第六章微波振荡器
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振荡器
主振荡器和 FRC 源可以选择使用内部 4x PLL。 FRC 时钟源的频率可以通过可编程时钟分频器降 低。选定的时钟源将产生处理器和外设时钟源。 处理器时钟源需进行二分频，以产生内部指令周期时钟 FCY。在本文档中，指令周期时钟也表示 为 FOSC/2。图 6-2 中的时序图显示了处理器时钟源和指令执行之间的关系。内部指令周期时钟 FOSC/2 可以在 OSC2 I/O 引脚提供，用于主振荡器的一些工作模式。 图 6-2： 时钟 / 指令周期时序
1： OSC2 引脚功能由 OSCIOFCN 配置位决定。 2：未编程 （已擦除）器件的默认振荡模式。
6.3.1
时钟切换模式配置位
FCKSM 配置位（配置字 2<7:6>）用于联合配置器件时钟切换和故障保护时钟监视器（FSCM） 。 只有将 FCKSM1 编程 （0）时，才会使能时钟切换。只有同时将 FCKSM1:FCKSM0 编程 （00） 时，才会使能 FSCM。
DS39700A_CN 第 6-4 页
超前信息
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第 6 章 振荡器
6.4 控制寄存器
振荡器的操作由 3 个特殊功能寄存器控制：
6
振荡器பைடு நூலகம்
• OSCCON • CLKDIV • OSCTUN
6.4.1
振荡器控制寄存器 （OSCCON）
OSCCON 寄存器（寄存器 6-1）是振荡器的主要控制寄存器。它控制时钟源切换和时钟源监控。 COSC 状态位是只读位，指示器件当前工作所使用的振荡器源。在上电复位和主清零复位时， COSC 位默认为选择内部快速 RC 振荡器和预分频器 （FRCDIV） ，配置的频率为 4 MHz。器件 将自动执行时钟切换，将时钟源切换为由 FNOSC 配置位 （配置字 2<10:8>）选择的新振荡器 源。 COSC 位将发生改变，在时钟切换操作结束时指示新的振荡器源。 NOSC 状态位选择下一个时钟切换操作的时钟源。在上电复位和主清零复位时，这些位将自动选 择 FNOSC 配置位指定的振荡器源。这些位可以由软件修改。 注： 必须先执行解锁序列，之后才能写 OSCCON。更多信息，请参见第 6.11.2 节 “振 荡器切换序列” 。
中北大学微波技术第6章
第六章 微波元件
(二）隔离度D 隔离度D定义为输入端的输入功率 P1与隔离端的输出功率P4之比的分贝数， 即 P D 10 log 1 (dB) 若用散射参量来描述，则有
~ 2 U 2 i 1 1 D 10 log 20 log ~ S14 S U 2 14 i1
第六章 微波元件
（二）转接元件
在将不同类型的传输线或元件连接时，不仅要考虑阻抗匹配，而且 还应该考虑模式的变换。
1、同轴线波导转换器
连接同轴线与波导的元件，称为同轴线波导转换器，其结构如图所示。
2、波导微带转接器 通常在波导与微带线之间加一段脊波导过渡段来实现阻抗匹配。
同轴线波导
波导微带
第六章 微波元件
引 言
微波元件的功能在于对微波信号进行各种变换，按其变换性质可 将微波元件分为如下三类：
一、线性互易元件 凡是元件中没有非线性和非互易性物质都属于这一类。常用的线 性互易元件包括：匹配负载、衰减器、移相器、短路活塞、功分器、 微波电桥、定向耦合器、阻抗变换器和滤波器等。
二、线性非互易元件
只要增加/4阶梯阻抗变换器的节数，就能增宽工作频带。 然而，节数的增加，导致变换器的总长度也随之增加。如果选用 渐变线，则既可增宽频带又不致使变换器尺寸过大。 渐变线可以看作是由阶梯数目无限增多而每个阶梯段长度无 限缩短的阶梯变换器演变而来，如图所示。
渐变线输入端总的反射系 数in为
in d in
波导可 调螺钉 及其等 效电路
谐振窗及其等效电路
第六章 微波元件
第六章 微波元件
第六章 微波元件
第六章 微波元件
第六章 微波元件
第六章 微波元件
6.2 连接元件和终端负载
微波振荡器
硅三极管微波振荡器
硅三极管微波振荡器是微波通信和测量中十分重要的部件，它的主要特点是调频噪声与相位噪声低、频率温 度稳定性高，其成就可大致分两个方面，即高性能三极管介质谐振振荡器（DRO）和超小型的微波单片集成电路 压控振荡器（MMIC VCO）。
谢谢观看
图1.微波频综锁相环振荡器
基本原理
