射频与微波微波振荡器的设计.pptx

会计学1射频与微波微波振荡器的设计射频与微波微波振荡器的设计振荡器主要技术指标振荡器主要技术指标振荡器主要技术指标振荡器主要技术指标振荡器的稳定度振荡器的稳定度振荡器的稳定度振荡器的稳定度n n主要有频率准确度，频率稳定度，长期稳定度，短期稳定度和初始漂移。n n1频率准确度n n2频率稳定度n n（1 1）长期频率稳定度）长期频率稳定度n n（2 2）短期频率稳定度）短期频率稳定度n n（3 3）瞬时频率稳定度）瞬时频率稳定度第1页/共64页频率准确度频率准确度第2页/共64页频率稳定度频率稳定度根据所规定的时间间隔的长短不同，频率稳定度又可分为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬时频率稳定度三种。第3页/共64页频率稳定度频率稳定度第4页/共64页频率稳定度频率稳定度第5页/共64页振荡器主要技术指标振荡器主要技术指标振荡器主要技术指标振荡器主要技术指标调频噪声和相位噪声调频噪声和相位噪声调频噪声和相位噪声调频噪声和相位噪声n n频率频率f f0 0，在，在f f0 0附近还包含许多旁频，连续分布在附近还包含许多旁频，连续分布在f f0 0两边。如图两边。如图8-18-1所示，纵坐标是功率，所示，纵坐标是功率，f f0 0处是载波功率（振荡器输出功率）处是载波功率（振荡器输出功率），f f0 0两边的是噪声功率，它同时包含调频噪声功率和调幅噪两边的是噪声功率，它同时包含调频噪声功率和调幅噪声功率。声功率。图8-1 振荡器输出的频谱在振荡器电路中，由于存在各种不确定因素的影响，使振荡频率和振荡幅度随机起伏。振荡频率的随机起伏称为瞬时频率稳定度，频率的瞬变将产生调频噪声、相位噪声和相位抖动。振荡幅度的随机起伏将引起调幅噪声。因此，振荡器在没有外加调制时，输出的频率不仅含振荡第6页/共64页振荡器主要技术指标振荡器主要技术指标振荡器主要技术指标振荡器主要技术指标调频噪声和相位噪声调频噪声和相位噪声调频噪声和相位噪声调频噪声和相位噪声n n1调频噪声n n（1 1）功率表示）功率表示n n（2 2）均方根频偏）均方根频偏n n2相位噪声n n（1 1）相位噪声的定义）相位噪声的定义n n（2 2）相位噪声的表示法）相位噪声的表示法n n相位脉动谱密度相位脉动谱密度n n频率脉动谱密度频率脉动谱密度n n单边带相位噪声谱密度单边带相位噪声谱密度n n3频谱纯度第7页/共64页1.调频噪声调频噪声第8页/共64页1.调频噪声调频噪声第9页/共64页2.相位噪声相位噪声n n（1 1）相位噪声的定义）相位噪声的定义n n图图8-28-2中中的的振振荡荡器器频频谱谱边边带带与与寄寄生生调调幅幅和和寄寄生生调调相相有有关关。由由调调制制理理论论分分析析知知道道，靠靠近近振振荡荡频频率率处处的的噪噪声声边边带带功功率率主主要要是是寄寄生生调调相相引引起起的的，而而寄寄生生调调幅幅分分量量很很小小，可可以以不不考考虑虑。图图8-28-2中中含有两类调相信号。含有两类调相信号。n n第第一一类类：确确定定的的调调相相信信号号。主主要要是是一一些些离离散散信信号号，它它是是由由电电源源频频率率、振振动动频频率率和和交交变变电电磁磁场场产产生生的的干干扰扰，这这些些干干扰扰信信号号在在调调相相噪噪声声谱谱密密度度图图上上是是一一些些可以分开的离散分量。可以分开的离散分量。第二类：随机的调相信号，称为相位噪声。相位噪声谱在很宽的频率范围内是个连续谱。由于测得的噪声电平是检波器带宽的函数，为了使测量结果与检波器带宽无关，相位噪声电平是在1Hz带宽内测量。图8-2 振荡器的调相噪声谱密度第10页/共64页2.相位噪声相位噪声第11页/共64页2.相位噪声相位噪声第12页/共64页3 3频谱纯度频谱纯度n n振荡器的频谱纯度是指振荡频率的不稳所造成的频谱不纯。振荡器的杂散信号越多，相位噪声越大，则频谱纯度越差。振荡器的频谱纯度可以用振荡器输出功率与各寄生频率总电平之比的分贝数表示。第13页/共64页介质谐振器稳频介质谐振器稳频FET振荡器振荡器n n介质稳频FET振荡器是利用微波介质谐振器做为高Q腔对FET振荡器进行稳频的谐振器，通常简称为介质振荡器。它在1GHz到几十GHz频率范围内，可以直接产生所需的振荡频率，而不需倍频，具有体积小、结构简单的特点。n n低损耗介质谐振器材料已有很大进展，介质谐振器Q值已接近金属空腔谐振器，因此，振荡器的相位噪声较低。n n介质谐振器的温度系数很容易控制，可以与FET电路互相补偿，使介质振荡器具有很高的频率稳定度。