第6章 微波振荡器
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6.1.1 二极管负阻振荡器的等效电路如图6-1(a)所示，图中短
路(或开路)双线l等效微波谐振腔，变压器表示微波阻抗变换 器。可将图6-1(a)进一步简化为图6-1(b)所示的一般等效电路， 从器件向外看去为负载输入导纳YL=GL+jBL，负阻器件的输 入导纳表示为YD=－GD+jBD
第6章 微波振荡器
第6章 微波振荡器
图 6-2 体效Байду номын сангаас管微带振荡器的两种形式
(a) 半波长谐振器调谐的体效应管微带振荡器； (b) 体效应管微带振荡器
第6章 微波振荡器
图6-3为一种单片雪崩二极管振荡器的电路图。 这里的 雪崩二极管没有封装，管芯直接置于微带腔内。 一段低阻 抗微带线作为谐振腔，它的一端通过交指型电容与负载相连， 器件的另一边是由一段λg/4终端开路微带线构成的直流偏置
第6章 微波振荡器
图 6-3 单片IMPATT振荡器 (a) 电路图；(b) 腔的示意图
第6章 微波振荡器 上面介绍的三种微带型负阻振荡器，都是属于固定频率
的负阻振荡器。图6-4和图6-5给出了变容管调谐和YIG调谐
图6-4(a)中，将变容管串接在体效应管和谐振线之间， 称为串接调谐。调节变容管上的电压改变其反偏结电容，从 而控制振荡频率，图6-4(b)是其等效电路。
第6章 微波振荡器
图 6-4 变容管串联调谐的体效应管微带振荡器 (a) 电路结构； (b) 等效电路
第6章 微波振荡器
图6-5中，体效应管和负载都通过耦合环与YIG小球耦 合，上半环在yz平面上与器件相连，下半环在xz平面内与负 载相接，两环平面互相垂直，两者之间无耦合。小球在外界 交变和直流电磁场的作用下，共振时使两个环之间产生电磁 能量的耦合，将振荡能量传送给负载。当改变直流场强H0， f0随之改变，以此实现频率调制。此振荡器能在较宽的频率
的变容二极管，可以在X波段获得600 MHz的
调谐范围。其调谐特性如图6-7(b)所示。
第6章 微波振荡器
图 6-7
变容二极管调谐同轴腔转移电子振荡器的结构及调谐特性
(a) (b) 变容二极管调谐同轴腔转移电子振荡器的调谐特性
第6章 微波振荡器
3. 波导腔通常比同轴腔具有较高的品质因数，谐振回路的 高品质因数可以使振荡器具有高的频率稳定度和好的噪声性 能，因此波导腔振荡器得到了广泛应用，并发展了多种形式。 图6-8所示为一种简单波导腔振荡器的结构示意图。谐振腔 由λg/2长的矩形波导段构成，工作在H101模式。负阻器件安 装在腔体上，管芯部分伸进腔内，和电场平行，并处于电场 的最大点。直流偏压通过穿心电容引入，振荡频率利用金属 调谐棒进行调节。为了防止高频能量通过调谐棒泄露出去， 采用了有λ/4径向短路线和同轴线组成的抗流结构。振荡功 率通过耦合窗输出。图中所示的谐振腔也可以采用圆柱腔形 式，调谐棒也可以采用介质棒来实现。
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图 6-5 YIG调谐振荡器及其等效电路 (a) YIG调谐振荡器；(b) 等效电路
第6章 微波振荡器
上述的微带型负阻振荡器结构简单、加工方便，但是， 微带线损耗较大，振荡回路的Q值又较低，使振荡器的效率 和频率稳定度都较低。通常采用同轴腔和波导腔实现高质量
2. 图6-6(a)是一种常见的同轴腔振荡器的结构示意图，其 等效电路图如图6-6(b)所示。负阻器件接在同轴腔底部的散 热块上，散热块和墙体其他部分用高频旁路电容隔断，以便 直流偏压从这里引入。负阻器件的电纳利用终端短路的同轴 线进行调谐，因此调节短路活塞可以改变振荡频率，振荡功 率通过耦合环耦合输出。其振荡条件如下：