微波振荡器从电路结构上可以分为反馈型和负阻型两种。反馈型振荡器主要用于低频电路系统，而负阻型振 荡器主要用于高频电路系统。所以负阻振荡电路比较适合于射频、微波等频率较高的频率范围，可以利用负阻原 理分析和设计微波振荡电路。
在一定电路组态下的微波晶体管可视为一个二端口器件。给予晶体管特定端接地时，由于非线性负阻特性从 而构成双端口负阻振荡器。一个双端口负阻振荡器等效络包含有源器件（BJT）及反馈电路、谐振络和输出络， 如图2所示。图中Zr，Zin，Zout和ZL为各端口看进去的输入阻抗，Гr，Гin，Гout和ГL分别表示各端口的反 射系数。
设计技术
直接模拟频率合成技术
直接模拟频率合成技术是由晶体参考源产生标准参考频率，再经谐波发生器产生一系列谐波，然后经混频、 分频和滤波电路等处理产生更多的频段和频点。直接模拟频率合成技术的模拟电路比较多，电路设计复杂，而且 也会带来一些杂散、谐波间接频率合成是指利用锁相技术实现频率合成，它运用负反馈的方法把一个电调谐振荡器（如压控振荡器或 介质振荡器）与参考信号相，实现输入、输出信号的同步及频率变换。锁相环路是根据反馈络的不同，可以分为 混频锁相环、分频锁相环和小数分频锁相环。随着电子技术和电子元器件水平的提高，集成度越来越高，整数分 频器和小数分频器已同时集成到锁相芯片中。在频率合成领域，锁相环路已得到广泛的应用。
数字频率合成技术
数字频率合成技术与其他频率合成技术在方法上有很大不同，数字式频率合成（DDS）技术是利用全数字技 术和计算技术相结合实现的新一代频率合成技术。DDS主要由相位寄存器、相位累加器、正弦查询表、数模转换 器、模拟滤波器组成。
硅三极管微波振荡器是微波通信和测量中十分重要的部件，它的主要特点是调频噪声与相位噪声低、频率温 度稳定性高，其成就可大致分两个方面，即高性能三极管介质谐振振荡器（DRO）和超小型的微波单片集成电路 压控振荡器（MMIC VCO）。
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图1.微波频综锁相环振荡器
基本原理
微波振荡器从电路结构上可以分为反馈型和负阻型两种。反馈型振荡器主要用于低频电路系统，而负阻型振 荡器主要用于高频电路系统。所以负阻振荡电路比较适合于射频、微波等频率较高的频率范围，可以利用负阻原 理分析和设计微波振荡电路。
在一定电路组态下的微波晶体管可视为一个二端口器件。给予晶体管特定端接地时，由于非线性负阻特性从 而构成双端口负阻振荡器。一个双端口负阻振荡器等效络包含有源器件（BJT）及反馈电路、谐振络和输出络， 如图2所示。图中Zr，Zin，Zout和ZL为各端口看进去的输入阻抗，Гr，Гin，Гout和ГL分别表示各端口的反 射系数。
设计技术
直接模拟频率合成技术
直接模拟频率合成技术是由晶体参考源产生标准参考频率，再经谐波发生器产生一系列谐波，然后经混频、 分频和滤波电路等处理产生更多的频段和频点。直接模拟频率合成技术的模拟电路比较多，电路设计复杂，而且 也会带来一些杂散、谐波间接频率合成是指利用锁相技术实现频率合成，它运用负反馈的方法把一个电调谐振荡器（如压控振荡器或 介质振荡器）与参考信号相，实现输入、输出信号的同步及频率变换。锁相环路是根据反馈络的不同，可以分为 混频锁相环、分频锁相环和小数分频锁相环。随着电子技术和电子元器件水平的提高，集成度越来越高，整数分 频器和小数分频器已同时集成到锁相芯片中。在频率合成领域，锁相环路已得到广泛的应用。
数字频率合成技术
数字频率合成技术与其他频率合成技术在方法上有很大不同，数字式频率合成（DDS）技术是利用全数字技 术和计算技术相结合实现的新一代频率合成技术。DDS主要由相位寄存器、相位累加器、正弦查询表、数模转换 器、模拟滤波器组成。
高频电子电路第6章正弦波振荡器PPT课件
(L1
L2
)
C1C2 C1 C2
一、频率稳定问题 主要指标:准确度与稳定度。
1、准确度
振荡器实际工作频率f与标称频率 f 0之间的偏差。
绝对准确度: f
f
f0 , 相对准确度:
f f0
f f0 f0
2、稳定度
一定时间间隔内，频率准确度的变化。
定义: 频率稳定度= Δf
f0 Δt
根据所指定的时间间隔不同，频率稳定度可分 为长期频率稳定度、短期频率稳定度和瞬间频率稳 定度三种。
2.振荡器的用途
信号发生器、数字式频率计、无线电发送 设备、超外差式接收机等。
高频电路
缓冲
高频振荡
倍频
高频放大
声音
话筒 音频放大
fo–fs=fi
调制 传输线