因此，介质振荡器已被广泛用于各类微波系统中。第14页/共64页1介质谐振器介质谐振器n n（1 1）微微波波介介质质谐谐振振器器材材料料的的物物理理特特性性n n微微波波介介质质谐谐振振器器是是一一种种介介电电常常数数高高、损损耗耗低低的的陶陶瓷瓷材材料料，它它是是含含锌锌、铬铬的的钛钛酸酸盐盐和和锆锆酸酸盐盐的的混混合合陶陶瓷瓷。工工作作在在不不同同频频率率范范围围的的介介质质谐振器谐振器应采用不同材料实现，它大体分成三类，分别用于L、S波段；C波段和X、K波段。介质谐振器的主要参数是相对介电常数r、无载品质因数Q0和谐振频率温度系数f。谐振频率介质谐振器的谐振频率与介质的 成反比，在微波频率低端要求r值比较大，以减小电路尺寸。目前，r在2590范围，如Trans-Tech公司生产的8000系列介质谐振器，r从28到80，频率从UHF波段一直到Ka波段。图8-3 圆柱形金属空腔情况第15页/共64页1介质谐振器介质谐振器第16页/共64页1介质谐振器介质谐振器n n谐振频率温度系数谐振频率温度系数n n改改变变介介质质谐谐振振器器的的材材料料成成分分配配比比，可可以以把把介介质质谐谐振振器器的的谐谐振振频频率率温温度度系系数数 rf rf控控制制在在+20ppm/+20ppm/20ppm/20ppm/范范围围内内任任意意选选定定，误误差差约约为为0.5ppm/0.5ppm/。介介质质谐谐振振器器的的谐谐振振频频率率温温度系数可以按下式计算度系数可以按下式计算n n （ppm/ppm/）（8-168-16）n n式中式中 f f2 2对应于温度为对应于温度为T T2 2时的谐振频率；时的谐振频率；n n f f1 1对应于温度为对应于温度为T T1 1时的谐振频率。时的谐振频率。n n通通常常，介介质质谐谐振振器器参参数数表表上上给给出出的的谐谐振振频频率率温温度度系系数数 rf rf是是指指常常温温（T=20T=20）条条件件下下的的 rf rf值值，而而实实际际电电路路往往往往要要求求在在某某一一温温度度范范围围内内 rf rf接接近近0ppm/0ppm/，rf rf变变化化不不应应太太大大，用用这这种种介介质质谐谐振振器器实实现现的的介介质质振振荡荡器器的的频频率率稳稳定定性性能能就就比比较较好好。目目前前，在在25602560温温度度变变化化范范围围内内，大大多多数数介介质质谐谐振振器器的的 rf rf变变化化只只有有几几个个ppm/ppm/；当当超超出出上上述述温温度度范范围围时时，rf rf的的温温度度特特性性变变得得很很坏坏，rf rf的变化量可能大到几百的变化量可能大到几百ppm/ppm/。第17页/共64页1介质谐振器介质谐振器n n谐振频率温度系数谐振频率温度系数n n图图8-48-4是是Trans-TechTrans-Tech公公司司的的80008000系系列列 rf rf对对温温度度的的变变化化关关系系；图图8-58-5是是日日本本村村田田制制作作所所产产品品的的 rf rf对对温温度度的的变变化化关关系系。由由图图8-48-4看看出出，不不同同型型号号产产品品的的 rf rf的的温温度度特特性性是不一样的，其中是不一样的，其中85158515型号型号 rf rf的温度特性最好。的温度特性最好。n n图图8-4 8-4 rf rf的温度特性的温度特性图图8-5 8-5 rf rf的温度特性的温度特性n n（Trans-Tech Inc8000Trans-Tech Inc8000系列）系列）（日本村田制作所）（日本村田制作所）第18页/共64页1介质谐振器介质谐振器n n无载品质因数Qn n介质谐振器的无载品质因数Q0与介质损耗及环境损耗有关。Q0值是储能与周期耗散能之比值，具体计算可以用下式表示n n（8-17）n n式中含义如图8-6所示。图8-6 介质谐振器品质因数的确定第19页/共64页1介质谐振器介质谐振器n n图图8-78-7是是QQ0 0的的温温度度特特性性，QQ0 0值值随随温温度度升升高高而而下下降降。图图8-88-8是是QQ0 0的的频频率率特特性性，QQ0 0值值随随频频率率升升高高而而下下降降，且且QQ0 0与与f f之之积积为为一一常常数数，其其值值随随不不同同材材料料而而不不同同。在在电电路路设设计计时时，希希望望品品质质因因数数QQ0 0尽可能大，用于稳定振荡器频率的尽可能大，用于稳定振荡器频率的QQ0 0值应大于值应大于30003000。