第九章 射频微波振荡器2021/8/62021/8/61 1射频/微波振荡器是用来产生射频/微波信号的器件。固体振荡器核心是一个有源非线性器件（如而二极管和晶体管）和一个谐振电路。基本的晶体管振荡器电路在低频下使用，包括著名的哈特莱（Hartley）和考毕兹（Colpitts）结构和晶体控制振荡器在较高频率处可以使用偏置于负阻工作点的二极管或晶体管以及腔体、传输线或者介质振荡器以达到高达100GHz的基频振荡，另外采用频率倍增器也可以获得较高的频率输出2021/8/62021/8/62 2振荡器基本指标振荡器基本指标1 频率精度2 频率稳定度（PPM/） 典型频率稳定度2 PPM/0.5 PPM/3 电源牵引（Hz/V）4 AM和FM噪声（dBc/Hz）-相位噪声 是输出信号的时域抖动的频域等效 典型相噪在偏离载波10KHz处为80dBc110dBc5 谐波（dBc）6 调谐范围（MHz/V）2021/8/62021/8/63 3正弦振荡器的基本工作原理正弦振荡器的基本工作原理输出电压表示为其中A为放大器电压增益，H()为反馈网络的传递函数在某个频率下，上式分母成为零，就有可能在输入电压为零时输出电压不为零，因此形成振荡器。这叫奈奎斯特准则(Nyquist)。与放大器设计不同，振荡器依赖于不稳定性电路2021/8/62021/8/64 4晶体管振荡器电路原理晶体管振荡器电路原理晶体管振荡器的一般电路将V3和V4连接起来就可以构成反馈，而且这一电路可以分别在V2、V1和V4接地构成共发射极/源极、共基极/栅极或共集电极/漏极结构2021/8/62021/8/65 5写出上原理图的四个节点的基尔霍夫方程，得出下面的矩阵方程对于该矩阵方程，若电路第i节点接地，则矩阵方程可以消去第i行和列，使矩阵阶数减1。若两个节点连接在一起，则矩阵相应行和列相加2021/8/62021/8/66 6对于共发射极的双极型晶体管振荡器，V20，并从集电极反馈以使V3V4V，这矩阵方程可以简化为对于非零的V1和V，上式成立的条件是矩阵行列式为零若反馈网络仅包含无耗电容和电感，则有Y1jB1，Y2jB2和Y3jB32021/8/62021/8/67 7分别使用行列式的实部和虚部等于零的到两方程把电纳转为电抗，取X1=1/B1, X2=1/B2和X3=1/B3,则可将上两式改写为因为 和 是正值，所以X1和X2是相同符号，因而两者都是电容或都是电感，而X3必须与X1和X2的符号相反，是相反电抗的元件2021/8/62021/8/68 8若X1和X2是电容，X3是电感，就得到考毕兹振荡器可以解出振荡器的频率为振荡的必要条件2021/8/62021/8/69 9若X1和X2是电感，X3是电容，就得到哈莱特振荡器可以解出振荡器的频率为振荡的必要条件2021/8/62021/8/61010晶体振荡器晶体振荡器 石英晶体有安装在两个金属板之间的石英切片构成，通过压电效应可以在晶体中激励机械振荡，其等效电路为 石英晶体的Q值可以高达100，000，并且频率漂移小于0.001%/,因而石英晶体振荡器可以获得更好的频率稳定性和温度稳定性2021/8/62021/8/61111由等效电路可知串联和并联谐振频率s和p，分别为晶体谐振器的输入阻抗为2021/8/62021/8/61212 可以看出在串联和并联谐振之间的频率范围内电抗石感性的，这就是晶体使用的工作点，可以用晶体代替哈莱特或考毕兹振荡器的电感2021/8/62021/8/61313微波振荡器单端口微波振荡器单端口RF负阻振荡器负阻振荡器ZinRinjXin是有源器件（比如偏置二极管）的输入阻抗，通常这一阻抗与电流（或电压）有关，也与频率有关，可表示为Zin( i,j)=Rin( i,j)+jXin(i,j)2021/8/62021/8/61414应用基尔霍夫电压定律可得若振荡产生，使得RF电流I不为零，则下述条件必须满足因为负载是无源得，RL0，则Rin0，其中正电阻表示能量消耗，负电阻表示提供能量的源，而电抗等式条件控制频率。