（直流电源未画）
高频放大
混频
fs
fs
中频放大
检波
低频放大
fi
F
F
fo 本地振荡
3.振荡器的分类
振荡器
正弦波振荡器 波形 非正弦波振荡器
反馈型RC振荡器
构成振荡器必备条件：
1）一套振荡回路。包含两个（或两个以上）储能元件。
在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。 释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。
2）一个能量来源。补充由振荡回路电阻所产生的
能量损失。在晶体管振荡器中，这个能源就是直流电 源。
3）一个控制设备。可以使电源功率在正确的时刻补
百兆赫，
但幅度下 降
西勒电路
1 L(C3 C4 )
好
C1 C2
C3 C1 好 方便，幅 度稳定
百兆赫至 千兆赫
6_微波技术基础_微波谐振器
北京交通大学
Beijing Jiaotong University
（二）电纳法 谐振时，谐振器内电场和磁场能量自行转换，谐 振器内总电纳为零。如果采用某种方法得到谐振 器的等效电路,并将所有的电纳归算到同一个参考 面上,则在谐振时,此参考面上总的电纳为零,即
B f 0
0
利用上式可以求得谐振频率。
工作模式给定 时为常数A
V Q0 2 A S
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V/S越大，越小，则Q0 越高。为了提高Q0 ，在抑 制干扰的前提下，尽可能增大V，减小S，并选用 电导率较大的材料作为腔壁内表面，且内表面尽 量光滑。
（二）有载品质因数
有载品质因数QL：考虑外界负载作用的腔体品质 因数。 负载使腔的固有谐振频率发生变化，增加腔的功 率损耗，导致品质因数下降。
环形腔中的磁场可近似认为主要是集中于腔内圆 柱体周围的环形体积内，设该体积内总的磁通量， 沿圆柱体表面流动的高频电流的幅值为I，则等效 电感L为：
L I
在距离腔体轴线r处，由电流I产生的磁场强度值 I 为： H 2r 通过宽度为dr的环形体积横截面面积ds=hdr的磁 通量d为： I d Hds hdr 2r
fr 1 2 LC
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环形谐振腔及其等效电路
如上图的环形腔中的电场可近似认为主要是集中 于腔内圆柱体的端面和与之相对的腔体底部内表 面之间的区域内（略去边缘电容），并把它近似 看做平板电容C，则 r02
C d
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微波产生原理
微波产生原理
微波是一种电磁波，其波长在1毫米至1米之间，频率在300兆赫兹至300千兆赫兹之间。
微波的产生原理是基于电磁波的发射和传播原理。
微波的产生需要一个微波发生器，其主要部分是一个微波振荡器。
微波振荡器是一种电子元件，其内部包含一个谐振腔和一个电子管。
当电子管中的电子流通过谐振腔时，会产生微波信号。
微波振荡器的谐振腔是一个封闭的金属腔体，其内部有一个电磁场。
当电子流通过谐振腔时，会与电磁场相互作用，产生微波信号。
谐振腔的大小和形状会影响微波的频率和波形。
电子管是微波振荡器的关键部分，其主要作用是放大电子流。
电子管中的电子流会受到电场和磁场的作用，从而产生微波信号。
电子管的种类和结构也会影响微波的频率和功率。
微波的传播是基于电磁波的传播原理。
微波可以在空气、水、金属等介质中传播，其传播速度与介质的性质有关。
微波的传播距离受到衰减的影响，其衰减程度与传播距离、介质特性和微波频率有关。
微波的应用十分广泛，包括通信、雷达、微波炉、医疗设备等。
微波的产生原理和传播特性对于这些应用都有着重要的影响。
随着科技的不断发展，微波技术也在不断创新和发展，为人类带来更多的
便利和创新。
第6章微波谐振器-PPT精品文档
(c)
Microwave Technique
f 0
d ,N连续
(d )
f 0
d (e)
6.1 串联和并联谐振电路
6.1.1串联谐振电路
谐振时 Zin R
0
1 LC
Q0L 1 R 0RC
Figure 6.1 A series RLC resonator and its response. (a) The series RLC circuit. (b) The input impedance magnitude versus frequency.
