第六章微波振荡器

第六章微波振荡器振荡器:使用有源非线性器件（如二极管和晶体管）以及无源谐振元件，将DC转换成稳态微波信号；设计目标：低噪声、小体积、低成本、高效率、高稳定、高可靠；宽带可调、线性调谐、更短建立时间；主要内容负阻二极管与振荡晶体管负阻振荡器的一般理论负阻振荡器电路微波晶体管振荡器§6.1引言振荡器主要分类1）二极管振荡器——高振荡频率（400/150GHz）A、碰撞雪崩渡越时间（IMPATT）二极管——高功率、高效率(15%)；B、转移电子器件（Gunn）二极管——低相位噪声；2）三极管振荡器——高功率、高效率（40%）、宽带可调、频率稳定、工作温度低、高可靠；低振荡频率（40GHz/10mW）3）石英/锁相式/倍频链式/介质晶体振荡器——高稳定、低频

4）频率可调振荡器A、钇铁石榴石（YIG、铁氧体材料）调谐——宽带B、变容管调谐——高效、小体积§6.2负阻二极管与振荡晶体管应用：

1、雪崩渡越时间二极管——极高频/400GHz2、转移电子器件-体效应二极管Gunn管是用N型半导体材料如GaAs、InP等制成的二端子负阻器件。Gunn管不包含任何结，而是利用半导体材料内物理效应（体效应）的固态微波器件。这种器件利用了电子在能谷间的转移而产生负阻，所以它也被称为转移电子器件（TED），其工作频段为1～140GHz，输出功率为十至几百毫瓦，效率最高可达30%～35%，但一般都低于10%或更小。Gunn管与适当的振荡电路连接时，便可得到各种模式的振荡，其优点是噪声大大低于雪崩管。振荡晶体管双极晶体管振荡器——已成为重要的微波频率源

相位噪声低、频率稳定性好、动态范围宽、效率高、输出功率可以从毫瓦到几瓦，一般采用共基极电路。振荡GaAsFET管1）共栅振荡电路：容易调谐，但由于栅端散热性能差，限制了输出功率；2）共源振荡电路：散热好，增益高，但从漏极到栅极的回路难以控制和调谐；3）共漏振荡电路：既有良好的散热特性，又可较容易的控制频率，另外影响器件高频性能的寄生参量，在共漏振荡电路中也被减至最小，从而增大了调谐范围。§6.3负阻振荡器的一般理论负阻振荡器起振、平衡条件振荡器工作点的稳定性负阻振荡器起振条件在研究振荡的起振条件时，振荡处于“小信号”状态，jXD（I）可用jXD（0）表示。通常jXD（0）为容抗，因此要求负载阻抗Z（ω）中的电抗jX(ω)为感抗，与jXD（0）构成串联谐振回路；分别表示为下图（a）中元件C和L。图中

RD(0)为负阻器件的小信号负阻，R(ω)为外电路电阻。(a)串联振荡回路(b)并联振荡回路起振时包含负阻器件的振荡回路

负阻振荡器起振条件为了使起始振荡能够建立起来，要求负阻器件的小信号电阻

RD(0)的绝对值大于负载阻抗中的电阻R(ω)，即起振条件为为确保起振容易，应选择负阻振荡器平衡条件

在稳态振荡时，回路总阻抗必等于零，也即器件的负阻值必须和电路的电阻值相等；器件电抗和电路电抗数值相等且符号相反。或振荡器工作点的稳定性定义：如果由于某种原因使振荡偏离原来的平衡点，而当引起偏离的因素消失后，振荡器仍能恢复到原来的状态。§6.4负阻振荡器电路负阻振荡器的设计二极管负阻器件的大信号等效阻抗：通常采用测试方法获得器件的值。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。此外，还应考虑振荡器的稳定性。直流偏置电路：直流偏置电路应尽量减小对振荡器的影响。频率调谐：频率调谐可以采用机械的、电子的、数字的和光的调谐方式，尤以机械和电子调谐方式为主。负阻振荡器基本电路微带型负阻振荡器同轴腔负阻振荡器波导腔负阻振荡器鳍线振荡器YIG调谐振荡器微带型负阻振荡器(a)微带电路结构(b)等效电路偏置电路：1-体效应管偏置输入；2-变容管偏置输入；7-偏置线；8-接地块；9-旁路电容；调频电路：4-变容管；5-谐振线；3-体效应管优点：结构简单、设计方便；缺点：损耗大、频率稳定性差、低频、小功率同轴腔/波导腔负阻振荡器(a)同轴腔——宽带，C波段（8GHz）以下；(b)波导腔——略窄（5~20%），18GHz以上广泛；低损耗、低噪声、高稳定；鳍线振荡器主要用于毫米波段，调谐带宽百分之几，效率低YIG（钇铁石榴石）调谐振荡器YIG调谐振荡器原理图§6.5负阻振荡器的频率稳定相位平衡条件：提高频率稳定度的一般方法负阻振荡器的串联电路模型减小外界变化因素——机械振动；电源电压变化；环境温度变化；减小电路参数随外界因素的变化——具有不同温度膨胀系数的材料；提高腔体Q值——降低损耗；适当减少耦合输出；外腔稳频法——附加高Q稳频腔；注入锁定法——用小功率高频稳振荡器控制大功率低频稳振荡器；环路锁相法——选取小功率高频稳微波信号作为基准信号并进行鉴相（也可混频后在中频鉴相或采用取样锁相）外腔稳频振荡器电路(a)反射式高Q腔稳频（b）频带反射式高Q腔稳频振荡器（c）介质谐振器稳频的体效应管振荡器注入锁相原理原理框图典型的锁相环路具有N次倍频器的锁相环微波振荡器直接由晶振控制微波VCO的锁相环路§6.6负阻振荡器的调频和调幅噪声

