射频微波振荡器.docx
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射频微波振荡器
Gainflatnessofbothdevicesis±0.2dBand±0.4dB.Bothareavailableinchipformaswell.Theyoperatefroma+6-VDCsupply
mmleadlessQeramicSMTpackage
HMC594LC3BisanLNAthatdelivers10dBgain,3dBnoisefigure,and+36dBmP3dBRFoutput.Itishousedina3x3-mmleadlessceramicSMTpackage
TheHMC609LC4delivers20dBgain,hasa3.5dBnoisefigure,and+36.5dBmP3dBoutput,housedina4x4-
33to75GHz
TheyfeaturePldBinputpowersashighas+11dBm,noisefiguresaslowas7dB,andgainoptionsfrom10to40dB
第9章射频/微波振荡器潼
9.1振荡器的基本原理墓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
9.I振荡器的基本原理蠤
9.1.1振荡器的指标蠤
射频/微波振荡器的主要技术指标是频率和功率。
I.工作频率蠤
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。
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,针对指标侧重点,应釆取相应的补偿措施。
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下列概念。
（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的比值。
绝对精度是给定环境条件下的最大频偏。
蠤
（2）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，这种频偏是不可避免的，只能釆取恰当的方法降低。
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MHz/°C或ppm/°C描述。
萬
（3）年老化率。
随着时间的推移，振荡器的输出频率也会偏移，用ppm/年描述。
萬
（4）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,用Hz/V表示。
在振荡器内部搏加稳压电路和滤波电容能改善这一指标。
丫
（5）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，增加隔离器或隔离放大器，减小负载的牵引作用。
蠤
（6）振动牵引。
振汤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。
振动敏感性与元件的安装和固定有关，用Hz/g表示。
蠤
（7）相位噪声。
相位噪声是近代振荡器和微波频
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。
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,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均振荡频率有关。
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宽,噪声按照1//3或1//2下降。
振荡器的反馈环的环增益按1//2而不是按谐振频率下降。
1/f因子与器件和谐振器的低频调制有关。
相位噪声用L（/m）=（PSSB（ZmVHzype表示,可用频谱仪或相位噪声分析仪测量。
Pssb（L）/鋳Hz銲是I銲Hz銲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功率的值。
人表不尚开载频的边频,也是对载频的调制频率,故有时称作调频噪声。
蠤
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。
其单位是皮秒或UI（UnitIntervals）,UI是时钟的一部分，即UI=抖动皮秒/时钟一周。
因为相位噪声给出了每一个频率调制载频的相位偏移，我们可以累加360°内所有的相位偏移，即得到UI。
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
相位噪声与边频的关系就是抖动。
用抖动的频域观点看，PLL就是一个''频率衰减器〃。
PLL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限的。
相位噪声的估算公式为蠤
2.输出功率蠤
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婷Q婷值，导致功率随温度变化而变化。
因此，选用稳定的晶体管或釆用补偿的办法，也可增加稳幅电路。
这样，又会增加成本和噪声。
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的，还要保证频带内功率平坦度。
