射频微波振荡器.doc

Gain flatness of both devices is 0.2 dB and 0.4 dB. Both are available in chip form as well. They operate from a +6-VDC supplymm leadless Qeramic SMT packageHMC594LC3B is an LNA that delivers 10 dB gain, 3 dB noise figure, and +36 dBm P3dB RF output. It is housed in a 3 x 3- mm leadless ceramic SMT packageThe HMC609LC4 delivers 20 dB gain, has a 3.5 dB noise figure, and +36.5 dBm P3dB output,housed in a 4 x 4-33 to 75 GHzThey feature PldB input powers as high as +11 dBm, noise figures as low as 7 dB, and gain options from 10 to 40 dB第9章射频/微波振荡器潼9.1振荡器的基本原理 墓 9.2集总参数振荡器 9.3微带线振荡器 9.4压控振荡器（VCO)9.5变容管倍频器9. I振荡器的基本原理蠤9.1.1振荡器的指标蠤射频/微波振荡器的主要技术指标是频率和功率。I.工作频率蠤振荡器的输出信号基本上就是一个正弦信号。要 做到振荡频率绝对准确,是不可能的。频率越高,误差越 大。影响频率的因素很多,如环境温度、内部噪声、元 件老化、机械振动、电源纹波等。实际设计中,针对指 标侧重点,应釆取相应的补偿措施。调试中，也要有经验 和技巧,才能达到一定的频率指标。关于频率经常会遇 到下列概念。(1)频率精度。频率精度有绝对精度（Hz)和相对精 度（ppm)两种表示方式。相对精度是最大频偏和中心频率 的比值。绝对精度是给定环境条件下的最大频偏。蠤(2)频率温漂。随着温度的变化，物质材料的热胀冷缩 引起的尺寸变化会导致振荡器的频率偏移，这种频偏是不可 避免的，只能釆取恰当的方法降低。常用的方法有：温度 补偿（数字或模拟微调）、恒温措施等，用指标MHz/C或 ppm/C描述。萬(3)年老化率。随着时间的推移，振荡器的输出频率也 会偏移，用ppm/年描述。萬(4)电源牵引。电源的纹波或上电瞬间会影响振荡器 的频率精度，也可看作电源的频率调谐,用Hz/V表示。在振 荡器内部搏加稳压电路和滤波电容能改善这一指标。丫(5)负载牵引。在振荡器与负载紧耦合的情况下， 振荡频率会受到负载的影响，使负载与振荡器匹配，增 加隔离器或隔离放大器，减小负载的牵引作用。蠤(6)振动牵引。振汤器内谐振腔或晶振等频率敏 感元件随机械振动的形变，会影响振荡器的输出频率。 振动敏感性与元件的安装和固定有关，用Hz/g表示。蠤(7)相位噪声。相位噪声是近代振荡器和微波频率合成器的关键指标。它是输出信号的时域抖动的频 域等效。相位噪声、调频噪声和抖动是同一问题的不 同表达方式，因为振荡器含有饱和增益放大器和正反馈 环路,故幅度噪声增益和相位噪声增益都有限。幅度和 相位变化与平均振荡频率有关。用足够分辨率的频谱仪测量振荡器,噪声会使窄谱 线的下端变宽,噪声按照1/3或1/2下降。振荡器的反馈 环的环增益按1/2而不是按谐振频率下降。1/f因子与器 件和谐振器的低频调制有关。相位噪声用L(/m)=(PSSB (ZmVHzype表示,可用频谱仪或相位噪声分析仪测量。 Pssb (L)/鋳Hz銲是I銲Hz銲带宽内的相位噪声功率。 无论相位噪声接近噪声本底还是一个噪声包络,都能清 晰地表征噪声功率的值。人表不尚开载频的边频,也是 对载频的调制频率,故有时称作调频噪声。蠤在数字系统中，通常用时域抖动而不是相位噪声测 量零交叉时间的偏离，给出峰峰值和有效值。其单位是 皮秒或UI (Unit Intervals), UI是时钟的一部分，即 UI=抖动皮秒/时钟一周。因为相位噪声给出了每一个 频率调制载频的相位偏移，我们可以累加360内所有 的相位偏移，即得到UI。这与计算一个频率或时间的功 率是等效的。通信系统对某个频率的抖动更敏感，所以相位噪声与边频的关系就是抖动。