1、第6章微波振荡器第6章微波振荡器6.1微波二极管负阻振荡器电路6.2微波晶体管振荡器6.3微波频率合成器习题第6章微波振荡器 6.1微波二极管负阻振荡器电路将雪崩二极管、体效应二极管与同轴腔、波导腔、微带线、鳍线等各种形式的谐振电路适当连接，通过它们的相互作用，把直流功率变换成射频功率，从而构成雪崩二极管和体效应二极管负阻振荡器。6.1.1负阻振荡器的振荡条件二极管负阻振荡器的等效电路如图6-1(a)所示，图中短路(或开路)双线l等效微波谐振腔，变压器表示微波阻抗变换器。可将图6-1(a)进一步简化为图6-1(b)所示的一般等效电路，从器件向外看去为负载输入导纳YL=GL+jBL，负阻器件的输
2、入导纳表示为YD=GD+jBD。第6章微波振荡器图 6-1二极管负阻振荡器(a)二极管负阻振荡器等效电路；(b)负阻振荡器原理图第6章微波振荡器微波二极管振荡器是单端口负阻振荡器，在稳定状态下应满足YD+YL=0。振幅平衡条件GD+GL=0(6-1)相位平衡条件BD+BL=0(6-2)常用一个微波传输线阻抗变换器将GL变换到所需的GD值。BL为短路线在工作频率下所呈现的电纳值，振荡时，BL=BD。所以短路线的长度l可由下式求得:第6章微波振荡器即式中：Y0为传输线特性导纳，g为传输线工作波长。由于振荡器通常工作在大信号状态，负电导GD在起振后有所降低，为使振荡器易于起振，因此设计时往往使负载电
3、导GL略小于GD(一般取GD1.2GL)。因此负阻振荡器的振荡条件也可写为LD0g2ctg()BBYl g1D0ctg2BlY(6-3)第6章微波振荡器GDGL(6-4)BD=BL (6-5)6.1.2负阻振荡器电路下面我们介绍一些实用的负阻振荡器电路，并运用前面学过的一般理论对它们作必要的分析。同时，介绍一些电子调谐电路振荡器等相关知识。第6章微波振荡器1.微带振荡器图6-2(a)和图6-2(b)为两种体效应管微带振荡器电路图。体效应管与微带线并接，偏置通过微带低通滤波器加入。图6-2(a)中器件的右边是一段长度为l的终端开路微带线，它等效于一个电抗网络，选择线段长度在g/4lg/2范围内，
4、以满足振荡的相位平衡条件。器件左边的渐变微带线起阻抗变换作用，使50 负载电阻变换成器件的负阻值。图6-2(b)中器件放置在一端，由一段长为l1的传输线和一段长为l2的开路分支线来实现谐振和与负载的匹配。第6章微波振荡器图 6-2体效应管微带振荡器的两种形式(a)半波长谐振器调谐的体效应管微带振荡器；(b)体效应管微带振荡器第6章微波振荡器图6-3为一种单片雪崩二极管振荡器的电路图。这里的雪崩二极管没有封装，管芯直接置于微带腔内。一段低阻抗微带线作为谐振腔，它的一端通过交指型电容与负载相连，器件的另一边是由一段g/4终端开路微带线构成的直流偏置电路和射频稳定电路。第6章微波振荡器图 6-3单片
5、IMPATT振荡器(a)电路图；(b)腔的示意图第6章微波振荡器上面介绍的三种微带型负阻振荡器，都是属于固定频率的负阻振荡器。图6-4和图6-5给出了变容管调谐和YIG调谐的负阻振荡器。图6-4(a)中，将变容管串接在体效应管和谐振线之间，称为串接调谐。调节变容管上的电压改变其反偏结电容，从而控制振荡频率，图6-4(b)是其等效电路。第6章微波振荡器图 6-4变容管串联调谐的体效应管微带振荡器(a)电路结构；(b)等效电路第6章微波振荡器图6-5中，体效应管和负载都通过耦合环与YIG小球耦合，上半环在yz平面上与器件相连，下半环在xz平面内与负载相接，两环平面互相垂直，两者之间无耦合。小球在外
6、界交变和直流电磁场的作用下，共振时使两个环之间产生电磁能量的耦合，将振荡能量传送给负载。当改变直流场强H0，f0随之改变，以此实现频率调制。此振荡器能在较宽的频率范围内获得线性较好的调频振荡。第6章微波振荡器图 6-5YIG调谐振荡器及其等效电路(a)YIG调谐振荡器；(b)等效电路第6章微波振荡器上述的微带型负阻振荡器结构简单、加工方便，但是，微带线损耗较大，振荡回路的Q值又较低，使振荡器的效率和频率稳定度都较低。通常采用同轴腔和波导腔实现高质量的振荡器。2.同轴腔振荡器图6-6(a)是一种常见的同轴腔振荡器的结构示意图，其等效电路图如图6-6(b)所示。负阻器件接在同轴腔底部的散热块上，散