由一些非确定性因素（随机的）影响，使振荡频率随机起伏，称之为瞬时频率稳定度。频率的瞬变将产生调频噪声和相位噪声。振荡器的振荡幅度也可能由于各种随机因素而产生随机的起伏，如同有寄生调幅，称之为调幅噪声。调频和调幅噪声的表示法调幅噪声通常用偏离载频fm处，一定频带B的调幅噪声功率（即旁频功率）与载波功率之比的dB数来表示，即（dB）。

有单边带值或双边带值之分，两者相差3dB。调频噪声同样也可用类似表示方法，以偏离载频fm处，一定频带内的调频噪声功率与载波功率之比的dB数（）来表示，也是fm的函数。调频和调幅噪声的表示法对于调频波来说，要比较直观地看出调制噪声相对信号的大小，宜用频偏来表示调频噪声：即：单一频率调制且为小调制指数的情况下，单边带功率与载波功率之比可用最大频偏来表示，同时该比值是调制频率的函数。调频和调幅噪声的表示法用均方值频偏表示法，有

用dB数表示为

或（dB）

（dB）

结论：在假定噪声源仅仅是热噪声的情况下，可导出由此产生的负阻振荡器调幅、调频噪声的一般表示式如下：用均方根频偏表示的调频噪声为

振荡回路的Q值越高，噪声越小，尤其对减小调频噪声的影响大，因此要尽可能提高回路有载Q值。所以采用外腔稳频法提高振荡器频稳度的同时，可以降低振荡器噪声。在fm不太大的情况下，调幅噪声远小于调频噪声。理想无噪声频谱实际有噪声频谱§6.7微波晶体管振荡器

分析和设计方法：正反馈放大器设计法：利用器件的大信号Z或Y参数设计振荡器；准线性法：利用器件的小信号S参数并结合器件的静态特性进行，小信号S参数用于线性部分，静态特性用于饱和部分；S参数法：利用器件的大信号S参数设计振荡器，但由于S参数是对基波特性的线性描述，当器件工作在强非线性条件下时该方法不精确，而在器件的非线性不太厉害的情况下，用S参数设计振荡器是较为简便而又有效的方法。反馈振荡器的振荡条件

振荡平衡条件为分别表示为幅度平衡与相位平衡条件：式中，，代表放大器开环增益；，L代表反馈网络衰减。负阻振荡器的振荡条件

假设：

，则

如果

则端口1是稳定的。此时1端口稳定条件

同理：对2端口有

稳定工作条件

回顾放大器：

当晶体管参数为，时，则起振条件为当晶体管参数为，时，则起振条件为说明：1、对放大器要求稳定，当不稳定时就可能成为振荡器；2、对放大器要求两个端口稳定，而对振荡器，只需要一个端口不稳定，另一端口也会不稳定。负阻振荡器的振荡条件

或振荡平衡条件为小信号S参数设计法1、计算晶体管K值，决定是否必须外加反馈元件：

（1）若K<1，如图（a）所示，只需要1-1

端口接一段合适的传输线，就可能使2-2

端口呈现负阻，当然也可以外加反馈元件来调整振荡频率和功率；内部反馈已足够大。（2）若K>1，如图（b）所示，必须外加反馈，如在源极也接一段合适的传输线，才有可能在2-2