用抖动的频域观点 看，PLL就是一个频率衰减器。PLL反馈环的滤波器频带越窄，调制频率越高，但这种频率和频带依赖关系是 有限的。相位噪声的估算公式为蠤2.输出功率蠤功率是振荡器的又一重要指标。如果振荡器有足 够的功率输出，就会降低振荡器内谐振器的有载婷Q婷 值，导致功率随温度变化而变化。因此，选用稳定的晶 体管或釆用补偿的办法，也可增加稳幅电路。这样，又 会增加成本和噪声。为了降低振荡器的噪声，让振荡器 输出功率小一些，可降低谐振器的负载，增加一级放大 器，以提高输出功率。通常，振荡器的噪声比放大器的 噪声大，故功率放大器不会增加额外噪声。如果振荡器 是可调谐的，还要保证频带内功率平坦度。蠤3.调谐范围蠤对于可调谐振荡器，还有个调谐带宽指标。通常是 指调谐的最大频率和最小频率，而不谈中心频率，对于 窄带可调振荡器（如10%)，也有用中心频率的。调谐范 围对应变容管的电压范围或YIG的电流范围。为了维持 振荡范围内的高Q特性，变容管的最小电压大于O。调谐 灵敏度的单位是MHz/V，一般地，调谐灵敏度不等于调 谐范围/电压范围。近似地，调谐灵敏度在中心频率的 小范围内测量。I10U/V9-1变容管的调谐特性调谐灵敏度比是最大调谐灵敏度/最小调谐灵敏 度。在PLL的压控振荡器中，由于这个参数会影响到环 路增益，因而特别重要。在低电压时，变容管电容最 大，随着电压的增加，电容很快达到最大值。低电压时， 电容的大范围变化会引起频率的范围变化大，意味着频 率低端灵敏度高，频率高端灵敏度低。由图9-1所示的 变容管的调谐特性可知，超突变结比突变结变容管调谐 线性好，设计中要选线性好的一段并使调谐电压放大到 合适的范围。调谐时间是最大调谐范围所用的时间。 变容管的调谐速度比YIG的调谐速度快得多。4.供电电源蠤供电电源是保证振荡器安全工作时所需的电源电压和 电流。直流功率要有足够余量。蠤5.结构尺寸蠤振荡器的外形结构和安装尺寸受使用场合的限制。在 给定的安装条件下，应合理布局电路，考虑散热，使振荡器 能稳定工作。蠤9. I. 2振荡器的原理蠤振荡器设计与放大器设计很类似。可以将同样的晶体 管、同样的直流偏置电平和同样的一组S参数用于振 荡器设计，对于负载来说，并不知道是被接到振荡器，还是 被接到放大器，如图9-2所示。蠤负载放大器负载振荡器对于放大器设计来说,S1/和S2V都小于I,可以用圆图 来设计M1和M2;而对于振荡器设计来说,为了产生振 荡,S1/和均大于I。振荡条件可以表示为klo假定端口 I满足振荡条件(9-4)则有0IiiiG11DT1Ii22-I-S(9-5)22-苜曰曰22_11I2Co U 2 COSI 一 -IQ I1H1-G22-将式（9_6)展开，可得 硓硓 r Gsn 挪-D r L r G=i-s22 r L 銲潼rL (S22-DTg) =I-S11Tr = I-从 L S22-DTg同理,有潼o _ o , 1221 _ S22 -DTgO O I1-5乃 I-1 I 二 I-仏 22 S 22DTg(9-7)(9-8)比较式（9-7)和式（9-9)，得这就意味着，在端口2也满足振荡条件。如两端口 中任一端口发生振荡，则另一端口必然同样振荡，负载 可以出现在两个端口中的任一端口或同时出现在两个 端口，但一般负载是在输出终端。蠤根据上述理论，可以依下列步骤利用S参数来 设计一个振荡器。萬步骤一:确定振荡频率与输出负载阻抗。一般射频 振荡器的输出负载阻抗为50 Q銲。步骤二：根据电源选用半导体元件，设定晶体管的 偏压条件(UeE，Ic),确定振荡频率下的晶体管的S参数 (S11, S21, S12, S22)。萬步骤三：将所获得的S参数代入下列公式以计算出 稳定因子K的值。步骤四：检查K值是否小于I。若K值不够小，可使 用射极或源极增加反馈电路来降低K值，如图9-3所 示。图中，球Zm = Za + Zf(9 _ 12)O-O-端口有淤 电路ZJ步骤五：利用下列公式计算出负载稳定圆的圆心A 与半径b，并绘出以，为参量的史密斯圆，如图9-4所 示。同理，亦可计算出振源稳定圆的圆心C与半径d。萬负载稳定圆：|r-A|=b | rsla|，如图 9-5所不，取步骤十：振荡器电路的实现分别将z, Zua转成实际元件值，可选用电容、 线实现这些元件值。