图 6-1 (a) 二极管负阻振荡器等效电路；(b) 负阻振荡器原理图
第6章 微波振荡器
微波二极管振荡器是单端口负阻振荡器，在稳定状态下 应满足YD+YL=0
－GD+GL=0
(6-1)
BD+BL=0
(6-2)
常用一个微波传输线阻抗变换器将GL变换到所需的GD
值。BL为短路线在工作频率下所呈现的电纳值，振荡时，
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同轴腔振荡器调谐范围较宽，可达一个倍频程以上；但 电路损耗较大，频率较高时结构难以设计，一般只适用于厘 米波段。同轴腔振荡器频率的调节也可以采用其他形式，如 调谐螺钉。功率的耦合输出有时也可以采用耦合探针。
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图6-7(a)表示变容二极管调谐同轴腔转移电子振荡器的
BL=－BD。 所以短路线的长度l可由下式求得:
第6章 微波振荡器
2π
BL
BD
Y0
ctg(
g
l)
即
l
g
2π
ctg1
BD Y0
(6-3)
式中：Y0为传输线特性导纳，λg 由于振荡器通常工作在大信号状态，负电导GD在起振
后有所降低，为使振荡器易于起振，因此设计时往往使负载
第6章 微波振荡器
GD GL'
BD
B
Y0
cot
2π
l
(6-6)
若已知器件导纳YD=－GD+jBD，G'L可通过改变耦合环 的插入深度及方向来调节。选择同轴线特性阻抗Z0=1/Y0， 则同轴线长度可由式(6-6)求得。
第6章 微波振荡器
图 6-6 同轴腔振荡器 (a) 结构示意图；(b) 等效电路
第6章 微波振荡器
第6章 微波振荡器
6.1 微波二极管负阻振荡器电路 6.2 微波晶体管振荡器 6.3 微波频率合成器 习题
第6章 微波振荡器
6.1
将雪崩二极管、体效应二极管与同轴腔、波导腔、微 带线、鳍线等各种形式的谐振电路适当连接，通过它们的相 互作用，把直流功率变换成射频功率，从而构成雪崩二极管
电导GL略小于GD(一般取GD≈1.2GL)。因此负阻振荡器的振
第6章 微波振荡器
GD≥GL BD=－BL
(6-4) (6-5)
6.1.2
下面我们介绍一些实用的负阻振荡器电路，并运用前面
学过的一般理论对它们作必要的分析。同时，介绍一些电子
调谐电路振荡器等相关知识。
第6章 微波振荡器
1. 图6-2(a)和图6-2(b)为两种体效应管微带振荡器电路图。 体效应管与微带线并接，偏置通过微带低通滤波器加入。图 6-2(a)中器件的右边是一段长度为l的终端开路微带线，它等 效于一个电抗网络，选择线段长度在λg/4<l<λg/2范围内，以 满足振荡的相位平衡条件。器件左边的渐变微带线起阻抗变 换作用，使50 Ω负载电阻变换成器件的负阻值。 图6-2(b)中器件放置在一端，由一段长为l1的传输线和 一段长为l2
结构示意图。它在利用活塞进行机械调谐的同轴腔振荡器中
增加了一个分支，在这个分支的内导体上串接一个变容二极
管，并通过环和同轴腔耦合。为了对转移电子器件和变容二
极管分别加直流偏压，在它们的管座和腔体之间通过高频旁
路电容隔断。利用这一电路，若采用截止频率fc=75 GHz,
C0 Cmin Cmin
路(或开路)双线l等效微波谐振腔，变压器表示微波阻抗变换 器。可将图6-1(a)进一步简化为图6-1(b)所示的一般等效电路， 从器件向外看去为负载输入导纳YL=GL+jBL，负阻器件的输 入导纳表示为YD=－GD+jBD
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图 6-2 体效Байду номын сангаас管微带振荡器的两种形式
(a) 半波长谐振器调谐的体效应管微带振荡器； (b) 体效应管微带振荡器
第6章 微波振荡器
