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.pptx

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,9,章 射频,/,微波振荡器,HMC594LC3B is an LNA that delivers 10 dB gain,3 dB noise figure,and+36 dBm P3dB RF output.It is housed in a 3 x 3-mm leadless ceramic SMT package,GaAs PHEMT,The HMC609LC4 delivers 20 dB gain,has a 3.5 dB noise figure,and+36.5 dBm P3dB output,housed in a 4 x 4-mm leadless ceramic SMT package,Gain flatness of both devices is 0.2 dB and 0.4 dB.Both are available in chip form as well.They operate from a+6-VDC supply,第1页,第1页,They feature P1dB input powers as high as+11 dBm,noise figures as low as 7 dB,and gain options from 10 to 40 dB,33 to 75 GHz,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/,f,3,或,1/,f,2,下降。振荡器反馈环环增益按,1/,f,2,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(,f,m,)=(P,SSB,(,f,m,)/Hz)/P,C,表示,可用频谱仪或相位噪声分析仪测量。,P,SSB,(,f,m,)/Hz,是,1 Hz,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。,f,m,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(Unit Intervals),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,S,11,和,S,22,都小于,1,能够用圆图来设计,M,1,和,M,2,；而对于振荡器设计来说,为了产生振荡,S,11,和,22,均不小于,1,。振荡条件能够表示为,k1,和,|S,22,|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,G,S,11,-D,L,G,=1-S,22,L,L,(S,22,-D,G,)=1-S,11,G,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,50,。,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,(U,CE,I,C,),拟定振荡频率下晶体管,S,参数,(S,11,S,21,S,12,S,22,),。,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,=S,11,S,22,-S,12,S,21,（,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,Z,m,Z,a,Z,f,（,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,L,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：,|-A|=b,第25页,第25页,振源稳定圆：,|-C|=d,第26页,第26页,图,9-4|,s,|=1,映射至,L,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,Z,s,将其反射系数,Z,s,转换成,L1,并将其标识到,|,L1,|=1,圆图上。,环节七：检查,L1,值是否落在负载稳定圆外部与,|,L,|=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,L1,值,选择一个靠近新值,L1a,使其相应阻抗值,(Z,L1a,),实数部分,(Re,Z,L1a,等于输出负载阻抗,(R,L,),。,环节九：将新值,L1a,经,1/S,11,映射转换成新值,s1a,并检查其绝对值是否小于所选定,s1,绝对值,即较靠近,|,s,|=1,圆心,假如符合起振条件,|,s1,|,s1a,|,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,Z,f,、,Z,s,、,Im,Z,L1a,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,:,若选取电容,公式为,若选取等效传播线,(,阻抗,Z,0,),长度为,第31页,第31页,若选取电感,公式为,若选取等效传播线（阻抗,Z,0,）,长度为,（,2,）谐振电路,:,若选取电容,公式为,第32页,第32页,若选取等效传播线,(,阻抗,Z,0,),长度为,若选取电感,公式为,若选取等效传播线（阻抗,Z,0,）,长度为,第33页,第33页,(3,）输出负载匹配电路,:,若,Im,Z,L1a,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,K1,。,环节四,:,输入端谐振,使,G,S,11,=1,确保,|S,22,|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,12V DC,负载阻抗为,50,。晶体管,AT41511,S,参数如表,9-3,所表示。,(U,CE,=,I,C,=25mA,Z,0,=50,T,A,=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,11.5 pF,电容做谐振电路,设其内电阻为,2.5,将其反射系数,s1,经,1/S,22,映射公式转换成,L1,并标识到,|,L,|=1,史密斯圆图上,可得确实落于,|,s,|1,及,|,L,|,s1a,|,。,（,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,50 nH,。,（,6,）代入射频模拟软件分析验证。经,Mathcad,分析,Microwave Office,仿真结果如图,9-,所表示。,第47页,第47页,图,9-8 800 MHz,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,9-10 1.04 GHz,集成振荡器,第51页,第51页,图,9-10 1.04 GHz,集成振荡器,第52页,第52页,图,9-11 4 GHz,振荡器,第53页,第53页,9.3,微带线振荡器,1.2 GHz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,9-12 2GHz,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,Z,0,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,R,p,=2.5k,。,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,9-16 4GHz,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,14 GHz,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,9-19 14GHz,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,9-20 X,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,9-21 X,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,6.8 mm8 mm1.4 mm,。,HEMT,器件,FHR20X,U,GS,=-0.3 V,U,DS,=2V,I,DS,=10mA,f,0,=28.7GHz,P,0,=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=,f,max,/,f,min,:,若,K1.4,两个变容二极管并联。,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,f,max,和固定值电容来增长温度补偿,;,若用于锁相环,普通情况下,能够不用微调电容与固定电容。,第78页,第78页,环节三,:,估算等效谐振电容,C,r,。,C,r,=,固定电容可调电容有源元件等效电容离散电容。,等效谐振电容也能够利用表,9-5,估算。,第79页,第79页,图,9-23 VCO,谐振电路,第80页,第80页,表,9-5,等效谐振电容估算表,第81页,第81页,环节四,:,计算最大调整电容,C,Tmax,。,C,Tmax,=(K,2,-1,),C,r,+K,2,C,min,其中,K,与,C,r,值可由环节一与环节三取得,而,C,min,可由厂商提供变容二极管元件资料中取得,且其相应最大电容值,C,max,必须比最大调整电容,C,Tmax,稍大些。,环节五,:,计算谐振电感,L,。,也能够参考表,9-6,来选定谐振电感值,以避免选取变容二极管,C,min,值过小,不实际。,第82页,第82页,表,9-6,估算谐振电感值,第83页,第83页,步骤六:决定R与Cs值。,电阻R与旁路电容Cs主要作用是阻隔调谐电路与射频电路耦合干扰。R值太小,则不能达到去耦效果,太大则会因变容二极管漏电流交流成份而造成噪声调制。在特殊情况下，能够用射频扼流圈替换。普通地,R值约为30k左右,而Cs值则视振荡频段而不同,约在101000pF之间。,第84页,第84页,9.4.2,压控振荡器电路举例,图,9-24,、图,9-25,、图,9-26,、图,9-27,给出了几种压控振荡器电路实例,供参考。,第85页,第85页,图,9-24,压控振荡器电路,第86页,第86页,图,9-25,变容管两种连接方式,第87页,第87页,图,9-26 3,6 GHz,宽带微波压控振荡器,(a),原理图,;(b),微带板,;(c),频带特性,第88页,第88页,图,9-27 X,波段,MMIC,宽带微波压控谐振器频带特性,第89页,第89页,9.5,变容管倍频器,采用倍频方案,能够在高频段得到低频段频率准确度。当代有诸多射频,/,微波系统中采用倍频器功放实现发射机,其基本原理和应用参见第,11,、,13,章。倍频器原理是变容管能量与频率关系,详细内容在第,11,章简介。这里给出一个电路实例。图,9-28,是,100 MHz,1700 MHz,倍频器原理图。,第90页,第90页,图,9-28 17,倍频器电路,第91页,第91页,