蠤(I)反馈电路:墓若选用电容,公式为Q=丄2|Z/若选用等效传输线(阻抗Zo),长度为nz/i)O = arc cot Z0V 0 JZs、Im錚电感或传输若选用电感，公式为Z20若选用等效传输线（阻抗ZO - arctan(2)谐振电路:墓ZZ0若选用电容，公式为若选用等效传输线（阻抗Z。)，6 = arc cot(若选用电感,公式为ZsZ0S 20若选用等效传输线（阻抗z(Zs6 = arctan(-)Zq长度为长度为(3)输出负载匹配电路:蠤若Im 传输线：LlaCiO，则选用串联电容或等效匹配I20，则选用并联电感或等效匹配ImZz21。蠤步骤四：输入端谐振，使FeSmi, =1，保证Is22, |lo还要注意，晶体管的偏置对特性影响很大，无论什么管 子(HBJT. FET、MMIC等)，电路拓扑结构都一样。蠤9. 2集总参数振荡器蠤9. 2. I设计实例蠤设计一个80(MHz放大器。电源为12V DC，负载阻抗 为500。晶体管AT41511的S参数如表9-3所示。（UeE= 8 V, Ic=25mA,Z0=50 Q , TA=25C 銲)蠤表9-3参数表/GHzS11S212S220. 50. 49-15312. 7980. 030500. 42-350. 60. 48-15910. 7940. 034520. 39-350. 70. 48-1639. 3900. 037530 38350. 80. 47 1678. 2870. 040550. 37-360. 90. 47-1707. 3850. 044560. 36-371. 00. 47-1716. 6820. 047570. 37-38I. 50. 441774. 971 0. 065590. 40422. 00. 411633. 4610. 083580. 42-45设计过程如下：蠤(1)计算可得有源器件的原始k值为I.021，大于1， 需设计反馈电路。选用一个18pF的电容做反馈电路，经 公式计算后可得修正后的k值为-0. 84，远小于I。设计 可行。琲蠤(2)选用11.5 pF銲电容做谐振电路，设其内电阻为 2.5 Q，将其反射系数rsl经1/S22映射公式转换成 r L1,并标记到I r LI =1的史密斯圆图上，可得确实落于 I rsK I及I r J| rsla|。蠤(5)选用电感来设计输出负载匹配电路，经公式 计算可得其值为50銲nH銲。蠤(6)代入射频模拟软件分析验证。经鋳Mathcad 分析，Microwave Office鋳仿真结果如图9 - 8所示。nHarm：10 Freq ： 800MHzFREQGHz FREQSingle ToneNHW008:J2-s06 p:2 一 Zi08 2SPS: siMXNTUHdoooIQ.05OZioos: J2p06ujW2:z I-CslJPISL )IF151Uso=pIIISIaP9.2.2电路拓扑结构举例蠤从上例可以看出，振荡器的设计有许多元件是根据 经验预选的，可代入公式验证。图9-9、图9-10和图9- 11给出了几个典型电路供参考。M2 V15 kQ出输3 MHz6 MHzIOMHz20 MHz30 MHz(VPF3302701808243C2ZpF43036022012068C3ZpF3943433632(VpF3232302015(b)OSC0.5 nH AT4140 11.9 nH 6.0 nHXRAT4140112) C=2.06PFjiS11 OSC = 0.637Z44.5 C=IMpFJ11 OSC = 1.161Z-5.59. 3微带线振荡器蠤I.2 GHz振荡器蠤双极结晶体管的参数和电路设计结果如图9-12所 示。电感Lb的加入，可保证振荡稳定。可以验算，IS1/ |1，IS2/ |1。电容C与管子引线电感构成谐振回路， 电容C可以用变容管、YIG或介质谐振器代替,来构成不 同功能的振荡器。微带线是阻抗变换网络。蠤Zg=OZB=0.5 nHSu = OMZllA01.04Z1730.V21 = IOZ-282.00Z-30010 = O.013Z9800.043 Z153S22=IMZ-IT1.05Z-180众=0.09-0.83C=20 pF：HP2001100 Q M -CZhB0.5 nH50 QrL=0.62Z30c2.同轴型介质谐振器振荡器蠤在微波低端，近年大量使用同轴型介质谐振器制作 振荡器。图9 - 12所示振荡器中的电容C的位置可以 用介质谐振器代替，重新设计其他元件，这样能提高振 荡器的频率稳定性。