7、热块和墙体其他部分用高频旁路电容隔断，以便直流偏压从这里引入。负阻器件的电纳利用终端短路的同轴线进行调谐，因此调节短路活塞可以改变振荡频率，振荡功率通过耦合环耦合输出。其振荡条件如下：第6章微波振荡器若已知器件导纳YD=GD+jBD，GL可通过改变耦合环的插入深度及方向来调节。选择同轴线特性阻抗Z0=1/Y0，则同轴线长度可由式(6-6)求得。(6-6)DLD02cotGGBBYl 第6章微波振荡器图 6-6同轴腔振荡器(a)结构示意图；(b)等效电路第6章微波振荡器同轴腔振荡器调谐范围较宽，可达一个倍频程以上；但电路损耗较大，频率较高时结构难以设计，一般只适用于厘米波段。同轴腔振荡器频率的调
8、节也可以采用其他形式，如调谐螺钉。功率的耦合输出有时也可以采用耦合探针。第6章微波振荡器图6-7(a)表示变容二极管调谐同轴腔转移电子振荡器的结构示意图。它在利用活塞进行机械调谐的同轴腔振荡器中增加了一个分支，在这个分支的内导体上串接一个变容二极管，并通过环和同轴腔耦合。为了对转移电子器件和变容二极管分别加直流偏压，在它们的管座和腔体之间通过高频旁路电容隔断。利用这一电路，若采用截止频率fc=75 GHz,的变容二极管，可以在X波段获得600 MHz的调谐范围。其调谐特性如图6-7(b)所示。0minminCCC第6章微波振荡器图 6-7变容二极管调谐同轴腔转移电子振荡器的结构及调谐特性(a)
9、变容二极管调谐同轴腔转移电子振荡器结构示意图；(b)变容二极管调谐同轴腔转移电子振荡器的调谐特性第6章微波振荡器3.波导腔振荡器波导腔通常比同轴腔具有较高的品质因数，谐振回路的高品质因数可以使振荡器具有高的频率稳定度和好的噪声性能，因此波导腔振荡器得到了广泛应用，并发展了多种形式。图6-8所示为一种简单波导腔振荡器的结构示意图。谐振腔由g/2长的矩形波导段构成，工作在H101模式。负阻器件安装在腔体上，管芯部分伸进腔内，和电场平行，并处于电场的最大点。直流偏压通过穿心电容引入，振荡频率利用金属调谐棒进行调节。为了防止高频能量通过调谐棒泄露出去，采用了有/4径向短路线和同轴线组成的抗流结构。振荡
10、功率通过耦合窗输出。图中所示的谐振腔也可以采用圆柱腔形式，调谐棒也可以采用介质棒来实现。第6章微波振荡器图 6-8波导腔振荡器结构示意图第6章微波振荡器图6-9是一个同轴、波导结构的振荡器结构示意图。这是一个实用的毫米波转移电子器件振荡器，可以在W波段(65115 GHz)上连续地进行机械调谐，在射电天文中用做本地振荡器。该振荡器谐振腔由一段短路同轴线构成，谐振腔长度可利用上下滑动的射频扼流活塞进行调节，使谐振腔的谐振频率在3060 GHz范围内变化，它是转移电子器件的谐振电路，决定了振荡器的基波频率。由于电流振荡是非正弦的，除了有正弦基波以外，还伴随有高次谐波产生。为提供二次谐波，用圆盘径向
11、线阻抗变换器(或称谐振帽电路)在二次谐波上实现二极管阻抗与输出波导间的匹配，使二次谐波由输出波导输出。第6章微波振荡器输出波导采用截止频率为59 GHz的半高波导(2.54 mm0.63 mm)和同轴腔相连接，然后通过锥形过渡到全高波导，在半高波导的一端还装有调节输出匹配的调谐活塞。振荡器在工作频带内(65115 GHz)，其连续波的最大输出功率为13 dBm(20 mW)。第6章微波振荡器图 6-965115 GHz TED振荡器示意图第6章微波振荡器6.1.3固态微波功率合成技术前面讨论的雪崩二极管振荡器和体效应二极管振荡器都是单器件的微波固态源，它们的效率很低，雪崩二极管一般只有5(40
12、 GHz时)，体效应管为3(40 GHz时)，输出功率也不大。一般固态功率发射机的输出功率要求几十瓦，由于毫米波在大气中传播的衰减很大，而现有器件的水平离要求甚远，因此毫米波功率合成技术成为当前迫切需要解决的实际问题。目前在Ka波段，应用功率合成技术，可获得10 W的连续波输出功率；在W波段，峰值功率可达67 W。可见功率合成是一种很有效的方法，所以国内外都在大力研究毫米波功率合成技术。第6章微波振荡器功率合成器属于多器件振荡器，采用不同的结构将单管振荡器组合，使各器件的功率叠加起来，而彼此之间又互相隔离，以此获得较大的合成功率。近二十多年来，在微波特别是毫米波段，有很多功率合成的方法，综合起