端口呈现负阻。(a)双极晶体管振荡器(b)FET振荡器小信号S参数设计法2、选择适当的晶体管端接条件（包括必要的反馈元件），使输出端呈现负阻，并尽可能大。

负阻振荡器电路框图小信号S参数设计法3、设计适当的输出匹配网络，同时满足调谐及输出功率最大的要求。起振过程可用小信号S参数，振荡平衡时则应用大信号S参数。为回避测量大信号S参数的困难，设计时可按以下原则估算，然后再进行实验修正。

或固定频率振荡器设计最通用的振荡器设计方法是两端口网络设计方法:首先要选择晶体管的电路结构以便符合K<1的条件（也许需要增加反馈电感）;其次应选择合适的

L，以便形成

in>1

；或选择合适的

s，以便形成

out>1。这两个条件都包含了使对方成立的条件。例如，如果

out>1，则必有

in>1，反之亦然。固定频率振荡器设计举例例6.1集总元件固定频率振荡器的设计已知在共基极电路中使用的BJT是Phillips半导体公司生产的BF748CB。在直流偏置条件Vcb=10V，Ic=15mA，工作频率为1GHz时测得该晶体管的S参量为：S11=0.888∠81.1º，S12=0.279∠101.2º，S21=1.401∠

120º，S22=1.08∠

50.3º。请设计一个在f=1GHz频率点符合条件的串联反馈振荡器。固定频率振荡器设计举例解设计程序的第一步是必须确认晶体管至少应当具有潜在的不稳定性。这需要计算稳定系数：由于K小于1，所以晶体管确实具有潜在的不稳定性。根据输入稳定性判别圆确定输入端口的反射系数。输入稳定性判别圆的圆心和半径可根据公式计算得

固定频率振荡器设计举例设计振荡器的输入稳定圆（类似于S1圆，用以确定对输入负载的选择，也叫输出稳定判别圆）备注：与放大器一章类似，而不是本章小信号S参数设计法所述。包含P圆不稳定区固定频率振荡器设计举例由图可知，我们选择输入匹配网络反射系数的自由度相当大。从理论上讲，不稳定圆内的任何都能满足我们的要求。然而在实际工作中，我们希望选用能够导致最大输出反射系数的

s值：由上式可见当时，有最大值。在的条件下，由于输出反射系数趋于无穷大，根据

out

s=1可知（即）。固定频率振荡器设计举例试探过几个源反射系数值以后，我们最终选定根据可计算出源阻抗为它可以用电容相串联实现。可计算出输出反射系数为由可求解输出匹配网络并求得这对应于阻抗，可以用的电阻与3.57nH的电感相串联实现。

固定频率振荡器设计举例BJT串联反馈振荡器电路固定频率振荡器设计举例

设计过程中的最后一个问题：当振荡器的输出功较大时，晶体管的小信号S参量将失效。通常，晶体管的S参量与其输出功率有关，当输出功率较大时，晶体管的S参量变化将导致的负阻成分减小。因此，必须根据的条件选择。在实际应用中，通常选择。但这种选择只适用于我们前面提到的远离的情况。另外，还会产生振荡频率的偏移。在此设计中选择。由于我们采用的负载电阻非常接近于，所以振荡器的频率偏差很小。固定频率振荡器设计举例例6.2微带线GaAsFET振荡器的设计。已知在共栅极电路中GaAsFET(Hewlett-PackardATF13100)在8GHz频率点的S参量测量值为S11=0.98∠163º，S12=0.39∠

45º，S21=0.675∠

161º，S22=0.465∠120º。请设计一个输出阻抗为，基波频率为8GHz的振荡器。解首先通过计算稳定系数确定晶体管的稳定性：

虽然K<1表明晶体管具有潜在的不稳定性，我们仍将在晶体管的栅极上连接反馈电感以便增加其不稳定性。固定频率振荡器设计举例考虑到连接电感后的电路可以用如图所示的两端口网络表达。栅极接电感的FET网络结构，增加不稳定性

固定频率振荡器设计举例整个网络的S参量可用如下方法求解：首先将晶体管的S参量变换为阻抗参量，然后将晶体管的阻抗参量与电感的阻抗参量相加，最后再将总阻抗参量变换成S参量。利用Z参量和S参量之间的变换公式：可得晶体管在共栅极电路中的参量。

固定频率振荡器设计举例对于电感，其Z矩阵为

将与相加就可得到整个电路的Z参量，通过变换则可得到相应的S参量。为了求出稳定系数与反馈电感的函数关系，我们必须对每一个L值重复上述计算过程，全部计算结果如图所示。

固定频率振荡器设计举例共栅极电路中FET的稳定系数与栅极电感的函数关系固定频率振荡器设计举例当L=0.2nH时晶体管最不稳定。由于振荡器的