球萬如图9 - 13所示是四分之一波长的内圆外方同轴 谐振器。圆柱套型高介电常数的陶瓷介质内外表面有 金属导体,引脚端开路,另一端短路。谐振器的边长与内 径满足高Q条件。L2.50.1IT)寸.Vi0.5細.1表9-4给出了不同介电常数的使用频段。蠤蠤表9 - 4常用同轴介质谐振器蠤相对介电常数213888长度/ mm16. 6./12. 6/8.8/温度系数/(ppm/c)106. 58. 5温度系数（可能值）3 +123+ 12_ 3+12典型Q值800500400适应频率/GHzI 4. 50. 82. 50. 4I. 5同型介质谐振器等效为一个并联谐振回路。谐振 时的等效电阻为式中，Zc3为谐振器的特性阻抗，R*为导体损耗，I为谐 振器长度。如在450MHz、介电常数88条件下，可得 Rp=2.5kQ。蠤图9-14给出了使用这种谐振器的振荡器典型电 路。变换谐振器尺寸，可以工作在0. 52. 5GHz频率范 围。变容管调谐可以在一定范围内实现压控振荡器 (VCO)。蠤1000 pF7773 dBm777/7Zi +5V 1000 pF-5 V9-14介质谐振器振荡器典型电路（0.52. 5GHz)3.圆柱（方柱）介质谐振器FET振荡器蠤如图9-15所示，圆柱型介质可以等效为一个并联谐振 器。将这个振荡器放入前述4GHz振荡器中，可得图9-16所示介质振荡器。蠤0eXt= (串联谐振 或axt=f|-(并联谐振OLRCOAT414000rvrv a-W-lG?22|100DRO介质谐振器与微带电路的耦合参见图9-17。调节 谐振器的三维位置就可改变耦合量。蠤介质基板微带支撑图9 - 18给出各种介质谐振器的安装拓扑。微波 场效应振荡器的技术成熟于20世纪80年代，目前已在各 类微波系统中得到使用。蠤m97 dBc/Hz (IOkHz), 8.5 GHzIgh-d488 dBc/Hz (10 kHz), 6 GHz O91 dBc/Hz (10 kHz), 6 GHzOO90 dBc/Hz (10 kHz), 7.2 GHz94 dBc/Hz (10 kHz), 12 GHz100 dBc/Hz (10 kHz), 7.2 GHz图9 - 19是一个14 GHz微波振荡器实例,微封装后 就像普通晶振一样使用。GOUT-SrOUTD I IoOUTX(b)4.圆柱（方柱）介质谐振器二极管振荡器墓图9-20是介质谐振器与体效应二极管振荡器结合 的实际结构，这个电路也是成熟振荡器，用途广泛。蠤介质谐振器RP图9 - 21是介质谐振器与雪崩管振荡器结合的实例 这是一个频带反射式振荡器。基波DR5.微机械振荡器为了实现K波段以上的振荡器,近年发展起来一种微机械谐振器。它把微带谐振线做在一种特制材料薄 膜上,体积小,性能稳定将图9-22 Ca)中的介质谐振器 换成图（b)所示的结构就得到微机械谐振器。图（C) 是微机械谐振器电路的尺寸，电路外形尺寸为6.8 mmX8 mmX1.4 mm。HEMT器件FHR20X的UGS=-0.3 V,銲UDS=2VJ亨IDs=IOmAj0=SSJGHz, P0=0.6dBm。匹配网络RF(d)9.4压控振荡器（VCO) S9.4.1集总元件压控谐振电路蠤用变容二极管取代谐振回路中的部分电容,即可将振荡 器修改成压控振荡器，这是常用的方法。修改后的谐振电路 如图9-23所示。其设计步骤如下:蠤步骤一：选用电路结构。首先，计算K=/max/nin:若K1.4,两个变容二极 管并联。蠤步骤二:确定VCO电路使用场合。若单独应用,则需要使 用微调电容来调整/max和固定值电容来增加温度补偿；若用 于锁相环,一般情况下，可以不用微调电容与固定电容。步骤三：估算等效谐振电容Cp蠤 Cf固定电容+可调电容+有源元件等效电容+离 散电容。蠤等效谐振电容也可以利用表9-5估算。7t 人卜Ji I ,Iv IIIICsL jAC GND表9_5等效谐振电容估算表墓VCO输出频率 /MHz有源元件与离散等效电容的 估算值/pF常用可调电容 /pF0. I 0.515100. 53010530 10055100200432001000I3I2步骤四：计算最大调整电容CTmax。硓硓CTmax= (K2.C1JK2 .Cmin銲跡球球其中K与C1的值可由步骤一与步骤二获得，而CminI亦 可由厂商提供的