當(dāng)外加反向電壓足夠大時，N區(qū)或P區(qū)的電場強(qiáng)度超過雪崩值，N區(qū)或P區(qū)便產(chǎn)生雪崩倍增現(xiàn)象雪崩產(chǎn)生的空穴和電子向相反方向運(yùn)動，空穴很快通過P+區(qū)而消失，電子注入到I區(qū)，I區(qū)有一定的寬度，因而需一定的渡越時間。電子在I層漂移，在外電路產(chǎn)生感應(yīng)電流二、微波/毫米波振蕩器的基本原理單端口負(fù)阻振蕩器雙端口負(fù)阻振蕩器起振條件平衡條件振蕩條件平衡條件穩(wěn)定條件

1、單端口負(fù)阻振蕩器單端口負(fù)阻振蕩器串聯(lián)型振蕩電路-Rd是負(fù)阻振蕩器的小信號電阻R表示諧振回路電阻和負(fù)載電阻L、C表示小信號電抗元件起振條件串聯(lián)諧振回路的微分電流方程為回路電流為式中即即i為衰減振蕩i為增幅振蕩即i為等幅振蕩起振條件為平衡條件(1)負(fù)阻振蕩器的一般等效電路-Zd(I)=-Rd(I)+jXd(I)，為頻率的慢變化函數(shù)， 故可不考慮頻率的影響Z(

)=R(

)+jX(

)，為由器件向諧振回路看去的總阻抗RL為負(fù)載電阻平衡條件(2)穩(wěn)態(tài)振蕩時，器件上電壓vd(t)，諧波分量電路兩端的電壓v(t)，諧波分量根據(jù)基爾霍夫的電壓定律平衡條件(3)從而可以得到振蕩器的平衡條件為振幅平衡條件為振幅平衡條件結(jié)論在穩(wěn)定振蕩時，器件的負(fù)阻值必須和電路的電阻值相等；器件電抗和電路電抗數(shù)值相等，但符號相反，即回路的總阻抗為零。工作點的穩(wěn)定條件(1)工作點的穩(wěn)定性是指，負(fù)阻振蕩器受到外界條件的變化時，工作點是否能保持穩(wěn)定。若振蕩器工作(

0,I0)，產(chǎn)生一個微小的增量I，則當(dāng)I隨時間增長，該工作點為不穩(wěn)定工作點；若

I隨時間衰減，則該工作點為穩(wěn)定工作點。工作點的穩(wěn)定條件(2)經(jīng)推導(dǎo)，工作點的穩(wěn)定工作條件為：S為器件負(fù)阻的飽和系數(shù)，為器件電抗的飽和系數(shù)工作點的穩(wěn)定條件(3)穩(wěn)定的圖示判別將器件與電路的阻抗軌跡畫在圖上，兩軌跡的交點即為工作點。過交點做一水平軸，該軸的負(fù)向與Zd(I)在交點的切線的夾角為

