第9章 射频微波振荡器--魏峰

1、射频射频/ /微波电路导论微波电路导论 2西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室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3西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室9.1.1 振荡器的指标振荡器的指标 射频射频/微波振荡器的主要技术指标是频率和功率。微波振荡器的主要技术指标是频率和功率。1. 工作频率工作频率 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。振荡频率绝对准确，是不可能的。

2、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。下列概念。 4西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室(1) (1) 频率精度。频率精度有绝对精度（频率精度。频率精度有绝对精度（HzHz）和相对精度）和相对精度（p

3、pmppm）两种表示方式。相对精度是最大频偏和中心频率的）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。比值。绝对精度是给定环境条件下的最大频偏。 (2) (2) 频率温漂。随着温度的变化，物质材料的热胀冷缩引频率温漂。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（数字或模拟微调）、恒温措施等，用指标MHz/MHz/或或

4、ppm/ppm/描述。描述。 (3) (3) 年老化率。随着时间的推移，振荡器的输出频率也会年老化率。随着时间的推移，振荡器的输出频率也会偏移，用偏移，用ppm/ppm/年描述。年描述。 (4) (4) 电源牵引。电源的纹波或上电瞬间会影响振荡器的频电源牵引。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率精度，也可看作电源的频率调谐，用用Hz/V表示。在振荡器表示。在振荡器内部增加稳压电路和滤波电容能改善这一指标。内部增加稳压电路和滤波电容能改善这一指标。 5西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室(5) (5) 负载牵引。在振荡器与负载紧耦合的情况下

5、，振负载牵引。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。隔离器或隔离放大器，减小负载的牵引作用。 (6) (6) 振动牵引。振荡器内谐振腔或晶振等频率敏感元振动牵引。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，用敏感性与元件的安装和固定有关，用Hz/gHz/g表示。表示。 (7) (7) 相位噪声。相位噪声是近代振荡器和微波频率合相位噪声。相位噪声是近代振荡

6、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。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，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因为振荡器含有饱和增益放大器和正反馈环路，故幅度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。均振荡频率有关。 6西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室用足够分辨率的频谱仪测量振荡器，噪声会使窄谱线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

7、宽，噪声按照的下端变宽，噪声按照1/f3或或1/f2下降。振荡器的反馈环下降。振荡器的反馈环的环增益按的环增益按1/f2而不是按谐振频率下降。而不是按谐振频率下降。1/f因子与器件因子与器件和谐振器的低频调制有关。相位噪声用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。表示，可用频谱仪或相位噪声分析仪测量。PSSB (fm)/Hz是是1 Hz带宽内的相位噪声功率。无论相位噪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。声功率的值。

8、fm表示离开载频的边频，也是对载频的调表示离开载频的边频，也是对载频的调制频率，制频率， 故有时称作调频噪声。故有时称作调频噪声。 7西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室在数字系统中，通常用时域抖动而不是相位噪声测量在数字系统中，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。其单位是皮零交叉时间的偏离，给出峰峰值和有效值。其单位是皮秒或秒或UI(Unit Intervals)UI(Unit Intervals)，UIUI是时钟的一部分，即是时钟的一部分，即UI=UI=抖动皮秒抖动皮秒/ /时钟一周。因为相位噪声给出了每一个频率时钟一周。因为相位噪

9、声给出了每一个频率调制载频的相位偏移，我们可以累加调制载频的相位偏移，我们可以累加360360内所有的相内所有的相位偏移，即得到位偏移，即得到UIUI。这与计算一个频率或时间的功率是。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，噪声与边频的关系就是抖动。用抖动的频域观点看，PLLPLL就是一个就是一个“频率衰减器频率衰减器”。PLLPLL反馈环的滤波器频带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越窄，调制频率越高，但这种频率和频带依赖关系是有

10、限的。相位噪声的估算公式为限的。相位噪声的估算公式为 8西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室9西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室2. 2. 输出功率输出功率 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功率输出，就会降低振荡器内谐振器的有载Q Q值，导致值，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。

11、为了降低振荡器的噪声，让振荡器输出功率本和噪声。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，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。的，还要保证频带内功率平坦度。 10西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室3. 3. 调谐范围调谐范围 对于可调谐振荡器，还有个调谐带宽指标。通常是指对于可调谐振荡器，还有个

