微波毫米波振荡器培训

微波/毫米波振荡器北京理工大学电子工程系孙厚军微波/毫米波振荡器一、微波/毫米波振荡器件二、微波/毫米波振荡器的基本原理三、DRO振荡器的原理与设计四、毫米波振荡器五、微波/毫米波锁相源一、微波/毫米波振荡器件单端口器件IMPATTGDIODEGUNNDIODE双端口器件BJT双极晶体管FET场效应晶体管1.1 微波双极晶体管因有两种载流子参与导电,故称双极晶体管截止工作频率fT,而取决于发射极和集电极之间的渡越时间

ec。

ec=

e+

c+

b+

d其中

e为发射结的充电时间

c为集电结的充电时间

b为基区渡越电时间

d为集电结渡越电时间微波双极晶体管的模型(1)管芯等效电路R’E----发射极扩展电阻R’s----集电极扩展电阻RE----发射极空间电荷电阻CE----发射极--基极结电容CC------集电极--基极结电容CCE----集电极--发射极结电容Rb------基极扩展电阻

-----零频共基极电流放大倍数微波双极晶体管的模型(2)封装等效电路C1,C2,C3,C4----各封装接点之间的电容C5------------------输入和输出端之间的电容L1,L4-------------参考面与封装边缘之间的引线电感L2,L3-------------封装边缘与金属丝接点之间的引线电感L5-----------------芯片与发射极端子的金丝电感微波场效应晶体管是由GaAs材料制成。具有肖特基势垒栅的场效应管通常称为MSFET最高振荡频率可达60GHz。1.2

微波场效应管FET微波场效应管FET等效电路gm0----器件的跨导Gd-----输出电导Cgs

-----栅、源极之间的电容Cds

-----漏、栅极反馈电容Ri

----未耗尽沟道电阻Rd

，Rs，Rg

金属层接触电阻与半导体体电阻Csd

-----源、漏极之间的电容1.3

体效应二极管GunnN型GaAs转移电子器件结构示意图转移电子器件为无结器件，它是由一段两端为欧姆接触的均匀搀杂的N型GaAs半导体构成的依靠电子从低能谷到高能谷转移所产生的负的微分迁移率实现微波振荡，工作频率可以达到100GHz以上。1.3

雪崩渡越时间二极管IMPATTIMATTGaAs器件的结构示意图雪崩二极管或崩越二极管是利用雪崩倍增效应和渡越时间效应相结合而产生负阻特性的器件 雪崩渡越现象当外加反向电压足够大时，N区或P区的电场强度超过雪崩值，N区或P区便产生雪崩倍增现象雪崩产生的空穴和电子向相反方向运动，空穴很快通过P+区而消失，电子注入到I区，I区有一定的宽度，因而需一定的渡越时间。电子在I层漂移，在外电路产生感应电流二、微波/毫米波振荡器的基本原理单端口负阻振荡器双端口负阻振荡器起振条件平衡条件振荡条件平衡条件稳定条件

1、单端口负阻振荡器单端口负阻振荡器串联型振荡电路-Rd是负阻振荡器的小信号电阻R表示谐振回路电阻和负载电阻L、C表示小信号电抗元件起振条件串联谐振回路的微分电流方程为回路电流为式中即即i为衰减振荡i为增幅振荡即i为等幅振荡起振条件为平衡条件(1)负阻振荡器的一般等效电路-Zd(I)=-Rd(I)+jXd(I)，为频率的慢变化函数， 故可不考虑频率的影响Z(

)=R(

)+jX(

)，为由器件向谐振回路看去的总阻抗RL为负载电阻平衡条件(2)稳态振荡时，器件上电压vd(t)，谐波分量电路两端的电压v(t)，谐波分量根据基尔霍夫的电压定律平衡条件(3)从而可以得到振荡器的平衡条件为振幅平衡条件为振幅平衡条件结论在稳定振荡时，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，但符号相反，即回路的总阻抗为零。工作点的稳定条件(1)工作点的稳定性是指，负阻振荡器受到外界条件的变化时，工作点是否能保持稳定。若振荡器工作(

0,I0)，产生一个微小的增量I，则当I随时间增长，该工作点为不稳定工作点；若

I随时间衰减，则该工作点为稳定工作点。工作点的稳定条件(2)经推导，工作点的稳定工作条件为：S为器件负阻的饱和系数，为器件电抗的饱和系数工作点的稳定条件(3)稳定的图示判别将器件与电路的阻抗轨迹画在图上，两轨迹的交点即为工作点。过交点做一水平轴，该轴的负向与Zd(I)在交点的切线的夹角为