n n图图8-7 Q8-7 Q0 0的温度特性的温度特性图图8-8 8-8 QQ0 0的频率特性的频率特性n n由由于于低低损损耗耗材材料料的的改改进进，介介质质谐谐振振器器的的无无载载QQ0 0值值不不断断提提高高，通通常常10GHz10GHz的的无无载载QQ0 0值值约约为为1000010000，近近年年报报导导可可达达2000020000，该该值值已已接接近近抛抛光光金金属属空空腔腔。原原理理上上，由由于于介介质质谐谐振振器器没没有有金金属属损耗，其无载损耗，其无载QQ0 0值还有可能提高。值还有可能提高。第20页/共64页1介质谐振器介质谐振器第21页/共64页1介质谐振器介质谐振器n n（2）圆柱形介质谐振器的工作模式n n图8-9是圆柱形介质谐振器主模TE01场分布，图中实线为电力线，虚线为磁力线。图8-9 圆柱形介质谐振器主模TE01场分布第22页/共64页1介质谐振器介质谐振器n n圆圆柱柱形形介介质质谐谐振振器器工工作作在在TETE0101 主主模模时时，它它与与微微带带线线之之间间的的耦耦合合是是通通过过磁磁场场实实现现的的，如如图图8-8-1010所所示示。微微带带线线与与介介质质谐谐振振器器之之间间的的距距离离越越小小，耦耦合合就就越越紧紧，介介质质谐谐振振器器的的有有载载品品质质因因数数降降低低越越多多，可可能能低低于于10001000。图8-10 介质谐振器（TE01模）与微带线耦合结构（3）介质谐振器与微带线的耦合第23页/共64页2 2介质稳频介质稳频FETFET振荡器电路振荡器电路n n介介质质稳稳频频振振荡荡器器的的有有源源器器件件可可以以用用FETFET，也也可可以以是是BJTBJT，但但从从电电路路结结构构和和设设计计方方法法这这两两方方面面看看，介介质质稳稳频频FETFET振振荡荡器器与与介介质质稳稳频频BJTBJT振振荡荡器器没没有有什什么么区区别别，故故这这里里仅仅讨讨论论介介质质稳稳频频FETFET振荡器。振荡器。n n介介质质稳稳频频FETFET振振荡荡器器电电路路有有共共栅栅极极、共共漏漏极极及及共共源源极极三三种种振振荡电路形式。荡电路形式。n n高高QQ介介质质腔腔可可以以作作为为振振荡荡电电路路中中的的一一个个元元件件，也也可可以以作作为为反反馈馈电电路路元元件件和和振振荡荡电电路路负负载载的的一一部部分分，使使振振荡荡器器在在050050温温度度范范围围内内，频频率率稳稳定定度度达达到到101055量量级级。它它比比倍倍频频锁锁相相式式振振荡荡器器或或分分频频锁锁相相式式振振荡荡器器的的频频率率稳稳定定度度略略低低，但但可可以以满满足足大大多多数数微微波波系系统统的的要要求求。它它具具有有体体积积小小、电电路路不不复复杂杂、功功耗耗低低、可靠性高和没有低于主振频率的分谐波干扰等优点。可靠性高和没有低于主振频率的分谐波干扰等优点。第24页/共64页2 2介质稳频介质稳频FETFET振荡器电路振荡器电路n n介质稳频振荡器电路形式有以下三种形式。介质稳频振荡器电路形式有以下三种形式。n n（1 1）输出反射式）输出反射式图8-14 输出反射式介质稳频振荡器（a）振荡器电路；（b）等效电路。图8-14是输出反射式介质稳频振荡器电路示意图。其中，FET的栅极接一段小于g/4开路微带线，等效在栅极接一个电容Cg，漏栅极之间接正反馈电容Cgd，使FET电路构成自激振荡器；而在输出微带线附近耦合一个高Q介质谐振器，它作负载的一部分，一方面提高了振荡器电路Q值，另一方面由于它是一个耦合电路，因而存在频率牵引及频率调谐的回滞现象。有关回滞现象将在下节详述。第25页/共64页2 2介质稳频介质稳频FETFET振荡器电路振荡器电路n n（2 2）环路反馈式）环路反馈式n n图图8-158-15（a a）是是环环路路反反馈馈式式介介质质稳稳频频振振荡荡器器电电路路示示意意图图。不不加加介介质质谐谐振振器器时时，FETFET电电路路是是微微波波放放大大器器的的工工作作状状态态，不不产产生生振振荡荡；当当把把高高QQ介介质质谐谐振振器器放放置置在在输输出出微微带带线线与与输输入入微微带带线线之之间间，通通过过磁磁耦耦合合把把输输出出功功率率的的一一部部分分反反馈馈到到栅栅极极，当当反反馈馈相相位位和和反反馈馈功功率率合合适适时时将将产产生生振振荡荡，介介质质谐谐振振器器相相当当于于窄窄带带带带通通滤滤波波器器，在在介介质质谐谐振振器器的的中中心心频频率率处处，反反馈馈最最强强，相相位位合合适适。图图8-158-15（b b）是是反反馈馈式式介质振荡器的等效电路图。介质振荡器的等效电路图。