微波压控振荡器的原理与测量.doc

微波压控振荡器的原理与测量一、 实验目的1 了解变容二极管的基本原理与压控振荡器的设计方法；2 利用实验模块的实际测量使学生了解压控振荡器的特性；3 学会使用微波软件对压控振荡器进行设计和仿真，并分析结果。二、 实验原理压控振荡器通常由VCO(Voltage Controlled Oscillator)表示。是一种将电平变换为相应频率的脉冲变换电路，或者说是输出脉冲频率与输入信号电平成比例的电路。它被广泛地应用在自动控制，自动测量与检测等技术领域。压控振荡器是振荡频率受控制电压控制的振荡器，即是一种频率电压变换器。输出频率, K是压控振荡器控制灵敏度或者增益系数，单位为（弧度/秒）/伏。VCO作为一个振荡器，它的频率由电压来控制。压控振荡器实现电压控制的方法主要有如下两种：(1) 直接改变决定振荡频率的振荡回路元件(如R, L, C)的数值。(2) 控制多谐振荡器中定时元件的充放电电流或电压。利用上述方法，原则上各种振荡器都可能改造成为一个压控振荡器。VCO首先是一个振荡器，只是多了一个控制端，可以用电压去控制振荡器的振荡频率。压控振荡器主要有如下几种类型:(1) LC压控振荡器(2) RC压控振荡器(3) 负阻压控振荡器(4) 晶体压控振荡器在应用中究竟采用那种形式的压控振荡器，必须视场合和要求而定。如果只是为了简便和有很宽的调谐范围(即频率覆盖)，而对相位噪声没什么要求，那么可以选用由RC振荡器所构成的VCO；如果要求有较宽的调谐范围和较低的相位噪声，可以选用由LC振荡器构成的VCO；如果对相位噪声指标要求较高，而调谐范围并不要求那么宽，那么可以选用由晶体振荡器所构成的VCO。关键参数指标及其含义：(1) 中心频率及频率变化范围，要求频率覆盖范围大。(2) 频率稳定度高(短期和长期)压控振荡器的频率相对稳定度一般低于用同样电路构成的固定频率振荡器。一般LC压控振荡器和负阻压控振荡器稳定度可达10-4-10-6/月，晶体压控振荡器可达10-6-10-10/月。一般希望VCO的频率稳定度在长期和短期范围内比较高。(3) 相位噪声，我们知道，所有实际应用的信号源都存在着不稳定性，即存在着无用的信号幅度、频率或相位起伏。通常可将这些无用的频率或相位的起伏描述为相位噪声。要求尽可能低，这是VCO最重要的质量指标。(4) 压控线性 一般压控振荡器在频率覆盖范围内并不一定能保证很好的压控线性，使用上一般则希望压控振荡器在一定的频率范围内控制线性度越高越好。(5) 压控增益（或称压控灵敏度）要求有一定的压控灵敏度K。K的大小根据技术指标要求和实际可能性来确定。从同步带的角度希望K越大越好，从边带抑制的角度希望K越小越好。因此在满足同步范围的前提下尽可能选取较小的K。(6) 其他如压控方便，电路宜于集成化、抗机械振动及抗电磁干扰等。三、 设计方法与实例振荡器的谐振电路大多由电容构成，可将变容二极管取代部分电容，再加上稳压电路，即可将振荡器修改成压控振荡器。其修改后的谐振电路如图16-1所示。其设计步骤如下：图16-1 VCO谐振电路假设 fmax =VCO最大输出频率 fmin =VCO最小输出频率步骤一：选用电路结构 首先计算FR = fmax / fmin（1） 若FR1.4，则选用变容二极管与一个固定值电容串联的电路结构。（2） 若FR1.4，则选用宽频电路结构，即是使用两个变容二极管的并联的电路结构。 步骤二：判断VCO电路是单独应用还是应用于锁相回路中？（1） 若单独应用，则需要使用可变电容来调整Fmax，及固定值电容来增加温度补偿。（2） 若与锁相回路并用，则可以不用可变电容与固定电容，除非有其他回路效应的参量。 步骤三：估算等效谐振电容Cr。 Cr = 固定电容可调电容有源元件等效电容离散电容 可以利用下表估算。