12、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带可调振荡器( (如如10%)10%)，也有用中心频率的。调谐范围，也有用中心频率的。调谐范围对应变容管的电压范围或对应变容管的电压范围或YIGYIG的电流范围。为了维持振的电流范围。为了维持振荡范围内的高荡范围内的高Q Q特性，变容管的最小电压大于特性，变容管的最小电压大于0 0。调谐灵。调谐灵敏度的单位是敏度的单位是MHz/VMHz/V，一般地，调谐灵敏度不等于调谐，一般地，调谐灵敏度不等于调谐范围范围/ /电压范围。近似地，调谐灵敏度在中心频率的小电压范围。近

13、似地，调谐灵敏度在中心频率的小范围内测量。范围内测量。11西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-1 变容管的调谐特性超突变结突变结110C/pF110U/V12西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室 调谐灵敏度比是最大调谐灵敏度调谐灵敏度比是最大调谐灵敏度/ /最小调谐灵敏度。最小调谐灵敏度。在在PLLPLL的压控振荡器中，由于这个参数会影响到环路增的压控振荡器中，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，电容着电压的增

14、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。由图端灵敏度高，频率高端灵敏度低。由图9-19-1所示的变容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的调谐速度比YIG的调谐速度快得多。的调谐速度快得多。 13西安电

15、子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室4. 4. 供电电源供电电源 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。流。直流功率要有足够余量。 5. 5. 结构尺寸结构尺寸 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。能稳定工作。 14西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-2 放大器和振荡器设计方框图M2匹配网络双

16、口晶体管M1匹配网络放大器振荡器信号发生器负载负载M4匹配网络双口晶体管M3谐振器9.1.2 9.1.2 振荡器的原理振荡器的原理 振荡器设计与放大器设计很类似。可以将同样的晶体管、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同样的直流偏置电平和同样的一组S S参数用于振荡器设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，如图到放大器，如图9-2 9-2 所示。所示。 15西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室对于放大器设计来说，对于放大器设计来说，S11

17、和和S22都小于都小于1，可以用圆图来设计，可以用圆图来设计M1和和M2；而对于振荡器设计来说，为了产生振荡，；而对于振荡器设计来说，为了产生振荡，S11和和22均大于均大于1。振荡条件可以表示为。振荡条件可以表示为 k1 和和 |S22 |1。假定端口假定端口1 1满足振荡条件满足振荡条件则有则有 GS111GLLLLLLSDSSSSSSDSDSSSSSS22111122112112221122211211111111（9-4）（9-5）（9-6）17西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室将式（将式（9-69-6）展开，可得）展开，可得 G GS S1111 -D -D

18、L LG G=1-S=1-S2222L L L L (S (S2222-D-DG G)=1-S)=1-S1111G G同理同理，有有 GGLDSS22111（9-7）GGGGLLDSSSSDSSSSSS221122112211211222221111（9-8）（9-9）18西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室比较式（比较式（9-79-7）和式（）和式（9-99-9），得），得这就意味着，在端口这就意味着，在端口2 2也满足振荡条件。如两端口中也满足振荡条件。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

19、两个端口中的任一端口或同时出现在两个端口，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。但一般负载是在输出终端。 LS22119西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室9.1.3 9.1.3 振荡器常用元器件振荡器常用元器件 1. 1. 有源器件有源器件 用于射频用于射频/微波振荡器的有源器件及使用频段见表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 20西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室2. 2. 谐振器谐振器 用于射频用于射频/ /微波振荡器的谐振器及使用频段见表微

20、波振荡器的谐振器及使用频段见表9-29-2。一。一般以振荡器的成本、指标来选择谐振器。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 21西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室3. 3. 振荡器振荡器 要把要把9.1.2 9.1.2 节中的基本原理变成实际电路，应该了解振荡器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。图的基本拓扑结构。图9-69-6给出了振荡器的四种基本连接形式。图给出了振荡器的四种基本连接形式。图（a a）是射频）是射频/ /微波振荡器原始等效电路，振荡器供出能量等效微波振荡器原始等效电路，振荡器

21、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（是有效的，只是在二极管振荡器中概念更直观。图（b b）和图）和图（c c）用途最广，技术成熟。图（）用途最广，技术成熟。图（b b）是栅极反馈振荡器，常用）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（的电感部分。图（c c）是源极反馈振荡器，常用于）是源极反馈振荡器，常用于YIGYIG调谐、调谐、 介介质谐振器和传输线谐振器振荡器