n n反反馈馈式式介介质质稳稳频频振振荡荡器器的的稳稳频频效效果果与与介介质质振振荡荡器器有有载载品品质质因因素素QQL L成正比，因此希望成正比，因此希望QQL L越大越好。越大越好。n n在在设设计计FETFET放放大大器器电电路路时时，应应确确保保振振荡荡频频率率处处的的增增益益最最高高，而而在在其其他他频频率率处处尽尽可可能能没没有有增增益益，更更不应存在寄生振荡。不应存在寄生振荡。图8-15 环路反馈式介质稳频振荡器（a）振荡器电路；（b）等效电路。第26页/共64页2 2介质稳频介质稳频FETFET振荡器电路振荡器电路n n（3 3）栅极耦合式）栅极耦合式n n图图8-168-16（a a）是是栅栅极极耦耦合合式式介介质质稳稳频频振振荡荡器器电电路路。FETFET接接成成共共漏漏极极电电路路。漏漏极极接接微微带带低低通通滤滤波波器器，使使漏漏极极对对微微波波接接地地，并并构构成成漏漏压压直直流流通通路路。介介质质谐谐振振器器耦耦合合到到栅栅极极微微带带线线上上，耦耦合合面面到到栅栅极极的的距距离离 l l约约 为为 g g/4/4，它它 在在栅栅极极等等效效于于接接一一个个高高QQ图8-16 栅极耦合式介质稳频振荡器（a）振荡器电路；（b）等效电路。的串联谐振电路，与FET的漏源电容Cds和栅源电容Cgs构成电容式三点振荡电路，如图8-16（b）所示。源极经匹配电路后输出振荡功率。第27页/共64页3 3专门术语的说明专门术语的说明n n为为了了设设计计一一个个稳稳定定的的、性性能能良良好好的的介介质质稳稳频频振振荡荡器器，应应该该考考虑虑频频率率温温度度系系数数、频率初始漂移、推频系数、频率牵引、稳频系数及回滞现象等。频率初始漂移、推频系数、频率牵引、稳频系数及回滞现象等。n n（1 1）频率温度系数）频率温度系数n n当当温温度度变变化化时时，介介质质稳稳频频振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率将将发发生生变变化化，频频率率变变化化越越小小，则则振振荡荡器器的的温温度度稳稳定定性性能能越越好好。介介质质稳稳频频振振荡荡器器的的温温度度稳稳定定性性能能好好坏坏可可以以用用频频率温度系数描述。介质稳频振荡器的频率温度系数率温度系数描述。介质稳频振荡器的频率温度系数n n （ppm/ppm/）（8-8-2525）n n式中式中 f f2 2对应于温度为对应于温度为T T2 2时的振荡频率；时的振荡频率；n n f f1 1对应于温度为对应于温度为T T1 1时的振荡频率。时的振荡频率。n n 0f0f中中包包括括两两部部分分，一一部部分分是是介介质质谐谐振振器器的的谐谐振振频频率率温温度度系系数数 rf rf；另另一一部部分分是是没没有有介介质质谐谐振振器器时时的的振振荡荡器器频频率率随随温温度度的的相相对对变变化化。适适当当选选择择 rf rf，使使它它与与第第二二部部分分的的变变化化大大小小相相等等而而变变化化方方向向相相反反，介介质质稳稳频频振振荡荡器器的的频频率率温温度度系系数数将将减到最小。减到最小。第28页/共64页3 3专门术语的说明专门术语的说明n n（2 2）频率初始漂移）频率初始漂移n n在在常常温温下下，介介质质稳稳频频振振荡荡器器开开机机频频率率随随着着电电路路温温度度的的上上升升将将产产生生变变化化，直直到到电电路路达达到到热热平平衡衡，振振荡荡频频率率也也达达到到某某一一稳稳定定值值。介介质质稳稳频频振振荡荡器器从从加加电电到到热热平平衡衡，其其频频率率发发生生的的漂漂移移称称为为频频率率初始漂移。初始漂移。n n（3 3）推频系数）推频系数n n介介质质稳稳频频振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率会会随随着着FETFET的的栅栅偏偏压压、漏漏压压的的变变化化而而变变化化，振振荡荡频频率率变变化化越越小小，则则振振荡荡器器性性能能越越稳稳定定。在在设设计计振振荡荡器器时时用用推推频频系系数数描描述述这这项项性性能能，并并有有栅栅压压推推频频系系数数和和漏漏压压推频系数两种。推频系数两种。n n栅压推频系数是漏压固定不变而栅压变化时，振荡频率变化量与栅压变化量的比值栅压推频系数是漏压固定不变而栅压变化时，振荡频率变化量与栅压变化量的比值n n n n同样，漏压推频系数是栅压固定不变而漏压变化时，振荡频率变化量与漏压变化量的比值同样，漏压推频系数是栅压固定不变而漏压变化时，振荡频率变化量与漏压变化量的比值n n n n由分析知道，推频系数与介质谐振器的品质因数成反比。