雷達(dá)射頻微波器件及電路 課件 第4章 固態(tài)振蕩器及頻率合成器

第4章固態(tài)振蕩器及頻率合成器4.1概述4.2固態(tài)振蕩器4.3頻率合成器小結(jié)

4.1

概

述

微波振蕩器是用來產(chǎn)生微波電磁信號(hào)的。微波振蕩器可以分為電真空振蕩器和固態(tài)振蕩器。電真空振蕩器具有高功率、高可靠性、抗核輻射能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但也具有輔助設(shè)備龐大、重量大、成本高等缺點(diǎn)。

固態(tài)振蕩器又可以分為兩類：

一是二極管負(fù)阻振蕩器，包括雪崩管振蕩器、體效應(yīng)管振蕩器等；

二是晶體三極管振蕩器，包括雙極晶體管振蕩器、場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器等。固態(tài)振蕩器具有功耗低、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但也具有功率小、可靠性低、抗核輻射性能弱的缺點(diǎn)。

隨著科技的進(jìn)步，固態(tài)振蕩器得到了極大的發(fā)展，也逐漸克服了一些缺點(diǎn)、弱點(diǎn)。

4.2

固

態(tài)

振

蕩

器

4.2.1

振蕩器的主要指標(biāo)1.

工作頻率工作頻率是指振蕩器的標(biāo)稱頻率，是振蕩器最重要的指標(biāo)之一。

2.

頻率準(zhǔn)確度

振蕩器實(shí)際輸出的振蕩信號(hào)頻率總是和標(biāo)稱工作頻率有差異，這種差異和工作頻率的比值就是頻率準(zhǔn)確度，即

式中

f1為振蕩器實(shí)際輸出信號(hào)頻率，f0為振蕩器標(biāo)稱工作頻率。

3.

頻率精度

頻率精度有絕對(duì)精度和相對(duì)精度之分。頻率絕對(duì)精度就是指振蕩器實(shí)際輸出信號(hào)的頻率(f1

)與標(biāo)稱工作頻率(f0

)的差異，單位就是頻率的單位，一般用

Hz、kHz、MHz

等。頻率絕對(duì)精度計(jì)算公式如下：

頻率相對(duì)精度的定義與頻率準(zhǔn)確度的定義相同。

4.

頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度是指振蕩器在各種環(huán)境因素、電路因素、元件因素等影響下實(shí)際輸出信號(hào)頻率的穩(wěn)定情況，常用頻率精度來描述。

影響振蕩器輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定的因素包括：

環(huán)境溫度、振蕩器內(nèi)部噪聲、元件老化、機(jī)械振動(dòng)、電源紋波等。

頻率穩(wěn)定度分為長期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度和瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度三種。長期頻率穩(wěn)定度主要由器件、電路的老化特性等長期因素決定；

短期頻率穩(wěn)定度主要由環(huán)境溫度變化、電壓變化、電路參數(shù)不穩(wěn)定等相對(duì)短暫因素決定；

瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度主要由振蕩器內(nèi)部噪聲決定。

5.

相位噪聲

振蕩器輸出信號(hào)頻率不穩(wěn)定，會(huì)造成輸出信號(hào)的時(shí)域抖動(dòng)，使信號(hào)的頻譜不再是一個(gè)特定頻率的譜線，時(shí)域抖動(dòng)使譜線的下端變寬。所有實(shí)際應(yīng)用的信號(hào)源都存在著不穩(wěn)定性，即存在信號(hào)幅度、頻率或相位起伏。通常將這些無用的頻率或相位的起伏描述為相位噪聲。

相位噪聲的存在引起射頻/微波載波頻譜的擴(kuò)展，其范圍可以從偏離載波小于

1

Hz

一直延伸到數(shù)十

MHz。圖

4-1

給出了一個(gè)典型的信號(hào)頻譜。圖中離散(確定的)是指信號(hào)中的確定頻率，說明信號(hào)源不純凈，不是單頻率信號(hào)。圖中隨機(jī)(連續(xù)的)是指信號(hào)源頻率不穩(wěn)定所形成的相位噪聲。

圖

4-1

典型的信號(hào)頻譜

相位噪聲是指在相對(duì)于載波某一頻偏處，相對(duì)于載波電平的歸一化

1

Hz

帶寬的功率譜密度，單位為

dBc/Hz。定量描述相位噪聲的公式如下：

圖

4-2

給出了相位噪聲的示意圖。

圖

4-2

相位噪聲示意圖

6.

