第11讲-射频微波振荡器

检查K值是否小于1
有源器 件Z [ a]
计算出负载稳定圆和振 源稳定圆的圆心与半径
二端口有源 电路 [Z m] 反馈电 路Z [ f]
图 9-3 有源器件与反馈电路的串联
*若K值不够小,可使用射极或源极增加反馈电路来降低K值，如上图所示。图 11 中,［Zm］＝［Za］＋［Zf］
第9章 射频/ 设计一个谐振电路
*一般使用并联电容Zs,将其反射系数 Γs转换成ΓL1,并将其标记到 |ΓL1|=1的圆图上。
映 射 至 平 面 L | s |＞ 1 b 负 载 稳 定 圆 | s －A|＝ b (| s |＝ 1) | L |＝ 1
| s |＝ 1
A
L1
1
' S 22 m
1 S12 m S 21m S 1 S 22 m 1 S11m S 1
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第9章 射频/ 3. 振荡器
图（ a ）是射频 / 微波振荡器原 始等效电路 , 振荡器供出能量等 效为负阻 , 负载吸收能量是正电 Zg/rG 阻 , 这个电路对于各种振荡器都 是有效的 , 只是在二极管振荡器 中概念更直观。 图（b）是栅极反馈振荡器，常 用于变容管调谐和各种传输线谐 振器振荡器 , 工作于串联谐振器 的电感部分。 图（ c ）是源极反馈振荡器 , 常 用于 YIG 调谐、 介质谐振器和传 输线谐振器振荡器 , 工作于并联 谐振器的电容部分。在微波频段 , 反馈电容 C1 就是器件的结等效电 容。 图（d）是交叉耦合反馈电路。
基极接电感的BJT网络结构S参量
可见，最不稳定的状态 （k为最小值）出现在基 极电感等于0.6nH的时候， 在GHz频段内，即使是一 段导线也可以在晶体管的 基极上产生我们需要的电 感量。 9
第9章 射频/ 如果振荡器在一个端口振荡,它必然在另一个端口同时振荡
1 G ' S11
S 11 S11
负载
放大器
M3 谐 振 器
双口 晶体管 振荡器
M4 匹 配 网络
负载
图 9-2 放大器和振荡器设计方框图
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第9章 射频/ 而对于振荡器设计来说,为了产生振荡,S11′和Ｓ22′均大于 1。振荡条件可以表示为 k<1 ΓGS11′ =1 ΓLS22′ =1 （9-1） （9-2） （9-3）
保证稳定系数都应该小于1,如果不满足这个条件,则应该改变公共端或加 正反馈； 必须加无源终端ΓG和ΓL,以便使输入端口和输出端口谐振于振荡频率； 由于|ΓG|和|ΓL|均小于1,式（9-2）和式（9-3）就意味着|S11′ |>1 和 |S22′ |>1； 如果式（9-2）得到满足,则式（9-3）亦必定满足,反之亦然。换句话说, 如果振荡器在一个端口振荡,它必然在另一个端口同时振荡。
1 S 11G L S 22 DG
1 S11G 1 ' S 22 S 22 DG
' S 22 S 22
1 L ' S 22
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第9章 射频/ 利用［S］参数来设计一个振荡器 确定振荡频率与 输出负载阻抗 确定振荡频率下的 晶体管的S参数 计算稳定因 子K的值
1 突变结 10
化大 , 意味着频率低端灵敏度
U/V
放大到合适的范围。
供电电源 结构尺寸
图 9-1 变容管的调谐特性
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第9章 射频/ 9.1.2 振荡器的原理 振荡器设计与放大器设计很类似。对于负载来说,并 不知道是被接到振荡器,还是被接到放大器。
信号 发生器
~
M1 匹 配 网络
双口 晶体管
M2 匹 配 网络
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s平 面
L平 面
| s |＜ 1 及 | L |＜ 1 的 交 叉 区 域 (阴 影 区 )
图 9-4 |Γs|=1映射至ΓL平面的负载稳定圆
第9章 射频/
检查ΓL1的值是否落在负载 稳定圆外部与|ΓL|=1的单 位圆内部的交叉斜线区域 *若没有,则重选谐振电路的电容值
振 源 稳 定 圆 | s －C |＝ d (| L |＝ 1 ) 负 载 稳 定 圆 | L －A|＝ b (| s |＝ 1 )
－R 0 /－ G 0
C1 C2
(a )
(b )
C1 L1
( c)
(d )