由分析知道，推频系数与介质谐振器的品质因数成反比。第29页/共64页3 3专门术语的说明专门术语的说明n n（4 4）回滞现象）回滞现象n n输输出出反反射射式式介介质质稳稳频频FETFET振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率与与输输出出功功率率在在频频率率调调谐谐过过程程中中存存在在双双值值性性，如如图图8-178-17所所示示。图图中中横横轴轴h h表表示示频频率率调调节节金金属属盘盘至至介介质质的的距距离离，虚虚线线表表示示的的曲曲线线是是频频率率变变化化规规律律，实实线线是是振振荡荡器器输输出出功功率率的的变变化化规规律律。当当h h由由h ha a增增加加到到h hb b时时，振振荡荡频频率率沿沿曲曲线线变变化化，输输 出出 功功 率率 沿沿 123412345656变变化化；而而当当金金属属盘盘距距离离由由h hb b减减小小到到h ha a时时，振振荡荡频频率率沿沿变变化化，输输出出功功 率率 沿沿 65438716543871变变化化，这这种种现现象象称称为为振振荡荡器器的的调调谐谐回滞回滞图8-17 机械调谐使振荡频率与输出功率出现的回滞现象（a）振荡器机械调谐机构；（b）回滞曲线。现象，它使振荡频率和输出功率出现双值性。这种现象缩小了振荡器的调谐范围，从曲线可以看出，只有在h1h2一小段范围内是单值稳定区，而在稳定区两旁出现了回滞现象。同样，栅源电压和漏压的变化也会使振荡频率与输出功率出现回滞现象。图8-18（a）是栅压变化使振荡频率与输出功率出现的回滞现象，图8-18（b）是漏压变化使振荡频率与输出功率出现的回滞现象。第30页/共64页3 3专门术语的说明专门术语的说明n n图图8-18 8-18 电压变化时振荡频率与输出功率的回滞现象电压变化时振荡频率与输出功率的回滞现象n n（a a）栅压变化的回滞曲线；（）栅压变化的回滞曲线；（b b）漏压变化的回滞曲线。）漏压变化的回滞曲线。（4）回滞现象第31页/共64页3 3专门术语的说明专门术语的说明n n（5 5）频率牵引）频率牵引n n当当振振荡荡器器负负载载变变化化时时，介介质质稳稳频频振振荡荡器器的的振振荡荡频频率率将将发发生生变变化化，把把这这种种现现象象称称为为振振荡荡器器的的频频率率牵牵引引。负负载载的的变变化化相相当当于于振振荡荡器器输输出出端端口口驻驻波波比比发发生生变变化化。在在设设计计振振荡荡器器时时，要要求求驻驻波波比比在在某某范范围围内内频频率率牵牵引引系系数数不不大大于于规规定定值值。频频率率牵引系数可按下式计算牵引系数可按下式计算n n（8-288-28）n n式中式中 QQL L介质谐振器的有载品质因数；介质谐振器的有载品质因数；n n P Po o振荡器的输出功率；振荡器的输出功率；n n P Pr r振荡器的输出端口的反射功率。振荡器的输出端口的反射功率。n n上式表明，频率牵引系数上式表明，频率牵引系数F F牵引与牵引与QQL L成反比，与成反比，与P Pr r成正比。成正比。第32页/共64页3 3专门术语的说明专门术语的说明第33页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计第34页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计图8-19 FET的三个端口编号第35页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计n n（2 2）介介质质谐谐振振器器耦耦合合电电路路参参数的拟合数的拟合n n图图8-168-16中中的的介介质质谐谐振振器器与与微微带带线线在在A A面面向向电电阻阻R R0 0方方向向看看的的等等效电路如图效电路如图8-208-20所示。所示。n n介介质质谐谐振振器器相相当当于于并并联联谐谐振振电电路路串串联联在在主主线线中中，R R0 0是是5050匹匹配配负负载载电电阻阻。图图中中的的L L、C C、R R值值取取决决于于介介质质谐谐振振器器的的无无载载QQ值，也取值，也取图8-20 介质谐振器与微带线耦合的等效电路决于微带线损耗，以及介质谐振器与微带线的耦合强弱。耦合电路参数的拟合过程如下：首先测出介质谐振器在各个频率下不同m（m是介质谐振器中心到微带线中心线的耦合距离）时的若干组s11的模和相角，然后用计算机拟合出不同m时的L、C、R值。