13、来可分为四大类：芯片功率合成器、电路合成器、空间组合合成器以及这三者组合的合成器。其中以谐振腔式合成器应用较普遍，它适合于窄带工作，上限频率可达220 GHz。而非谐振腔式的合成器适合在宽带系统中工作，频率可达40 GHz。第6章微波振荡器功率合成器的主要指标是输出功率PC和效率C。它们与器件在腔内的阻抗、场的耦合、腔的有载品质因数、损耗等均有关系。下面简单介绍各种形式的功率合成器。1.谐振腔式的功率合成器1971年KuroKawa和Magalhaes提出了谐振腔合成器的设想，并由Hamilton成功地制作了毫米波功率合成器，它的结构示意图如图6-10所示。在矩形谐振腔内放置3 M或2 M个雪
14、崩二极管，器件装入同轴线内。同轴线内有匹配装置和吸收负载，将它们垂直插入波导宽边，矩形腔一端短路，第6章微波振荡器另一端有电感膜片作为输出窗口，同轴线应处于电场或磁场最强的位置，每个同轴线之间相距g/2，距离腔的终端约为g/4，谐振腔内振荡模式为TE10M。另一种形式的谐振腔为圆柱型功率合成器。1973年Harp和Stover提出了用圆柱形腔和器件组合构成功率合成器，如图6-11所示。雪崩二极管装入同轴线内，将其垂直插入圆柱腔内，并均匀分布于圆腔周围。腔内振荡模式为TM010，腔内场与同轴线内导体的磁耦合最强，器件正处于电场最强的地方，能产生最大的功率，合成后通过圆腔中心的圆棒耦合输出。第6章
15、微波振荡器图 6-10矩形腔功率合成器结构示意图第6章微波振荡器图 6-11圆柱形谐振腔功率合成器(a)单个同轴线组件及其与TM010腔的磁耦合；(b)TM010腔的剖面图第6章微波振荡器近年来圆柱谐振腔功率合成器有较大发展，它可应用于C、X、Ku和Ka波段，在Ka波段需用8只雪崩二极管，最大连续波的输出功率可达10 W，效率为9%10。由上可见，谐振腔式合成器的优点是合成效率较高，路程传输损耗小；尺寸较小，结构紧凑；在二极管之间可加隔离装置，避免了由于腔内场的耦合而引起互阻抗的变化。其缺点是工作频带窄(只有百分之几)，二极管的数目受腔尺寸限制(频率越高，腔尺寸越小)，且合成器的电调或机械调谐
16、十分困难。第6章微波振荡器2.宽带混合型功率合成器图6-12示出了多种形式的3 dB混合型合成器。其中图6-12(f)利用定向耦合器的特性，1、4端口是隔离的，信号从端口1输入，传输至2、3端口，经源1和源2将信号放大，反射波在端口4叠加后合成输出。而反射至端口1的信号，因相位关系互相抵消，所以在端口4能获得大的输出功率。但合成功率对功率源之间的相位关系十分敏感，多个振荡器之间的功率合成技术并不是简单的功率叠加，电路设计和调整比较复杂。这种微带型耦合器的损耗比波导腔大，故效率很低。第6章微波振荡器图 6-12不同形式的3 dB耦合器组成的合成器(a)两路Wildinson合成器；(b)3 dB
17、分支线耦合器；(c)环型耦合器;(d)波导短缝混合耦合器；(e)介质波导耦合器；(f)3 dB混合型功率合成器第6章微波振荡器3.芯片合成器芯片合成器是由J.G.Josenhans于1968年提出的，他将微波器件的芯片并联放在金刚石散热片上，使热阻很低，但电路上的器件芯片是串联的，如图6-13所示。根据这一原理制造了二极管阵，因而提高了可靠性。但是随着频率增高，当二极管阵的横向尺寸能与波长相比拟时，由于每个二极管所处的电磁场强度不同，因而导致电路和阵之间的阻抗不匹配，应引起注意。最近Suzuki已经研制出频率为70 GHz、输出功率为380 mW的二极管阵。第6章微波振荡器图 6-13二极管阵
18、的功率合成器第6章微波振荡器4.空间合成技术空间功率合成的原理类似相控阵雷达，用于控制很多辐射元件之间的相位关系，使之在空间合成的功率最大。图6-14是将脉冲IMPATT振荡器集成在一块由印刷电路板构成的天线上，以此来组成空间合成器。天线阵有32个辐射元，其直径为14 cm。注入锁定脉冲，雪崩二极管振荡器将功率反馈至每一个正交的天线阵元。第6章微波振荡器图 6-1435 GHz空间合成器示意图第6章微波振荡器5.准光腔功率合成器若在短毫米波段采用谐振腔式的合成器，结构上将遇到很大的困难。1986年James W.Mink提出了用准光腔和单片振荡源组成阵源，实现了固态毫米波功率合成器。其结构示意
