微波电路课件雷震亚第9章射频微波振荡器

HMC594LC3BisanLNAthatdelivers10dBgain 3dBnoisefigure and 36dBmP3dBRFoutput Itishousedina3x3 mmleadlessceramicSMTpackage GaAsPHEMT TheHMC609LC4delivers20dBgain hasa3 5dBnoisefigure and 36 5dBmP3dBoutput housedina4x4 mmleadlessceramicSMTpackage Gainflatnessofbothdevicesis 0 2dBand 0 4dB Bothareavailableinchipformaswell Theyoperatefroma 6 VDCsupply TheyfeatureP1dBinputpowersashighas 11dBm noisefiguresaslowas7dB andgainoptionsfrom10to40dB 33to75GHz 第9章射频 微波振荡器 9 1振荡器的基本原理 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 1振荡器的基本原理 9 1 1振荡器的指标 射频 微波振荡器的主要技术指标是频率和功率 1 工作频率 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 应采取相应的补偿措施 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 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 只能采取恰当的方法降低 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 或ppm 描述 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 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 在振荡器内部增加稳压电路和滤波电容能改善这一指标 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 6 振动牵引 振荡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 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 f3或1 f2下降 振荡器的反馈环的环增益按1 f2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 fm PSSB fm Hz PC表示 可用频谱仪或相位噪声分析仪测量 PSSB fm Hz 是1 Hz 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 fm表示离开载频的边频 也是对载频的调制频率 故有时称作调频噪声 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 UnitIntervals 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 2 输出功率 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 Q 值 导致功率随温度变化而变化 因此 选用稳定的晶体管或采用补偿的办法 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 3 调谐范围 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0 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 图9 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 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 5 结构尺寸 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 9 1 2振荡器的原理 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 图9 2放大器和振荡器设计方框图 对于放大器设计来说 S11 和S22 都小于1 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 S11 和 22 均大于1 振荡条件可以表示为k 1 9 1 GS11 1 9 2 LS22 1 9 3 首先保证稳定系数都应该小于1 如果不满足这个条件 则应该改变公共端或加正反馈 其次 必须加无源终端 G和 L 以便使输入端口和输出端口谐振于振荡频率 我们可以证明 如果式 9 2 得到满足 则式 9 3 亦必定满足 反之亦然 换句话说 如果振荡器在一个端口振荡 它必然在另一个端口同时振荡 通常 因为仅接一个负载 因此大部分功率只供给一个端口 由于 G 和 L 均小于1 式 9 2 和式 9 3 就意味着 S11 1和 S22 1 假定端口1满足振荡条件则有 9 4 9 5 9 6 将式 9 6 展开 可得 GS11 D L G 1 S22 L L S22 D G 1 S11 G 同理 有 9 7 9 8 9 9 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 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 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 步骤二 根据电源选用半导体元件 设定晶体管的偏压条件 UCE IC 确定振荡频率下的晶体管的S参数 S11 S21 S12 S22 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 其中 S11S22 S12S21 9 11 步骤四 检查K值是否小于1 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 Zm Za Zf 9 12 图9 3有源器件与反馈电路的串联 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 L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 负载稳定圆 A b 振源稳定圆 C d 图9 4 s 1映射至 L平面的负载稳定圆 步骤六 设计一个谐振电路 一般使用并联电容Zs 将其反射系数Zs转换成 L1 并将其标记到 L1 1的圆图上 步骤七 检查 L1的值是否落在负载稳定圆外部与 L 1的单位圆内部的交叉斜线区域 如图9 5所示 若没有 则重选谐振电路的电容值 并重复步骤六直到符合步骤七的要求 图9 5振荡器设计图示 步骤八 根据计算得到的 L1值 选择一个接近新值 L1a 使其对应的阻抗值 ZL1a 的实数部分 Re ZL1a 等于输出负载阻抗 RL 步骤九 