对于稳态振荡有ZL-Zin，则反射系数有下述关系2021/8/62021/8/61515振荡过程依赖于Zin的非线性特性。开始，整个电路必须在某一频率下出现不稳定，即 ，然后任意的激励或者噪声将在频率引起振荡当I增加时 应变成较小的负值，直到电流达到I0，使得 和振荡过程振荡过程满足上述条件后，振荡器在稳态下运行，最后形成振荡频率0通常不同于起振频率，因为Xin与电流有关，因此2021/8/62021/8/61616例如：单端口振荡器使用负阻二极管，对于f6GHz，在要求的工作点处具有 ，为50欧的负载阻抗设计匹配电路2021/8/62021/8/61717解：从Smith圆图或者直接计算的输入阻抗为由稳态振荡的阻抗关系式可得负载阻抗必须是用并联短截线或串联传输线将50欧转换为ZL得2021/8/62021/8/61818晶体管振荡器晶体管振荡器在放大器设计时，希望器件具有高度稳定性（无条件稳定）。而对于振荡器，我们需要具有高度不稳定性，把潜在不稳定的晶体管终端连接一个阻抗，选择它的数值使得在不稳定区内驱动器件，就可以有效建立负阻单端网络2021/8/62021/8/61919对于共源或共栅FET电路（共发射极或共基双极晶体管电路）常常引入正反馈的方式增加晶体管的不稳定性选定晶体管电路结构以后，在 平面画出输出稳定性圆，并且选择 使在晶体管的输入处产生大的负阻抗，然后选择负载阻抗ZL和Zin匹配由于设计使用了小信号S参量，由于振荡功率建立起来后Rin将变得不够负，这就需要选择RLRin0的点时振荡将停止，实际上常取2021/8/62021/8/62020当振荡发生在负载网络和晶体管之间时，输出端口能否也产生振荡？对于输入端的稳态振荡，必须由 ，则可得其中求解出可以证明 ，满足了终端网络的振荡条件 2021/8/62021/8/62121例如：应用共栅电路结构的GaAs FET设计一个工作于4GHz的晶体管振荡器，其中与栅极串联一个5nH的电感以增加不稳定性。选择一个与50欧匹配的终端网络和适当的调谐网络。共源电路结构的晶体管S参量为（Z050欧）：2021/8/62021/8/62222解：解：首先将共源结构的S参量转换成带有串联电感的共栅电路结构的晶体管S参量对比可知|S11|比|S11|大很多，这表明加电感的结构比共源结构更不稳定计算的输出稳定园的参量，得到2021/8/62021/8/62323因为|S11|2.11,所以稳定区域在圆内，如图所示。在选择 时，存在的自由度很大，但是一个目的是使得 取大值，经过多次选择选取稳定圆相对一边的 2021/8/62021/8/62424所得电路原理图2021/8/62021/8/62525对应输入端的输入反射系数为输入阻抗为所选终端反射系数对应的终端阻抗为根据振荡器负载端阻抗的选择公式可得分别设计输入端匹配电路和输出端匹配电路可得电路原理图2021/8/62021/8/62626介质谐振器振荡器介质谐振器振荡器集总参数元件或者微带线和短截线构成的谐振网络的典型Q值量级限制在几百，而波导腔谐振器的Q值可以达到104或者更高，但是不适合集成在小型的微波集成电路里，而且随温度的变化由很大的频率漂移介质谐振器可以由高介电常数陶瓷构成，不仅体积小便于平面电路集成，而且温度稳定性好，未加载Q值可以达到几千，可以应用到整个微波和毫米波频段典型的介质谐振器：工作于TE01模的圆柱型介质谐振器和TEM模的介质同轴型谐振器2021/8/62021/8/62727介质谐振器和微带线之间的耦合介质谐振器和微带线之间的耦合圆柱介质谐振器工作于TE01模式，与微带线的边缘发生磁场耦合，耦合强度取决于谐振器与微带线之间的间隔d，通过磁场耦合，谐振器表现在微带线上是串联负载，等效电路如图2021/8/62021/8/62828介质振荡器的并联反馈布局介质振荡器的并联反馈布局并联反馈布局采用谐振器耦合到两条微带线，其功能是最为高Q带通滤波器将一部分晶体管输出返回输入端。