蠤
3.调谐范围蠤
对于可调谐振荡器，还有个调谐带宽指标。
通常是指调谐的最大频率和最小频率，而不谈中心频率，对于窄带可调振荡器（如10%），也有用中心频率的。
调谐范围对应变容管的电压范围或YIG的电流范围。
为了维持振荡范围内的高Q特性，变容管的最小电压大于O。
调谐灵敏度的单位是MHz/V，一般地，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的小范围内测量。
I10
U/V
9-1变容管的调谐特性
调谐灵敏度比是最大调谐灵敏度/最小调谐灵敏度。
在PLL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，随着电压的增加，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，意味着频率低端灵敏度高，频率高端灵敏度低。
由图9-1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。
变容管的调谐速度比YIG的调谐速度快得多。
4.供电电源蠤
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。
蠤
5.结构尺寸蠤
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，使振荡器能稳定工作。
蠤
9.I.2振荡器的原理蠤
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[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所示。
蠤
负载
放大器
负载
振荡器
对于放大器设计来说,S1/和S2V都小于I,可以用圆图来设计M1和M2;而对于振荡器设计来说,为了产生振荡,S1/和均大于I。
振荡条件可以表示为
kFgS1/=1（9-2）潼
rLS22,=1（9-3）
首先保证稳定系数都应该小于I,如果不满足这个条件,则应该改变公共端或加正反馈；其次,必须加无源终端r^和rU以便使输入端口和输出端口谐振于振荡频率。
我们可以证明,如果式（9-2）得到满足,则式（9-3）亦必定满足,反之亦然。
换句话说,如果振荡器在一个端口振荡,它必然在另一个端口同时振荡。
通常,因为仅接一个负载,因此大部分功率只供给一个端口。
由于IFqI和IrLl均小于込式（9-2）和式（9-3）就意味着IS1/卜I和|S‘|>lo
假定端口I满足振荡条件
（9-4）
则有
0Ii
^ii
G
'11
DT1
Ii
22-
I-S
（9-5）
22-
苜
曰曰
22_1
1I
2
CoU2CO
SI一-I
QI
1H
1-
G
22-
将式（9_6）展开，可得硓硓rGsn挪-DrLrG=i-s22rL銲潼
rL（S22-DTg）=I-S11T
r=I-从LS22-DTg
同理,有潼
o'_o,^12^21^_S22-DTg
O—OI—
1-5\乃I-^1^
I二I-仏^22S22—DTg
（9-7）
（9-8）
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，则另一端口必然同样振荡，负载可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。
蠤
根据上述理论，可以依下列步骤利用[S]参数来设计一个振荡器。
萬
步骤一:
确定振荡频率与输出负载阻抗。
一般射频振荡器的输出负载阻抗为50Q銲。
步骤二：
根据电源选用半导体元件，设定晶体管的偏压条件（UeE，Ic）,确定振荡频率下的晶体管的S参数（S11,S21,S12,S22）。
萬
步骤三：
将所获得的S参数代入下列公式以计算出稳定因子K的值。
步骤四：
检查K值是否小于I。
若K值不够小，可使用射极或源极增加反馈电路来降低K值，如图9-3所示。
图中，
球[Zm]=[Za]+[Zf]（9_12）
O-
O-
端口有淤电路
[ZJ
步骤五：
利用下列公式计算出负载稳定圆的圆心A与半径b，并绘出以「，为参量的史密斯圆，如图9-4所示。
同理，亦可计算出振源稳定圆的圆心C与半径d。
萬
负载稳定圆：
|r-A|=b<
振源稳定圆：
r-
负载稳定圆
|厂
交叉区域（阴影区）
步骤六:
设计一个谐振电路，一般使用并联电容zs，将其反射系数Zs转换成ru,并将其标记到IrL1|=1的圆
步骤七：
检查「匸的值是否落在负载稳定圆外部与Ir\l=i的单位圆内部的交叉斜线区域，如图9-5所示。
若没有，则重选谐振电路的电容值，并重复步骤六直到符合步骤七的要求。
振源稳定圆
经I映射至^平面
（平面
步骤八：
根据计算得到的ru值，选择一个接近新值Fua，使其对应的阻抗值（Zua）的实数部分（Re[ZLla]等于输出负载阻抗（Rl）。
M
步骤九：
将新值rUaSi/sn丨映射转换成新值rsla，并检查其绝对值是否小于所选定的rsl的绝对值，即较接近Irsl=i的圆心，如果符合逢墟条件Irsl|>|rsla|，如图9-5所不，取
步骤十：
振荡器电路的实现分别将z,[Zua]转成实际元件值，可选用电容、线实现这些元件值。
蠤
（I）反馈电路:
墓
①若选用电容,公式为
Q=丄
2<|Z/
若选用等效传输线（阻抗Zo）,长度为
nz/i）
O=arccot^—
Z0
V0J
Zs、Im錚
电感或传输
②若选用电感，公式为
Z
2^0
若选用等效传输线（阻抗Z
O-arctan（