，與Z(

)在交點的切線的夾角為

，若

+<180，則該工作點為穩(wěn)定工作點，否則為不穩(wěn)定工作點。2、雙端口負(fù)阻振蕩器微波晶體管為三端口器件，但使用時一般為二端口器件微波場效應(yīng)體管的三種工作組態(tài)(a)(b)(c)(a)為共源組態(tài)，(b)為共柵組態(tài)(c)為共漏組態(tài)晶體管的[S]參數(shù)(1)小信號的S參數(shù)表示為S參數(shù)的獲取廠家提供利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試一般情況下的場效應(yīng)管的S參數(shù)為共源組態(tài)下的，而雙極管為共極組態(tài)的S參數(shù)。通過二端口與三端口之間的轉(zhuǎn)換得到其它工作組態(tài)下的S參數(shù)。晶體管的[S]參數(shù)(2)三端口的不定S矩陣1,2,3分別表示FET的柵極、漏極和源極晶體管的[S]參數(shù)(3)三端口的不定S參數(shù)如下晶體管的[S]參數(shù)(4)由不定S參數(shù)可求得其它組態(tài)下的二端口S參數(shù)共漏極的S參數(shù)共柵極的S參數(shù)雙端口負(fù)阻振蕩器的組成雙端口負(fù)阻振蕩器的組成示意雙端口負(fù)阻振蕩器包含晶體三極管、諧振回路和輸出網(wǎng)絡(luò)三部分組成。雙端口負(fù)阻振蕩器的起振條件由與可得雙端口網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射系數(shù)對振蕩器來講，要產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)工作于正反饋起振條件為穩(wěn)定判別圓(1)雙口網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定條件為為不穩(wěn)定條件，存在負(fù)阻，為振蕩條件為網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定與不穩(wěn)定的邊界條件將帶入穩(wěn)定判別圓(2)將上式兩邊平方，整理后得到其中圓心半徑穩(wěn)定判別圓(3)負(fù)阻振蕩器的參數(shù)優(yōu)化(1)1、串聯(lián)反饋一般情況下串聯(lián)反饋采用感性負(fù)阻振蕩器的參數(shù)優(yōu)化(2)3、串、并聯(lián)反饋負(fù)阻振蕩器的參數(shù)優(yōu)化(3)2、并聯(lián)反饋一般情況下并聯(lián)反饋采用容性振蕩器的調(diào)諧回路調(diào)諧回路一般采用純電抗元件構(gòu)成調(diào)諧回路的分布參數(shù)實現(xiàn)三、DRO振蕩器的原理與設(shè)計一、DRO的優(yōu)點二、微波/毫米波振蕩器的基本原理三、DRO振蕩器的原理與設(shè)計四、毫米波振蕩器五、微波/毫米波鎖相源DRO的結(jié)構(gòu)示意圖DRO的特點體積小重量輕Q值高結(jié)構(gòu)簡單相噪低頻率穩(wěn)定度高價格便宜DRO對DR的要求DR的性能取決所用的介質(zhì)材料，常用的介質(zhì)材料有Ba2Ti9O20、BaTi4O9DR的介質(zhì)材料的幾個主要指標(biāo)品質(zhì)因數(shù)Q溫度系數(shù)

f介電常數(shù)幾種DR材料材料介電常數(shù)品質(zhì)因數(shù)溫度系數(shù)振蕩頻率10000@4GHz10000@4GHz10000@10GHz25000@10GHz40383025Ba2Ti9O20

(Zr-Sn)TiO4Ba(0.33Zn0.67Ta)O2Ba(0.33Mg0.67Ta)O2+2ppm-2To10ppm0To10ppm4ppm1-100GHz1-100GHz4-100GHz4-100GHzDR的諧振模式DR一般采用圓柱形式DR介質(zhì)圓柱內(nèi)的最低模式是TE01

該模式場分量只有Hz、Hr、E

分量DR的諧振頻率的估算D為DR的半徑，單位為mmL為DR的長度，單位為mm為介質(zhì)的介電常數(shù)公式的使用條件諧振頻率隨介質(zhì)長度變化的關(guān)系DR的機(jī)械調(diào)諧金屬圓盤調(diào)諧介質(zhì)桿調(diào)諧耦合諧振器調(diào)諧DR的諧振頻率隨機(jī)械調(diào)諧變化曲線DR的耦合與激勵(1)有三種耦合方式：加載型、反射型、傳輸型DR的耦合與激勵(2)反射型耦合DR的耦合與激勵(3)傳輸型耦合DR的耦合與激勵(4)DR的耦合與激勵(5)DRO的設(shè)計舉例(1)振蕩器的一般設(shè)計步驟根據(jù)振蕩頻率和輸出功率的要求選取適當(dāng)?shù)木w管或FET

選取振蕩器的電路結(jié)構(gòu)

在工作頻率下計算k值，若不滿足k<1的條件，應(yīng)增加反饋元件，使k<1

設(shè)計諧振回路和匹配回路

設(shè)計偏置電路

DRO的設(shè)計舉例(2)設(shè)計舉例設(shè)計一個工作頻率為f0=9GHz的DRO振蕩器已知微波晶體管的參數(shù)如下:Z0=50ohm，TA=25

