第10章射频信号产生电路无线通信射频电路技术与设计[.ppt

第10章射频信号产生电路 教学重点 能力要求 本章目录 第一节射频振荡器第二节固定频率振荡器第三节可调谐射频振荡器第四节频率合成器 知识结构 10 1射频振荡器 10 1 1振荡器电路分析方法 振荡器的核心电路是一个能够在特定的频率上实现正反馈的环路 闭环电路模型 网络表达方式 闭环传递函数 起振条件 10 1射频振荡器 我们通过负阻的产生来揭示振荡器的内在机理 具体通过考察一个包含电阻R 电感L和电容C的串联谐振电路来说明 当电流增加时 电压反而减少而不是增加 称为负电阻 传输电压与增益特性的关系 压控源的串联谐振电路 由图可得方程 10 1射频振荡器 标准解为 式中 在R趋于零的极限状态下 就会出现无阻尼的正弦振荡 我们要找到电压 电流响应为的非线性器件 那么将此表达式中的某些项做调整用来恰好补偿R 将此级数展开式中的前两项代入方程式可得 合并一阶导数的系数 并根据要求令衰减系数为零 可得 显然 该器件具有负的微分电阻 另外 如果要建立初始振荡 需要衰减系数具有正值 这意味着必须小于R 10 1射频振荡器 实现负阻的最直接方法就是利用隧道二极管 这种二极管是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管 一般应用在某些开关电路或者高频振荡电路中 它由极高摻杂产生极窄的空间电荷区 隧道二极管振荡电路及其小信号等效电路 10 1射频振荡器 10 1 2共反射极的双极型晶体管振荡器 许多振荡电路采用双极型晶体管或场效应晶体管 结构可以是共发射极 源极 共基极 栅极或共集电极 漏极 根据反馈网络形式的反馈网络形式的不同 可分为哈特莱 Hartley 考毕兹 Colpitts 克拉普 Clapp 和皮尔斯 Pierce 振荡器 下图所示的振荡电路可用来描述所有这些不同的电路 一般晶体管振荡电路 10 1射频振荡器 考毕兹振荡器 哈特莱振荡器 1 考毕兹振荡器 振荡器频率 振荡的必要条件 2 哈特莱振荡器 振荡器频率 振荡的必要条件 10 1射频振荡器 10 1 3共栅极场效应晶体管振荡器 考毕兹晶体振荡器电路 振荡器设计需要考虑到一些诸如晶体管特性随温度的变化 晶体管偏置和去耦电路以及电感损耗等的影响 在此利用计算机软件进行辅助设计将会有很大帮助 考毕兹振荡器的谐振频率为 的定义为 10 1射频振荡器 10 1 4晶体振荡器 由于振荡器的谐振频率由振荡条件决定 即要求晶体管的输入和输出之间达到180 相移 为了使振荡器的频率稳定性好 可以采用石英晶体 特别是频率低于几百MHz时 LC谐振电路的Q值很难超过几百 而石英晶体的Q值可以高达100000 并且频率漂移小于0 001 所以晶体控制振荡器广泛用做RF系统的稳定频率源 晶体等效电路及晶体谐振器的输入电抗 其中 10 1射频振荡器 10 1 5振荡器相位噪声分析 实际振荡器电路 假定信号从放大器输出端取出 并着重考虑半带宽的单边带相位噪声 式中 为电抗功率 为谐振输出频率 为信号输出功率 为反馈输入的信号功率 为谐振回路电阻消耗的功率 10 1射频振荡器 设计原则 1 使谐振回路的最大 2 使储存在谐振回路中的电抗能量最大 3 要尽量使振荡器的限幅不降低 4 选择低噪声系数F的有源器件 5 使加性噪声与最低可用信号功率之比给出的相位噪声最小 6 选择低闪烁噪声的有源器件 7 使闪烁噪声调制有源器件的跨导 输入和输出阻抗影响最小 8 从谐振回路耦合输出信号 功率 10 2固定频率振荡器 常用介质谐振型晶体管振荡器 TDRO 可分为两类 一类用作串联反馈元件 另一类用作并联反馈元件 如下图所示 串联型 并联型 晶体管微波振荡器通常是串联或并联多端口电路形式 在设计振荡器时 可使其中任何一个导抗包含输出电阻性负载成分 而其余两个通常为电抗性的 在固定频率振荡器中 