22、，工作于并联谐振器的电容部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，反馈电容分。在微波频段，反馈电容C C1 1就是器件的结等效电容。图（就是器件的结等效电容。图（b b）和图（和图（c c）实质上是相同的，只是调谐的位置不同。栅极起到谐）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（振器与负载的隔离作用。图（d d）是交叉耦合反馈电路。近代集）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。微波领域移植。 22西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能

23、天线实验室室图 9-6 振荡器电路C2C1R0/G0Zg/rGC1L1(b)(a)(d)(c)23西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室为了保证振荡器的输出功率和频率不受负载影响，也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使振荡器有足够的功率输出，通常振荡器要加隔离放大器器， 如图如图9 - 7所示。所示。 图 9-7 振荡器的实际结构框图谐振器M1振荡晶体管Q1级间匹配M2放大晶体管Q2负载匹配M3RL24西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室4. 4. 振荡器的设计步振荡器的设计步 振荡器的设

24、计步骤如下：振荡器的设计步骤如下： 步骤一步骤一: : 选管子，在工作频率上有足够的增益和输出功选管子，在工作频率上有足够的增益和输出功率。率。( (以手册为基础以手册为基础) ) 步骤二步骤二: : 选拓扑结构，适当反馈，保证选拓扑结构，适当反馈，保证K1K1|1。 步骤四步骤四: : 输入端谐振，使输入端谐振，使G GS S1111=1=1，保证，保证|S|S2222|1|1。 还要注意，晶体管的偏置对特性影响很大，无论什么管子还要注意，晶体管的偏置对特性影响很大，无论什么管子 (HBJT(HBJT、FETFET、MMICMMIC等等) )，电路拓扑结构都一样。，电路拓扑结构都一样。 25

25、西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室9.2.1 9.2.1 设计实例设计实例 设计一个设计一个800MHz800MHz放大器。电源为放大器。电源为12V DC12V DC，负载阻抗为，负载阻抗为5050。晶体管晶体管AT41511AT41511的的S S参数如表参数如表9-39-3所示。所示。(U(UCECE= =，I IC C=25mA=25mA，Z0=50，TA=25) 表9-3 参 数 表 26西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室设计过程如下：设计过程如下： （1 1） 计算可得有源器件的原始计算可得有源器件的原始k k值为值为1.0211

26、.021，大于，大于1 1，需设计反馈电路。选用一个需设计反馈电路。选用一个18pF18pF的电容做反馈电路，经的电容做反馈电路，经公式计算后可得修正后的公式计算后可得修正后的k k值为值为-0.84-0.84，远小于，远小于1 1。设计。设计可行。可行。 （2 2）选用）选用11.5 pF11.5 pF电容做谐振电路，设其内电阻为电容做谐振电路，设其内电阻为2.5 2.5 ，将其反射系数，将其反射系数s1s1经经1/S1/S2222映射公式转换成映射公式转换成L1L1，并标记到并标记到|L L|=1|=1的史密斯圆图上，可得确实落于的史密斯圆图上，可得确实落于|s s| | 1 1及及|L

27、L|1|s1as1a| |。 （5 5）选用电感来设计输出负载匹配电路，经公式计）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算可得其值为50 nH50 nH。 （6 6）代入射频模拟软件分析验证。经）代入射频模拟软件分析验证。经MathcadMathcad分析，分析，Microwave OfficeMicrowave Office仿真结果如图仿真结果如图9 -9 -所示。所示。 28西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-8 800 MHz振荡器设计结构 (a)(b)20.0015.8011.607.403.201.000.000.200.400.600.

28、801.001.201.401.60FREQGHzdB|S11|cktOsc_a41511 29西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室9.2.2 9.2.2 电路拓扑结构举例电路拓扑结构举例 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。图经验预选的，可代入公式验证。图9-9、 图图 9-10 和图和图9-11 给出了几个典型电路供参考。给出了几个典型电路供参考。 图 9-9 晶体振荡器15 k15 kC1C2C32.2 k2N5179输 出C1/pFC2/pFC3/pFCL/pF3 MHz 6 MHz

29、 10 MHz 20 MHz 30 MHz33027018082434303602201206839434336323232302015CL 12 V30西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-10 1.04 GHz集成振荡器7812SAW100 nF47 F100 nFRFC410 43 nH43 nH2, 341 nF1 nF1OM 345MSAO135-221.2 pF(a)1 nF5.6 pF3.6 pF3.6 pF4.3 pF31西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-10 1.04 GHz集成振荡器UDD5 V2 nH2 nH

