1、非线性微波电路与系统第十章文档微波振荡器微波振荡器 双极晶体管：工作频率低，相位噪声低，直流到射频的转换效率高。FET类（包括GaAs MESFET、HEMT、PHEMT和HBT等）：相位噪声大，结构简单，便于集成，成本低，可以用于更高的频率。雪崩（IMPATT）和耿氏（Gunn)二极管：工作频率高，噪声电平比较高，直流到射频的转换效率很低。10.1 基本理论基本理论（负阻振荡理论（负阻振荡理论）微波振荡器微波振荡器 物理概念：阻抗的实部为负，即物理概念：阻抗的实部为负，即“负阻负阻”i(t)Zl()Zs(I0,)Vs(t)s s()()0)(),(0)(),()(),()()()()()()
2、(),(),(),(),(),(),(000000000plpsplpsplpsllllllssssssBVBGVGYVYjBGYjXRZVjBVGVYIjXIRIZ源源或或负载负载或或振荡平衡条件振荡平衡条件幅度平衡条件，决定振荡器的输出功率幅度平衡条件，决定振荡器的输出功率相位平衡条件，决定振荡器的振荡频率相位平衡条件，决定振荡器的振荡频率或或稳定振荡过程是一个逐步建立起来的瞬态，稳定振荡过程是一个逐步建立起来的瞬态，振荡开始时振荡开始时V0和和I0很小，不满足上式，直到很小，不满足上式，直到 V0和和I0 很大到达某一定值时，上式成立，振荡趋于稳很大到达某一定值时，上式成立，振荡趋于稳定
3、。且受扰动后，正弦电压和电流仍回到它的稳定。且受扰动后，正弦电压和电流仍回到它的稳定值。稳定振荡另一种表达方式：定值。稳定振荡另一种表达方式：0lslsRIXXIR+HA()HF()VinVoutVf)()(1)(FAAinoutAHHHVVG10.1 基本理论基本理论 0)()(1FiFrAHHH微波振荡器微波振荡器 正反馈理论正反馈理论三极管振荡器三极管振荡器等效负阻外电路ZD=-RD+jXDZL=RL+jXLi微波振荡器微波振荡器 FET振荡器的设计与FET放大器十分相似，它使用的器件，偏置电路以及S参数都与放大器相同，只是工作在不稳定区域 为了实现低噪声和高频率稳定度，谐振器的设计通常
4、也包含在振荡器的设计中，谐振器可以是集中参数电路，也可以是分布参数传输线、或是腔体、介质。频率调谐可以采用变容二极管或铁磁材料。微波振荡器微波振荡器 满足振荡条件大信号S参数可以通过测试仪器或大信号模型获取，但相对比较困难，他的设计步骤如下：大信号S参数可以通过测试仪器或大信号模型获取，但相对比较困难，他的设计步骤如下：大信号方法与小信号方法类似。在Rogers 6010上制作，工作频率高，噪声电平比较高，直流到射频的转换效率很低。HB法只能分析一个外激励频率信号去激励一个非线性电路，而振荡稳定是一个逐渐建立的过程，开始振荡时的频率与稳定后的振荡频率不同，且电路参数是随频率变化的过程。由器件和
5、电路结构决定。2）点频振荡器输出功率稳定建立饱和状态模型较为困难；稳定振荡另一种表达方式：正反馈理论三极管振荡器Example:GaAs FET.2）点频振荡器1、输出频率和频率准确度1、输出频率和频率准确度介质谐振器是用新型陶瓷材料做成的，具有高的介电常数。稳定振荡过程是一个逐步建立起来的瞬态，振荡开始时V0和I0很小，不满足上式，直到 V0和I0 很大到达某一定值时，上式成立，振荡趋于稳定。在这些应用中，一般是使用介质谐振器的固定频率振荡器。微波振荡器微波振荡器 一、小信号设计方法 0)(),()(),(0000fXfvXfRfvRLoutLout)(3),(00fRfvRLout1111
