第六章微波振荡器

第六章第六章微波振荡器微波振荡器林林先先其其林林先先其其电子科技大学电子工程学院电子科技大学电子工程学院电子科技大学电子工程学院电子科技大学电子工程学院[e-mail]@uestc.edu.cn,,科科C310C3101振荡器:使用有源非线性器件（如二极管和晶体管）以及无源谐振元件将DC转换成稳态微波信号；无源谐振元件，将DC转换成稳态微波信号；设计目标：低噪声、小体积、低成本、高效率、高稳定、高可靠；宽带可调、线性调谐、更短建立时间；2高可靠；宽带可调、线性调谐、更短建时间；主要内容•负阻二极管与振荡晶体管•负阻振荡器的一般理论负阻振荡器电路•负阻振荡器电路•微波晶体管振荡器微波晶体管振荡器3§6.1引言•振荡器主要分类1）二极管振荡器——高振荡频率（100GHz/100mW，400GH/150GH）400GHz/150GHz）A、碰撞雪崩渡越时间（IMPATT）二极管——高功率、高效率(15%)；率()；B、转移电子器件（Gunn）二极管——低相位噪声(150GHz)；2）三极管振荡器——高功率、高效率（40%）、宽带可调、频率稳定、低工作温度、高可靠；低振荡频率（40GHz/10mW）3）石英/锁相式/倍频链式/介质晶体振荡器——高稳定3）石英/锁相式/倍频链式/介质晶体振荡器——高稳定、低频4）频率可调振荡器A、钇铁石榴石（YIG、铁氧体材料）调谐——宽带B、变容管调谐——高效、小体积4§6.2负阻二极管与振荡晶体管雪崩二极管是利用雪崩倍增效应和渡越时间效应相结合而1、雪崩渡越时间二极管——极高频/400GHz•雪崩二极管是利用雪崩倍增效应和渡越时间效应相结合而产生负阻特性的器件。•按结构可分为单漂移型和双漂移型；按结构可分为单漂移型和双漂移型；•按掺杂分布可分为PN结型、里德型(N+PIP+)、高低结型和低高低结型等；•按工作模式有碰撞雪崩渡越时间模（IMPAT）、俘获等离子体雪崩触发模（TRAPATT）、势垒注入渡越时间模（BARITT）以及双速度渡越时间模（DOVFTT）等它们分别被简称为崩以及双速度渡越时间模（DOVFTT）等，它们分别被简称为崩越二极管、俘越二极管、势越二极管和速越二极管。5雪崩渡越时间二极管工作原理+++v(t)VmaxVVP+IPN+N+N11016布P+V0=VB0Tt1N210161013杂质分布0bia(t)4T雪崩倍增效应0x,bWxEie1(t)ti(t)雪崩倍增效应t2ie(t)单漂移型渡越时间效应xie1(t)图6.1(a)里德二极管的结构和杂质与电场分布(b)雪崩二极管的电流电压波形6构和杂质与电场分布电流-电压波形雪崩管的应用•雪崩管是一种低阻抗器件，射频阻抗通常只有几个欧姆因而只有选用与器件相适应的振荡电路和个欧姆，因而只有选用与器件相适应的振荡电路和结构，才能发挥器件的昀大功率并稳定工作；•雪崩管的结温是影响器件寿命的一个主要因素，结温每升高20℃～30℃，寿命就会降低一个量级。•雪崩管也有Si和GaAs两种材料的产品，相同频率下Si雪崩管的输出功率将大于GaAs尤其在毫米下，Si雪崩管的输出功率将大于GaAs，尤其在毫米波波段更是如此。72、转移电子器件-体效应二极管•Gunn管是用N型半导体材料如GaAs、InP等制成的二端子负阻器件。•Gunn管不包含任何结，而是利用半导体材料内物理效应（体效应）的固态微波器件。这种器件利用了电子在能谷间的转移而产生负阻，所以它也被称为转移电子器件（TED），其工作频段为1～140GHz，输出功率为十至几毫瓦效率昀高可达但般都低几百毫瓦，效率昀高可达30%～35%，但一般都低于10%或更小。管与适当的振荡电路连接时便到各种模式•Gunn管与适当的振荡电路连接时，便可得到各种模式的振荡，其优点是噪声大大低于雪崩管。