在其上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。因此微 波谐振器是具有储能与选频特性的微波元件。
Microwave Technique
引言
LC谐振器的作用
低频…
谐振腔的作用
微波…
LC谐振器在微波频段的缺点：
a. 尺寸变小，储能空间小，容量低；
b. 损耗增加：辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增大， 品质因数低，频率选择性差 。
微波屏蔽腔的谐振频率
Microwave Technique
微波屏蔽腔的谐振频率
Microwave Technique
Microwave Technique
Microwave Technique
6.4 圆波导谐振腔
概述：圆柱谐振腔是由一段长度为l， 两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半 径为R。圆柱腔中场分布分析方法和 谐振波长的计算与矩形腔相同。
6.2.2
6.2 传输线谐振器
Microwave Technique
6.2.3
6.2 传输线谐振器
Microwave Technique
Microwave Technique
f 0
d ,N连续
(d )
f 0
d (e)
6.1 串联和并联谐振电路
6.1.1串联谐振电路
谐振时 Zin R
0
1 LC
Q0L 1 R 0RC
Figure 6.1 A series RLC resonator and its response. (a) The series RLC circuit. (b) The input impedance magnitude versus frequency.
在其上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。因此微 波谐振器是具有储能与选频特性的微波元件。
Microwave Technique
引言
LC谐振器的作用
低频…
谐振腔的作用
微波…
LC谐振器在微波频段的缺点：
a. 尺寸变小，储能空间小，容量低；
b. 损耗增加：辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增大， 品质因数低，频率选择性差 。
微波屏蔽腔的谐振频率
Microwave Technique
微波屏蔽腔的谐振频率
Microwave Technique
Microwave Technique
Microwave Technique
6.4 圆波导谐振腔
概述：圆柱谐振腔是由一段长度为l， 两端短路的圆波导构成，其圆柱腔半 径为R。圆柱腔中场分布分析方法和 谐振波长的计算与矩形腔相同。
6.2.2
6.2 传输线谐振器
Microwave Technique
6.2.3
6.2 传输线谐振器
Microwave Technique
数字电路-第六章 正弦波振荡电路
(4) 稳幅环节：使振幅稳定、改善波形。有的振荡电路的稳幅是 通过负反馈实现的。
二、振荡电路的分析
• 首先判断它能否产生正弦波振荡。
• 对能振荡的电路，其振荡频率可根据选频 网络选频条件推算，为了保证振荡电路起 振，必须由起振条件确定电路的某些参数。
1、 判断能否产生正弦波振荡的步骤
(1) 检查电路的基本组成，一般应包含放大电路、 反馈网络、选频网络和稳幅环节等。
(2) LC振荡电路：选频网络由L、C元件组成。可分为变 压器反馈式、电感三点式和电容三点式等3种LC振荡电路。
(3) 石英晶体振荡电路：选频作用主要依靠石英晶体谐振 器来完成。根据石英晶体谐振器的工作状态和联接形式的 不同，可以分为并联式和串联式两种石英晶体振荡电路。
6.3 RC振荡器
一、 电路组成
6.1 正弦波振荡电路的基本原理
一、产生振荡的条件
+
Vd′
Vo
基本放大电路 A
放大电路净输入电压：
Vi=0
Vi+ Vf
+
.
.
.
Vd' = Vi + V f
反馈网络 F Vf
.
.
产生正弦波振荡时，应满足振：荡V条d件' = V f
（电路维持振荡的平衡条件）
A& F&
=1
.
..