6、1inTinoutLoutK 微波振荡器微波振荡器 22111LTLSS 11221LinLSS 可以证明，如果输入端振荡，输出端也振荡；当输出端振荡时，输入端也振荡。122111111221221122112212211111111 ()outLLinLToutTTLoutTS SSSS SSSSS SS SS 1Tin微波振荡器微波振荡器 这一结论也可推广到一个n端口振荡器，只要一个端口振荡，其余的端口也必然同时振荡。微波振荡器微波振荡器 设计一个FET振荡器的一般步骤是：1、potentially unstable transistor,如果不是，则采用反馈元件 TTZor2、12212
7、2221ToutTS SSS3、1out4、LZ00()()LoutXfXf 001()(0,)3LoutRfRf5、Load matching network 微波振荡器微波振荡器 Example:GaAs FET.08fG111221220.98 163,0.3954,0.6751610.465 120SSSS(1)2221122122110.52912SSKS S(2)*11222211()1.35156sSSCS 122122110.521sS SS 微波振荡器微波振荡器 7.5TZj 027.5cotTglZjjZ 027.5cotTglZjjZ 050,=0.226gZl（3）12
8、21221112.816.61ToutTS SSS582.61outZj（4）119.332.61LoutLoutRRXXj 微波振荡器微波振荡器 二、大信号设计方法 大信号方法与小信号方法类似。大信号S参数可以通过测试仪器或大信号模型获取，但相对比较困难，他的设计步骤如下：1、1TToutorZ 2、,outoutZ000000(,)(,)(,)outoutoutZVfRVfjXVf3、LZ000000()(,)()(,)LoutLoutRfRVfXfXVf 微波振荡器微波振荡器 三、三、FET振荡器的非线性分析振荡器的非线性分析以上采用小信号线性以上采用小信号线性S参数进行分析和设计，得不
9、参数进行分析和设计，得不到精确预计输出功率和对应的负载阻抗。到精确预计输出功率和对应的负载阻抗。FET振荡器非线性分析方法振荡器非线性分析方法VolterraVolterra级数法。级数法。而采用谐波平衡法有以下两个难点：而采用谐波平衡法有以下两个难点：建立饱和状态模型较为困难；建立饱和状态模型较为困难；HBHB法只能分析一个外激励频率信号去激励一个非线性电法只能分析一个外激励频率信号去激励一个非线性电路，而振荡稳定是一个逐渐建立的过程，开始振荡时的频路，而振荡稳定是一个逐渐建立的过程，开始振荡时的频率与稳定后的振荡频率不同，且电路参数是随频率变化的率与稳定后的振荡频率不同，且电路参数是随频率
10、变化的过程。过程。微波振荡器微波振荡器 FFS(t)S(t)W(t)W(t)FF-PPFF-PP闭环非线性反馈系统闭环非线性反馈系统开环非线性系统开环非线性系统闭环等效电路闭环等效电路开环系统开环系统S(t)X(t)W(t)kS(t)X(t)W(t)kZ(t)微波振荡器微波振荡器 tjztjztjstjsnniitjsinsisiiniinNitjnsinniiineVeVtPtZeVeVtPtSeVVVteVtSdtSnhtninii 21212121,.2,1.)(11,21211,1111而令微波振荡器微波振荡器 321311121,111,212121211HHHHHHVVeVVHeV