30、100 pF0.1 pF0.01 nH4 pF4 pF4 pF4 pF0.1 nH100 pF0.1 nH0.01 nH0.71 pFOutput0.1 pFUg3.2 VGDSDGS(b)4.2 pF0.78200820032西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室1. 2 GHz1. 2 GHz振荡器振荡器 双极结晶体管的参数和电路设计结果如图双极结晶体管的参数和电路设计结果如图 9-129-12所示。电所示。电感感L LB B的加入，可保证振荡稳定。可以验算，的加入，可保证振荡稳定。可以验算，|S|S1111|1|1， |S|S2222|1|1。电容。电容C C与管子

31、引线电感构成谐振回路，电容与管子引线电感构成谐振回路，电容C C可以可以用变容管、用变容管、YIGYIG或介质谐振器代替或介质谐振器代替，来构成不同功能的振荡器。来构成不同功能的振荡器。微带线是阻抗变换网络。微带线是阻抗变换网络。 33西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-12 2GHz振荡器的管子参数和设计结果C 20 pF0.5 nH100 HP2001L 0.6230LB/812100 /850 S22 1.01 17S12 0.01398S21 1.90 28S11 0.94174k 0.09LB 01.05 180.0431532.00 301.0417

32、3 0.83LB 0.5 nH34西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室2. 2. 同轴型介质谐振器振荡器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。图荡器。图9 - 12 9 - 12 所示振荡器中的电容所示振荡器中的电容C C的位置可以用介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。的频率稳定性。 如图如图9 - 13 9 - 13 所示是四分之一波长的内圆外方同轴谐所示是四分之一波长的内圆外方同轴谐振器。圆柱套

33、型高介电常数的陶瓷介质内外表面有金属振器。圆柱套型高介电常数的陶瓷介质内外表面有金属导体导体，引脚端开路引脚端开路，另一端短路。谐振器的边长与内径另一端短路。谐振器的边长与内径满足高满足高Q条件。条件。 35西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-13 同轴介质谐振器L14.521.510.5232.50.1R160.13B0.1LDd36西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室表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。 37西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室同型介质谐振器等效为一个并联谐

34、振回路。谐振时的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等效电阻为式中，式中，Z Z0 0为谐振器的特性阻抗，为谐振器的特性阻抗，R R* *为导体损耗，为导体损耗，l l为为谐振器长度。如在谐振器长度。如在450MHz450MHz、介电常数、介电常数8888条件下，可得条件下，可得R Rp p=2.5k=2.5k。 图图9-14 9-14 给出了使用这种谐振器的振荡器典型电路。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，可以工作在变换谐振器尺寸，可以工作在0.50.52.5GHz2.5GHz频率范围。频率范围。变容管调谐可以在一定范围内实现压控振荡器变容管调谐可以在

35、一定范围内实现压控振荡器(VCO)(VCO)。 lRZRP*20238西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室3. 3. 圆柱（方柱）介质谐振器圆柱（方柱）介质谐振器FETFET振荡器振荡器 如图如图9-159-15所示，圆柱型介质可以等效为一个并联谐振器。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将这个振荡器放入前述4GHz振荡器中振荡器中，可得图可得图9-16所示介所示介质振荡器。质振荡器。 39西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-15 圆柱型介质谐振器LCf21res02ZRLRQ ext111QQQULLRQUGe

36、xt RLQLRQ Gext(无 载Q)(串 联 谐 振 )(并 联 谐 振 )RC或L40西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-16 4GHz介质振荡器RGDRLEAT414000LBRt|S22| 100l41西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室介质谐振器与微带电路的耦合参见图介质谐振器与微带电路的耦合参见图9-179-17。调节谐振。调节谐振器的三维位置就可改变耦合量。器的三维位置就可改变耦合量。 42西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-17 介质谐振器与微带线的耦合介质基板微带支撑hDR盒体zd4gL

37、Wn1n2LLDSsslr43西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图图9 - 189 - 18给出各种介质谐振器的安装拓扑。微波场效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应振荡器的技术成熟于2020世纪世纪80年代年代， 目前已在各类微目前已在各类微波系统中得到使用。波系统中得到使用。 44西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-18 各种微波介质振荡器dsg97 dBc/Hz（10 kHz),8.5 GHz88 dBc/Hz (10 kHz), 6 GHzgds94 dBc/Hz (10 kHz), 6 GHzdsgds

