微波电路西电雷振亚老师的课件9章射频微波振荡器市公开课金奖市赛课一等奖课件

HMC594LC3BisanLNAthatdelivers10dBgain,3dBnoisefigure,and+36dBmP3dBRFoutput.Itishousedina3x3-mmleadlessceramicSMTpackageGaAsPHEMTTheHMC609LC4delivers20dBgain,hasa3.5dBnoisefigure,and+36.5dBmP3dBoutput,housedina4x4-mmleadlessceramicSMTpackageGainflatnessofbothdevicesis±0.2dBand±0.4dB.Bothareavailableinchipformaswell.Theyoperatefroma+6-VDCsupply第1页第1页TheyfeatureP1dBinputpowersashighas+11dBm,noisefiguresaslowas7dB,andgainoptionsfrom10to40dB33to75GHz第2页第2页第3页第3页第4页第4页第9章

射频/微波振荡器

9.1振荡器基本原理

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变容管倍频器第5页第5页9.1振荡器基本原理

9.1.1振荡器指标 射频/微波振荡器主要技术指标是频率和功率。

1.工作频率 振荡器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,是不也许。频率越高,误差越大。影响频率原因诸多,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,应采用相应补偿办法。调试中,也要有经验和技巧,才干达到一定频率指标。关于频率经常会碰到下列概念。第6页第6页

(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比值。绝对精度是给定环境条件下最大频偏。

(2)频率温漂。伴随温度改变,物质材料热胀冷缩引起尺寸改变会造成振荡器频率偏移,这种频偏是不可避免,只能采用恰当办法减少。惯用办法有：温度补偿（数字或模拟微调）、恒温办法等,用指标MHz/℃或ppm/℃描述。

(3)年老化率。伴随时间推移,振荡器输出频率也会偏移,用ppm/年描述。

(4)电源牵引。电源纹波或上电瞬间会影响振荡器频率精度,也可看作电源频率调谐,用Hz/V表示。在振荡器内部增长稳压电路和滤波电容能改进这一指标。

第7页第7页 (5)负载牵引。在振荡器与负载紧耦合情况下,振荡频率会受到负载影响,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形变,会影响振荡器输出频率。振动敏感性与元件安装和固定相关,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关键指标。它是输出信号时域抖动频域等效。相位噪声、调频噪声和抖动是同一问题不同表示方式,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。幅度和相位改变与平均振荡频率相关。第8页第8页

用足够分辨率频谱仪测量振荡器,噪声会使窄谱线下端变宽,噪声按照1/f3或1/f2下降。振荡器反馈环环增益按1/f2而不是按谐振频率下降。1/f因子与器件友好振器低频调制相关。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1Hz带宽内相位噪声功率。无论相位噪声靠近噪声本底还是一个噪声包络,都能清楚地表征噪声功率值。fm表示离开载频边频,也是对载频调制频率,故有时称作调频噪声。第9页第9页

在数字系统中,通惯用时域抖动而不是相位噪声测量零交叉时间偏离,给出峰峰值和有效值。其单位是皮秒或UI(UnitIntervals),UI是时钟一部分,即UI=抖动皮秒/时钟一周。由于相位噪声给出了每一个频率调制载频相位偏移,我们能够累加360°内所有相位偏移,即得到UI。这与计算一个频率或时间功率是等效。通信系统对某个频率抖动更敏感,因此相位噪声与边频关系就是抖动。用抖动频域观点看,PLL就是一个“频率衰减器”。PLL反馈环滤波器频带越窄,调制频率越高,但这种频率和频带依赖关系是有限。相位噪声估算公式为第10页第10页第11页第11页 2.输出功率 功率是振荡器又一主要指标。假如振荡器有足够功率输出,就会减少振荡器内谐振器有载Q值,造成功率随温度改变而改变。因此,选取稳定晶体管或采用补偿办法,也可增长稳幅电路。这样,又会增长成本和噪声。为了减少振荡器噪声,让振荡器输出功率小一些,可减少谐振器负载,增长一级放大器,以提升输出功率。通常,振荡器噪声比放大器噪声大,故功率放大器不会增长额外噪声。假如振荡器是可调谐,还要确保频带内功率平坦度。

第12页第12页 3.调谐范围 对于可调谐振荡器,尚有个调谐带宽指标。通常是指调谐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。调谐范围相应变容管电压范围或YIG电流范围。为了维持振荡范围内高Q特性,变容管最小电压不小于0。调谐灵敏度单位是MHz/V,普通地,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小范围内测量。第13页第13页图9-1变容管调谐特性第14页第14页