11、eVtZeVeVtSszninitjsinsiinintjztjztjstjsini以及可求出令同频项相等，使则开始 由此可求出振荡器的输出信号幅度的大小和由此可求出振荡器的输出信号幅度的大小和振荡频率的高低，而转移函数振荡频率的高低，而转移函数H是由具体的是由具体的FET等等效电路，偏置，工作状态和电路拓扑所决定。效电路，偏置，工作状态和电路拓扑所决定。微波振荡器微波振荡器 五、性能参数五、性能参数 振荡器的两个主要性能是它的频率和输出功率，但其它性能参数对微波或毫米波系统的性能也有很大的影响：1、输出频率和频率准确度、输出频率和频率准确度由器件和电路结构决定。微波振荡器微波振荡器 0000
12、ffffffff2、输出功率、输出功率P0主要取决于器件。3、相位噪声、相位噪声微波振荡器微波振荡器 输出频谱中产生的噪声边带。输出频谱中产生的噪声边带。大信号S参数可以通过测试仪器或大信号模型获取，但相对比较困难，他的设计步骤如下：6、频率滞后调谐漂移2）点频振荡器1、输出频率和频率准确度相噪为-70dBc/Hz1kHz大信号方法与小信号方法类似。稳定振荡过程是一个逐步建立起来的瞬态，振荡开始时V0和I0很小，不满足上式，直到 V0和I0 很大到达某一定值时，上式成立，振荡趋于稳定。正反馈理论三极管振荡器大信号S参数可以通过测试仪器或大信号模型获取，但相对比较困难，他的设计步骤如下：雪崩（I
13、MPATT）和耿氏（Gunn)二极管：稳定振荡过程是一个逐步建立起来的瞬态，振荡开始时V0和I0很小，不满足上式，直到 V0和I0 很大到达某一定值时，上式成立，振荡趋于稳定。由于相位噪声也可由来自直流电源或耦合到直流偏置电路的噪声引起，所以直流电源的滤波在减小相位噪声方面是不可忽视的。变容二极管：Cj(0)=1pF，Vbi=1V大信号方法与小信号方法类似。频率调谐可以采用变容二极管或铁磁材料。而采用谐波平衡法有以下两个难点：工作频率高，噪声电平比较高，直流到射频的转换效率很低。且受扰动后，正弦电压和电流仍回到它的稳定值。雪崩（IMPATT）和耿氏（Gunn)二极管：振荡器的温度变化可以同时影
14、响谐振器的谐振频率和FET的in，从而使振荡频率发生变化。稳定振荡过程是一个逐步建立起来的瞬态，振荡开始时V0和I0很小，不满足上式，直到 V0和I0 很大到达某一定值时，上式成立，振荡趋于稳定。要把相位噪声减至最小，不仅要使用低噪声器件，而且还要使用高的有载Q谐振器，在电压控制振荡器中，应使用高Q变容二极管。用锁相振荡器也可以实现低的相位噪声，如晶体振荡器。由于相位噪声也可由来自直流电源或耦合到直流偏置电路的噪声引起，所以直流电源的滤波在减小相位噪声方面是不可忽视的。微波振荡器微波振荡器 4、频率牵引和推频、频率牵引和推频 负载的变化引起输出频率改变负载的变化引起输出频率改变 负载阻抗的变化
15、通过in的相位改变可以影响振荡频率。这种现象称为频率牵引。直流偏压的变化可以引起FET的S参数和in的变化，因而引起振荡频率变化，这种现象称为推频。减小推频的直接方法是在振荡器的偏置电路中采取稳定措施。在振荡器的输出端加入输出隔离器或缓冲放大器就可以减小频率牵引。采用高Q谐振腔。微波振荡器微波振荡器 5、热稳定性、热稳定性 TT的变化引起的变化引起f f0 0和和P P0 0的变化的变化 振荡器的温度变化可以同时影响谐振器的谐振频率和FET的in，从而使振荡频率发生变化。温度变化也可以使输出功率减小，甚至可以使振荡完全停止。温度补偿电路一般包含在偏置电路中。谐振器也可以按补偿振荡器频率的变化进
16、行设计。微波振荡器微波振荡器 6、频率滞后调谐漂移、频率滞后调谐漂移 7、谐波和假响应输出、谐波和假响应输出 可采用滤波器进行抑制。可采用滤波器进行抑制。在设计良好的振荡器中，引起频率滞后调谐漂移的主要原因是由变容管上的热耗散引起的。微波振荡器微波振荡器 10.2 电路拓扑电路拓扑 1）VCO共栅电路是实现VCO的最流行的一种，因为只需用一个非常简单的反馈电路（一个电感）就可以在很宽的频率范围内实现负电导。2）点频振荡器采用共源电路。在这些应用中，一般是使用介质谐振器的固定频率振荡器。介质谐振器是用新型陶瓷材料做成的，具有高的介电常数。微波振荡器微波振荡器 DSGL地地 DR是一个具有高介电常