••
V f = F VO
1 振荡的基本概念 2 RC振荡器
6.0 振荡的基本概念
振荡器是一种不需外加信号激励就能直接将
直流能源转换成具有一定频率、一定幅度和一 定波形的交流能量输出的电路
– 从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控 制下，将直流电源提供的能量转变为按输入信号 规律变化的交变能量的电路 – 而振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地 将直流电源的能量转变为特定频率和幅度的交变 能量的电路
二、振荡电路的分析
• 首先判断它能否产生正弦波振荡。
• 对能振荡的电路，其振荡频率可根据选频 网络选频条件推算，为了保证振荡电路起 振，必须由起振条件确定电路的某些参数。
1、 判断能否产生正弦波振荡的步骤
(1) 检查电路的基本组成，一般应包含放大电路、 反馈网络、选频网络和稳幅环节等。
(2) LC振荡电路：选频网络由L、C元件组成。可分为变 压器反馈式、电感三点式和电容三点式等3种LC振荡电路。
(3) 石英晶体振荡电路：选频作用主要依靠石英晶体谐振 器来完成。根据石英晶体谐振器的工作状态和联接形式的 不同，可以分为并联式和串联式两种石英晶体振荡电路。
6.3 RC振荡器
一、 电路组成
6.1 正弦波振荡电路的基本原理
一、产生振荡的条件
+
Vd′
Vo
基本放大电路 A
放大电路净输入电压：
Vi=0
Vi+ Vf
+
.
.
.
Vd' = Vi + V f
反馈网络 F Vf
.
.
产生正弦波振荡时，应满足振：荡V条d件' = V f
（电路维持振荡的平衡条件）
A& F&
=1
.
..
••
V f = F VO
1 振荡的基本概念 2 RC振荡器
6.0 振荡的基本概念
振荡器是一种不需外加信号激励就能直接将
直流能源转换成具有一定频率、一定幅度和一 定波形的交流能量输出的电路
– 从能量的观点看，放大器是一种在输入信号控 制下，将直流电源提供的能量转变为按输入信号 规律变化的交变能量的电路 – 而振荡器是不需要输入信号控制，就能自动地 将直流电源的能量转变为特定频率和幅度的交变 能量的电路
第六章微波振荡器
振荡器:
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
§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）
A、碰撞雪崩渡越时间（IMPATT）二极管——高功率、高效率(15%)； B、转移电子器件（Gunn）二极管——低相位噪声(150GHz)；
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： sin(θ + Θ ) > 0
jx
or
α = θ + Θ < 180 o
Z(ω)
α θ
ZD(I)
H
(I0,ω0)
稳定工作点的图示判别法
R
调谐的滞后特性——多调谐回路
Z (ω)
P1
Pc
Pa
Z D (I )
Pb P'b
P'd
Pd M
负阻振荡器平衡条件
− 对于宽频带负阻振荡器，Z ( I ) = − R ( I ) + jX ( I ) 将是 与频率有关的函数，即− Z ( I , ω ) = − R ( I , ω ) + jX ( I , ω ) ， 则要求设计一个网络，使其阻抗满足平衡条 件，这将变成一个对负阻的宽带匹配问题。振 荡平衡用复平面上的图解表示见下图。
（也可先混频在中频鉴相或采用取样锁相）
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
λg
4 雪崩管 变换段
雪崩管
匹配 终端
1 1′ 输出 l A′ B′ 阻抗变换段
A′
微波介质振荡器抗振结构的模态分析及其设计
微波介质振荡器抗振结构的模态分析及其设计微波介质振荡器是一种最常用的微波源，广泛应用于通信、雷达、卫星导航等领域。
振荡器抗振结构是确保振荡器稳定性和工作性能的重要组成部分。
本文将对微波介质振荡器的抗振结构进行模态分析，并根据分析结果进行设计。
模态分析是振动学中一种重要的方法，用于研究物体在给定边界条件下的固有振动特性。
对于微波介质振荡器的抗振结构，模态分析可以帮助我们确定结构的固有频率、振动模态和振动幅度等重要参数，从而更好地设计抗振结构。
在进行模态分析之前，我们首先需要了解微波介质振荡器的结构特点。
一般来说，微波介质振荡器由一对耦合振荡回路、调谐元件和微波介质构成。
振荡器的抗振结构主要包括基座、支撑框架和阻尼元件等。
接下来，我们使用有限元分析（Finite Element Analysis，FEA）软件对微波介质振荡器的抗振结构进行模态分析。
具体步骤如下：1. 建立微波介质振荡器抗振结构的有限元模型。
根据实际结构，使用有限元网格划分工具将结构离散化为小单元，同时定义材料属性和边界条件等物理属性。
2. 求解有限元模型。
利用有限元分析软件对模型进行求解，得到结构的模态参数，包括固有频率、振动模态和振动幅度等。
3. 分析模态结果。
根据求解的结果，分析结构的固有频率和振动模态。
固有频率越高，说明结构的刚度越大，抗振能力越强。
振动模态描述了结构振动形态的特征，在设计中需要避免共振现象。
4. 优化设计。
根据分析结果，对微波介质振荡器的抗振结构进行优化设计，提高结构的抗振能力和工作稳定性。
优化设计的方法包括调整结构的刚度参数、增加阻尼措施等。
根据模态分析结果进行微波介质振荡器抗振结构的设计。
具体设计要考虑结构的实际工作环境和性能要求，选择合适的材料和结构参数，并进行仿真验证。
微波介质振荡器的抗振结构的模态分析和设计是确保其稳定性和工作性能的重要环节。
模态分析可以帮助我们了解结构的固有振动特性，从而指导设计优化。
微波振荡器的稳频装置
国
外
计
最
o年 均。
第名期
微 波 振 葛 器 的 稳 须 装 置
r
.