（2）谐振电路:
墓
Z
Z
0
①若选用电容，公式为
若选用等效传输线（阻抗Z。
），
6=arccot（
②若选用电感,公式为
Zs
Z0
S2<0
若选用等效传输线（阻抗z（
Zs
6=arctan（—-）
Zq
长度为
长度为
（3）输出负载匹配电路:
蠤
①若Im传输线：
'Lla」
Ci
〈O，则选用串联电容或等效匹配
I
2<0Im[Z
Lla
②若Im传输线：
'Lla」
>0，则选用并联电感或等效匹配
Im[Zz
2<（
9.I.3振荡器常用兀器件高
I.有源器件蠤
用于射频/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墓
器件名称
英文简写
频段
说明
双极结晶体管
HBT
5GHz以下
用途广，噪声低
场效应管
MOSFET
IGHz以下
特殊要求时，比HBT噪声低
JFET
MESTET
HEMIT
100GHz以下
用途广泛，噪声低
负阻二极管
GUNN
IMPATT
100GHz以下
结构简单，噪声大
倍频器
所有频率
稳定•现多用
2.谐振器高
用于射频/微波振荡器的谐振器及使用频段见表9-2
般以振荡器的成本、指标来选择谐振器。
萬
表9-2用于射频/微波振荡器的谐振器及使用频段蠤
谐振器类型
频率范围
品质因数Q
说明
LC
IHz〜100GHz
0.5〜200
Q低，平面，成本高
变容管
IHz〜100GHz
0.5〜100
Q低，非线性，噪声大，可调
带状线、微带线
IMHz〜100GHz
100〜1000
尺寸大，平面，成本低，Q高
波导
I〜600GHz
1000〜10000
尺寸大，成本高，Q高
YIG
I〜50GHz
1000
需外加磁场，成本高，速度低，Q高，调谐线性好
IL
0.5〜3GHz
200〜1500
成本高，Q高，温度稳定
蓝宝石
I〜10GHz
50000
成本高.Q高，温度稳定
介质DR
I〜30GHz
5000〜30000
成本和体积大，Q高
晶振
IkHz〜0_5GHz
100000〜2500000
频率低，Q高，温度稳定
声表SAW
IMHz〜2GHz
500000
频率低，成本高，Q高
3.振荡器墓
要把9.1.2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9-6给出了振荡器的四种基本连接形式。
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（b）和图（C）用途最广，技术成熟。
图（b）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，工作于串联谐振器的电感部分。
图（c）是源极反馈振荡器，常用于YIG调谐、
介质谐振器和传输线谐振器振荡器，工作于并联谐振器的电容部分。
在微波频段，反馈电容匕就是器件的结等效电容。
图（b）和图（C）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（d）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/微波领域移植。
ZIrr
C,
⑷
⑷
-O-
-0
C1:
9-6振荡器电路
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器,如图9-7所示。
4.振荡器的设计步墓振荡器的设计步骤如下：
蠤
步骤一：
选管子，在工作频率上有足够的增益和输出功率。
（以手册为基础）晶
步骤二：
选拓扑结构，适当反馈，保证K〈l。
高
步骤三：
选择输出匹配网络，保证在50Q负载时IS1/1>1。
蠤
步骤四：
输入端谐振，使FeSmi,=1，保证Is22,|>lo
还要注意，晶体管的偏置对特性影响很大，无论什么管子（HBJT.FET、MMIC等），电路拓扑结构都一样。
蠤
9.2集总参数振荡器蠤
9.2.I设计实例蠤
设计一个80（MHz放大器。
电源为12VDC，负载阻抗为500。
晶体管AT41511的S参数如表9-3所示。
（UeE=8V,Ic=25mA,Z0=50Q,TA=25°C銲）蠤
表9-3参数表
//GHz
S11
S21
2
S22
0.5
0.49
-153
12.7
98
0.030
50
0.42
-35
0.6
0.48
-159
10.7
94
0.034
52
0.39
-35
0.7
0.48
-163
9.3
90
0.037
53
0‘38
—35
0.8
0.47
—167
8.2
87
0.040
55
0.37
-36
0.9
0.47
-170
7.3
85
0.044
56
0.36
-37
1.0
0.47
-171
6.6
82
0.047
57
0.37
-38
I.5
0.44
177
4.9
71
■0.065
59
0.40
—42
2.0
0.41
163
3.4
61
0.083
58
0.42
-45
设计过程如下：
蠤
（1）计算可得有源器件的原始k值为I.021，大于1，需设计反馈电路。
选用一个18pF的电容做反馈电路，经公式计算后可得修正后的k值为-0.84，远小于I。
设计可行。
琲蠤
（2）选用11.5pF銲电容做谐振电路，设其内电阻为2.5Q，将其反射系数rsl经1/S22'映射公式转换成rL1,并标记到IrLI=1的史密斯圆图上，可得确实落于IrsKI及IrJ<1的交叉区域，即稳定振荡区内，故可用。
墓
（3）选定一接近值rUa，以使得其对应的阻抗值zuai?