第36页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计n n（3 3）介质谐振器频率调谐机构）介质谐振器频率调谐机构n n在在实实际际的的介介质质振振荡荡器器中中，经经常常需需要要调调谐谐介介质质谐谐振振器器的的谐谐振振频频率率，从从而而实实现现振振荡荡频频率率的的调调谐谐，调调谐谐方方式式可可以以是是机机械械调调谐谐，也可以是电调谐。也可以是电调谐。n n机械调谐机械调谐n n介质谐振器频率的调谐机构如图介质谐振器频率的调谐机构如图8-178-17（a a）和图）和图8-218-21所示。所示。n n图图8-2l 8-2l 谐振频率调谐机构谐振频率调谐机构n n(a)(a)介质杆；介质杆；(b)(b)金属杆；金属杆；(c)(c)介质块。介质块。第37页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计n n（3 3）介介质质谐谐振振器器频频率率调调谐谐机构机构n n机械调谐机械调谐n n图图8-228-22给给出出了了介介质质谐谐振振器器采采用用机机械械调调谐谐机机构构时时的的谐谐振振频频率率和和无无载载品品质质因因数数QQ0 0对对调调谐谐距距离离的的变变化化特特性性。调调谐谐距距离离h h越越小小，谐谐振振频频率率增增高高越越多多，但但同同时时使使无无载载品品质质因因数数QQ0 0下下降降越越多多，当当h h超超过过某某一一值值时时，谐谐振振频频率率和和无无载载品品质质因因数数将将不不随随h h的的增增加加而而变变化化。在在调调谐谐频频率率时时为为了了使使无无载载品品质质因因数数下下降降不不太太多多，机机械械调调谐谐机机构构的的频频率率调调谐谐范范围围不不应应超超出出5%5%。图8-22 谐振频率和品质因数对调谐距离的变化特性第38页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计n n电调谐电调谐n n在在微微波波集集成成电电路路技技术术中中，主主要要采采用用变变容容管管电电调调谐谐。它它是是把把变变容容管管通通过过微微带带线线与与介介质质谐谐振振器器耦耦合合形形成成电电调调谐谐电电路路，如如图图8-238-23所所示示。调调谐谐电电压压加加在在变变容容管管两两端端，改改变变变变容容管管结结电电容容，就就可可以以实实现谐振频率的调整。现谐振频率的调整。图8-23 变容管电调谐振荡器电路（3）介质谐振器频率调谐机构第39页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计第40页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计n n(4)(4)基片厚度对无载品质因数的影响基片厚度对无载品质因数的影响n n在在介介质质稳稳频频振振荡荡器器电电路路中中，电电路路基基片片的的损损耗耗对对介介质质谐谐振振器器的的无无载载品品质质因因数数QQ0 0影影响响很很大大。图图8-248-24给给出出了了三三种种不不同同基基片片厚厚度度的的介质谐介质谐图8-24 基片厚度对无载品质因数的影响振器Q0，当基片厚度减小时，Q0也被相应减小。为了减弱这种影响，希望采用厚的基片，但厚的基片又将增大电路的色散效应。为此，在电路设计时，都采用厚度较薄的基片，以便减小色散效应，同时采用低损耗和低介电常数的圆柱环，把介质谐振器适当垫高，使介质谐振器的Q0减小不多。第41页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计n n恒温技术恒温技术n n在在提提高高介介质质稳稳频频振振荡荡器器温温度度稳稳定定度度的的技技术术中中，恒恒温温技技术术也也是是一一种种常常用用的的方方法法。它它是是将将振振荡荡器器整整个个盒盒体体封封装装在在恒恒温温槽槽内内，恒恒温温装装置置是是由由加加热热元元件件、热热敏敏元元件件、有有关关的的控控制制电电路路和和恒恒温温槽槽组组成成。槽槽内内温温度度通通常常比比环环境境最最高高温温度度还还要要高高510510，在在30 30 +50+50范范围围内内频频率率稳稳定定度度可可以以优优于于1ppm1ppm，具具有有较较高高的的温温度度稳稳定定度度；与与数数字字技技术术相相比，有较好的相位噪声，但尺寸及功耗较大。比，有较好的相位噪声，但尺寸及功耗较大。图8-25 数字控制稳频技术框图(5)高温度稳定度实现方法提高介质稳频振荡器的温度稳定度的方法有以下三种：正温度系数补偿法，数字技术和恒温技术。