19、图如图6-15所示。谐振腔由两个面板组成，面的大小依据工作波长而定。其中一个面是平面反射板，如图6-15所示，在坐标Z=0处；另一个面是部分透射的曲面，在Z=D处。两个反射面之间有一个阵源平面，它离反射平面的距离较近。每一阵源为雪崩二极管，也可用体效应管，它们与一对短的偶极子相连，并且嵌在一个平面上。这种结构需采用集成电路制造工艺。第6章微波振荡器图 6-15谐振腔及源的结构图第6章微波振荡器理论上研究这种电磁振荡较为复杂，每一个源之间有反馈耦合，并且它们由很多注入锁定的信号分别激励。合成功率的计算和分析是一个需要深入研究的课题。准光腔功率合成器的效率比较高。据文献报道，目前工作频率为100
20、GHz，准光腔内的源为25(55)个时，输出功率约300 mW；源为49(77)个时，输出功率约630 mW；源为81(99)个时，功率可达800 mW。第6章微波振荡器6.2微波晶体管振荡器 微波晶体管振荡器是微波、毫米波频率较低端的一种主要的振荡器，其分析和设计同样可用S参数来论述，同时它也涉及器件的不稳定性、微波有源网络的阻抗匹配问题。在运用分析晶体管放大器时的某些概念和方法时，需注意振荡器在起振时是小信号条件，而后稳定于大信号状态。第6章微波振荡器6.2.1微波晶体管振荡器的起振分析对于微波晶体管振荡器，可以采用惯用的反馈振荡器分析方法，也可以利用微波网络参数的特点，将其视为负阻振荡器
21、来分析。1.反馈振荡器的振荡条件反馈振荡器电路框图如图6-16(a)所示。振荡条件是先按晶体管功率放大器进行开环设计和调整，然后利用正反馈电路，把放大器输出功率的一部分耦合到输入端，只要大小和相位合适，就能产生和维持振荡。其S参数等效网络见图6-16(b)。第6章微波振荡器图 6-16反馈振荡器示意图(a)反馈振荡器电路框图；(b)S参数等效网络第6章微波振荡器振荡平衡条件为或分别表示为幅值平衡与相位平衡条件，即式中：代表放大器的开环增益=1L，L代表反馈网络衰减。式(6-8)是在假设两个端口都是匹配的条件下得出的。21211ARSS2121212112(0,1,2,)ARARSSSSnn22
22、1tASG221RS(6-7)(6-8)第6章微波振荡器2.负阻振荡器的振荡条件根据第5章关于晶体管稳定性的分析可知，当潜在不稳定晶体管的一个端口具备一定的端接条件时，另一端口的输入阻抗呈现负阻，等效为一个单端口的负阻器件。只要在该端口所接负载的正阻成分大于输入阻抗中的负阻成分，放大器就不会自激。若要构成晶体管振荡器，则是相反的情况，起振条件如下：当晶体管参数为|S11|1，|S22|1的情况，起振条件为KS1 或|2L|1(6-9)第6章微波振荡器当晶体管参数为|S11|1，|S22|1的情况，起振条件可直接表示为|S11|1 或|S22|1|1S|1 或|2L|1 (6-10)式中：1、2
23、由晶体管的小信号S参数决定。振荡平衡条件为1S=1或2L=1(6-11)第6章微波振荡器或表示为幅值平衡与相位平衡条件:|1S|=11+S=2n(n=0，1，2，)(6-12)或|2L|=12+L=2n(n=0，1，2，)(6-13)式(6-11)、式(6-12)和式(6-13)中的1、2由晶体管的大信号S参数所决定。第6章微波振荡器以上输入端口或输出端口的振荡条件可任取其一。可以证明，假定一个端口满足振荡条件，则另一个端口必同时满足振荡条件。振荡器本无所谓输入端、输出端之分，两个端口皆可输出功率。一般将接负载获取功率的端口称为输出端口，而另一端口接无耗电纳，称为输入端口。负阻振荡器电路的框图
24、可用图6-17来表示，图中端口1-1接的无耗电纳使得端口2-2呈现负阻，即某些S导致|2|1，然后由输出端口进行调谐和匹配，即实现|2L|1。随着振荡幅度的增长，晶体管在大信号条件下的S参数变化，端口2-2的负阻呈减小趋势，振荡将稳定于2L=1的状态。第6章微波振荡器图 6-17负阻振荡器电路框图第6章微波振荡器实际中，端接电纳是一个谐振回路，其Q值一定，故S对应的源阻抗为ZS=RS+jXS。随着振荡幅度的增加，端口1对应的R1也增加，使得振荡难以维持。因此，设计时应选择RS=R1/3。6.2.2微波晶体管介质谐振器振荡器在微波晶体管振荡器电路中，常采用低损耗、高Q值、温度特性好的介质谐振器，
25、它可简便地构成多种形式的电路，又能起稳频作用。这种振荡器称为介质谐振器稳频的晶体管振荡器，简称为介质稳频的晶体管振荡器(Dielectric Resonant Oscillator，DRO)。第6章微波振荡器介质稳频的晶体管振荡器大体上可分为两种类型：一种是耦合式，将介质谐振器作为一无源稳频元件以适当方式与晶体管振荡器耦合，因其高Q值而起稳频作用；另一种是反馈式，介质谐振器作为振荡器的反馈网络而产生振荡。耦合式易于调整，但会出现跳模现象；反馈式的电路调整较复杂，但可克服跳模现象。介质谐振器工作于TE10模式，放置在微带线的附近，依靠磁力线与微带线耦合，可以等效为传输线上串联了一个并联谐振回路，