调节谐振器与微带线之间的间距可以调整耦合量，调节微带线长度可以调节相位2021/8/62021/8/62929介质振荡器的串联反馈布局介质振荡器的串联反馈布局单条微带线馈线一般没有并联反馈的调谐范围宽，但是设计和调试过程要相对简单一些2021/8/62021/8/63030典型的单端反馈布局的振荡器介质振荡器放在距微带线开路终端/4处，可以调节传输线长度lr就可以与需要的 值的相位匹配2021/8/62021/8/63131终端阻抗确定上式表明1-S11 L L接近零使接近零使outout最大，对于终端最大，对于终端应用晶体管振荡器的起始条件，可以给出应用晶体管振荡器的起始条件，可以给出选择给出使选择给出使| |out|out|最大的最大的L L的值的值2021/8/62021/8/63232负载端阻抗确定对于介质振荡器，由介质振荡器的等效电路可知，从微带线看到的谐振器等效阻抗在谐振频率处是实数，所以在这点反射系数 的相角是零或者180，对于欠耦合并联RLC谐振器有RZ0,相角应该取180，所以有根据上式可以求出Lr的值，并进一步可以求出谐振时谐振器的等效阻抗以及耦合系数等参数2021/8/62021/8/63333随频率变化的曲线从输出端反射系数可以证明介质谐振器能够获得尖锐的频率选择性2021/8/62021/8/63434压控振荡器（压控振荡器（VCO）压控振荡器是靠改变调谐电压来改变振荡器输出的频率，是频率合成器的核心器件之一变容管又是VCO的核心器件之一，靠改变加载变容管两端的反向电压来改变比容管的等效电容，从而实现振荡频率的改变2021/8/62021/8/63535变容二极管变容二极管变容二极管是利用二极管在反向偏置条件下，势垒电容随外加电压而变化的一种器件变容二极管符号2021/8/62021/8/63636变容管的偏置电路变容管的偏置电路其中D1是变容管，电容C1是隔直电容（C1容量一般比变容管等效电容大许多）；电阻R1取值在10470K，起到对变容管起限流作用，同时也把二极管和其他电路隔离开；电容C2起到RF退耦作用2021/8/62021/8/63737一种典型的一种典型的LC压控振荡器压控振荡器电容0.01uF交流短路，晶体管就构成共基形式，两个背靠背串联的变容二极管D1和D2与电感L组成并联LC回路，回路输出电压通过电容C（10pF）反馈回输入端，构成正反馈，这四个器件共同决定振荡频率2021/8/62021/8/63838振荡器的相位噪声振荡器的相位噪声相位噪声归因于振荡器信号频率（或相位）的短期随机起伏相位噪声会引起检测数字调制信号时的不确定性，造成误码率增加增加接收机的噪声电平外，还会将不需要的临近信号一起进行下变频，限制了接收器的选择性2021/8/62021/8/63939一个理想的振荡器在工作频率处又单个函数组成的频率谱，但是实际的振荡器频谱如图所示振荡器的谐波或互调产物引起的寄生信号像分立的尖峰出现在频谱中，成为杂散由热和其他噪声源引起的随机起伏在输出信号附近出现宽的连续分布的谱相噪定义：来自信号特定的偏离fm处，一个相位调制边带的单位带宽（1Hz）功率与总信号功率之比2021/8/62021/8/64040实际的相噪测试曲线2021/8/62021/8/64141本机振荡的相位噪声如何导致邻近于所需信号的干扰信号的接收2021/8/62021/8/64242