VCO输出频率有源元件与离散等效电容的估算值常用可调电容0.1-0.5 MHz15 pF10 pF0.5-30 MHz10 pF5 pF30-100 MHz5 Pf5 pF100-200 MHz4 pF3 pF200-1000 MHz1-3 pF1-2 pF步骤四：计算最大调整电容CT,max。 其中FR与Cr 的值可由步骤一与步骤三获得，而Cmin可由厂商提供的可容二极管的元件资料中取得，且其对应的最大电容值Cmax必须比最大调整电容CT,max稍大些。步骤五：计算谐振电感L。 可以参考下列的设计经验表来选定适当的谐振电感值，以避免选用的变容二极管的Cmin值过小不实际。VCO输出频率（MHz）谐振电感值0.2-1.010-1500uH0.5-2.010-1000uH2-150.1-1000uH10-1000.08-25uH50-20040-400uH200-10008-40uH步骤六：决定R与Cs值。电阻R与旁路电容Cs的主要作用是阻隔调谐电路与射频电路的耦合干扰。R值太小则不能有适当的解耦效果，而太大则会因变容二极管的漏电流的交流成分而造成噪声调制。在特殊情况下，可以用射频抑阻器来取代。一般实际应用上，R值约是30K左右，而Cs值则视振荡频段而不同，约在101000之间。设计实例：设计一个调整电压Vtune为010VDC，且输出频率范围为10001200MHz的VCO。设计说明：由于VCO输出频率范围有一频宽，即FR=2，所以需要较低的杂散电容。选用Q值较高的变容二极管KV2101。从元件规格中可查得其电容值变化为Cmax=c（0V）=21.03 pF，应可符合倍频输出的要求。Cs设为39pF，这个电容值应微调以获得最佳值。由上述公式可计算出Cr=1.66PpF 及L=41nH。其完成电路如图16-2所示。图16-2 微波压控振荡器的原理图测试数据如表16-1。由数据可知VCO的重要参数调整率 平均约为15MHz/V。Output Freg.(MHz)240024202440246024802500Vtune(Vdc)0.321.723.284.816.117.24Kvco(MHz/V)14.2912.8213.0715.5117.54Output Freg.(MHz)25202540256025802600Vtune(Vdc)8.419.6411.313.915.8Kvco(MHz/V)17.0916.212.057.43表16-1测试数据如下图四、 实验内容实验设备:项次设备名称数量备注1压控振荡器模块1块有源实验箱2频谱分析仪1台3万用表1台4射频连接线2条实验步骤: 压控振荡器模块是根据上述原理设计而成的，通过调整它的电压旋钮，来改变其振荡频率。通过测量压控振荡器模块的振荡频率（可调）和输出功率，观察压控振荡器模块的特性。压控振荡器振荡频率与输出功率的测量1频谱分析仪起始频率，终止频率分别设置为2010MHZ，2025MHZ，校准频谱仪2用连接线将压控振荡器模块OUT端口接到频谱仪INPUT端。万用表拨到电压档,红笔头接可调电压的引脚,黑笔头接地.测试框图如下:3打开实验箱右侧POWER开关, 调整模块之旋钮，并记录所测量的可调电压和频率值： 最大_ MHZ。 最小_ MHZ。4实验记录：将实验数据整理填入下表输出频率(MHz)调谐电压Vtune(Vdc)压控斜率Kvco(MHz/V)输出电平(dBm) 压控振荡器相位噪声的测量1 将振荡器之控制电压Vt 设为0 V，并将振荡器的输出信号接至频谱分析仪的输入端中。2 将频谱分析仪之参考电平、起始频率、终止频率与分辨率频宽 (RBW)将其分别设定为0 dBm、2010 MHz、2025 MHz 与10 KHz，并利用频谱分析仪中之 Mark 功能将振荡器的输出功率量出来。3 将步骤2所量得之振荡器输出功率值重新设定频谱分析仪之参考电平。4 将振荡器