第10章射频信号产生电路无线通信射频电路技术与设计[

1第10章射频信号产生电路教学重点本章重点介绍了射频振荡器起振条件与稳定振荡条件的反馈法和负电阻分析法，以及二极管/三极管基射频振荡器的类型与结构；介绍了固定频率式和可调谐式振荡器的类型，典型电路拓扑结构和设计技术；介绍了频率合成器的类型与原理基本电路拓扑结构和特点。教学重点教学重点掌握：射频振荡器的稳定振荡条件；固定频率振荡器的类型，典型电路拓扑结构和特点，参数计算方法、性能仿真方法等设计技术。了解：可调谐射频振荡器的类型，电路拓扑结构和特点。熟悉：频率合成器的类型与原理，基本电路拓扑结构等。能力要求2本章目录第一节射频振荡器第二节固定频率振荡器第三节可调谐射频振荡器第四节频率合成器3知识结构射频信号产生电路射频振荡器共栅极场效应晶体管的振荡器振荡器相位噪声分析共反射极的双极型晶体管振荡器晶体振荡器TDRO作为串联反馈元件TDRO作为并联反馈元件振荡器电路分析方法串联反馈与并联固定频率振荡器可调谐射频振荡器频率合成器振荡器最大输出功率TDRO温度稳定TDRO的调谐传输线谐振腔振荡器YIG调谐振荡器压控振荡器（VCO）分频器“延时”带有静态模数的频率合成器带有抖动模数的频率合成器组合式频率合成器直接数字合成器4§10.1射频振荡器10.1.1振荡器电路分析方法振荡器的核心电路是一个能够在特定的频率上实现正反馈的环路。闭环电路模型网络表达方式闭环传递函数：oAiFA()()1()()VHHVHH起振条件：FA()()1HH5§10.1射频振荡器我们通过负阻的产生来揭示振荡器的内在机理，具体通过考察一个包含电阻R，电感L和电容C的串联谐振电路来说明。当电流增加时，电压反而减少而不是增加，称为负电阻。传输电压与增益特性的关系压控源的串联谐振电路由图可得方程：22d()d()1d()()ddititviLRittCtdt6§10.1射频振荡器标准解为：QQjjt12()e(ee)ttitII式中：/2RL2Q1/()(/2)LCRL在R趋于零的极限状态下，就会出现无阻尼的正弦振荡。2012()...vivRiRi我们要找到电压-电流响应为的非线性器件，那么将此表达式中的某些项做调整用来恰好补偿R。将此级数展开式中的前两项代入方程式可得:212d()d()1d()d()()ddddititvtitLRitRtCttt合并一阶导数的系数，并根据要求令衰减系数为零，可得：1RR显然，该器件具有负的微分电阻。另外，如果要建立初始振荡，需要衰减系数具有正值，这意味着必须小于R。1R7§10.1射频振荡器实现负阻的最直接方法就是利用隧道二极管，这种二极管是以隧道效应电流为主要电流分量的晶体二极管，一般应用在某些开关电路或者高频振荡电路中，它由极高摻杂产生极窄的空间电荷区。隧道二极管振荡电路及其小信号等效电路8§10.1射频振荡器10.1.2共反射极的双极型晶体管振荡器许多振荡电路采用双极型晶体管或场效应晶体管，结构可以是共发射极/源极、共基极/栅极或共集电极/漏极。根据反馈网络形式的反馈网络形式的不同，可分为哈特莱（Hartley）、考毕兹（Colpitts）、克拉普（Clapp）和皮尔斯（Pierce）振荡器。下图所示的振荡电路可用来描述所有这些不同的电路。一般晶体管振荡电路9§10.1射频振荡器考毕兹振荡器哈特莱振荡器（1）考毕兹振荡器振荡器频率1203121CCLCC振荡的必要条件：21migCCG（2）哈特莱振荡器振荡器频率03121CLL振荡的必要条件：1m2iLgLG10§10.1射频振荡器10.1.3共栅极场效应晶体管振荡器考毕兹晶体振荡器电路振荡器设计需要考虑到一些诸如晶体管特性随温度的变化、晶体管偏置和去耦电路以及电感损耗等的影响，在此利用计算机软件进行辅助设计将会有很大帮助。