8工作原理•Gunn管的结构比较简单，它是采用一块矩形立方体的N-GaAs材料在两端制备欧姆接触构成N-GaAs的的NGaAs材料，在两端制备欧姆接触构成。NGaAs的导带具有双能谷结构，如图6.2所示。电子能量电子能量22200cmVs高能谷2高能谷低能谷218000cmVsΔ=0.36eV低能谷动量方向[000][100]图的多能谷结构图(时)9图6.2GaAs的多能谷结构图(300K时)结构与电参数RCRGunn管的负阻dRdCdRdC——Gunn管的负阻——畴电容0R0C0RC——畴外低场区的电阻工作层电容图6.3Gunn管芯等效电路0C——工作层电容10振荡晶体管•双极晶体管振荡器——已成为重要的微波频率源相位噪声低、频率稳定性好、动态范围宽、效率高、输出功率可以从毫瓦到几瓦，一般采用共基极电路。振荡管•振荡GaAsFET管1）共栅振荡电路：容易调谐，但由于栅端散热性能差，限制了输出功率；限制了输出功率；2）共源振荡电路：散热好，增益高，但从漏极到栅极的回路难以控制和调谐；3）共漏振荡电路：既有良好的散热特性，又可较容易的控制频率，另外影响器件高频性能的寄生参量，在共漏振荡电路中也被减至昀小从而增大了调谐范围荡电路中也被减至昀小，从而增大了调谐范围。11§6.3负阻振荡器的一般理论•负阻振荡器模型及起振、平衡条件•振荡器工作点的稳定性•调谐的滞后特性•调谐的滞后特性12负阻振荡器模型•负阻二极管等效电路SLDGDRSLRsLsLsDCDCpCpCCPCP(a)雪崩二极管等效电路(b)Gunn管等效电路13负阻振荡器起振条件•起振时，振荡器处于“小信号”状态，jXD（I）可用jXD（0）表示。通常jXD（0）为容抗，因此要求负载阻抗Z（ω）中电抗感抗串振别的电抗jX(ω)为感抗，与jXD（0）构成串联谐振回路；分别表示为下图中元件C和L。图中RD(0)为负阻器件的小信号负阻R(ω)为外电路电阻负阻，R(ω)为外电路电阻。LCLR()iG()Lv(t)CGDR()RD(0)(a)串联振荡回路(b)并联振荡回路(a)串联振荡回路(b)并联振荡回路起振时包含负阻器件的振荡回路14负阻振荡器起振条件•对于图（a）的电路，可以列出回路电流的微分方程：22dd1[()(0)]0ddDiiLRRiC通过求解可得回路电流为2[()()]ddDttCecos()tiIt式中，为衰减系数。ecos()iIt[()(0)]/2DRRL•回路电流是振幅随时间变化的正弦振荡。当时是衰减振荡；当时振幅随()(0)DRR0()(0)RR0时，，是衰减振荡；当时，，振幅随时间增长；当时，为等幅振荡。0()(0)DRR0()(0)DRR15负阻振荡器起振条件•起振条件：负阻器件的小信号电阻RD(0)的绝对值大于负载阻抗中的电阻R(ω)，即为()(0)0DRR•为确保起振容易，应选择(0)1.2()DRR•当采用并联振荡回路的等效形式时（图（b）），C和L分别表示负阻器件的小信号电抗元件和外电路的电抗元件；GD(0)为负阻器件的小信号负电导，G(ω)为外电路电导，则起振条件为则起振条件为()(0)0DGG16负阻振荡器平衡条件在稳态振荡时，回路总阻抗必等于零，也即器件的负阻值必须和电路的电阻值相等器件电件的负阻值必须和电路的电阻值相等；器件电抗和电路电抗数值相等且符号相反。()()0DZZI()()0DRRII或()()0DXXII　17负阻振荡器平衡条件•对于宽频带负阻振荡器，将是与频率有关的函数，即，则要求设计个网络使其阻抗满足平衡条件负阻的宽带匹配()()j()DDDZIRIXI(,)(,)j(,)DDDZIRIXI一个网络，使其阻抗满足平衡条件——负阻的宽带匹配。•振荡平衡用复平面上的图解表示见下图。