导抗都是固定的 但如果通过采用变容二极管或YIG谐振器形式 将一个或几个导抗做成可调谐的 10 2固定频率振荡器 10 2 1TDRO作为串联反馈元件 TDRO的各种结构形式 下图是负载牵引法所用的测试装置 单端口振荡器的负载牵引装置 10 2固定频率振荡器 其中振荡器的作用类似于功率源 晶体管电路接最佳负载和 在其漏极端口经50欧线接到负载牵引测量系统的反射计输入端口并加上功率 通过极坐标显示器上所观察到的阻抗就是振荡器输出端所呈现的阻抗 根据功率计的功率读数 利用输出调谐器并借助连接到极坐标显示器的x y记录仪 可在史密斯圆图上画出恒定输出功率的等值线 下图是典型的负载牵引线数据 该负载阻抗图可用来设计晶体管的输出电路 负载牵引数据的典型值 10 2固定频率振荡器 10 2 2TDRO用做并联反馈元件 同时将耦合于两根微带线的介质谐振器用作晶体管的并联反馈元件 同样能实现稳定的振荡器 并联反馈的TDRO 调节和的大小 使振荡器频率在时由放大器和反馈电路组成的环路总相移为的整数倍 其中 和分别是放大器 谐振器和反馈电路其余部分在的插入相位 振荡建立的另一条件是在振荡频率时的开环小信号增益必须大于1 即 10 2固定频率振荡器 10 2 3串联反馈与并联 相对并联反馈而言 由于串联反馈耦合于微带线的一侧 因此串联反馈结构中的DR位置要易于调整 另外 在并联反馈结构中 介质谐振器同时耦合于微带线的两侧 这使得串联反馈结构电路工作的频带比并联反馈结构宽得多 在并联反馈结构中 采用高增益放大器 允许DR与微带线间轻度耦合 使介质谐振器具有较高的有载品质因数 从而振荡器有较低的相位噪声 这两种情况下谐振器耦合结构的不同使得补偿振荡器温度所需的DR材料的温度稳定性也不同 10 2固定频率振荡器 10 2 4振荡器最大输出功率 一个放大器中 给定晶体管的输出功率近似为 是饱和输出功率 是输入功率 是小信号增益 由上式可得到最佳输入功率 从而有 10 2固定频率振荡器 10 2 5TDRO的温度稳定度 TDRO的温度稳定度可由耦合系数 值以及晶体管反射相位随温度的变化率来确定 用于分析温度变化的电路 可得到振荡频率与功率的关系式 取导数得 上式可写为 实现对温度稳定的工作 需要 因此要求 10 2固定频率振荡器 10 2 6TDRO的调谐 1 机械调谐 该方法基于已知原理 DR的谐振频率对屏蔽是十分敏感的 换言之就是对接地板的靠近程度很敏感 将调谐螺钉从外壳顶部盖板伸到DR的正上方 当调谐螺钉的深度增加时 常用的TE01模式中的DR谐振频率提高 注意应小心地保持谐振器与调谐螺钉之间的距离至少为谐振器高度的0 5倍 以免DR的品质因数降低 介质谐振器的机械调谐 10 2固定频率振荡器 2 变容器调谐 在变容管调谐的TDRO中 微带线组合的变容管谐振频率在DR附近 该谐振电路通过与介质谐振器电磁耦合 形成一对互耦合的谐振电路 这样 通过调整偏压来改变变容管电容 从而调整DR的谐振频率 该DR两侧分别耦合于变容管微带线和50欧微带线 变容器调谐介质谐振器 变容器调谐对TDRO调频噪声的影响 10 2固定频率振荡器 3 光调谐 目前 微波器件和分系统的光学控制已成为一个迅速发展的研究领域 在TDRO中所用DR的谐振频率 如图所示可用光学手段来调整 在介质谐振器上面直接放上高电阻率硅一类的光敏材料 来自激光器或发光二极管的光经光纤照射在光敏材料上 改变其电导率并且微扰谐振器内部及周围的电磁场 扰动使TDRO的中心频率偏移 采用这种技术已实现X波段的调谐带宽超过0 1 介质谐振器的光调谐 10 2固定频率振荡器 10 2 7传输线谐振腔振荡器 如果优先考虑振荡器的尺寸 成本和集成能力 那么平面传输线谐振腔振荡器就是一种重要的结构设计 一个变容二极管能够被设计耦合于谐振腔的任意一端 谐振腔的线长度要求满足谐振条件 下图是一个窄带可调的压控微带谐振腔振荡器 