考毕兹振荡器的谐振频率为：i03121312111111GRLCCCLCC11i1CCRG1C的定义为：11§10.1射频振荡器10.1.4晶体振荡器由于振荡器的谐振频率由振荡条件决定，即要求晶体管的输入和输出之间达到180°相移。为了使振荡器的频率稳定性好，可以采用石英晶体，特别是频率低于几百MHz时，LC谐振电路的Q值很难超过几百，而石英晶体的Q值可以高达100000，并且频率漂移小于0.001％/℃，所以晶体控制振荡器广泛用做RF系统的稳定频率源。晶体等效电路及晶体谐振器的输入电抗其中：S1LCp001CCLCC12§10.1射频振荡器10.1.5振荡器相位噪声分析实际振荡器电路m()Lf假定信号从放大器输出端取出，并着重考虑半带宽的单边带相位噪声。220o0immm0eULULm11()18fPfPFkTLfPfWQQf0eW0oPiPRP式中，为电抗功率，为谐振输出频率，为信号输出功率，为反馈输入的信号功率，为谐振回路电阻消耗的功率。13§10.1射频振荡器设计原则：ULQ（1）使谐振回路的最大。（2）使储存在谐振回路中的电抗能量最大。ULQ（3）要尽量使振荡器的限幅不降低。（4）选择低噪声系数F的有源器件。（5）使加性噪声与最低可用信号功率之比给出的相位噪声最小。1mf（6）选择低闪烁噪声的有源器件（7）使闪烁噪声调制有源器件的跨导、输入和输出阻抗影响最小。（8）从谐振回路耦合输出信号（功率）。14§10.2固定频率振荡器常用介质谐振型晶体管振荡器（TDRO）可分为两类：一类用作串联反馈元件，另一类用作并联反馈元件，如下图所示：串联型并联型晶体管微波振荡器通常是串联或并联多端口电路形式。在设计振荡器时，可使其中任何一个导抗包含输出电阻性负载成分，而其余两个通常为电抗性的。在固定频率振荡器中，导抗都是固定的，但如果通过采用变容二极管或YIG谐振器形式，将一个或几个导抗做成可调谐的。15§10.2固定频率振荡器10.2.1TDRO作为串联反馈元件TDRO的各种结构形式下图是负载牵引法所用的测试装置：单端口振荡器的负载牵引装置16§10.2固定频率振荡器1Z3Z其中振荡器的作用类似于功率源，晶体管电路接最佳负载和，在其漏极端口经50欧线接到负载牵引测量系统的反射计输入端口并加上功率。通过极坐标显示器上所观察到的阻抗就是振荡器输出端所呈现的阻抗。根据功率计的功率读数，利用输出调谐器并借助连接到极坐标显示器的x-y记录仪，可在史密斯圆图上画出恒定输出功率的等值线。下图是典型的负载牵引线数据，该负载阻抗图可用来设计晶体管的输出电路。负载牵引数据的典型值17§10.2固定频率振荡器1l10.2.2TDRO用做并联反馈元件同时将耦合于两根微带线的介质谐振器用作晶体管的并联反馈元件，同样能实现稳定的振荡器。并联反馈的TDRO20f调节和的大小，使振荡器频率在时由放大器和反馈电路组成的环路总相移为的整数倍：2lARC2,1,2,3kkACR0f其中，、和分别是放大器、谐振器和反馈电路其余部分在的插入相位。0f振荡建立的另一条件是在振荡频率时的开环小信号增益必须大于1，即：ARC0dBGLL18§10.2固定频率振荡器10.2.3串联反馈与并联相对并联反馈而言，由于串联反馈耦合于微带线的一侧，因此串联反馈结构中的DR位置要易于调整；另外，在并联反馈结构中，介质谐振器同时耦合于微带线的两侧，这使得串联反馈结构电路工作的频带比并联反馈结构宽得多。在并联反馈结构中，采用高增益放大器，允许DR与微带线间轻度耦合，使介质谐振器具有较高的有载品质因数，从而振荡器有较低的相位噪声。这两种情况下谐振器耦合结构的不同使得补偿振荡器温度所需的DR材料的温度稳定性也不同。