调谐灵敏度比是最大调谐灵敏度/最小调谐灵敏度。在PLL压控振荡器中,由于这个参数会影响到环路增益,因而尤其主要。在低电压时,变容管电容最大，伴随电压增长,电容不久达到最大值。低电压时,电容大范围改变会引起频率范围改变大,意味着频率低端灵敏度高,频率高端灵敏度低。由图9-1所表示变容管调谐特性可知,超突变结比突变结变容管调谐线性好,设计中要选线性好一段并使调谐电压放大到适当范围。调谐时间是最大调谐范围所用时间。变容管调谐速度比YIG调谐速度快得多。

第15页第15页 4.供电电源 供电电源是确保振荡器安全工作时所需电源电压和电流。直流功率要有足够余量。

5.结构尺寸 振荡器外形结构和安装尺寸受使用场合限制。在给定安装条件下,应合理布局电路,考虑散热,使振荡器能稳定工作。

9.1.2振荡器原理 振荡器设计与放大器设计很类似。能够将同样晶体管、同样直流偏置电平和同样一组［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所表示。第16页第16页图9-2放大器和振荡器设计方框图第17页第17页

对于放大器设计来说,S11′和S22′都小于1,能够用圆图来设计M1和M2；而对于振荡器设计来说,为了产生振荡,S11′和Ｓ22′均不小于1。振荡条件能够表示为

k<1（9-1）

ΓGS11′=1（9-2）

ΓLS22′=1（9-3） 首先确保稳定系数都应当小于1,假如不满足这个条件,则应当改变公共端或加正反馈；另一方面,必须加无源终端ΓG和ΓL,以便使输入端口和输出端口谐振于振荡频率。我们能够证实,假如式（9-2）得到满足,则式（9-3）亦必定满足,反之亦然。换句话说,假如振荡器在一个端口振荡,它必定在另一个端口同时振荡。第18页第18页

通常,由于仅接一个负载,因此大部分功率只供应一个端口。由于|ΓG|和|ΓL|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）第19页第19页

将式（9-6）展开,可得

ΓGS11-DΓLΓG=1-S22ΓL

ΓL(S22-DΓG)=1-S11ΓG

同理,有（9-7）（9-8）（9-9）第20页第20页

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,则另一端口必定同样振荡,负载能够出现在两个端口中任一端口或同时出现在两个端口,但普通负载是在输出终端。 依据上述理论,能够依下列环节利用［S］参数来设计一个振荡器。 环节一:拟定振荡频率与输出负载阻抗。普通射频振荡器输出负载阻抗为50Ω。第21页第21页

环节二:依据电源选取半导体元件,设定晶体管偏压条件(UCE,IC),拟定振荡频率下晶体管S参数(S11,S21,S12,S22)。 环节三：

将所取得S参数代入下列公式以计算出稳定因子K值。 其中Δ=S11S22-S12S21

（9-11）

第22页第22页

环节四:检查K值是否小于1。若K值不够小,可使用射极或源极增长反馈电路来减少K值，如图9-3所表示。图中,

［Zm］＝［Za］＋［Zf］（9-12）第23页第23页图9-3有源器件与反馈电路串联第24页第24页

环节五：利用下列公式计算出负载稳定圆圆心A与半径b,并绘出以ΓL为参量史密斯圆,如图9-4所表示。同理,亦可计算出振源稳定圆圆心C与半径d。 负载稳定圆：|Γ-A|=b

第25页第25页

振源稳定圆：|Γ-C|=d第26页第26页图9-4|Γs|=1映射至ΓL平面负载稳定圆第27页第27页

环节六：设计一个谐振电路,普通使用并联电容Zs,将其反射系数Zs转换成ΓL1,并将其标识到|ΓL1|=1圆图上。 环节七：检查ΓL1值是否落在负载稳定圆外部与|ΓL|=1单位圆内部交叉斜线区域,如图9-5所表示。若没有,则重选谐振电路电容值,并重复环节六直到符合环节七要求。