38、g91 dBc/Hz (10 kHz), 6 GHzsdggds90 dBc/Hz (10 kHz), 7.2 GHzsg100 dBc/Hz (10 kHz), 7.2 GHz94 dBc/Hz (10 kHz), 12 GHzgsdd45西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图图9 - 19 是一个是一个14 GHz微波振荡器实例微波振荡器实例，微封装后就微封装后就像普通晶振一样使用。像普通晶振一样使用。 图 9-19 14GHz介质场效应振荡器 D RD RGDSO U TGDSO U TD RO U TGDS(a)(b)46西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实

39、验学智能天线实验室室4. 4. 圆柱（方柱）介质谐振器二极管振荡器圆柱（方柱）介质谐振器二极管振荡器 图图9-209-20是介质谐振器与体效应二极管振荡器结合的实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际结构，这个电路也是成熟振荡器，用途广泛。用途广泛。 47西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-20 X波段介质谐振器GUNN振荡器介质谐振器DL偏置50 微带线RF盒体X介质基板GUNN管48西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图图 9 - 21 是介质谐振器与雪崩管振荡器结合的实例是介质谐振器与雪崩管振荡器结

40、合的实例， 这是一个频带反射式振荡器。这是一个频带反射式振荡器。 图 9-21 X波段介质谐振器IMPATT振荡器负载基波DR耦合线IMPATT管二次谐波器DRRF49西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室5. 微机械振荡器微机械振荡器为了实现为了实现K波段以上的振荡器，近年发展起来一种微波段以上的振荡器，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，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，性能稳定将图体积小，性能稳定将图9-22（a）中的介质谐振器换成图）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）所示的结构就得到

41、微机械谐振器。图 (c) 是微机械是微机械谐振器电路的尺寸，电路外形尺寸为谐振器电路的尺寸，电路外形尺寸为6.8 mm8 mm1.4mm。HEMT器件器件FHR20X的的UGS=-0.3V，UDS=2V，IDS=10mA，f0=28.7GHz，P0=0.6dBm。 50西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-22 微机械振荡器结构示意(b)RF谐 振 器RF负 载D R正 反 馈匹 配 网 络(a)51西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室50 2 mm950 m800 mZresres500 m3.9 m1025 m200 m(c)350 m

42、图 9-22 微机械振荡器结构示意52西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室(d) 负载匹配RF6.8 mmHEMT器件8 mm谐振器图 9-22 微机械振荡器结构示意53西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室9.4.1 集总元件压控谐振电路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图9 - 23 所示。其设计步骤如下所示。其设计步骤如下: 步骤一步骤一: 选用电路结

43、构。首先，计算选用电路结构。首先，计算K=fmax/fmin: 若若K1.4，两个变容二极，两个变容二极管并联。管并联。 步骤二步骤二: 确定确定VCO电路使用场合。若单独应用，则需要使电路使用场合。若单独应用，则需要使用微调电容来调整用微调电容来调整fmax和固定值电容来增加温度补偿和固定值电容来增加温度补偿; 若用于若用于锁相环，一般情况下，可以不用微调电容与固定电容。锁相环，一般情况下，可以不用微调电容与固定电容。54西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室步骤三步骤三: : 估算等效谐振电容估算等效谐振电容C Cr r。 Cr=固定电容可调电容有源元件等效电容离散固

44、定电容可调电容有源元件等效电容离散电容。电容。 等效谐振电容也可以利用表 9-5 估算。表9-5 等效谐振电容估算表 55西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室图 9-23 VCO谐振电路RUtCsCv31LCrAC GND56西安电子科技大西安电子科技大学智能天线实验学智能天线实验室室步骤四步骤四: : 计算最大调整电容计算最大调整电容C CTmaxTmax。 C CTmaxTmax=(K=(K2 2-1-1) )C Cr r+K+K2 2C Cminmin 其中其中K K与与C Cr r的值可由步骤一与步骤三获得，而的值可由步骤一与步骤三获得，而C Cminmin 可可由厂商提供的变容二极管的元件资料中取得，且其对应由厂商提供的变容二极管的元件资料中取得，且其对应的最大电容值的最大电容值C Cmaxmax必须比最大调整电容必须比最大调整电容C CTmaxTmax稍大些。稍大些。步骤五步骤五: : 计算谐振电感计算谐振电感L L。也可以参考表也可以参考表 9-6 9-6 来选定谐振电感值，以避免选用来选定谐振电感值，以避免选用的变