第六章微波振荡器
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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。
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
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。
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 们分别被简称为崩越二极管、俘越二极管、势越二极管和 速越二极管。
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微波固态电路
微波振荡器
13:25
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微波固态电路
微波振荡器
鳍线振荡器
介质基片 鳍线 分支栅 Gunn 二极管偏置 输出端
lg ls
短路活塞
鳍线过渡器
波导装架
Gunn 二极管
特点： 主要用于毫米波段，调谐带宽百分之几，效率低
13:25
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微波固态电路
微波振荡器
YIG（钇铁石榴石）调谐振荡器
LLs S
CD
CCPp (a)雪崩二极管等效电路
CPp (b)Gunn管等效电路
13:25
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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
（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
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。
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。
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微波振荡器
§6.2 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、高低结型和低高低
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。
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；
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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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
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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
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Baidu Nhomakorabea
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
−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。
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
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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；
回路；分别表示为下图（a）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。
L
C
R(ω)
i
−RD(0) G(ω)
L v(t)
C
−GD(0)
(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
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微波固态电路
微波振荡器
对于图（a）的电路，可以列出回路电流的微分方程：
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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。
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
jx
Z(ω)
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α
H
θ
(I0,ω0)
ZD(I)
R 稳定工作点的图示判别法
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微波固态电路
微波振荡器
调谐的滞后特性
Z (ω)
P1
Pc Pa
ZD (I )
Pb P'd Pd P'b
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
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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
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微波固态电路
微波振荡器
同轴腔/波导腔负阻振荡器
6 7
5
7
6
1
5
4
8
8
3
3
2
9
4
2
9
输出 1
10
(a) 同轴腔——宽带，C波段（8GHz）以下； (b) 波导腔——略窄（5~20%）， 18GHz以上广泛； 低损耗、低噪声、高稳定；
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)
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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；
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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微波振荡器
结构与电参数
−Rd
Cd
R0
C0
图6.3 Gunn管芯等效电路
微波振荡器
§6.1 引 言
振荡器主要分类 1）二极管振荡器——高振荡频率（400/150GHz） 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； 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、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
−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
G(ω) − GD (0) < 0
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微波振荡器
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；器件电抗和电路电抗 数值相等且符号相反。
[Z (ω) − ZD (I ) = 0]
工作原理
杂质分布
+−
N+ P
I
P+
N+
P+
1016
N1
1013
N2
0 x,b
x
W
E
单漂移型
v(t) Vmax V0=VB
0 T
ia(t)
T
4
ie(t)
τ
2
t
雪崩倍增效应
t ie1(t)
渡越时间效应
x
图 6.1 (a) 里德二极管的结构 和杂质与电场分布
τ
t
ie1(t)
(b) 雪崩二极管的电流-电压波形
或
[R(ω) − RD (I )] I = 0
⎫⎪
[
X
(ω)
+
XD
(I
)] I
=
0
⎬ ⎪⎭
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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
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。
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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
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微波固态电路
微波振荡器
§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 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。
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
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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。
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 们分别被简称为崩越二极管、俘越二极管、势越二极管和 速越二极管。
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微波固态电路
微波振荡器
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微波振荡器
鳍线振荡器
介质基片 鳍线 分支栅 Gunn 二极管偏置 输出端
lg ls
短路活塞
鳍线过渡器
波导装架
Gunn 二极管
特点： 主要用于毫米波段，调谐带宽百分之几，效率低
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微波振荡器
YIG（钇铁石榴石）调谐振荡器
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
（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
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。
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。
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§6.2 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、高低结型和低高低
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。
微波固态电路
微波振荡器
微带型负阻振荡器
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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；
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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§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
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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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负阻振荡器模型
负阻二极管等效电路
LLSs
−G D
Rs
CD
−RD
−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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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。
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第六章 微波振荡器
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2
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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；
回路；分别表示为下图（a）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。
L
C
R(ω)
i
−RD(0) G(ω)
L v(t)
C
−GD(0)
(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
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对于图（a）的电路，可以列出回路电流的微分方程：
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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。
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
jx
Z(ω)
13:25
α
H
θ
(I0,ω0)
ZD(I)
R 稳定工作点的图示判别法
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调谐的滞后特性
Z (ω)
P1
Pc Pa
ZD (I )
Pb P'd Pd P'b
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
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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
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同轴腔/波导腔负阻振荡器
6 7
5
7
6
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8
8
3
3
2
9
4
2
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输出 1
10
(a) 同轴腔——宽带，C波段（8GHz）以下； (b) 波导腔——略窄（5~20%）， 18GHz以上广泛； 低损耗、低噪声、高稳定；
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)
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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；
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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结构与电参数
−Rd
Cd
R0
C0
图6.3 Gunn管芯等效电路
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§6.1 引 言
振荡器主要分类 1）二极管振荡器——高振荡频率（400/150GHz） 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； 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、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
−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
G(ω) − GD (0) < 0
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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；器件电抗和电路电抗 数值相等且符号相反。
[Z (ω) − ZD (I ) = 0]
工作原理
杂质分布
+−
N+ P
I
P+
N+
P+
1016
N1
1013
N2
0 x,b
x
W
E
单漂移型
v(t) Vmax V0=VB
0 T
ia(t)
T
4
ie(t)
τ
2
t
雪崩倍增效应
t ie1(t)
渡越时间效应
x
图 6.1 (a) 里德二极管的结构 和杂质与电场分布
τ
t
ie1(t)
(b) 雪崩二极管的电流-电压波形
或
[R(ω) − RD (I )] I = 0
⎫⎪
[
X
(ω)
+
XD
(I
)] I
=
0
⎬ ⎪⎭
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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
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。
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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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§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 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。
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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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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