正温度系数介质谐振器补偿法由分析知道，FET振荡器电路温度系数是负的，通常采用一个具有正温度系数的介质谐振器来补偿频率随温度的漂移。数字技术见图8-25。第42页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计n n(6)(6)栅栅极极耦耦合合式式振振荡荡器器设计设计n n由由分分析析知知道道，栅栅极极耦耦合合式式振振荡荡电电路路中中的的介介质质谐谐振振器器可可以以等等效效为为串串接接在在主主线线中中的的并并联联谐振回路，整个电谐振回路，整个电图8-26 栅极耦合式振荡器电路设计式中|s11|从P端往左视入的反射系数s11的模；s11相角。采用CAD技术即可选出最佳耦合位置、传输线长度及输出匹配电路参数。路由匹配电阻R0、并联谐振回路、传输线、共漏极FET和输出匹配电路等五部分组成，如图8-26所示。图中P端是功率输出端口，RL是外负载电阻。电路应满足的振荡稳定条件是第43页/共64页4介质稳频振荡器设计介质稳频振荡器设计n n(7)(7)环路反馈式振荡器设计环路反馈式振荡器设计n n环路反馈式振荡器的设计可按以下步骤进行。环路反馈式振荡器的设计可按以下步骤进行。n nFETFET放大电路设计放大电路设计n n由由于于环环路路反反馈馈式式振振荡荡器器在在没没有有介介质质谐谐振振器器反反馈馈元元件件时时，FETFET电电路路本本身身是是一一个个放放大大电电路路，因因此此，可可以以按按放放大大器器来来设设计计，尽尽可可能能在在振振荡荡频频率率处处的的放放大大量量最最大大，频频带带越越窄窄越越好好，它它有有利利于于FETFET的的充充分分利利用用。为为了了改改善善相相位位噪噪声声性性能能，通通常常采采用用松松耦耦合合结结构构，但但耦耦合合弱弱会会使使电电路路不不易易起起振振，解解决决办办法法可可以以采采用用多多级级FETFET放放大大电电路路。在在要要求求杂杂波波较较严严时，如杂波应小于时，如杂波应小于50dBc50dBc时，在设计时，在设计FETFET放大电路时不应存在微弱的寄生振荡。放大电路时不应存在微弱的寄生振荡。n n反馈电路设计反馈电路设计n n反反馈馈电电路路设设计计主主要要是是确确定定介介质质谐谐振振器器与与输输入入、输输出出传传输输线线之之间间的的耦耦合合距距离离。通通常常测测出出介介质质谐谐振振器器与与栅栅极极传传输输线线、输输出出传传输输线线之之间间的的不不同同锅锅合合距距离离时时的的二二口口网网络络S S参参数数，它它与与栅栅极极传传输输线线和和输输出出传传输输线线之之间间的的夹夹角角、介介质质谐谐振振器器与与栅栅极极传传输输线线、输输出出传传输输线线之之间间的的距距离离h h1 1和和h h2 2有有关关，符符号号、h h1 1和和h h2 2的的具具体体含含义义可可参参见见图图8-158-15。有有了了一一组组不不同同的的、h h1 1和和h h2 2的的二二口口网网络络S S参参数数，就就可可以以用用CADCAD技技术术选选出出满满足足振振荡荡稳稳定定条条件件(见见公公式式(8-37)(8-37)的的最佳耦合夹角最佳耦合夹角 和最佳耦合距离和最佳耦合距离h h1 1和和h h2 2。第44页/共64页体效应二极管振荡器与雪崩二极管振荡器体效应二极管振荡器与雪崩二极管振荡器体效应二极管振荡器与雪崩二极管振荡器体效应二极管振荡器与雪崩二极管振荡器n n微波三极管振荡器尽管在微波很多领域被广泛采用，但迄今为止它们的使用频率不是很高。在20GHz以上，主要采用二极管负阻振荡器。例如，雪崩二极管振荡器和体效应二极管振荡器。目前雪崩管振荡器和体效应管振荡器的振荡频率已高达几百干兆赫，雪崩管在94GHz的单管脉冲功率已大于10W，采用合成技术后，60GHz连续波输出功率已大于瓦级。第45页/共64页1 1二极管负阻等效电路二极管负阻等效电路n n由由前前面面分分析析知知道道，雪雪崩崩二二极极管管和和体体效效应应管管是是负负阻阻器器件件，它它们们的的等等效效电电路路应应包包含含一一个个负负电电阻阻。图图8-27(a)8-27(a)是是雪雪崩崩二二极极管管等等效效电电路路，其其中中虚虚线线框框内内表表示示的的是是管管芯芯等等效效电电路路，GGDD是是负负电电导导，它它与与二二极极管管上上的的直直流流电电压压和和交交流流电电压压幅幅度度呈呈非非线线性性关关系系，C CDD是是等等效效电电容容，近近似似为为一一常常量量，R Rs s是是非非线线性性电电阻阻，L Ls s是是引引线线电电感，感，C Cp p是管壳电容，它们都是封装引入的封装参数。是管壳电容，它们都是封装引入的封装参数。