，Vce=5V，Ice=30mA，f=9GHz時的源極接地的S參數(shù)如下：S11=0.48174，S12=0.08028S21=2.2118，S22=0.67-87DRO的設(shè)計舉例(3)選擇合適的電路形式先假定采用共發(fā)電路形式由得穩(wěn)定系數(shù)k>1.045，不滿足起振條件，需采取反饋措施，如下圖所示。DRO的設(shè)計舉例(4)為了便于分析，將S參數(shù)轉(zhuǎn)換為Z參數(shù)DRO的設(shè)計舉例(5)等效電路為DRO的設(shè)計舉例(6)式中，DRO的設(shè)計舉例(7)為保證輸出功率最大和滿足振蕩條件由上式算出DRO的設(shè)計舉例(8)采用共發(fā)電路需增加一段微帶線作為反饋線從電路實現(xiàn)的難易程度來講，共發(fā)電路不太容易起振，且效率較低，而共集或共基電路較容易起振，且相對效率較高，我們選用共集電路。根據(jù)晶體管三口S參數(shù)與二端口S參數(shù)的關(guān)系DRO的設(shè)計舉例(9)電路設(shè)計及原理圖為便于設(shè)計，將S參數(shù)轉(zhuǎn)換為Z參數(shù)[Z]c為參數(shù)的等效電路模型DRO的設(shè)計舉例(10)由等效電路可導(dǎo)出DRO的設(shè)計舉例(11)設(shè)電路形式如下DRO的設(shè)計舉例(12)用MMICCAD軟件可根據(jù)DR材料、尺寸等計算出f=9GHz時的一系列參數(shù)DR參數(shù)Dr0.265inLr0.107in

r30.0D00.795inDr0.104inDRO的設(shè)計舉例(13)有載QL=3379無載QU=9244=QU/QL=1.74d=7.24mm一般情況下，L1取值為

g/4或g/2，若L1取值為

g/4，則對應(yīng)的電長度為=/2。DRO的設(shè)計舉例(14)DRO的設(shè)計舉例(15)輸出匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計Zout是從負(fù)載向

晶體管輸出端看去的阻抗Z2是從晶體管向負(fù)載看去的阻抗根據(jù)振蕩平衡條件Rout+R2=0Xout+X2=0Z2=0.54+j0.782根據(jù)共扼匹配原理,為使功率最大地傳遞到負(fù)載,輸出阻抗應(yīng)為Z2的共扼,且要使負(fù)載的功率最大,輸出負(fù)載的電阻部分應(yīng)為Z2的1/3所以最終輸出阻抗為0.18-j0.782高頻率穩(wěn)定度的微波/毫米波信號的產(chǎn)生(1)途徑一高頻率穩(wěn)定度的微波/毫米波信號的產(chǎn)生(2)途徑二高頻率穩(wěn)定度的微波/毫米波信號的產(chǎn)生(3)途徑三高頻率穩(wěn)定度的微波/毫米波信號的產(chǎn)生(4)途徑四高頻率穩(wěn)定度的微波/毫米波信號的產(chǎn)生(5)途徑五倍頻/分頻與相位噪聲的關(guān)系倍頻N次后相位噪聲惡化20logN分頻N次后相位噪聲改善20logN因此，諧波取樣鎖相的相位噪聲性能要優(yōu)于PLL的相位噪聲性能。PLL的設(shè)計(1)鎖相環(huán)路的相位噪聲模型相位噪聲的主要來源參考源VCO電源PLL的設(shè)計(2)設(shè)

i、

n、

nv分別為參考源信號、白噪聲及壓控振蕩器本身的相位噪聲，則有PLL的設(shè)計(3)整理后得PLL的設(shè)計(4)若采用有源濾波器構(gòu)成理想的二級環(huán)，其電壓傳遞函數(shù)為設(shè)則，可改寫為PLL的設(shè)計(5)PLL的設(shè)計(6)環(huán)路的相位噪聲特點環(huán)路對輸入的基準(zhǔn)參考源的相位噪聲呈低通特性環(huán)路對壓控振蕩器的輸入相位噪聲呈高通特性fm<

n/2

時，相位噪聲的貢獻(xiàn)主要來源于基準(zhǔn)參考源的相位噪聲,最大增益為20logNdBfm>

n/2

時，相位噪聲的貢獻(xiàn)主要來源于VCO的相位噪聲fm=

n/2

時，相位噪聲取決于二者的綜合作用PLL的設(shè)計(7)若采用如下圖所示的有源電路，則PLL的設(shè)計(8)白噪聲的貢獻(xiàn)呈低通特性，環(huán)路的等效噪聲帶寬為在有源比例積分濾波器的二階環(huán)中等效噪聲帶寬為當(dāng)