調(diào)諧范圍

調(diào)諧范圍是指振蕩器的輸出信號(hào)頻率的調(diào)整范圍。調(diào)諧方法有機(jī)械式調(diào)諧、電調(diào)諧兩類。電調(diào)諧一般采用變?nèi)莨芑?/p>

YIG

小球調(diào)諧。

7.

調(diào)諧線性度

調(diào)諧線性度是指電調(diào)諧過程中輸出信號(hào)頻率隨電調(diào)參數(shù)的變化量。如采用變?nèi)莨苷{(diào)諧時(shí)，調(diào)諧線性度是指單位調(diào)諧電壓輸出信號(hào)頻率的變化量，單位為

MHz/V。采用

YIG

小球調(diào)諧時(shí)，調(diào)諧線性度是指單位調(diào)諧電流輸出信號(hào)頻率的變化量，單位為

MHz/mA。

8.

調(diào)諧速度

調(diào)諧速度是指調(diào)諧時(shí)單位時(shí)間內(nèi)振蕩器輸出信號(hào)頻率的變化量，單位為

MHz/s

或GHz/s。

9.

其他指標(biāo)

振蕩器除以上一些指標(biāo)外，還有其他一些指標(biāo)，如供電電源、結(jié)構(gòu)尺寸、重量、工作環(huán)境、輸出形式等。

4.2.2

固態(tài)振蕩器的結(jié)構(gòu)及原理

1.

微波二極管負(fù)阻振蕩器

1)

負(fù)阻特性

電阻消耗功率，在電流不變的情況下，電阻越大，消耗的功率就越大。如果有負(fù)電阻，那么負(fù)電阻不僅不消耗功率，而且會(huì)產(chǎn)生功率。負(fù)阻振蕩器就是利用這個(gè)原理制成的。這里所說的負(fù)阻并不是電壓與電流的比值為負(fù)值。正電阻一定時(shí)，電壓隨電流線性變化，隨電流的增大而增大，直線的斜率與電阻值的大小直接相關(guān)，如圖

4-3

所示。

圖

4-3

正電阻的伏安特性

而負(fù)電阻的伏安特性是電壓隨電流的增大而減小，如圖

4-4

所示的

AB

段。負(fù)阻特性是一種動(dòng)態(tài)電阻特性，表示電壓和電流的變化關(guān)系相反。在圖

4-4

中，OA

段為正電阻的伏安特性，AB段為負(fù)電阻的伏安特性，AB

段的斜率為負(fù)值。

圖

4-4

負(fù)電阻的伏安特性

2)

負(fù)阻振蕩器的工作原理

負(fù)阻振蕩器的電路形式有兩種，一種是并聯(lián)型，另一種是串聯(lián)型，如圖

4-5

所示。圖中－Gd表示負(fù)電導(dǎo)，－Rd表示負(fù)電阻。負(fù)阻振蕩器的振蕩條件就是回路消耗的功率要小于回路產(chǎn)生的功率。

圖

4-5

負(fù)阻振蕩器電路

并聯(lián)型和串聯(lián)型負(fù)阻振蕩器的起振條件分別為

振蕩回路能夠穩(wěn)定輸出射頻/微波振蕩信號(hào)，必須滿足平衡條件，即回路消耗的功率等于回路產(chǎn)生的功率。

并聯(lián)型和串聯(lián)型負(fù)阻振蕩器的平衡條件分別為

平衡有兩種，一種叫作不穩(wěn)定平衡，如雜技演員表演刀尖上的平衡、平衡大師表演的平衡術(shù)等，都屬于不穩(wěn)定平衡。只要外界施加一點(diǎn)作用力，使之脫離平衡點(diǎn)，平衡系統(tǒng)就會(huì)坍塌。另一種平衡叫作穩(wěn)定平衡，如置于碗中的小球，當(dāng)外界施加一點(diǎn)作用力使之偏離平衡點(diǎn)后，系統(tǒng)本身就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)將其拉向平衡位置的力，使之回到之前的平衡位置，使平衡狀態(tài)得以保持，如圖