r
.
。。
K。
p
等
。
e
现 代标 准 微 波 信 号 振 荡 器 的频 率 相 对 长期 不 稳定 度为 误 趁为 0 勿合 多J
, ,
.
装置 按 下 述方 式进 行 工 作 下
, l
在 同 步 状 态
1 l o
。
一
4
准级
,
确 定 频 率标 称
丑 3叮
一
1 ~
12G H 3 H
,
一
目前 成批 生 产 的
H3 任
一
q 3
-
4 型 频率 计 用 的 H 5 7 盖0 0 出达 1 8
一
8 7,
8 型 变 频 器复
7 和 只 3 叮 8 型 单 元分 别 有 8
一 4
一 一
一
一
8 1
z
G H
z
频段
因 而 能 以 其 为墓 础 制 造
。
几
一
工 J 刀 任
一 一
2 N
( 2
)
GH
的 频率 稳 定 装置
。
图
1
示 出这 类 装
1
,
置 的原 理 电路
f
=
,
一 — 8
上
f
=
。
_
全
S JN
。
( 3 )
式 中 f 一 同 步器 的信号 频率
q
一
。
8 8 型 变频器
( 2 ) 涛稳 定的 器 振 荡器
外
计
最
o年 均。
第名期
微 波 振 葛 器 的 稳 须 装 置
r
.
r
.
。。
K。
p
等
。
e
现 代标 准 微 波 信 号 振 荡 器 的频 率 相 对 长期 不 稳定 度为 误 趁为 0 勿合 多J
, ,
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装置 按 下 述方 式进 行 工 作 下
, l
在 同 步 状 态
1 l o
。
一
4
准级
,
确 定 频 率标 称
丑 3叮
一
1 ~
12G H 3 H
,
一
目前 成批 生 产 的
H3 任
一
q 3
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4 型 频率 计 用 的 H 5 7 盖0 0 出达 1 8
一
8 7,
8 型 变 频 器复
7 和 只 3 叮 8 型 单 元分 别 有 8
一 4
一 一
一
一
8 1
z
G H
z
频段
因 而 能 以 其 为墓 础 制 造
。
几
一
工 J 刀 任
一 一
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( 2
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GH
的 频率 稳 定 装置
。
图
1
示 出这 类 装
1
,
置 的原 理 电路
f
=
,
一 — 8
上
f
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。
_
全
S JN
。
( 3 )
式 中 f 一 同 步器 的信号 频率
q
一
。
8 8 型 变频器
( 2 ) 涛稳 定的 器 振 荡器
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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。
13:25
电子科技大学电子工程学院
微波固态电路
微波振荡器
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
13:25
电子科技大学电子工程学院
（也可先混频在中频鉴相或采用取样锁相）
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微波固态电路
微波振荡器
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 雪崩管
雪崩管 A′
(a)反射式高Q腔稳频
λg 变换段 4
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。
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微波固态电路
微波振荡器
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NGaAs材料，在两端制备欧姆接触构成。N-GaAs的导带具 有双能谷结构，如图6.2所示。
微波固态电路
微波振荡器
第六章 微波振荡器
教师：宋开军
13:25
电子科技大学电子工程学院
2
微波固态电路
IFT AGC
微波振荡器
发射模块
PA
×5
×4
PLL1
频率源
PLO
PLL2
×5
二中频 （ IFS）
一中频
双
×2
工
LNA
接收模块
fs fT
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；
13:25
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微波固态电路
微波振荡器
§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 重点!!
