射频信号产生电路

变容器调谐介质谐振器
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变容器调谐对TDRO调频噪声的影响 调频噪声的影响 变容器调谐对
§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％。
d 2 i(t ) di (t ) 1 dv(t ) di (t ) L +R + i (t ) = − = − R1 dt C dt dt dt 2
合并一阶导数的系数，并根据要求令衰减系数为零，可得：
R1 = − R
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 R1 小于R 。
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§10.2 固定频率振荡器
10.2.4 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：
GP Pout = Psat 1 − exp − 0 in Psat
Psat 是饱和输出功率， in 是输入功率，G0 是小信号增益。 P
由上式可得到最佳输入功率：
0
2QL T
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§10.2 固定频率振荡器
10.2.6 TDRO的调谐 1. 机械调谐 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 d 部盖板伸到DR的正上方，当调谐螺钉的深度 增加时，常用的 δ TE01 模式中的DR谐振频率提高。注意应小心地保持谐振器与 h 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。
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§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
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§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。
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§10.1 射频振荡器 10.1
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：
Vo H A (ω ) H (ω ) = = Vi 1 − H F (ω ) H A (ω )
起振条件：
H F (ω ) H A (ω ) = 1
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§10.1 射频振荡器
标准解为： i (t ) = eα t ( I1e jω t + I 2 e− jω t )
Q Q
式中： α = − R / 2 L ωQ = 1 / ( LC ) − ( R / 2 L)2 在R趋于零的极限状态下，就会出现无阻尼的正弦振荡。 v(i ) = v0 + R1i + R2i 2 的非线性器件， + ... 我们要找到电压-电流响应为 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:
第10章 射频信号产生电路
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 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； 的类型与结构；介绍了固定频率式和可调谐式振荡器的类 典型电路拓扑结构和设计技术； 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。 类型与原理基本电路拓扑结构和特点。
L2 Gi
哈特莱振荡器
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§10.1 射频振荡器
10.1.3 共栅极场效应晶体管振荡器 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：
ω0 =
1 1 1 Gi R 1 1 1 + + = + L3 C1 C2 C1 L3 C1′ C2
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§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。
固定频率振荡器
振荡器最大输出功率 TDRO温度稳定 温度稳定 TDRO的调谐 的调谐 传输线谐振腔振荡器 YIG调谐振荡器 调谐振荡器 压控振荡器（ 压控振荡器（VCO） ） 分频器“延时” 分频器“延时” 带有静态模数的频率合成器
可调谐射频振荡器
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
( Pin )opt =
从而有：
Psat log G0 G0
1 log G0 − G0 G0
( Posc )max = Psat 1 −
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§10.2 固定频率振荡器
10.2.5 TDRO的温度稳定度 TDRO的温度稳定度可由耦合系数 β 、Q 值以及晶体管反射 相位随温度的变化率来确定。 可得到振荡频率与功率的关系式：
介质谐振器的机械调谐
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§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）。
( β + 1) tan [φG (T , P ) − 2θ L ] =
ΓG (T , P) = 1+ β
f −1 f 0 (T )
df ∂φ 取导数得： df ≈ 0 + β + 1 G f dT f 0 dT
0
β
2Qu ∂T
用于分析温度变化的电路
上式可写为：τ f = τ f + 1 ∂φG 2QL T 实现对温度稳定的工作，需要τ f = 0 ，因此要求： 1 ∂φG τf = −
ωS =
1 LC
ωp =
1 C0 C L C0 + C
晶体等效电路及晶体谐振器的输入电抗
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§10.1 射频振荡器
10.1.5 振荡器相位噪声分析 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L ( f m )。
P f 1 FkT f 0 Pi 1 L( f m ) = + + o 1 + 0 8 Pm f m ω0We QUL QUL fm
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§10.1 射频振荡器 10.1
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：
d 2 i (t ) di (t ) 1 dv(i ) L +R + i (t ) = dt C dt dt 2
负载牵引数据的典型值
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§10.2 固定频率振荡器
10.2.2 TDRO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。 调节 l1和 l2的大小，使振荡器频率 f0 在时由放大器和反馈电路组成的环路 总相移为2π 的整数倍： φA + φR + φC = 2π k , k = 1, 2,3 其中， A、 C和 φR分别是放大器、谐振 φ φ 器和反馈电路其余部分在 f0的插入相 位。 并联反馈的TDRO 并联反馈的 f0 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：
2 2
ω0 ω 式中，0We 为电抗功率，为谐 振输出频率，Po 为信号输出 功率， Pi 为反馈输入的信号 功 率 ，PR 为 谐 振 回 路 电 阻 消耗的功率。
实际振荡器电路
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§10.1 射频振荡器
设计原则： （1）使谐振回路的 QUL最大。 （2）使储存在谐振回路中的电抗能量最大。 （3）要尽量使振荡器的限幅不降低 QUL。 （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。 −1 （6）选择低闪烁噪声f m 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）。
GA − LR − LC > 0 dB
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§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。
教学 重点
能力 教学 要求 重点
掌握：射频振荡器的稳定振荡条件； 掌握：射频振荡器的稳定振荡条件；固定频率振荡器的类 典型电路拓扑结构和特点，参数计算方法、 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。 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。 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。 熟悉：频率合成器的类型与原理，基本电路拓扑结构等。
一般晶体管振荡电路
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§10.1 射频振荡器
（1）考毕兹振荡器 振荡器频率ω0 =
1 C1 + C2 L3 C1C2
振荡的必要条件： （2）哈特莱振荡器 振荡器频率 ω0 =
C2 g m = C1 Gi
考毕兹振荡器
1 C3 ( L1 + L2 )
振荡的必要条件： L1 = g m
C1′ 的定义为：
C1′ =
C1 1 + RGi
考毕兹晶体振荡器电路
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§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。 其中：
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§10.2 固定频率振荡器
10.2.1 TDRO作为串联反馈元件
TDRO的各种结构形式 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
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§10.2 固定频率振荡器
其中振荡器的作用类似于功率源，晶体管电路接最佳负载 Z1 和 Z 3 ，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。
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本章目录
第一节 第二节 第三节 第四节 射频振荡器 固定频率振荡器 可调谐射频振荡器 频率合成器
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知识结构
振荡器电路分析方法 共反射极的双极型晶体管振荡器
射频振荡器
共栅极场效应晶体管的振荡器 晶体振荡器 振荡器相位噪声分析
射 频 信 号 产 生 电 路
TDRO作为串联反馈元件 作为串联反馈元件 TDRO作为并联反馈元件 作为并联反馈元件 串联反馈与并联