，与Z(

)在交点的切线的夹角为

，若

+<180，则该工作点为稳定工作点，否则为不稳定工作点。2、双端口负阻振荡器微波晶体管为三端口器件，但使用时一般为二端口器件微波场效应体管的三种工作组态(a)(b)(c)(a)为共源组态，(b)为共栅组态(c)为共漏组态晶体管的[S]参数(1)小信号的S参数表示为S参数的获取厂家提供利用矢量网络分析仪测试一般情况下的场效应管的S参数为共源组态下的，而双极管为共极组态的S参数。通过二端口与三端口之间的转换得到其它工作组态下的S参数。晶体管的[S]参数(2)三端口的不定S矩阵1,2,3分别表示FET的栅极、漏极和源极晶体管的[S]参数(3)三端口的不定S参数如下晶体管的[S]参数(4)由不定S参数可求得其它组态下的二端口S参数共漏极的S参数共栅极的S参数双端口负阻振荡器的组成双端口负阻振荡器的组成示意双端口负阻振荡器包含晶体三极管、谐振回路和输出网络三部分组成。双端口负阻振荡器的起振条件由与可得双端口网络的发射系数对振荡器来讲，要产生振荡，系统工作于正反馈起振条件为稳定判别圆(1)双口网络的稳定条件为为不稳定条件，存在负阻，为振荡条件为网络稳定与不稳定的边界条件将带入稳定判别圆(2)将上式两边平方，整理后得到其中圆心半径稳定判别圆(3)负阻振荡器的参数优化(1)1、串联反馈一般情况下串联反馈采用感性负阻振荡器的参数优化(2)3、串、并联反馈负阻振荡器的参数优化(3)2、并联反馈一般情况下并联反馈采用容性振荡器的调谐回路调谐回路一般采用纯电抗元件构成调谐回路的分布参数实现三、DRO振荡器的原理与设计一、DRO的优点二、微波/毫米波振荡器的基本原理三、DRO振荡器的原理与设计四、毫米波振荡器五、微波/毫米波锁相源DRO的结构示意图DRO的特点体积小重量轻Q值高结构简单相噪低频率稳定度高价格便宜DRO对DR的要求DR的性能取决所用的介质材料，常用的介质材料有Ba2Ti9O20、BaTi4O9DR的介质材料的几个主要指标品质因数Q温度系数

f介电常数几种DR材料材料介电常数品质因数温度系数振荡频率10000@4GHz10000@4GHz10000@10GHz25000@10GHz40383025Ba2Ti9O20

(Zr-Sn)TiO4Ba(0.33Zn0.67Ta)O2Ba(0.33Mg0.67Ta)O2+2ppm-2To10ppm0To10ppm4ppm1-100GHz1-100GHz4-100GHz4-100GHzDR的谐振模式DR一般采用圆柱形式DR介质圆柱内的最低模式是TE01

该模式场分量只有Hz、Hr、E

分量DR的谐振频率的估算D为DR的半径，单位为mmL为DR的长度，单位为mm为介质的介电常数公式的使用条件谐振频率随介质长度变化的关系DR的机械调谐金属圆盘调谐介质杆调谐耦合谐振器调谐DR的谐振频率随机械调谐变化曲线DR的耦合与激励(1)有三种耦合方式：加载型、反射型、传输型DR的耦合与激励(2)反射型耦合DR的耦合与激励(3)传输型耦合DR的耦合与激励(4)DR的耦合与激励(5)DRO的设计举例(1)振荡器的一般设计步骤根据振荡频率和输出功率的要求选取适当的晶体管或FET

选取振荡器的电路结构

在工作频率下计算k值，若不满足k<1的条件，应增加反馈元件，使k<1

设计谐振回路和匹配回路

设计偏置电路

DRO的设计举例(2)设计举例设计一个工作频率为f0=9GHz的DRO振荡器已知微波晶体管的参数如下:Z0=50ohm，TA=25

，Vce=5V，Ice=30mA，f=9GHz时的源极接地的S参数如下：S11=0.48174，S12=0.08028S21=2.2118，S22=0.67-87DRO的设计举例(3)选择合适的电路形式先假定采用共发电路形式由得稳定系数k>1.045，不满足起振条件，需采取反馈措施，如下图所示。DRO的设计举例(4)为了便于分析，将S参数转换为Z参数DRO的设计举例(5)等效电路为DRO的设计举例(6)式中，DRO的设计举例(7)为保证输出功率最大和满足振荡条件由上式算出DRO的设计举例(8)采用共发电路需增加一段微带线作为反馈线从电路实现的难易程度来讲，共发电路不太容易起振，且效率较低，而共集或共基电路较容易起振，且相对效率较高，我们选用共集电路。根据晶体管三口S参数与二端口S参数的关系DRO的设计举例(9)电路设计及原理图为便于设计，将S参数转换为Z参数[Z]c为参数的等效电路模型DRO的设计举例(10)由等效电路可导出DRO的设计举例(11)设电路形式如下DRO的设计举例(12)用MMICCAD软件可根据DR材料、尺寸等计算出f=9GHz时的一系列参数DR参数Dr0.265inLr0.107in

r30.0D00.795inDr0.104inDRO的设计举例(13)有载QL=3379无载QU=9244=QU/QL=1.74d=7.24mm一般情况下，L1取值为