振荡器工作点的稳定性 调谐的滞后特性
13:25
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微波固态电路
微波振荡器
负阻振荡器模型
负阻二极管等效电路
LLSs
−G D
Rs
CD
−RD
或
[R(ω) − RD (I )] I = 0
⎫⎪
[
X
(ω)
+
XD
(I
)] I
=
0
⎬ ⎪⎭
13:25
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微波固态电路
微波振荡器
对于宽带负阻振荡器，−ZD (I) = −RD (I ) + jX D (I ) 是频率的函 数，即应变为 −ZD (I,ω) = −RD (I,ω) + jX D (I,ω) ，则要求设计
13:25
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微波固态电路
微波振荡器
为了使起始振荡能够建立起来，要求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)，即起振条
件为
R(ω) − RD (0) < 0
为确保起振容易，应选择
RD (0) > 1.2R(ω)
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；
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微波固态电路
微波振荡器
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。
LLs S
CD
CCPp (a)雪崩二极管等效电路
CPp (b)Gunn管等效电路
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微波固态电路
微波振荡器
负阻振荡器起振条件
在研究振荡的起振条件时，振荡处于“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jX(ω)为感抗，与jXD（0）构成串联谐振
振荡GaAs FET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。
电子能量
μ2 = 200 cm2 V ⋅ s
μ1 = 8000 cm2 V ⋅ s
高能谷
低能谷
Δ=0.36eV
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[000]
动量方向 [100]
图6.2 GaAs的多能谷结构图(300K时)
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微波固态电路
微波振荡器
结构与电参数
−Rd
Cd
R0
C0
图6.3 Gunn管芯等效电路
H0
z RL x O y
扫描 电源
负阻 器件
R0 C0 L0 RL
YIG
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YIG调谐振荡器原理图
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微波固态电路
微波振荡器
§6.5 负阻振荡器的频率稳定
相位平衡条件： X + X D = 0
−RD
R
提高频率稳定度的一般方法
jXD
jX
负阻振荡器的串联电路模型
¾减小外界变化因素——机械振动；电源电压变化；环境温度变化； ¾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； ¾提高腔体Q值——降低损耗；适当减少耦合输出； ¾外腔稳频法——附加高Q稳频腔； ¾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； ¾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
RL
=
1 3
RD
(0)
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微波固态电路
微波振荡器
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：
sin(θ + Θ) > 0 or α = θ + Θ < 180o
sin(θ + Θ) > 0 or α = θ + Θ < 180o
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，尤其在毫米波波段更 是如此。
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微波固态电路
微波振荡器
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 百毫瓦，效率最高可达30%～35%，但一般都低于10%或 更小。
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；
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微波固态电路
微波振荡器
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 重点!!
负阻振荡器电路 微波晶体管振荡器
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微波固态电路
一个网络，使其阻抗满足平衡条件，这将变成一 个对负阻的宽带匹配问题。振荡平衡用复平面上 的图解表示见下图。
ImZ ω 增加 Z(ω) 最佳负载： 阻抗线 满足起振条件，并使稳态时输出功率最大
I 增加 器件线
ZD(0)
(ω0,I0)
ZD(I)
ReZ
器件线与外电路阻抗轨迹
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GL
=
1 3
GD
(0)
微波固态电路
微波振荡器
微带型负阻振荡器
27
9
8
5
6
4
10
3
8
79 1
Ld
CV
LV
−RD
调谐
匹配
负
载
CD
电路
(a) 微带电路结构
(b) 等效电路
1）匹配电路：6-隔直电容；…… 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）调频电路：4-变容管；5-谐振线；
−Rd ——Gunn管的负阻
Cd ——畴电容
R0 ——畴外低场区的电阻
C 0——工作层电容
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微波固态电路
微波振荡器
3、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。
L
d2i dt 2
+ [R(ω)
−
RD
(0)]
di dt
+
1 C
i
=
0
通过求解可得回路电流为
i = Ie−αt cos(ωt + ϕ)
式中，α = [R(ω) − RD (0)]/ 2L 为衰减系数。 可见，回路电流是振幅随时间变化的正弦振荡。 当R(ω) > RD (0) 时，α > 0 ，是衰减振荡； 当 R(ω) < RD (0) 时，α < 0 ，振幅随时间增长； 当 R(ω) = RD (0)时，为等幅振荡。
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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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（也可先混频在中频鉴相或采用取样锁相）
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微波振荡器
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 雪崩管
雪崩管 A′
(a)反射式高Q腔稳频
λg 变换段 4
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。
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微波振荡器
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NGaAs材料，在两端制备欧姆接触构成。N-GaAs的导带具 有双能谷结构，如图6.2所示。
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第六章 微波振荡器
教师：宋开军
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2
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IFT AGC
微波振荡器
发射模块
PA
×5
×4
PLL1
频率源
PLO
PLL2
×5
二中频 （ IFS）
一中频
双
×2
工
LNA
接收模块
fs fT
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；
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§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 重点!!