提高谐振腔的值的一种方法是将谐振腔传输线的长度以半波长为单位进行增加来满足振荡条件 但谐振腔的长度也不能任意增加 它受到损耗增加的限制 微带谐振腔振荡器 10 3可调谐射频振荡器 常用的基本宽带可调振荡器有两种 电压可控的VCO和电流可控的YTO 为使调谐元件在所需频带内有一个具有负实部的阻抗 振荡器的设计需要首先确定图中的和 可调谐振荡器的等效电路表示 10 3可调谐射频振荡器 10 3 1YIG调谐振荡器 YIG调谐振荡器 YTO 通常作为能够同时满足带宽和低相位噪声的宽带信号源 它能工作在频率低达0 5GHz的电路中 图 a 是采用GaAsFET和双极型晶体管的YTO 图 b 是栅极和源极端口都用YIG球的电路图 这种振荡电路以结构复杂为代价 但能得到一个十倍频 2 20GHz YTO电路 10 3可调谐射频振荡器 下图为典型的YIG振荡器电路 基于YIG调谐元件的振荡器电路 无载品质因数为 其中为YIG小球的饱和磁化强度 为调谐振荡宽 小球的谐振频率由外加的偏置磁场决定 并联谐振电路中的电感值 由谐振条件 可得到电容 最后可求得电导 10 3可调谐射频振荡器 10 3 2压控振荡器 VCO 用来实现电子调谐的变容二极管可以是硅二极管 也可以是GaAs二极管 硅与GaAs之间的主要区别是 GaAs器件能实现较高Q值 这是由于对于给定掺杂级N GaAs的电阻率较低 其热阻也比硅器件的高 这使得GaAs器件的频率稳定时间比硅器件长得多 右图是采用双极型晶体管和硅突变结二极管的低噪声VCO结构 该振荡器在8GHz调谐带宽为8 在偏离载频100kHz处有低达210dBc的出色的相位噪声 变容管调谐的宽带双极型晶体管振荡器 10 3可调谐射频振荡器 下表对前面讨论的YIG调谐技术和变容管调谐技术的一些重要参数作了比较 变容管控制的振荡器与YIG调谐振荡器的比较 10 4频率合成器 10 4 1分频器 延时 采样 保持操作中的 保持 部分可以建模为一个其冲激响应为方脉冲的元件 而这个脉冲具有单位面积 且时间宽度为T秒 如图所示 这个元件正式的称呼为零阶 ZOH 它的传输函数可以表示为 其模为 相位为 因此时间的延时是 T 2s 零阶保持的冲激响应 10 4频率合成器 10 4 2带有静态模数的频率合成器 最简单的锁相环频率合成器用到了一个参考振荡器和两个分频器 下图是一个简单的改进模型 该频率合成器的输出可以表示为 改进的锁相环频率合成器 由上式可以看出该频率合成器的最小输出频率增量为 但是环路以的频率来比较相位 因此其速度是前一种结构的P倍 这使得对环路带宽的限制改进了P倍 锁相环也因此具有比原来快倍的P振荡 同样 的分频器也要快P倍 经典的锁相环频率合成器 10 4频率合成器 10 4 3带有抖动模数的频率合成器 解决频率合成器的频道间隔限制环路带宽问题的一种方法是在两个分频模数之间抖动 从而产生小于参考频率的频道间隔 如图所示 带有抖动模块的频率合成器 在这种设计中 分频器每K个VCO周期对压控振荡器输出用一个模数 称为N 1 分频 而在剩下的时间中用另一个模数 N 分频 其平均的除数因子为 其输出频率为 10 4频率合成器 10 4 4组合式频率合成器 如果将两个或者多个频率合成器的输出结合起来并提供一个额外的自由度也可获得需要的频率 但是这使得电路不仅变得复杂而且消耗能量 偏差频率合成器就是这种方法的一个应用结构 如图所示 带有偏差频率的频率合成器环路图 低通滤波器滤除了混频产生的和频率分量 所以 令得到 10 4频率合成器 10 4 5直接数字合成器 直接数字合成器包括一个累加器 一个只读存储器实现的查找表 带有积分输出暂存器 和一个数模转换器 DAC 累加器接收一个频率命令信号作为输入 然后在每一个时钟周期将输出信号频率增加这个数值 直到溢出并重新开始下一个循环 因此输出是一个锯齿波信号 直接数字频率合