26、如图6-18所示。第6章微波振荡器图 6-18介质谐振器与微带线的耦合第6章微波振荡器介质谐振器与微带线之间的距离d等效为变压器的匝数比N。由传输线向谐振回路看去的等效串联阻抗为式中：Q=R/(0L)是谐振器的无载Q值，是谐振频率，=0为工作频带。定义谐振器与微带线之间的耦合因子g是无载Q值和有载Qe值的比值，即 201j2/N RZQ 01/LC202L00e/2RLQN RgQRNLZ(6-14)(6-15)第6章微波振荡器一般情况下，微带线传输行波，RL=2Z0，是有源器件和负载的阻抗。某些情况下，为了增加谐振器与微带线的磁场耦合强度，把谐振器置于/4开路线处，此时RL=Z0，且耦合系数
27、两倍于式(6-15)给出的值。由微带线向谐振器看去的反射系数为(6-16)220022000()()21ZN RZN RgZN RZZN Rg第6章微波振荡器通过测量反射系数可得耦合系数为也可以由测量得到谐振频率和Q值，或者通过数值计算得到这些物理量。反射系数与N2R有关，N与R的大小可以折中调整，以保证电路参数不变。图6-19是两种基本的介质谐振器振荡器电路拓扑结构。图6-19(a)中的并联电路通过谐振器的滤波作用把晶体管的一部分输出功率反馈到输入端，调整微带线的长度可以控制反馈信号的相位。图6-19(b)是串联结构，结构简单，调谐带宽较小。(6-17)1g第6章微波振荡器图 6-19介质谐
28、振器振荡器(a)并联反馈；(b)串联反馈第6章微波振荡器【例 6-1】介质谐振器振荡器设计实例。双极结晶体管的S参数为S11=1.8130，S12=0.445，S21=3.836，S22=0.763设计串联反馈型振荡器，确定介质谐振器和微带线之间的耦合系数，并确定输出匹配电路。假定谐振器的无载Q值为1000，给出2与f/f0的关系曲线。第6章微波振荡器解：按照图6-19(b)画出振荡器的电路拓扑结构如图6-20所示。介质谐振器置于/4 终端开路线处，lr线段用来调整与S的匹配。按照设计原理，应该画出源端和负载端的稳定圆，这里采用工程设计中常用的一种简便设计方法：给出尽可能大的|2|的S值。具体
29、过程如下：第一步，设计输出回路。由图6-20可得 1221S22211S1S SSS第6章微波振荡器图 6-20介质谐振器振荡器设计实例第6章微波振荡器因此在1S11S=0的情况下，可以使|2|最大。故取S=0.6130，可求得2=10.7132，换算成阻抗Z2=(43.7+j6.1)。按照前述，为了维持振荡，取负载电阻为RL=R2/3，考虑共轭匹配，即采用并联枝节把这个阻抗变为50。用圆图求得lt=0.481，lS=0.307。2L2j(5.5j6.1)3RZX 第6章微波振荡器第二步，设计输入回路。在谐振频率时，谐振器处的等效阻抗为实数，对应的S的相角为0或，谐振器与微带线欠耦合，取S的相
30、角为，故传输线的变换关系为 可求得lr=0.431，并且计算谐振器处的等效阻抗ZS=12.5。rrj2j2SSe0.6130e0.6 180ll 第6章微波振荡器由式(6-15)可以计算出耦合系数为 为了较直观地分析振荡器的稳定性，可作出|2|随频率偏移的变化曲线，如图6-21所示。可以看出：介质谐振器能提供很好的频率稳定性。2012.520.25250N RgZ第6章微波振荡器图 6-21介质谐振器振荡器的|2|与频率偏移的关系第6章微波振荡器图6-22给出了反馈式介质稳频FET振荡器的微带电路图，晶体管输出功率进入3 dB分支线定向耦合器，有一半功率由端口3进入反馈网络。介质谐振器与两根微
31、带线耦合，当振荡频率为介质谐振频率时，反馈能量，而当严重失谐时，反馈能量最小，等效于开路，所以，这里的介质谐振器等效为串联谐振电路。调节微带线与介质谐振器之间的耦合可以改变反馈量。附加一段传输线用于移相，改变其长度即可调节反馈相位。当满足式(6-8)时，电路进行振荡。与负阻二极管振荡器类似，可以在谐振回路中引入变容管实现微波VCO，也可用YIG调谐来获得宽带的电调谐晶体管振荡器。第6章微波振荡器图 6-22反馈式介质稳频FET振荡器第6章微波振荡器6.3微波频率合成器频率合成器是近代射频/微波系统的主要信号源。跳频电台、捷变频雷达、移动通信等核心无线系统都采用频率合成器。即使点频信号源用锁相环