振荡器工作点的稳定性 调谐的滞后特性
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微波振荡器
负阻振荡器模型
负阻二极管等效电路
LLSs
−G D
Rs
CD
−RD
或
[R(ω) − RD (I )] I = 0
⎫⎪
[
X
(ω)
+
XD
(I
)] I
=
0
⎬ ⎪⎭
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微波振荡器
对于宽带负阻振荡器，−ZD (I) = −RD (I ) + jX D (I ) 是频率的函 数，即应变为 −ZD (I,ω) = −RD (I,ω) + jX D (I,ω) ，则要求设计
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微波振荡器
为了使起始振荡能够建立起来，要求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)，即起振条
件为
R(ω) − RD (0) < 0
为确保起振容易，应选择
RD (0) > 1.2R(ω)
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；
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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。
LLs S
CD
CCPp (a)雪崩二极管等效电路
CPp (b)Gunn管等效电路
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负阻振荡器起振条件
在研究振荡的起振条件时，振荡处于“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jX(ω)为感抗，与jXD（0）构成串联谐振
振荡GaAs FET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。
电子能量
μ2 = 200 cm2 V ⋅ s
μ1 = 8000 cm2 V ⋅ s
高能谷
低能谷
Δ=0.36eV
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动量方向 [100]
图6.2 GaAs的多能谷结构图(300K时)
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结构与电参数
−Rd
Cd
R0
C0
图6.3 Gunn管芯等效电路
H0
z RL x O y
扫描 电源
负阻 器件
R0 C0 L0 RL
YIG
13:25
YIG调谐振荡器原理图
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§6.5 负阻振荡器的频率稳定
相位平衡条件： X + X D = 0
−RD
R
提高频率稳定度的一般方法
jXD
jX
负阻振荡器的串联电路模型
¾减小外界变化因素——机械振动；电源电压变化；环境温度变化； ¾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； ¾提高腔体Q值——降低损耗；适当减少耦合输出； ¾外腔稳频法——附加高Q稳频腔； ¾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； ¾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
RL
=
1 3
RD
(0)
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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：
sin(θ + Θ) > 0 or α = θ + Θ < 180o
sin(θ + Θ) > 0 or α = θ + Θ < 180o
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，尤其在毫米波波段更 是如此。
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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 百毫瓦，效率最高可达30%～35%，但一般都低于10%或 更小。
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；
13:25
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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 重点!!
负阻振荡器电路 微波晶体管振荡器
13:25
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微波固态电路
一个网络，使其阻抗满足平衡条件，这将变成一 个对负阻的宽带匹配问题。振荡平衡用复平面上 的图解表示见下图。
ImZ ω 增加 Z(ω) 最佳负载： 阻抗线 满足起振条件，并使稳态时输出功率最大
I 增加 器件线
ZD(0)
(ω0,I0)
ZD(I)
ReZ
器件线与外电路阻抗轨迹
13:25
GL
=
1 3
GD
(0)
微波固态电路
微波振荡器
微带型负阻振荡器
27
9
8
5
6
4
10
3
8
79 1
Ld
CV
LV
−RD
调谐
匹配
负
载
CD
电路
(a) 微带电路结构
(b) 等效电路
1）匹配电路：6-隔直电容；…… 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）调频电路：4-变容管；5-谐振线；
−Rd ——Gunn管的负阻
Cd ——畴电容
R0 ——畴外低场区的电阻
C 0——工作层电容
13:25
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微波固态电路
微波振荡器
3、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。
L
d2i dt 2
+ [R(ω)
−
RD
(0)]
di dt
+
1 C
i
=
0
通过求解可得回路电流为
i = Ie−αt cos(ωt + ϕ)
式中，α = [R(ω) − RD (0)]/ 2L 为衰减系数。 可见，回路电流是振幅随时间变化的正弦振荡。 当R(ω) > RD (0) 时，α > 0 ，是衰减振荡； 当 R(ω) < RD (0) 时，α < 0 ，振幅随时间增长； 当 R(ω) = RD (0)时，为等幅振荡。