n n图图8-27(b)8-27(b)是是体体效效应应管管等等效效电电路路，管管芯芯等等效效成成负负电电阻阻RRDD和和电电容容C CDD的并联，封装参数用引线电感的并联，封装参数用引线电感L Ls s和管壳电容和管壳电容C Cp p等效。等效。图8-27 二极管负阻等效电路(a)雪崩二极管；(b)体效应二极管。第46页/共64页2 2负阻振荡器的起振条件和平衡条件负阻振荡器的起振条件和平衡条件负阻振荡器的起振条件和平衡条件负阻振荡器的起振条件和平衡条件n n图图8-28 8-28 微波二极管振荡器示意图微波二极管振荡器示意图 图图8-29 8-29 负阻振荡器的一般等效负阻振荡器的一般等效电路电路n n图图8-288-28是是负负阻阻二二极极管管构构成成的的微微波波振振荡荡器器示示意意图图。振振荡荡器器是是由由一一个个波波导导谐谐振振腔腔构构成成，负负阻阻器器件件放放置置在在腔腔内内，腔腔的的终终端端安安装装一一个个可可调调的的短短路路活活塞塞，输输出出端端口口有有一一个个调调配配器器，接接至至负负载载。可可以以用用图图8-298-29表表示示它它们们的的等等效效电电路路。图图中中用用一一个个二二口口网网络络表表示示谐谐振振电电路路，它它位位于于负负载载Z(Z()与与负负阻阻器器件件ZZDD(I)(I)之之间间；外外电电路路在在负负阻阻器器件件端端口口的的等等效效阻阻抗抗是是Z(Z()，它它的的实实部部包包括括电电路路损损耗耗及及负负载载电电阻阻两两部部分分。而而负负阻阻器器件件的的阻阻抗抗对对频频率率的的变变化化相相对对外外电电路路来来讲讲是是很很缓缓慢慢的的，因因此此，等等效电路中的负阻器件阻抗仅仅是振荡幅度的函数，表示为效电路中的负阻器件阻抗仅仅是振荡幅度的函数，表示为n n n n式中式中I I是振荡电流的振幅。是振荡电流的振幅。第47页/共64页2 2负阻振荡器的起振条件和平衡条件负阻振荡器的起振条件和平衡条件负阻振荡器的起振条件和平衡条件负阻振荡器的起振条件和平衡条件n n图图8-28 8-28 微波二极管振荡器示意图微波二极管振荡器示意图 图图8-29 8-29 负阻振荡器的一般等效负阻振荡器的一般等效电路电路第48页/共64页2 2负阻振荡器的起振条件和平衡条件负阻振荡器的起振条件和平衡条件负阻振荡器的起振条件和平衡条件负阻振荡器的起振条件和平衡条件n n图图8-29 8-29 负阻振荡器的一般等效负阻振荡器的一般等效电路电路图8-28 微波二极管振荡器示意图第49页/共64页3 3负阻振荡器设计负阻振荡器设计n n中中标标志志的的数数字字表表示示相相应应的的振振荡荡功功率率，直直流流偏偏置置电电压压为为10V10V、电电流流为为1.1A1.1A。在在设设计计振振荡荡器器前前，应应测测出出不不同同偏偏置置条条件件及及不不同同工作频率下的一组工作频率下的一组Z ZDD(I)(I)，作为设计的依据。，作为设计的依据。图8-30 体效应管的大信号等效阻抗负阻振荡器的设计包括负载匹配电路设计、直流偏置电路和频率调谐电路。(1)二极管负阻器件的大信号等效阻抗由前面分析知道，一旦知道二极管负载器件的等效阻抗ZD(I)(或等效导纳YD(V)，就可以设计振荡器。ZD(I)可以通过器件物理模型来确定，但计算比较复杂，通常采用测试方法获得器件的ZD(I)值。图8-30是体效应管在7GHz时的大信号等效阻抗ZD(I)，图第50页/共64页3 3负阻振荡器设计负阻振荡器设计n n图图8-318-31是是稳稳定定工工作作点点的的图图示示判判别别法法。图图中中横横坐坐标标是是阻阻抗抗的的实实部部R R，纵纵坐坐标标是是阻阻抗抗的的虚虚部部jXjX。图图中中画画出出负负阻阻器器件件Z ZDD(I)(I)和和外外电电路路在在负负阻阻器器件件处处的的等等效效阻阻抗抗Z(Z()的的阻阻抗抗轨轨迹迹，交交点点(I(I0 0，0 0)处处两两条条轨轨迹迹的的夹夹角角为为，是是Z ZDD(I)(I)阻阻抗抗线线箭箭头头方方向向顺顺时时针针转转到到Z(Z()负负载载线线箭箭头头方方向向的夹角。由分析知道，工作点稳定的条件是的夹角。由分析知道，工作点稳定的条件是n n 180180（8-468-46）n n可以看出，用图示判别工作点的稳定性是一种较简便的方法。可以看出，用图示判别工作点的稳定性是一种较简便的方法。(2)匹配电路设计设计的匹配电路应使振荡器满足起振条件、平衡条件及最大输出功率要求，即匹配电路应该提供必要的电抗，与负阻器件电抗形成谐振回路；同时将负载阻抗变换到合适的数值，使振荡器满足振荡的起振条件、平衡条件及