=50+j250Q的实数部分Re[ZLla]=50Q等于输出负载阻抗&銲=50Q銲。
蠤
（4）将新值rUa经1/sy映射转换成新值rsla銲琲，其绝对值（=0.878）确实小于原先选定的rsl的绝对值（=0.914），符合起振条件，Irsl|>|rsla|。
蠤
（5）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50銲nH銲。
蠤
（6）代入射频模拟软件分析验证。
经鋳Mathcad分析，MicrowaveOffice鋳仿真结果如图9-8所示。
nHarm：
10Freq：
800MHz
FREQ[GHz]
•FREQ
SingleTone
NHW008:
J
2-s06^p:
2—§
一Zi082SPS:
siM
XNT
UHdoooI
Q.
05
O
Zioos:
J
2®p06uj
W2:
zI-Csl—
JPISL）
IF
151Uso=^pIIISIaP
9.2.2电路拓扑结构举例蠤
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9-9、图9-10和图9-11给出了几个典型电路供参考。
M2V
15kQ
出
输
3MHz
6MHz
IOMHz
20MHz
30MHz
（VPF
330
270
180
82
43
C2ZpF
430
360
220
120
68
C3ZpF
39
43
43
36
32
（VpF
32
32
30
20
15
⑷
（b）
OSC
0.5nHAT414011.9nH6.0nH
XR
AT4140
11
2）C=2.06PFjiS11OSC=0.637Z44.5°C=IMpFJ11OSC=1.161Z-5.5°
9.3微带线振荡器蠤
I.2GHz振荡器蠤
双极结晶体管的参数和电路设计结果如图9-12所示。
电感Lb的加入，可保证振荡稳定。
可以验算，IS1/|>1，IS2/|>1。
电容C与管子引线电感构成谐振回路，电容C可以用变容管、YIG或介质谐振器代替,来构成不同功能的振荡器。
微带线是阻抗变换网络。
蠤
Zg=O
ZB=0.5nH
Su=OMZllA0
1.04Z1730
.V21=I^OZ-28°
2.00Z-300
^10=O.013Z980
0.043Z153°
S22=IMZ-IT
1.05Z-180
众=—0.09
-0.83
C=20pF：
HP2001
100QM-CZh
"B
0.5nH
50Q
rL=0.62Z30c
2.同轴型介质谐振器振荡器蠤
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所示振荡器中的电容C的位置可以用介质谐振器代替，重新设计其他元件，这样能提高振荡器的频率稳定性。
球萬
如图9-13所示是四分之一波长的内圆外方同轴谐振器。
圆柱套型高介电常数的陶瓷介质内外表面有金属导体,引脚端开路,另一端短路。
谐振器的边长与内径满足高Q条件。
L
2.5±0.1
IT）
寸.
Vi
0.5
細.1
表9-4给出了不同介电常数的使用频段。
蠤蠤
表9-4常用同轴介质谐振器蠤
相对介电常数
21
38
88
长度/mm
16.6.//
12.6//
8.8//
温度系数/（ppm/°c）
10
6.5
8.5
温度系数（可能值）
—3〜+12
—3〜+12
_3〜+12
典型Q值
800
500
400
适应频率/GHz
I〜4.5
0.8〜2.5
0.4〜I.5
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
式中，Zc3为谐振器的特性阻抗，R*为导体损耗，I为谐振器长度。
如在450MHz、介电常数88条件下，可得Rp=2.5kQ。
蠤
图9-14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0.5〜2.5GHz频率范围。
变容管调谐可以在一定范围内实现压控振荡器（VCO）。
蠤
1000pF
777
■3dBm
777
/7Z
~i+5V1000pF
~-5V
9-14介质谐振器振荡器典型电路（0.5〜2.5GHz）
3.圆柱（方柱）介质谐振器FET振荡器蠤
如图9-15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4GHz振荡器中，可得图9-16所
示介质振荡器。
蠤
0eXt=^（串联谐振或
axt=f|-（并联谐振
O
L
R
C
O
AT414000
rv^rv^a
-W-
lG
?
22|>100
DR
O
介质谐振器与微带电路的耦合参见图9-17。
调节谐振器的三维位置就可改变耦合量。
蠤
介质基板
微带
支撑
图9-18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20世纪80年代，目前已在各类微波系统中得到使用。
蠤
〇
m
97dBc/Hz（IOkHz）,8.5GHz
I
g
h-
d
〇
4
88dBc/Hz（10kHz）,6GHz
„O
91dBc/Hz（10kHz）,6GHz
O
O
〇
90dBc/Hz（10kHz）,7.2GHz
94dBc/Hz（10kHz）,12GHz
100dBc/Hz（10kHz）,7.2GHz
图9-19是一个14GHz微波振荡器实例,微封装后就像普通晶振一样使用。
@
G
]^
OUT
-Sr
升级会员 