ImZZ()ω增加昀佳负载：满足起振条件，并使ZD(0)阻抗线稳定点1(0)GG并稳态时输出功率昀大ZD(I)(0,I0)ZD(0)I增加器件线稳定点(0)3LDGG1(0)RRD()ReZ器件线与外电路阻抗轨迹(0)3LDRR18器件线与外电路阻抗轨迹振荡器工作点的稳定性•定义：如果由于某种原因使振荡偏离原来的平衡点，而当引起偏离的因素消失后，振荡器仍能恢复到原来的状态。•判别方法：jxsin()0180oorjxZ()(I0,0)HZD(I)R19R稳定工作点的图示判别法调谐的滞后特性——多调谐回路)(ZP1PaPcPaPbP'bPcPdP'd)(IZD（a）阻抗轨迹下移（b）阻抗轨迹上移M（a）阻抗轨迹下移（b）阻抗轨迹上移工作点的跳变现象——双/多调谐振荡器20§6.4负阻振荡器电路负阻振荡器的设计•二极管负阻器件的大信号等效阻抗：通常采用测试方法获极管负阻器件的大信号等效阻抗通常采用测试方法获得器件的值。•匹配电路设计：设计的匹配电路应使振荡器满足起振条件、平衡条件及昀大输出功率要求。此外，还应考虑振荡器的稳定性。直流偏置电路直流偏置电路应减小对振荡器的影响•直流偏置电路：直流偏置电路应尽量减小对振荡器的影响。•频率调谐：频率调谐可以采用机械的、电子的、数字的和光的调谐方式尤以机械和电子调谐方式为主光的调谐方式，尤以机械和电子调谐方式为主。21负阻振荡器基本电路•微带型负阻振荡器•同轴腔负阻振荡器•波导腔负阻振荡器•波导腔负阻振荡器•鳍线振荡器鳍线振荡器•YIG调谐振荡器22微带型负阻振荡器2789CVLV调谐Ld96543810RDCD调谐匹配电路负载7198D电路体效应管(a)电路结构(b)等效电路1）管子选择：3-体效应管；4-变容管；2）偏置电路1体效应管偏置输入2变容管偏置输入2）偏置电路：1-体效应管偏置输入；2-变容管偏置输入；7-偏置线；8-接地块；9-旁路电容；3）滤波匹配输出：6-隔直电容；……3）滤波匹配输出：6隔直电容；4）调频电路：5-谐振线；10-变容管与体效应管的连线优点：结构简单、设计方便；23缺点：损耗大、频率稳定性差、低频、小功率同轴腔/波导腔负阻振荡器767658178453942923910输出1(a)同轴腔——宽带，波段以(b)波导腔——略窄（5~20%）18GH以上广泛C波段（8GHz）以下；（520%），18GHz以上广泛；低损耗、低噪声、高稳定；24鳍线振荡器鳍线分支栅介质基片Gunn二极管偏置鳍线分支栅介质基片输出端Gunn二极管偏置lgls短路活塞波导装架鳍线过渡器Gunn二极管主要用于毫米波段，调谐带宽百分之几，效率低25YIG（钇铁石榴石）调谐振荡器H0扫描电源负阻器件zR0C0L0RLRLxyOYIGYIG调谐振荡器原理图26§6.5负阻振荡器的频率稳定•提高频率稳定度的一般方法减小外界变化因素机械振动电源电压变化环境减小外界变化因素——机械振动；电源电压变化；环境温度变化；减小电路参数随外界因素的变化——具有不同温度膨胀减小电路参数随外界因素的变化具有不同温度膨胀系数的材料；提高腔体Q值——降低损耗；适当减少耦合输出；外腔稳频法——附加高Q稳频腔；注入锁定法——用小功率高频稳振荡器控制大功率低频稳振荡器稳振荡器；环路锁相法——选取小功率高频稳微波信号作为基准信号并进行鉴相（也可先混频在中频鉴相或采用取样锁相）号并进行鉴相（也可先混频在中频鉴相或采用取样锁相）27外腔稳频振荡器电路调谐螺钉1加偏置A高Q稳频腔雪崩管AB变换段4g输出匹配终端11雪崩管A()反射式高Q腔稳频lB阻抗变换段A(a)反射式高Q腔稳频（b）频带反射式高Q腔稳频振荡器28（c）介质谐振器稳频的体效应管振荡器承上——变容管倍频器•变容管特性12(0)(1)(0)(1)mjjjVVCCC1/3,1/2,1/2~6,1/30~1/15,,,线性缓变，突变，超突变,阶跃恢复1/(2π)csjfRCfQ1QCR•变容管倍频器0101nPPManley-Rowe功率关系(