32、实现，其频率稳定度和相位噪声指标也比自由振荡的信号指标好。现代电子测量仪器的信号源都是频率合成器。广阔的市场需求推动了频率合成器技术的快速发展，各种新型频率合成器和频率合成方案不断涌现，大量产品迅速达到成熟的阶段。集成化、小型化是频率合成器发展的主题。第6章微波振荡器将一个高稳定度和高精度的标准频率信号经过加、减、乘、除的四则算术运算，产生有相同稳定度和精确度的大量离散频率，这就是频率合成技术。根据这个原理组成的电路单元或仪器称为频率合成器。虽然只要求对频率进行算术运算，但是，由于需要大量有源和无源器件，使频率合成系统相当复杂，因此这项技术一直发展缓慢。直到电子技术高度发达的今天，微处理器和大
33、规模集成电路的大量使用，频率合成技术才得以迅速发展，并得到广泛的应用。第6章微波振荡器6.3.1频率合成器的重要指标除了振荡器基本指标，频率合成器还有其他指标。1.与频率有关的指标频率稳定度：与振荡器的频率稳定度相同，包括时间频率稳定度和温度频率稳定度。频率范围：频率合成器的工作频率范围，由整机工作频率确定，输出频率与控制码一一对应。频率间隔：输出信号的频率步进长度，可等步进或不等步进。频率转换时间：频率变换的时间，通常关心最高和最低频率的变换时间，这是最长时间。第6章微波振荡器2.与功率有关的指标输出功率：振荡器的输出功率，通常用dBm表示。功率波动：频率范围内各个频点的输出功率最大偏差。3
34、.相位噪声相位噪声是频率合成器的一个极为重要的指标，与频率合成器内的每个元件都有关。降低相位噪声是频率合成器的主要设计任务。4.其他控制码对应关系：指定控制码与输出频率的对应关系。电源：通常需要有两组以上电源。第6章微波振荡器6.3.2频率合成器的基本原理频率合成器的实现方式有四种：直接式频率合成器、锁相环频率合成器、直接数字式频率合成器(DDS)、锁相环(PLL)+DDS混合结构。其中，第一种已很少使用，第二、三、四种都有广泛的使用，要根据频率合成器的使用场合、指标要求来确定使用哪种方案。下面分别简单加以介绍。第6章微波振荡器1.直接式频率合成器直接式频率合成器是早期的频率合成器，基准信号通
35、过脉冲形成电路产生谐波丰富的窄脉冲。经过混频、分频、倍频、滤波等进行频率的变换和组合，产生大量离散频率，最后取出所要频率。例如，为了从10 MHz的晶体振荡器获得1.6 kHz的标准信号，先将10 MHz信号经5次分频后得到2 MHz的标准信号，然后经2次倍频、5次分频得到800 kHz标准信号，再经5次分频和100次分频就可得到1.6 kHz标准信号。同理，如果想获得标准的59.5 MHz信号，除经倍频外，还将经两次混频、滤波。第6章微波振荡器直接式频率合成器的优点是频率转换时间短，并能产生任意小数值的频率步进。但是它也存在缺点，用这种方法合成的频率范围将受到限制。更重要的是，由于采用了大量
36、的倍频、混频、分频、滤波等电路，给频率合成器带来了庞大的体积和重量，而且输出的谐波、噪声和寄生频率均难以抑制。2.锁相环频率合成器锁相环频率合成器是利用锁相环路(PLL)实现频率合成的方法，压控振荡器输出的信号与基准信号比较、调整，最后输出所要求的频率，这是一种间接频率合成器。第6章微波振荡器1)基本原理锁相环频率合成器的基本原理如图6-23所示。压控振荡器的输出信号与基准信号的谐波在鉴相器里进行相位比较，当振荡频率调整到接近于基准信号的某次谐波频率时，环路就能自动地把振荡频率锁到这个谐波频率上。这种频率合成器的最大优点是电路简单，指标也可以做得较高。由于它利用基准信号的谐波频率fR作为参考频
37、率，故要求压控振荡器的精度必须在0.5fR内，如超出这个范围，就会错误地锁定在邻近的谐波上，因此，选择频道较为困难。此外，对调谐机构的性能要求也较高，倍频次数越多，分辨力就越差，所以这种方法提供的频道数是有限的。第6章微波振荡器图 6-23锁相环频率合成器第6章微波振荡器2)数字式频率合成器数字式频率合成器是锁相环频率合成器的一种改进形式，它在锁相环路中插入了一个可变分频器，如图6-24所示。这种频率合成器采用了数字控制的部件，压控振荡器的输出信号进行N次分频后再与基准信号相位进行比较，压控振荡器的输出频率由分频比N决定。当环路锁定时，压控振荡器的输出频率与基准频率的关系是f=NfR，从这个关