4-6

所示。

圖

4-6

碗中的小球

阻抗隨頻率變化的曲線稱為阻抗線

Ｚ(ω)，阻抗隨電流變化的曲線稱為器件線

Ｚd(I)，如圖

4-7

所示。圖中器件線

Ｚd(I)與水平線的夾角記為

θ，阻抗線

Ｚ(ω)與水平線的夾角記為

α。從式(4-8)可以看出，平衡點(diǎn)就是器件線與阻抗線的交點(diǎn)(I0

，ω0

)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的激勵(lì)電流為

I0

，對(duì)應(yīng)的頻率為

ω0

哪些點(diǎn)是穩(wěn)定平衡點(diǎn)，哪些點(diǎn)是不穩(wěn)定平衡點(diǎn)呢？

穩(wěn)定平衡條件即在交點(diǎn)處從器件線順時(shí)針轉(zhuǎn)到阻抗線，所轉(zhuǎn)過的角度要小于

180°，這樣的交點(diǎn)就是穩(wěn)定平衡點(diǎn)。

穩(wěn)定平衡點(diǎn)要滿足的條件為

圖

4-7

器件線與激勵(lì)線

3)

雪崩渡越時(shí)間二極管

碰撞雪崩渡越時(shí)間二極管簡稱雪崩二極管，其結(jié)構(gòu)形式較多，最常用的是

P+NN+型和N+PP+型。當(dāng)外加電壓增加到某一數(shù)值時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度超過了擊穿場(chǎng)強(qiáng)，產(chǎn)生雪崩擊穿效應(yīng)。雪崩效應(yīng)不是在整個(gè)二極管內(nèi)同時(shí)爆發(fā)，而是在

N+重?fù)诫s區(qū)，即正極附近，場(chǎng)強(qiáng)先達(dá)到臨界值，首先發(fā)生雪崩效應(yīng)，這時(shí)雪崩區(qū)電阻減小，壓降減小，而臨近雪崩區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)就會(huì)變強(qiáng)，再次達(dá)到雪崩條件，發(fā)生雪崩，依次類推，雪崩區(qū)不斷向負(fù)極擴(kuò)展，直至整個(gè)二極管內(nèi)全部變?yōu)檠┍罓顟B(tài)，變?yōu)榈妥璐箅娏鳡顟B(tài)，這時(shí)電壓下降，雪崩停止。

此時(shí)電子以飽和漂移速度(107cm/s)迅速到達(dá)正極，而空穴以較低的速度向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，空穴運(yùn)動(dòng)到負(fù)極的時(shí)間稱為渡越時(shí)間。當(dāng)空穴都運(yùn)動(dòng)到負(fù)極復(fù)合后二極管回復(fù)到開始的小電流高電阻狀態(tài)，進(jìn)行下一個(gè)輪回，周而復(fù)始，形成射頻/微波振蕩，再用諧振腔或?yàn)V波器濾波輸出，就可以得到射頻/微波信號(hào)。振蕩的周期和二極管的長度以及外加的調(diào)諧濾波電路有關(guān)。雪崩二極管的這種工作特性，在射頻/微波頻段，表現(xiàn)為負(fù)電阻特性。

4)

體效應(yīng)二極管

體效應(yīng)二極管是一種電子轉(zhuǎn)移器件，是一種無結(jié)器件，又稱為耿氏二極管。它是利用砷化鎵等半導(dǎo)體特殊的導(dǎo)帶能谷差異來工作的。電子都運(yùn)行于不同的能級(jí)軌道上，不同的能級(jí)軌道稱為能谷。砷化鎵半導(dǎo)體的導(dǎo)帶內(nèi)有兩個(gè)不同的能谷，一個(gè)是高能谷，一個(gè)是低能谷，二者之間的能量差為

0.36

eV。在室溫狀態(tài)下(T0=

290K)，砷化鎵中的平均電子能量為

0.025

eV，絕大多數(shù)電子處于低能谷中。低能谷中的電子運(yùn)動(dòng)速度快，重量小，稱為輕快電子，高能谷中的電子運(yùn)動(dòng)速度慢，速度為輕快電子的

0.14

倍，重量大，重量為輕快電子的

6

倍，稱為重慢電子。

2.