第28页第28页图9-5振荡器设计图示第29页第29页

环节八：依据计算得到ΓL1值,选择一个靠近新值ΓL1a,使其相应阻抗值(ZL1a)实数部分(Re［ZL1a］等于输出负载阻抗(RL)。 环节九：将新值ΓL1a经1/S11′映射转换成新值Γs1a,并检查其绝对值是否小于所选定Γs1绝对值,即较靠近|Γs|=1圆心,假如符合起振条件|Γs1|>|Γs1a|,如图9-5所表示,取第30页第30页

环节十：振荡器电路实现分别将Zf、Zs、Im［ZL1a］转成实际元件值,可选取电容、电感或传播线实现这些元件值。 （1）反馈电路: ①若选取电容,公式为

若选取等效传播线(阻抗Z0),长度为

第31页第31页 ②若选取电感,公式为

若选取等效传播线（阻抗Z0）,长度为

（2）谐振电路: ①若选取电容,公式为

第32页第32页

若选取等效传播线(阻抗Z0),长度为

②

若选取电感,公式为

若选取等效传播线（阻抗Z0）,长度为第33页第33页 (3）输出负载匹配电路: ①若Im［ZL1a］<0,则选取串联电容或等效匹配传播线：

②若Im［ZL1a］>0,则选取并联电感或等效匹配传播线：第34页第34页 9.1.3振荡器惯用元器件

1.有源器件 用于射频/微波振荡器有源器件及使用频段见表9-1。

第35页第35页表9-1用于射频/微波振荡器有源器件及使用频段第36页第36页 2.谐振器

用于射频/微波振荡器谐振器及使用频段见表9-2。普通以振荡器成本、指标来选择谐振器。第37页第37页表9-2用于射频/微波振荡器谐振器及使用频段第38页第38页 3.振荡器 要把9.1.2节中基本原理变成实际电路,应该了解振荡器基本拓扑结构。图9-6给出了振荡器四种基本连接形式。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,负载吸取能量是正电阻,这个电路对于各种振荡器都是有效,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，惯用于变容管调谐和各种传输线谐振器振荡器,工作于串联谐振器电感部分。图（c）是源极反馈振荡器,惯用于YIG调谐、介质谐振器和传输线谐振器振荡器,工作于并联谐振器电容部分。在微波频段,反馈电容C1就是器件结等效电容。图（b）和图（c）实质上是相同,只是调谐位置不同。栅极起到谐振器与负载隔离作用。图（d）是交叉耦合反馈电路。近代集成电路发展使得低频电路振荡器结构向射频/微波领域移植。第39页第39页图9-6振荡器电路第40页第40页

为了确保振荡器输出功率和频率不受负载影响,也使振荡器有足够功率输出,通常振荡器要加隔离放大器,如图9-7所表示。

第41页第41页图9-7振荡器实际结构框图第42页第42页 4.振荡器设计步 振荡器设计环节下列： 环节一:选管子,在工作频率上有足够增益和输出功率。(以手册为基础)

环节二:选拓扑结构,适当反馈,确保K<1。 环节三:选择输出匹配网络,确保在50Ω负载时|S11′|>1。 环节四:输入端谐振,使ΓGS11′=1,确保|S22′|>1。 还要注意,晶体管偏置对特性影响很大,无论什么管子(HBJT、FET、MMIC等),电路拓扑结构都同样。第43页第43页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50Ω。晶体管AT41511S参数如表9-3所表示。(UCE=８Ｖ,IC=25mA,Z0=50Ω,TA=25℃)

第44页第44页表9-3参

数

表

第45页第45页

设计过程下列： （1）计算可得有源器件原始k值为1.021,不小于1,需设计反馈电路。选取一个18pF电容做反馈电路,经公式计算后可得修正后k值为-0.84,远小于1。设计可行。 （2）选取11.5pF电容做谐振电路,设其内电阻为2.5Ω,将其反射系数Γs1经1/S22′映射公式转换成ΓL1,并标识到|ΓL|=1史密斯圆图上,可得确实落于|Γs|<1及|ΓL|<1交叉区域,即稳定振荡区内,故可用。第46页第46页

（3）选定一靠近值ΓL1a,以使得其相应阻抗值ZL1a=50+j250Ω实数部分Re［ZL1a］＝50Ω等于输出负载阻抗RL=50Ω。 （4）将新值ΓL1a经1/S11′映射转换成新值Γs1a,其绝对值（=0.878）确实小于原先选定Γs1绝对值（=0.914）,符合起振条件,|Γs1|>|Γs1a|。 （5）选取电感来设计输出负载匹配电路,经公式计算可得其值为50nH。 （6）代入射频模拟软件分析验证。经Mathcad分析,MicrowaveOffice仿真结果如图9-８所表示。第47页第47页图9-8800MHz振荡器设计结构第48页第48页 9.2.2电路拓扑结构举例 从上例能够看出,振荡器设计有许多元件是依据经验预选,可代入公式验证。图9-9、