38、系式可以看出，数字式频率合成器是一种数字控制的锁相压控振荡器，其输出频率是基准频率的整数倍。通过控制逻辑来改变分频比N，压控振荡器的输出频率将被控制在不同的频率上。第6章微波振荡器图 6-24数字式频率合成器第6章微波振荡器例如，基准频率fR1 kHz，控制可变分频比N取50 00040 001，则压控振荡器的输出频率将为500.00400.01 kHz(频率间隔为10 Hz)。因此，数字式频率合成器可以通过可变分频器分频比N的设计，提供频率间隔小的大量离散频率。这种频率合成法的主要优点是锁相环路相当于一个窄带跟踪滤波器，具有良好的窄带跟踪滤波特性和抑制输入信号的寄生干扰的能力，节省了大量滤波
39、器，有利于集成化、小型化；有很好的长期稳定性，从而使数字式频率合成器有高质量的信号输出。因此，数字锁相合成法已获得越来越广泛的应用。第6章微波振荡器3.直接数字式频率合成器直接数字式频率合成技术(DDS)是从相位概念出发，直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。近年来，随着技术和器件水平的不断发展，DDS技术得到了飞速的发展，它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面已远远超过了传统的频率合成技术，是目前运用最广泛的频率合成方法之一。第6章微波振荡器DDS以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽
40、、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。第6章微波振荡器1)DDS的工作原理实现直接数字式频率合成(DDS)的办法是用一通用计算机或微计算机求解一个数字递推关系式，也可以在查问的表格上存储正弦波值。现代微电子技术的进展，已使DDS能够工作在高约10 MHz的频率上。这种频率合成器的体积小、功耗低，并可以实现几乎是实时的、相位连续的频率变换，能给出非常高的频率分辨力，产生频率和相位可控制的正弦波。电路一般包括基准时钟、频率累加器、相位累加器、幅度/相位转换电路、D/A转换器和低通滤波器。DDS的
41、结构有很多种，其基本的电路原理可用图6-25来表示，其中图6-25(a)是图6-25(b)的简化形式。第6章微波振荡器图 6-25DDS基本结构第6章微波振荡器图6-25(a)中，相位累加器由N位加法器与N位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲fS，加法器将控制字k与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送到累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位加累加。可以看出，相位累加器在每一个时钟输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的输出频率就是DDS输
42、出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器(ROM)的相位取样地址。第6章微波振荡器可把存储在波形存储器内的波形抽样值(二进制编码)经查找表查出，完成相位到幅值的转换。波形存储器的输出送到D/A转换器，D/A转换器将数字形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。改变DDS的输出频率，实际上改变的是每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。这个过程可以简化为三步：(1)频率累加器对输入信号进行累加运算，产生频率控制数据或相位步进量。第6章微
43、波振荡器(2)相位累加器由N位全加器和N位累加寄存器级联而成，对代表频率的二进制编码进行累加运算，产生累加结果Y。(3)幅度/相位转换电路实质是一个波形存储器，以供查表使用。读出的数据送入D/A转换器和低通滤波器。2)DDS的优点(1)输出频率相对带宽较宽。输出频率带宽为fS(理论值)的50%。考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到fS的40%。第6章微波振荡器(2)频率转换时间短。DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。事实上，在DDS的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频