微波晶體管振蕩器

微波晶體管功率放大器加上反饋回路就可以構(gòu)成微波晶體管振蕩器，其原理電路框圖如圖

4-8

所示。微波晶體管振蕩器可看作自反饋的放大器。圖

4-8

微波晶體管振蕩器原理電路框圖

微波晶體管振蕩器必須有反饋電路，用以維持恒定振蕩。由于共基極電路頻率特性好，因此微波晶體管振蕩器多采用共基極形式。圖

4-9

中給出了三種最常用的共基極振蕩電路形式，分別是考爾畢茲式、哈特萊式、克拉潑式。

圖

4-9

三種共基極振蕩電路

基于微波晶體管的振蕩器，可以采用與微波晶體管放大器類似的分析、設(shè)計(jì)方法，只是平衡條件略有不同。微波晶體管振蕩器的設(shè)計(jì)中采用的平衡條件如下：

其中，ＺL

為負(fù)載阻抗，Ｚd

為器件阻抗。

4.2.3

固態(tài)振蕩器電路

1.

同軸腔振蕩器

機(jī)械調(diào)諧同軸腔負(fù)阻振蕩器由負(fù)阻器件(二極管)和同軸諧振腔、耦合輸出電路等構(gòu)成(見圖

4-10)，同軸諧振腔、耦合輸出電路和負(fù)載一起組成外電路，共同和負(fù)阻器件一起構(gòu)成諧振回路，通過調(diào)諧活塞調(diào)諧諧振回路頻率，從而改變振蕩器輸出信號(hào)的頻率。

圖

4-10

機(jī)械調(diào)諧同軸腔負(fù)阻振蕩器結(jié)構(gòu)圖

2.

微帶振蕩器

圖

4-11

為一常見的體效應(yīng)管微帶振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖，負(fù)阻器件右邊為一段終端開路線(圖中

1)，可以等效為一電感，用來調(diào)整振蕩器輸出信號(hào)頻率。負(fù)阻器件可以采用體效應(yīng)二極管或雪崩二極管。輸出端的隙縫電容起到與其他電路隔離直流的作用。由圖

4-11

可見微帶振蕩器電路的制作簡單，成本低。

圖

4-11

半波長諧振器調(diào)諧的體效應(yīng)管微帶振蕩器結(jié)構(gòu)

3.

波導(dǎo)腔振蕩器

圖

4-12

為波導(dǎo)腔振蕩器結(jié)構(gòu)剖面圖。圖

4-12

波導(dǎo)腔振蕩器結(jié)構(gòu)剖面圖

4.

介質(zhì)振蕩器

圖

4-13

給出了兩種運(yùn)用介質(zhì)諧振器進(jìn)行調(diào)諧的振蕩器。圖

4-13(a)為并聯(lián)反饋的情況，圖

4-13(b)為串聯(lián)反饋的情況。圖中

DR

表示介質(zhì)諧振器，為貼于微帶線旁邊的一個(gè)圓柱形介質(zhì)片，由于靠近微帶線，和微帶線之間形成耦合，用于調(diào)諧振蕩器輸出信號(hào)頻率。

圖

4-13

介質(zhì)諧振器振蕩器

5.

YIG

調(diào)諧振蕩器

圖

4-14

給出了

YIG

小球調(diào)諧振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖和等效原理圖。YIG

是一種單晶鐵氧體材料，俗名為釔鐵石榴石，通常被做成小球形狀，在恒定磁場(chǎng)作用下表現(xiàn)出各向異性特性。如圖

4-14(a)所示，通過掃描電源改變電磁鐵中的電流，從而改變加于

YIG

小球上的恒定磁場(chǎng)，進(jìn)而改變等效的諧振回路參數(shù)，使振蕩器輸出信號(hào)頻率改變。采用這種調(diào)諧方法，可以大范圍改變振蕩器輸出信號(hào)的頻率，可達(dá)幾個(gè)倍頻程。實(shí)驗(yàn)儀器中常采用此方法。

圖

4-14

YIG

小球調(diào)諧振蕩器

6.

