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
§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。 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。
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，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。 电子能量
μ2 = 200 cm2 V ⋅ s μ1 = 8000 cm2 V ⋅ s
高能谷
低能谷
Δ=0.36eV
动量方向
[000]
[100]
D D D
D D D
ImZ
ω 增加
Z(ω)
阻抗线 稳定点 I 增加 器件线
最佳负载：满足起振条件，并使稳态 时输出功率最大
ZD(0)
(ω0,I0)
ZD(I) ReZ
器件线与外电路阻抗轨迹
1 GL = GD (0) 3
1 RL = RD (0) 3
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
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。
负阻振荡器调频和调幅噪声的形成
雪崩管的噪声来源主要有三方面： 雪崩噪声：由于雪崩倍增过程产生电子、空穴对的无规则 性所引起雪崩电流起伏，并导致外电流的起伏（性质同散 粒噪声类似）； 频率变换噪声，或称为上变频噪声：由于雪崩管具有非线 性负阻，可以将雪崩噪声及热噪声中的低频分量、偏置电 流的起伏等噪声上变频为载频附近的噪声，而且上变频过 程中有增益，使这些原来的低频噪声影响加大； 热噪声：主要由雪崩管的串联电阻引起，远小于雪崩噪 声。
−RD jXD R jX
负阻振荡器的串联电路模型
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——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； 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
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)；
f 0 (16GHz)
参考振荡器
f r (100MHz)
具有N次倍频器的锁相环微波振荡器
参考振荡器
f r (62.5MHz)
§6.6 负阻振荡器的调频和调幅噪声
由一些非确定性因素（随机的）影响，使振荡频率随机起 伏，称之为瞬时频率稳定度。 频率的瞬变将产生调频噪声和相位噪声。 振荡器的振荡幅度也可能由于各种随机因素而产生随机的 起伏，如同有寄生调幅，称之为调幅噪声。
（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′
(a)反射式高Q腔稳频
（b）频带反射式高Q腔稳频振荡器
（c）介质谐振器稳频的体效应管振荡器
注入锁相原理
频稳度高的 小功率振荡器 fi
(b) 雪崩二极管的电流-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， 尤其在毫米波波段更是如此。
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
§6.2 负阻二极管与振荡晶体管
dt dt C
i = Ie
−α t
cos(ω t + ϕ )
α 式中， = [ R (ω ) − RD (0)] / 2 L 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) α 时， > 0 ，是衰减振荡；当 R (ω ) < RD (0) 时， < 0 ，振幅随 α 时间增长；当 R (ω ) = RD (0) 时，为等幅振荡。
负阻振荡器起振条件
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
RD (0) > 1.2 R(ω )
为确保起振容易，应选择
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
G (ω ) − GD (0) < 0
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 ) − Z D ( I ) = 0]
或
⎫ [ R(ω ) − RD ( I )] I = 0 ⎪ ⎬ [ X (ω ) + X D ( I )] I = 0 ⎪ ⎭
§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
负阻振荡器模型
负阻二极管等效电路
L L Ss
−G D CD
−RD
Rs
Ls S L
CD
Cp CP
C Pp
(a)雪崩二极管等效电路
(b)Gunn管等效电路
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。
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。 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。
2 Δf 2 = f0 Q
被稳定 振荡器 f0
Pi 1 P0 cos θ
Δf = f i − f 0
fi 输出
原理框图
典型的锁相环路
压控振荡器 AFC 低通滤波器 环路放大器 相位比较器
f1 = f 0 / N
×N (×100)
f0
10GHz
直接由晶振控制微波VCO的锁相环路
微波 VCO AFC 低通滤波器 ÷N 分频器 环路放大器 相位比较器 N=256 定向耦合器 无倍频器
工作原理
+ N+ P N 杂质分布 1016
+
− I P+ P
+
v(t) Vmax V0=VB 0 T T 4 t
N1 ia(t)
1013
N2 0 x,b W x
雪崩倍增效应
t ie1(t)
E
单漂移型
ie(t)
τ
2
渡越时间效应
τ
t ie1(t)
x
图 6.1 (a) 里德二极管的结构 和杂质与电场分布
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。
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
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 电路 负 载
(a) 电路结构
(b) 等效电路
微带型体效应管振荡器
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；10-变容管与体效应管（3）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
图6.2 GaAs的多能谷结构图(300K时)
结构与电参数
− Rd Cd
− R d ——Gunn管的负阻
Cd
R0 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
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。
同轴腔/波导腔负阻振荡器
6
7
5 4
7
பைடு நூலகம்
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； (b) 波导腔——略窄（5~20%）， 18GHz以上广泛； 低损耗、低噪声、高稳定；
鳍线振荡器
输出端 介质基片 鳍线 分支栅 Gunn 二极管偏置
lg ls 短路活塞
L R(ω) i C −RD(0) G(ω) v(t) −GD(0)
L
C
(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
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： d 2i di 1 L 2 + [ R(ω ) − RD (0)] + i = 0 通过求解可得回路电流为
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 们分别被简称为崩越二极管、俘越二极管、势越二极管和 速越二极管。
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
第六章 微波振荡器
发射模块 IFT
PA
AGC PLL1 ×5 ×4
频率源 PLO PLL2 ×5 ×2 LNA 二中频 （IFS）
fs 双 工
fT
一中频 接收模块
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； 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；
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
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调谐振荡器原理图
§6.5 负阻振荡器的频率稳定
相位平衡条件： X + X D = 0 提高频率稳定度的一般方法