图 9-6 振荡器电路
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第9章 射频/ 为了保证振荡器的输出功率和频率不受负载影响 , 也使振荡器有足够的功率输出 , 通常振荡器要加隔离 放大器, 如图9 - 7所示。
谐振器 M1
振荡晶体管 Q1
级间匹配 M2
放大晶体管 Q2
负载匹配 M3
RL
图 9-7 振荡器的实际结构框图
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第9章 射频/ 4. 振荡器的设计步骤
步骤一 : 选管子, 在工作频率上有足够的增益和输出功 率。(以手册为基础)
步骤二: 选拓扑结构,适当反馈,保证K<1。
步骤三 : 选择输出匹配网络 , 保证在 50Ω负载时 |S11′ |>1。 步骤四: 输入端谐振,使ΓGS11′=1,保证|S22′|>1。
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第9章 射频/ 如果稳定系数不满足条件,则应该改变公共端或加正反馈 例：利用正反馈元件产生振荡 一BJT的工作频率为2GHz，在共基极电路中的S参量为： S11=0.94 ∠174°，S12=0.013 ∠-98°，S21=1.9 ∠-28°， S22=1.01 ∠-17°。如果在晶体管的基极增加一个电感量为 0~2nH的电感，求该电感对稳定系数k的影响。 解：根据稳定系数k的定义，求出其不包括电感的值
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1 至 经 S 映 射 s平 面 11
s1 a s1
L 1a
s平 面
1 至 经 S 映 射 L平 面 22
L平 面
L 1
图 9-5 振荡器设计图示
第9章 射频/ 9.1.3 振荡器常用元器件 1. 有源器件 用于射频/微波振荡器的有源器件及使用频段见下表。
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第9章 射频/ 2. 谐振器 用于射频 /微波振荡器的谐振器及使用频段见下表。 一般以振荡器的成本、指标来选择谐振器。
由于 Cin rin和 S 22 1， 稳定区在阴影圆外。
设计振荡器的输入稳定性判定圆
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第9章 射频/ 从理论上讲，稳定性判定圆内的任何ГS都能满足我们的要求。 然而在实际工作中，我们希望选用能够导致最大输出反射系 数的ГS值：
S12 S 21 out S 22 S 1 S11S -1 可见当S S11 时，out 有最大值。此时，输出 反射系数趋于无穷大，
可知L 0即Z L Z 0 50
在实际应用中要实现完全的50Ω匹配几乎是不可能的。如果 选择该条件，振荡器将对负载阻抗的变化十分敏感，负载如 果稍微偏离50Ω则会导致振荡器完全停振。
-1 因此，应选择非常靠近 S11 的S 值。
最终选定S 0.65 -125，并据此计算出源阻抗 为Z S 13- j 25， 可以用 13电阻与4.3pF电容相串联实现。
第9章 射频/
第9章 射频/微波振荡器
9.1 振荡器的基本原理
9.2 集总参数振荡器
9.3 微带线振荡器 9.4 压控振荡器（VCO） 9.5 变容管倍频器
1
第9章 射频/
9.1 振荡器的基本原理
9.1.1 振荡器的指标
频率精度 频率温漂 年老化率 绝对精度和相对精度 热胀冷缩引起的尺寸变化会导致振荡器的频率偏移 随着时间的推移,振荡器的输出频率也会偏移 电源的纹波或上电瞬间会影响振荡器的频率精度
S12 S 21L S11 DL 1 S 22 L 1 S 22 L
D S12 S21 S11S22
1 1 S 22 L G S11 DL S11
G S11 - DLG 1- S22L
S12 S 21L S 22 DG 1 S11L 1 S 11G
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第9章 射频/
9.2 集总参数振荡器
9.2.1 设计实例
设计一个800MHz放大器。电源为12V DC,负载阻抗
为50Ω。晶体管AT41511的S参数如表9-3所示。(UCE=８ Ｖ, IC=25mA,Z0=50Ω, TA=25℃)
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第9章 射频/