g/4或g/2，若L1取值为

g/4，则对应的电长度为=/2。DRO的设计举例(14)DRO的设计举例(15)输出匹配网络的设计Zout是从负载向

晶体管输出端看去的阻抗Z2是从晶体管向负载看去的阻抗根据振荡平衡条件Rout+R2=0Xout+X2=0Z2=0.54+j0.782根据共扼匹配原理,为使功率最大地传递到负载,输出阻抗应为Z2的共扼,且要使负载的功率最大,输出负载的电阻部分应为Z2的1/3所以最终输出阻抗为0.18-j0.782高频率稳定度的微波/毫米波信号的产生(1)途径一高频率稳定度的微波/毫米波信号的产生(2)途径二高频率稳定度的微波/毫米波信号的产生(3)途径三高频率稳定度的微波/毫米波信号的产生(4)途径四高频率稳定度的微波/毫米波信号的产生(5)途径五倍频/分频与相位噪声的关系倍频N次后相位噪声恶化20logN分频N次后相位噪声改善20logN因此，谐波取样锁相的相位噪声性能要优于PLL的相位噪声性能。PLL的设计(1)锁相环路的相位噪声模型相位噪声的主要来源参考源VCO电源PLL的设计(2)设

i、

n、

nv分别为参考源信号、白噪声及压控振荡器本身的相位噪声，则有PLL的设计(3)整理后得PLL的设计(4)若采用有源滤波器构成理想的二级环，其电压传递函数为设则，可改写为PLL的设计(5)PLL的设计(6)环路的相位噪声特点环路对输入的基准参考源的相位噪声呈低通特性环路对压控振荡器的输入相位噪声呈高通特性fm<

n/2

时，相位噪声的贡献主要来源于基准参考源的相位噪声,最大增益为20logNdBfm>

n/2

时，相位噪声的贡献主要来源于VCO的相位噪声fm=

n/2

时，相位噪声取决于二者的综合作用PLL的设计(7)若采用如下图所示的有源电路，则PLL的设计(8)白噪声的贡献呈低通特性，环路的等效噪声带宽为在有源比例积分滤波器的二阶环中等效噪声带宽为当

=0.5时，BL有最小值。PLL的设计(9)环路的快捕时间与环路带宽的关系环路的快捕时间受起始相差影响较大，其最快时间可近似表示为从相位噪声抑制的角度选取环路噪声带宽时，BL有越小越好，但实际上和取值还与环路的捕获特性有关，要在环路的相位噪声抑制和环路的跳频时间这两个方面进行相互折衷，以得到令人满意的PLL性能。PLL的设计(10)环路参数的设计步骤1首先根据对PLL系统输出频率的要求，确定合适频率的参考晶振和鉴相频率，根据参考晶振的相噪谱得到分频R次后的鉴相频率的相噪谱，将参考晶振分频R次后相噪改善为20logR。PLL的设计(11)环路参数的设计步骤2由鉴相基准的相位噪声，得到倍频N次后的相噪特性，N为环路的分频比，将鉴相基准倍频N次后，相位噪声将恶化20logNPLL的设计(12)环路参数的设计步骤3将VCO的相噪谱和鉴相基准倍频N次后的相噪谱做在同一张图上，选取两谱线相交处所对应的调制频率最为环路的自然谐振频率fn，自然谐振角频率为

n，则环路具有最佳的噪声性能。PLL的设计(12)环路参数的设计步骤4根据确定环路的快捕时间，一般情况下可取阻尼系数。若得到TLmax满足系统跳频时间的要求，则PLL会有较好的相噪性能；若TLmax不满足系统跳频时间的要求，则要由来确定环路的自然谐振角频率。PLL的设计(13)环路参数的设计步骤5由

n和

确定环路参数。由和确定、PLL的设计(14)环路参数的设计步骤6(1)环路滤波器是获取鉴相误差信号中的直流成分，这一过程是线性的，但环路中高频率、大幅度的干扰信号将引起环路滤波器的运算放大器产生非线性，导致运放的增益带宽积下降，可能破坏PLL的正常工作，所以应在实际的环路滤波器前加一个预滤波环节，以抑制高频率、大幅度的干扰信号。一般可加一个预滤波电容CC。PLL的设计(15)环路参数的设计步骤6(2)滤波电容CC的加入会产生一个新的极点，其位置在

C=4/R1CC。新极点的会引起环路相位裕量减小，导致环路的不稳定，一般情况下要求该极点应足够远，以减少对环路参数的影响，要求

C>

n

。PLL的设计(16)环路参数的设计步骤7(1)在环路滤波环节中，还应加入一个鉴相频率抑制滤波器，以进一步抑制鉴相频率的各次谐波引起的杂散。该滤波器为LC低通滤波器。PLL的设计(17)环路参数的设计步骤7(2)电压传递函数为DDS(1)ADVANTAGESOFTHEDDS(1)Micro-Hertztuningresolutionoftheoutputfrequencyandsub-degreephasetuningcapability,allundercompletedigitalcontrol.Extremelyfasthoppingspeedintuningoutputfrequenc