17、数的软磁体，电磁均被封闭在其内部及周围，等效电路为谐振电路，特点是低损耗，高空载Q，低温度参数及高介电常数（3040）。微波振荡器微波振荡器 12iurrjQ 微波振荡器微波振荡器 调谐范围宽振荡器的两个主要性能是它的频率和输出功率，但其它性能参数对微波或毫米波系统的性能也有很大的影响：相噪为200MHz，输出功率8dBm，相噪为-70dBc/Hz1kHz 在Rogers 6010上制作，基片厚0.635mm，介电常数10.2，PHEMT采用HP的ATF36077，变容管采用MACOM的ML46580，微波振荡器微波振荡器 微波振荡器微波振荡器 微波振荡器微波振荡器 大信号方法与小信号方法类似
18、。调谐速度快由于相位噪声也可由来自直流电源或耦合到直流偏置电路的噪声引起，所以直流电源的滤波在减小相位噪声方面是不可忽视的。大信号方法与小信号方法类似。调谐速度快用锁相振荡器也可以实现低的相位噪声，如晶体振荡器。输出功率稳定变容二极管：Cj(0)=1pF，Vbi=1V相位噪声大，结构简单，便于集成，成本低，可以用于更高的频率。相噪为-70dBc/Hz1kHz大信号方法与小信号方法类似。而采用谐波平衡法有以下两个难点：1、potentially unstable transistor,如果不是，则采用反馈元件温度补偿电路一般包含在偏置电路中。稳定振荡过程是一个逐步建立起来的瞬态，振荡开始时V0和
19、I0很小，不满足上式，直到 V0和I0 很大到达某一定值时，上式成立，振荡趋于稳定。频率调谐可以采用变容二极管或铁磁材料。变容二极管：Cj(0)=1pF，Vbi=1V在Rogers 6010上制作，以上采用小信号线性S参数进行分析和设计，得不到精确预计输出功率和对应的负载阻抗。振荡器的温度变化可以同时影响谐振器的谐振频率和FET的in，从而使振荡频率发生变化。微波振荡器微波振荡器 微波振荡器微波振荡器 47在Rogers 6010上制作，雪崩（IMPATT）和耿氏（Gunn)二极管：稳定振荡过程是一个逐步建立起来的瞬态，振荡开始时V0和I0很小，不满足上式，直到 V0和I0 很大到达某一定值时
20、，上式成立，振荡趋于稳定。以上采用小信号线性S参数进行分析和设计，得不到精确预计输出功率和对应的负载阻抗。振荡器的两个主要性能是它的频率和输出功率，但其它性能参数对微波或毫米波系统的性能也有很大的影响：温度变化也可以使输出功率减小，甚至可以使振荡完全停止。减小推频的直接方法是在振荡器的偏置电路中采取稳定措施。大信号方法与小信号方法类似。大信号S参数可以通过测试仪器或大信号模型获取，但相对比较困难，他的设计步骤如下：1、输出频率和频率准确度而采用谐波平衡法有以下两个难点：以上采用小信号线性S参数进行分析和设计，得不到精确预计输出功率和对应的负载阻抗。而采用谐波平衡法有以下两个难点：变容二极管：Cj(0)=1pF，Vbi=1V大信号S参数可以通过测试仪器或大信号模型获取，但相对比较困难，他的设计步骤如下：温度补偿电路一般包含在偏置电路中。稳定振荡过程是一个逐步建立起来的瞬态，振荡开始时V0和I0很小，不满足上式，直到 V0和I0 很大到达某一定值时，上式成立，振荡趋于稳定。PHEMT采用HP的ATF36077，FET类（包括GaAs MESFET、HEMT、PHEMT和HBT等）：工作频率低，相位噪声低，直流到射频的转换效率高。谢谢观看！谢谢观看！