變?nèi)荻O管電調(diào)諧的晶體振蕩器

圖

4-15

給出了利用變?nèi)荻O管進(jìn)行電調(diào)諧的晶體管振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖和等效原理圖。圖中變?nèi)荻O管和體效應(yīng)二極管直接用管芯進(jìn)行制作，避免了封裝參數(shù)對(duì)電路的影響，可有效提高振蕩頻率和噪聲性能。

圖

4-15

變?nèi)荻O管串聯(lián)調(diào)諧的晶體管振蕩器

圖

4-16

給出了用變?nèi)荻O管調(diào)諧的同軸腔負(fù)阻振蕩器結(jié)構(gòu)示意圖及其調(diào)諧特性。圖

4-16

變?nèi)荻O管調(diào)諧的同軸腔負(fù)阻振蕩器

4.3

頻

率

合

成

器

將一個(gè)高穩(wěn)定度和高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)經(jīng)過加、減、乘、除的四則算數(shù)運(yùn)算，產(chǎn)生有相同穩(wěn)定度和精確度的大量離散頻率，這就是頻率合成技術(shù)。在現(xiàn)代雷達(dá)接收機(jī)中，本振及相干振蕩器通常是采用具有高穩(wěn)定性和寬頻率范圍的頻率合成器來構(gòu)成的。頻率合成器是全相參雷達(dá)的重要組成部分。

4.3.1

頻率合成器的主要指標(biāo)

1.

頻率范圍

頻率范圍是指頻率合成器輸出信號(hào)頻率的最小值和最大值之間的變化范圍。頻率合成器輸出頻率與頻率控制碼一一對(duì)應(yīng)。

2.

頻率間隔

頻率間隔是指輸出信號(hào)頻率的步進(jìn)長度。

3.

頻道數(shù)

頻道數(shù)是指頻率合成器所能輸出頻點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

4.

頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間

頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指變換不同頻率的時(shí)間間隔，一般是從最低頻率到最高頻率或從最高頻率到最低頻率的變換時(shí)間中最長的時(shí)間。

5.

輸出功率

輸出功率同振蕩器的輸出功率，通常采用

dBm

作為功率單位。對(duì)于較大功率，也可采用

dBW

作為功率單位。

6.

功率波動(dòng)

功率波動(dòng)是指頻率范圍內(nèi)各個(gè)頻點(diǎn)的輸出功率的偏差。

7.

相位噪聲

相位噪聲也是頻率合成器的一個(gè)極為重要的指標(biāo)，和組成頻率合成器的每一部分都息息相關(guān)。

8.

雜散

雜散信號(hào)是由鑒相器、混頻器等非線性器件產(chǎn)生的，雜散是一些離散的、非諧波的干擾信號(hào)。其指標(biāo)定義為：

離散頻譜在頻帶范圍內(nèi)的最大值與信號(hào)幅度之比，一般用

dBc表示。

9.

其他

控制碼：

一般指控制碼的結(jié)構(gòu)關(guān)系和其與輸出頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

電源：

頻率合成器通常需要多組電源。

4.3.2

頻率合成器的種類及基本原理

1.

直接式頻率合成器

直接式頻率合成器是把一個(gè)或幾個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)通過混頻、分頻、倍頻、濾波等進(jìn)行頻率變換、組合，最后可獲得大量的離散頻率，選取所需要的頻率即可。這是早期的一種頻率合成技術(shù)，開始于

20

世紀(jì)

30

年代，屬于第一代頻率合成技術(shù)，廣泛應(yīng)用于全相參的現(xiàn)代雷達(dá)中。

圖

4-17

為典型的直接式頻率合成器原理方框圖，由基準(zhǔn)頻率振蕩器、諧波發(fā)生器、倍頻器、分頻器、上變頻發(fā)射激勵(lì)和控制器等部分組成。其中基準(zhǔn)頻率振蕩器輸出的基準(zhǔn)頻率為

F。在這里，穩(wěn)定本振頻率

fL=N1F；

相參振蕩器頻率

fc=MF；

發(fā)射信號(hào)頻率

fo=

(NiF+MF)，i=

1，2，…，k；

觸發(fā)脈沖頻率

fr=F/n。因?yàn)檫@些頻率均為基準(zhǔn)頻率

F

經(jīng)過倍頻、分頻及混頻器合成而產(chǎn)生的，它們之間有確定的相位關(guān)系，因此是一個(gè)全相參系統(tǒng)。

圖

4-17

典型的直接式頻率合成器原理方框圖

2.

鎖相環(huán)頻率合成器

鎖相環(huán)頻率合成器利用了鎖相環(huán)路實(shí)現(xiàn)頻率合成的技術(shù)。鎖相環(huán)頻率合成器的原理框圖如圖

4-18

所示。圖中

PD

代表鑒相器，LF

代表環(huán)路濾波器，VCO

代表壓控振蕩器。壓控振蕩器的輸出信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)在鑒相器中進(jìn)行相位比