44、率的转换。因此，频率转换时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。DDS的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其他的频率合成方法都要短几个数量级。第6章微波振荡器(3)频率分辨率极高。若时钟fS的频率不变，DDS的频率分辨率则由相位累加器的位数N决定。只要增加相位累加器的位数N即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1 Hz数量级，许多分辨率小于1 mHz甚至更小。(4)相位变化连续。改变DDS输出频率，实际上改变的是每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。第6章
45、微波振荡器(5)输出波形的灵活性。只要在DDS内部加上相应控制，如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器存放不同的波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波，甚至是任意波形。当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，即可得到正交的两路输出。(6)其他优点。由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低，体积小，重量轻，可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。第6章微波振荡器3)DDS的局限性(1)最高输出频率受限。由于DDS内部DAC
46、和波形存储器(ROM)工作速度的限制，使得DDS输出的最高频率有限。目前市场上采用CMOS、TTL、ECL工艺制作的DDS芯片，其工作频率一般在几十MHz至400 MHz左右。采用GaAs工艺制作的DDS芯片的工作频率可达2 GHz左右。(2)输出杂散大。由于DDS采用全数字结构，因此不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散，幅度量化误差(由存储器有限字长引起)造成的杂散和DAC非理想特性造成的杂散。第6章微波振荡器4.PLL+DDS频率合成器DDS的输出频率低，杂散丰富，这些因素限制了它们的使用。间接PLL频率合成虽然体积小、成本低，但各项指标之间的矛盾也限制
47、了其使用范围。可变参考源驱动的锁相频率合成器对于解决这一矛盾是一种较好的方案。而可变参考源的特性对这一方案是至关重要的。作为一个频率合成器的参考源，首先应具有良好的频谱特性，即具有较低的相位噪声和较小的杂散输出。虽然DDS的输出频率低，杂散输出丰富，但是它具有频率转换速度快、频率分辨率高、相位噪声低等优良性能，通过采取一些措施可以减少杂散输出。所以用DDS作为PLL的可变参考源是一种理想方案。第6章微波振荡器习题6-1图6-26为某微带型二极管振荡器的理想电路。已知二极管的等效导纳YDGD+jBD，引线电感为LS，封装电容为CP，调谐器微带线的特性阻抗，微带线波长为g。(1)试补画出输出端耦合
48、电路和偏置电路；(2)画出其等效电路；(3)写出振荡条件；(4)求l的长度。CD1ZB第6章微波振荡器图 6-26微带型二极管振荡器第6章微波振荡器6-2若雪崩管的导纳为(0.7+j10.8)mS，振荡频率为9.6 GHz，电路采用直接耦合微带结构，如图6-27所示，负载阻抗为50。试确定调谐电感和阻抗变换器特性阻抗的数值。第6章微波振荡器图 6-27直接耦合IMPATT管振荡器电路第6章微波振荡器6-3图6-28是测试雪崩二极管阻抗的微带振荡器电路，已知微带线的特性阻抗ZC(50)及线长l1和l2，在角频率为时产生谐振，试求雪崩二极管的阻抗。第6章微波振荡器图 6-28测试二极管阻抗用的微带电路第6章微波振荡器感 谢第6章微波振荡器谢谢，精品课件资料搜集