19§10.2固定频率振荡器satPinP10.2.4振荡器最大输出功率一个放大器中，给定晶体管的输出功率近似为：0inoutsatsat1expGPPPP是饱和输出功率，是输入功率，是小信号增益。0G由上式可得到最佳输入功率：sat0inopt0logPGPG从而有：0oscsatmax00log11GPPGG20§10.2固定频率振荡器10.2.5TDRO的温度稳定度QTDRO的温度稳定度可由耦合系数、值以及晶体管反射相位随温度的变化率来确定。用于分析温度变化的电路可得到振荡频率与功率的关系式：G0(1)tan(,)21()LfTPfT1(,)GTP取导数得：0G0udd1dd2fffTfTQT上式可写为：0GffL12QT实现对温度稳定的工作，需要，因此要求：f00GfL12QT21§10.2固定频率振荡器10.2.6TDRO的调谐1.机械调谐dh该方法基于已知原理：DR的谐振频率对屏蔽是十分敏感的，换言之就是对接地板的靠近程度很敏感。将调谐螺钉从外壳顶部盖板伸到DR的正上方，当调谐螺钉的深度增加时，常用的TE01模式中的DR谐振频率提高。注意应小心地保持谐振器与调谐螺钉之间的距离至少为谐振器高度的0.5倍，以免DR的品质因数降低。介质谐振器的机械调谐22§10.2固定频率振荡器2.变容器调谐在变容管调谐的TDRO中，微带线组合的变容管谐振频率在DR附近。该谐振电路通过与介质谐振器电磁耦合，形成一对互耦合的谐振电路。这样，通过调整偏压来改变变容管电容，从而调整DR的谐振频率（该DR两侧分别耦合于变容管微带线和50欧微带线）。变容器调谐介质谐振器变容器调谐对TDRO调频噪声的影响23§10.2固定频率振荡器3.光调谐目前，微波器件和分系统的光学控制已成为一个迅速发展的研究领域。在TDRO中所用DR的谐振频率，如图所示可用光学手段来调整。在介质谐振器上面直接放上高电阻率硅一类的光敏材料，来自激光器或发光二极管的光经光纤照射在光敏材料上，改变其电导率并且微扰谐振器内部及周围的电磁场。扰动使TDRO的中心频率偏移。采用这种技术已实现X波段的调谐带宽超过0.1％。介质谐振器的光调谐24§10.2固定频率振荡器10.2.7传输线谐振腔振荡器LQ如果优先考虑振荡器的尺寸、成本和集成能力，那么平面传输线谐振腔振荡器就是一种重要的结构设计。一个变容二极管能够被设计耦合于谐振腔的任意一端，谐振腔的线长度要求满足谐振条件。下图是一个窄带可调的压控微带谐振腔振荡器。提高谐振腔的值的一种方法是将谐振腔传输线的长度以半波长为单位进行增加来满足振荡条件，但谐振腔的长度也不能任意增加，它受到损耗增加的限制。微带谐振腔振荡器25§10.3可调谐射频振荡器常用的基本宽带可调振荡器有两种：电压可控的VCO和电流可控的YTO。23()()XX、为使调谐元件在所需频带内有一个具有负实部的阻抗，振荡器的设计需要首先确定图中的和。2R可调谐振荡器的等效电路表示26§10.3可调谐射频振荡器10.3.1YIG调谐振荡器YIG调谐振荡器（YTO）通常作为能够同时满足带宽和低相位噪声的宽带信号源，它能工作在频率低达0.5GHz的电路中。图(a)是采用GaAsFET和双极型晶体管的YTO。图(b)是栅极和源极端口都用YIG球的电路图，这种振荡电路以结构复杂为代价，但能得到一个十倍频(2~20GHz)。YTO电路27§10.3可调谐射频振荡器下图为典型的YIG振荡器电路。基于YIG调谐元件的振荡器电路无载品质因数为：s0uL43MHQHsMLH其中为YIG小球的饱和磁化强度，为调谐振荡宽。小球的谐振频率由外加的偏置磁场决定：002H并联谐振电路中的电感值：30m02043Lad由谐振条件，可得到电容：2000CL最后可求得电导：2030mu43dGQa28§10.3可调谐射频振荡器10.3.2压控振荡器（VCO）用来实现电子调谐的变容二极管可以是硅二极管，也可以是GaAs二极管