第六章微波振荡器

（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 极管负阻器件的大信号等效阻抗 ：通常采用测试方法获 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、 平衡条件及最大输出功率要求。此外，还应考虑振荡器的稳 定性。 •直流偏置电路 ：直流偏置电路应尽量减小对振荡器的影响。 直流偏置电路应 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。
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 的N GaAs材料，在两端制备欧姆接触构成。N 在两端制备欧姆接触构成 N-GaAs的 GaAs的 导带具有双能谷结构，如图6.2所示。
电子能量
1 8000 cm2 V s 2 200 cm2 V s
(b) 雪崩二极管的 电流 电压波形 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，才能发挥器件的最大功率并稳定工作； •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。
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
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负阻振荡器模型
•负阻二极管等效电路
LSs L
G D CD
RD
Rs
L L sS
CD
CP C p
CPp
(a)雪崩二极管等效电路
(b)Gunn管等效电路
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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 的电抗j 电抗 X(ω)为感抗，与j 感抗 XD（0）构成串联谐振回路；分别 串 振 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， )为外电路电阻
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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
R ( ) RD (0) 0
•为确保起振容易，应选择
RD (0) 1.2 R( )
•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
第六章 微波振荡器
林 先 其
电子科技大学电子工程学院 xqlin@, xqlin@ , 科C310
1
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； 高可靠；宽带可调、线性调谐、更短建 时间； 2
同轴腔/波导腔负阻振荡器
6
7
5 4
7
6 5
1 8
8 3 9 2 1 输出
9 3
2 4 10
(a) 同轴腔——宽带， C波段（8GHz）以下； 波段 以
(b) 波导腔——略窄 （5~20%） （5 20%），18GHz以上广泛； 18GH 以上广泛 低损耗、低噪声、高稳定；
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鳍线振荡器
介质基片 鳍线 分支栅 Gunn 二极管偏置
ImZ
ω 增加
Z()
阻抗线 稳定点 I 增加 器件线
最佳负载：满足起振条件，并使 并 稳态时输出功率最大
1 GL GD (0) 3
ZD(0) (0,I0)
Z D (I) ReZ
1 RL RD (0) 3
器件线与外电路阻抗轨迹 18
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，
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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GaAs 振荡 FET管 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； 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 荡电路中也被减至最小 从而增大了调谐范围 荡电路中也被减至最小，从而增大了调谐范围。
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）
低频
3）石英/锁相式/倍频链式/介质晶体振荡器——高稳定、 高稳定 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
i Ie t cos( t )
式中， [ R ( ) RD (0)] / 2 L 为衰减系数。 •回路电流是振幅随时间变化的正弦振荡。当 R ( ) RD (0) 时 0 ，是衰减振荡；当 时， 是衰减振荡；当 R ( ) RD (0) 时， 时 0 ，振幅随 振幅随 时间增长；当 R ( ) RD (0) 时，为等幅振荡。
5
雪崩渡越时间二极管工作原理
+ N+ P N+ 杂质分布 布 1016 N1 ia(t) 1013 N2 0 x,b W E ie1(t) ie(t) x T 4 I P+ P+ Vmax V0=VB 0 T t v(t)
雪崩倍增效应
t

2
单漂移型
渡越时间效应

t ie1(t)
x
图 6
6.1 (a) 里德二极管的结 构和杂质与电场分布
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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 •鳍线振荡器 •YIG调谐振荡器
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微带型负阻振荡器
2 7 9 4 3 5 10 7 1 8 9 8 6
RD Ld CV LV 调谐 匹配 CD 负 载
体效应管
电路
(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 6-隔直电容；…… 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； 缺点：损耗大、频率稳定性差、低频、小功率 23
7
2、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 效率最高可达 几百毫瓦，效率最高可达30%～35%，但一般都低于10% 但 般都低 或更小。 •Gunn管与适当的振荡电路连接时，便可得到各种模式 管与适当的振荡电路连接时 便 到各种模式 的振荡，其优点是噪声大大低于雪崩管。
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 减小电路参数随外界因素的变化——具有不同温度膨胀 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）
负阻二极管与振荡晶体管
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。
G ( ) GD (0) 0
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。
Z ( ) Z D ( I ) 0
或
R( ) RD ( I ) I 0 X ( ) X D ( I ) I 0
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外腔稳频振荡器电路
A 调谐螺钉 1 加偏置
A 高 Q 稳频腔 B
g
4 雪崩管
雪崩管
变换段
匹配 终端
1 1 输出 l A B
A
阻抗变换段
( )反射式高Q腔稳频 (a)反射式高Q腔稳频
（b）频带反射式高Q腔稳频振荡器
L R() i C G() RD (0) L v(t ) C GD
(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： 通过求解可得回路电流为
d 2i di 1 L 2 [ R( ) RD ( (0)] )] i 0 dt dt C
高能谷
低能谷
Δ=0.36eV
动量方向
[000]
[100]
图 图6.2 9
GaAs的多能谷结构图(300K时) 的多能谷结构图( 时)
结构与电参数
Rd R0
Cd
R d ——Gunn Gunn管的负阻
Cd
C0
——畴电容
R 0 ——畴外低场区的电阻
C 0——工作层电容
图6.3 Gunn管芯等效电路
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： sin( ) 0
jx
or
Z()
180 o

ZD(I)
H
(I0,0)
R
稳定工作点的图示判别法 19
调谐的滞后特性——多调谐回路
Z ()
P1
Pc
Pa
Z D (I )
Pb P'b
P'd
Pd M
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 •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，
400GHz/150GHz） 400GH /150GH ） A、碰撞雪崩渡越时间（IMPATT）二极管——高功率、高效 率( 率(15%)； )； B、转移电子器件（Gunn）二极管——低相位噪声(150GHz)；
输出端
lg ls 短路活塞
鳍线过渡器
波导装架
Gunn 二极管
主要用于毫米波段，调谐带宽百分之几，效率低 25
YIG（钇铁石榴石）调谐振荡器
H0 扫描 电源 y YIG 负阻 器件 R 0 C0 L 0 RL
z RL x O
YIG调谐振荡器原稳定
•提高频率稳定度的一般方法

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负阻振荡器平衡条件
•对于宽频带负阻振荡器， Z D ( I ) RD ( I ) jX D ( I ) 将是与频率 有关的函数，即 Z D ( I , ) RD ( I , ) jX D ( I , ) ，则要求设计 一个网络，使其阻抗满足平衡条件——负阻的宽带匹配。 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。