图

9-10和图9-11给出了几种典型电路供参考。

第49页第49页图9-9晶体振荡器第50页第50页图9-101.04GHz集成振荡器第51页第51页图9-101.04GHz集成振荡器第52页第52页图

9-114GHz振荡器

第53页第53页9.3微带线振荡器 1.2GHz振荡器 双极结晶体管参数和电路设计结果如图9-12所表示。电感LB加入,可确保振荡稳定。能够验算,|S11′|>1,|S22′|>1。电容C与管子引线电感组成谐振回路,电容C能够用变容管、YIG或介质谐振器代替,来组成不同功效振荡器。微带线是阻抗变换网络。第54页第54页图9-122GHz振荡器管子参数和设计结果第55页第55页 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所表示振荡器中电容C位置能够用介质谐振器代替,重新设计其它元件,这样能提升振荡器频率稳定性。 如图9-13所表示是四分之一波长内圆外方同轴谐振器。圆柱套型高介电常数陶瓷介质内外表面有金属导体,引脚端开路,另一端短路。谐振器边长与内径满足高Q条件。

第56页第56页图9-13同轴介质谐振器第57页第57页表9-4惯用同轴介质谐振器

表9-4给出了不同介电常数使用频段。第58页第58页

同型介质谐振器等效为一个并联谐振回路。谐振时等效电阻为 式中,Z0为谐振器特性阻抗,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=2.5kΩ。 图9-14给出了使用这种谐振器振荡器典型电路。变换谐振器尺寸,能够工作在0.5～2.5GHz频率范围。变容管调谐能够在一定范围内实现压控振荡器(VCO)。第59页第59页图9-14介质谐振器振荡器典型电路（0.5～2.5GHz）第60页第60页 3.圆柱（方柱）介质谐振器FET振荡器 如图9-15所表示,圆柱型介质能够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所表示介质振荡器。

第61页第61页图9-15圆柱型介质谐振器第62页第62页图9-164GHz介质振荡器第63页第63页

介质谐振器与微带电路耦合参见图9-17。调整谐振器三维位置就可改变耦合量。

第64页第64页图9-17介质谐振器与微带线耦合第65页第65页

图9-18给出各种介质谐振器安装拓扑。微波场效应振荡器技术成熟于20世纪80年代,当前已在各类微波系统中得到使用。

第66页第66页图9-18各种微波介质振荡器第67页第67页

图9-19是一个14GHz微波振荡器实例,微封装后就像普通晶振同样使用。

第68页第68页图9-1914GHz介质场效应振荡器第69页第69页 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实际结构,这个电路也是成熟振荡器,用途广泛。

第70页第70页图9-20X波段介质谐振器GUNN振荡器第71页第71页

图

9-21是介质谐振器与雪崩管振荡器结合实例,这是一个频带反射式振荡器。

第72页第72页图9-21X波段介质谐振器IMPATT振荡器第73页第73页

5.微机械振荡器 为了实现K波段以上振荡器,近年发展起来一个微机械谐振器。它把微带谐振线做在一个特制材料薄膜上,体积小,性能稳定将图9-22（a）中介质谐振器换成图（b）所表示结构就得到微机械谐振器。图(c)是微机械谐振器电路尺寸,电路外形尺寸为6.8mm×8mm×1.4mm。HEMT器件FHR20XUGS=-0.3V,UDS=2V,IDS=10mA,f0=28.7GHz,P0=0.6dBm。第74页第74页图9-22微机械振荡器结构示意第75页第75页图9-22微机械振荡器结构示意第76页第76页图9-22微机械振荡器结构示意第77页第77页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部分电容,即可将振荡器修改成压控振荡器,这是惯用办法。修改后谐振电路如图9-23所表示。其设计环节下列:

环节一:选取电路结构。首先,计算K=fmax/fmin:若K<1.4,变容二极管与一个固定值电容串联;若K>1.4,两个变容二极管并联。 环节二:拟定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和固定值电容来增长温度补偿;若用于锁相环,普通情况下,能够