将新值 L1a经1 S11 映射转换成新值 s1a 并检查其绝对值是否小于所选定的 s1的绝对值 即较接近 s 1的圆心 如果符合起振条件 s1 s1a 如图9 5所示 取 步骤十 振荡器电路的实现分别将Zf Zs Im ZL1a 转成实际元件值 可选用电容 电感或传输线实现这些元件值 1 反馈电路 若选用电容 公式为若选用等效传输线 阻抗Z0 长度为 若选用电感 公式为若选用等效传输线 阻抗Z0 长度为 2 谐振电路 若选用电容 公式为 若选用等效传输线 阻抗Z0 长度为 若选用电感 公式为若选用等效传输线 阻抗Z0 长度为 3 输出负载匹配电路 若Im ZL1a 0 则选用并联电感或等效匹配传输线 9 1 3振荡器常用元器件 1 有源器件 用于射频 微波振荡器的有源器件及使用频段见表9 1 表9 1用于射频 微波振荡器的有源器件及使用频段 2 谐振器 用于射频 微波振荡器的谐振器及使用频段见表9 2 一般以振荡器的成本 指标来选择谐振器 表9 2用于射频 微波振荡器的谐振器及使用频段 3 振荡器 要把9 1 2节中的基本原理变成实际电路 应该了解振荡器的基本拓扑结构 图9 6给出了振荡器的四种基本连接形式 图 a 是射频 微波振荡器原始等效电路 振荡器供出能量等效为负阻 负载吸收能量是正电阻 这个电路对于各种振荡器都是有效的 只是在二极管振荡器中概念更直观 图 b 和图 c 用途最广 技术成熟 图 b 是栅极反馈振荡器 常用于变容管调谐和各种传输线谐振器振荡器 工作于串联谐振器的电感部分 图 c 是源极反馈振荡器 常用于YIG调谐 介质谐振器和传输线谐振器振荡器 工作于并联谐振器的电容部分 在微波频段 反馈电容C1就是器件的结等效电容 图 b 和图 c 实质上是相同的 只是调谐的位置不同 栅极起到谐振器与负载的隔离作用 图 d 是交叉耦合反馈电路 近代集成电路的发展使得低频电路的振荡器结构向射频 微波领域移植 图9 6振荡器电路 为了保证振荡器的输出功率和频率不受负载影响 也使振荡器有足够的功率输出 通常振荡器要加隔离放大器 如图9 7所示 图9 7振荡器的实际结构框图 4 振荡器的设计步 振荡器的设计步骤如下 步骤一 选管子 在工作频率上有足够的增益和输出功率 以手册为基础 步骤二 选拓扑结构 适当反馈 保证K1 步骤四 输入端谐振 使 GS 11 1 保证 S22 1 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 9 2集总参数振荡器 9 2 1设计实例 设计一个800MHz放大器 电源为12VDC 负载阻抗为50 晶体管AT41511的S参数如表9 3所示 UCE IC 25mA Z0 50 TA 25 表9 3参数表 设计过程如下 1 计算可得有源器件的原始k值为1 021 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1 设计可行 2 选用11 5pF 电容做谐振电路 设其内电阻为2 5 将其反射系数 s1经1 S22 映射公式转换成 L1 并标记到 L 1的史密斯圆图上 可得确实落于 s 1及 L 1的交叉区域 即稳定振荡区内 故可用 3 选定一接近值 L1a 以使得其对应的阻抗值ZL1a 50 j250 的实数部分Re ZL1a 50 等于输出负载阻抗RL 50 4 将新值 L1a经1 S11 映射转换成新值 s1a 其绝对值 0 878 确实小于原先选定的 s1的绝对值 0 914 符合起振条件 s1 s1a 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 nH 6 代入射频模拟软件分析验证 经 Mathcad分析 MicrowaveOffice 仿真结果如图9 所示 图9 8800MHz振荡器设计结构 9 2 2电路拓扑结构举例 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 图9 9晶体振荡器 图9 101 04GHz集成振荡器 图9 101 04GHz集成振荡器 图9 114GHz振荡器 9 3微带线振荡器 1 2GHz振荡器 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 S11 1 S22 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 图9 122GHz振荡器的管子参数和设计结果 2 同轴型介质谐振器振荡器 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 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 图9 13同轴介质谐振器 表9 4常用同轴介质谐振器 表9 4给出了不同介电常数的使用频段 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 Z0为谐振器的特性阻抗 R 为导体损耗 l为谐振器长度 如在450MHz 介电常数88条件下 可得Rp 2 5k 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 5 2 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 图9 14介质谐振器振荡器典型电路 0 5 2 5GHz 3 圆柱 方柱 介质谐振器FET振荡器 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 图9 15圆柱型介质谐振器 图9 164GHz介质振荡器 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 图9 17介质谐振器与微带线的耦合 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 图9 18各种微波介质振荡器 图9 19是一个14GHz微波振荡器实例 微封装后就像普通晶振一样使用 图9 1914GHz介质场效应振荡器 4 圆柱 方柱 介质谐振器二极管振荡器 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 图9 20X波段介质谐振器GUNN振荡器 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 图9 21X波段介质谐振器IMPATT振荡器 5 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 a 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 8mm 8mm 1 4mm HEMT器件FHR20X的UGS 0 3V UDS 2V IDS 10mA f0 28 7GHz P0 0 6dBm 图9 22微机械振荡器结构示意 图9 22微机械振荡器结构示意 图9 22微机械振荡器结构示意 9 4压控振荡器 VCO 9 4 1集总元件压控谐振电路 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 步骤一 选用电路结构 首先 计算K fmax fmin 若K1 4 两个变容二极管并联 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fmax和固定值电