=0.5時，BL有最小值。PLL的設(shè)計(9)環(huán)路的快捕時間與環(huán)路帶寬的關(guān)系環(huán)路的快捕時間受起始相差影響較大，其最快時間可近似表示為從相位噪聲抑制的角度選取環(huán)路噪聲帶寬時，BL有越小越好，但實際上和取值還與環(huán)路的捕獲特性有關(guān)，要在環(huán)路的相位噪聲抑制和環(huán)路的跳頻時間這兩個方面進(jìn)行相互折衷，以得到令人滿意的PLL性能。PLL的設(shè)計(10)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計步驟1首先根據(jù)對PLL系統(tǒng)輸出頻率的要求，確定合適頻率的參考晶振和鑒相頻率，根據(jù)參考晶振的相噪譜得到分頻R次后的鑒相頻率的相噪譜，將參考晶振分頻R次后相噪改善為20logR。PLL的設(shè)計(11)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計步驟2由鑒相基準(zhǔn)的相位噪聲，得到倍頻N次后的相噪特性，N為環(huán)路的分頻比，將鑒相基準(zhǔn)倍頻N次后，相位噪聲將惡化20logNPLL的設(shè)計(12)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計步驟3將VCO的相噪譜和鑒相基準(zhǔn)倍頻N次后的相噪譜做在同一張圖上，選取兩譜線相交處所對應(yīng)的調(diào)制頻率最為環(huán)路的自然諧振頻率fn，自然諧振角頻率為

n，則環(huán)路具有最佳的噪聲性能。PLL的設(shè)計(12)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計步驟4根據(jù)確定環(huán)路的快捕時間，一般情況下可取阻尼系數(shù)。若得到TLmax滿足系統(tǒng)跳頻時間的要求，則PLL會有較好的相噪性能；若TLmax不滿足系統(tǒng)跳頻時間的要求，則要由來確定環(huán)路的自然諧振角頻率。PLL的設(shè)計(13)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計步驟5由

n和

確定環(huán)路參數(shù)。由和確定、PLL的設(shè)計(14)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計步驟6(1)環(huán)路濾波器是獲取鑒相誤差信號中的直流成分，這一過程是線性的，但環(huán)路中高頻率、大幅度的干擾信號將引起環(huán)路濾波器的運(yùn)算放大器產(chǎn)生非線性，導(dǎo)致運(yùn)放的增益帶寬積下降，可能破壞PLL的正常工作，所以應(yīng)在實際的環(huán)路濾波器前加一個預(yù)濾波環(huán)節(jié)，以抑制高頻率、大幅度的干擾信號。一般可加一個預(yù)濾波電容CC。PLL的設(shè)計(15)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計步驟6(2)濾波電容CC的加入會產(chǎn)生一個新的極點，其位置在

C=4/R1CC。新極點的會引起環(huán)路相位裕量減小，導(dǎo)致環(huán)路的不穩(wěn)定，一般情況下要求該極點應(yīng)足夠遠(yuǎn)，以減少對環(huán)路參數(shù)的影響，要求

C>

n

。PLL的設(shè)計(16)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計步驟7(1)在環(huán)路濾波環(huán)節(jié)中，還應(yīng)加入一個鑒相頻率抑制濾波器，以進(jìn)一步抑制鑒相頻率的各次諧波引起的雜散。該濾波器為LC低通濾波器。PLL的設(shè)計(17)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計步驟7(2)電壓傳遞函數(shù)為DDS(1)ADVANTAGESOFTHEDDS(1)Micro-Hertztuningresolutionoftheoutputfrequencyandsub-degreephasetuningcapability,allundercompletedigitalcontrol.Extremelyfasthoppingspeedintuningoutputfrequenc