选用18pF的电容做反馈电路，使 k值从1.021变为-0.84 选用11.5 pF电容做谐振电路， 设其内电阻为2.5Ω,将Γs1经 1/S22′映射公式转换成ΓL1,并 标记到|ΓL|=1的史密斯圆图上, 可得落于|Γs|< 1及|ΓL|<1的交 叉区域,即稳定振荡区内 选定一接近值ΓL1a,使得其对应 的阻抗值ZL1a=50+j250Ω的实数 部分Re［ZL1a］＝50Ω等于输出 负载阻抗RL=50Ω 将新值ΓL1a经1/S11′映射转换成 新值Γs1a,其绝对值（=0.878） 确实小于原先选定的Γs1的绝对 值（=0.914）,符合起振条 件,|Γs1|>|Γs1 选用电感来设计输出负载匹配电 20 路,经公式计算可得其值为50nH
增加一级放大器
增加成本和噪声
降低振荡器的噪声,让振荡器输出功率 小一些,可降低谐振器的负载
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第9章 射频/
调谐范围
调谐带宽指标 调谐的最大频率和最小频率
调谐范围
变容管的电压范围或YIG的电流范围
调谐灵敏度
调谐灵敏度近似地在中心频率的小范围 内测量 最大调谐灵敏度/最小调谐灵敏度
调谐灵敏度比
调谐时间
K
1 S11 S 22 2 S12 S 21
2
2
2
0.25
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第9章 射频/
基极接电感的BJT网络结构
晶体管 S参量
晶体管阻 抗参量
+
电感阻 抗参量
jL jL jL jL
2.17 j 0.097 0.42 j 3.43 95.23 j 303.06 6.88 j 321.03
(a )
20.00
dB|S11|c kt ＝ Os c_a 41511
15.80 11.60 7.40 3.20Baidu Nhomakorabea
－ 1.00 0.00
0.20
0.40
0.60
0.80 FR EQ[GHz]
1.00
1.20
1.40
1.60
(b )
图 9-8 800 MHz振荡器设计结构
第9章 射频/
例：集总元件固定频率振荡器的设计 已知在共基极电路中使用的BJT是Philips半导体公司生产 的BFQ65。在直流偏置条件VCE=3V，VBE=0.9V，工作频率为 1.5GHz的条件下测得该晶体管的s参量为：S11=1.47∠125°， S12=0.327 ∠130°，S21=2.2 ∠-63°，S22=1.23 ∠-45°。请设 计一个在f=1.5GHz频率点的串联反馈振荡器。
根据ΓL1值,选择一个接近新值ΓL1a, 使其对应的阻抗值(ZL1a)的实数部分 (Re［ZL1a］等于输出负载阻抗(RL) 将ΓL1a经1/S11′映射 成Γs1a,并检查其绝对 值是否小于所选定的 Γs1的绝对值,即较接 近|Γs|=1的圆心,如果 符合起振条件 |Γs1|>|Γs1a|,取 1 S 1a ' S11m 1 S S S11m 12 m 21m L1a 1 S 22 m L1a 振荡器电路的实现
工作 频率
电源牵引
负载牵引
振动牵引 相位噪声
振荡频率会受到负载的影响
谐振腔或晶振等频率敏感元件随机械振动的形变会影响 输出频率 输出信号的时域抖动的频域等效
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第9章 射频/
输出功率
如果振荡器有足够的功 率输出 降低振荡器内谐振器的有载Q值，导致 功率随温度变化而变化
选用稳定的晶体管或采 用补偿的办法,也可增加 稳幅电路
最大调谐范围所用的时间
4
第9章 射频/ 在低电压时,变容管电容 最大。低电压时 , 电容的大范 围变化会引起频率的范围变 高 , 频率高端灵敏度低。由图 9-1 所示的变容管的调谐特 性可知 , 超突变结比突变结变 容管调谐线性好 , 设计中要选 线性好的一段并使调谐电压
1 10 超突变结
C /pF
解：（1）确认晶体管的不稳定性
K
1 S11 S 22 2 S12 S 21
2
2
2
0.975
由于k小于1，则晶体管确实具有不稳定性。
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第9章 射频/ （2）根据输入稳定性判定圆确定输入端口的反射系数
( S11 S 22 ) 圆心 C 0 . 27 57 in 2 2 S 11 半径 r S12 S 21 0.82 in 2 2 S11