图6-3为一种单片雪崩二极管振荡器的电路图。 这里的 雪崩二极管没有封装，管芯直接置于微带腔内。 一段低阻 抗微带线作为谐振腔，它的一端通过交指型电容与负载相连， 器件的另一边是由一段λg/4终端开路微带线构成的直流偏置
第6章 微波振荡器
图 6-3 单片IMPATT振荡器 (a) 电路图；(b) 腔的示意图
第6章 微波振荡器 上面介绍的三种微带型负阻振荡器，都是属于固定频率
的负阻振荡器。图6-4和图6-5给出了变容管调谐和YIG调谐
图6-4(a)中，将变容管串接在体效应管和谐振线之间， 称为串接调谐。调节变容管上的电压改变其反偏结电容，从 而控制振荡频率，图6-4(b)是其等效电路。
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图 6-4 变容管串联调谐的体效应管微带振荡器 (a) 电路结构； (b) 等效电路
第6章 微波振荡器
图6-5中，体效应管和负载都通过耦合环与YIG小球耦 合，上半环在yz平面上与器件相连，下半环在xz平面内与负 载相接，两环平面互相垂直，两者之间无耦合。小球在外界 交变和直流电磁场的作用下，共振时使两个环之间产生电磁 能量的耦合，将振荡能量传送给负载。当改变直流场强H0， f0随之改变，以此实现频率调制。此振荡器能在较宽的频率
的变容二极管，可以在X波段获得600 MHz的
调谐范围。其调谐特性如图6-7(b)所示。
第6章 微波振荡器
图 6-7
变容二极管调谐同轴腔转移电子振荡器的结构及调谐特性
(a) (b) 变容二极管调谐同轴腔转移电子振荡器的调谐特性
第6章 微波振荡器
3. 波导腔通常比同轴腔具有较高的品质因数，谐振回路的 高品质因数可以使振荡器具有高的频率稳定度和好的噪声性 能，因此波导腔振荡器得到了广泛应用，并发展了多种形式。 图6-8所示为一种简单波导腔振荡器的结构示意图。谐振腔 由λg/2长的矩形波导段构成，工作在H101模式。负阻器件安 装在腔体上，管芯部分伸进腔内，和电场平行，并处于电场 的最大点。直流偏压通过穿心电容引入，振荡频率利用金属 调谐棒进行调节。为了防止高频能量通过调谐棒泄露出去， 采用了有λ/4径向短路线和同轴线组成的抗流结构。振荡功 率通过耦合窗输出。图中所示的谐振腔也可以采用圆柱腔形 式，调谐棒也可以采用介质棒来实现。
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图 6-5 YIG调谐振荡器及其等效电路 (a) YIG调谐振荡器；(b) 等效电路
第6章 微波振荡器
上述的微带型负阻振荡器结构简单、加工方便，但是， 微带线损耗较大，振荡回路的Q值又较低，使振荡器的效率 和频率稳定度都较低。通常采用同轴腔和波导腔实现高质量
2. 图6-6(a)是一种常见的同轴腔振荡器的结构示意图，其 等效电路图如图6-6(b)所示。负阻器件接在同轴腔底部的散 热块上，散热块和墙体其他部分用高频旁路电容隔断，以便 直流偏压从这里引入。负阻器件的电纳利用终端短路的同轴 线进行调谐，因此调节短路活塞可以改变振荡频率，振荡功 率通过耦合环耦合输出。其振荡条件如下：
图 6-1 (a) 二极管负阻振荡器等效电路；(b) 负阻振荡器原理图
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微波二极管振荡器是单端口负阻振荡器，在稳定状态下 应满足YD+YL=0
－GD+GL=0
(6-1)
BD+BL=0
(6-2)
常用一个微波传输线阻抗变换器将GL变换到所需的GD
值。BL为短路线在工作频率下所呈现的电纳值，振荡时，
第6章 微波振荡器
同轴腔振荡器调谐范围较宽，可达一个倍频程以上；但 电路损耗较大，频率较高时结构难以设计，一般只适用于厘 米波段。同轴腔振荡器频率的调节也可以采用其他形式，如 调谐螺钉。功率的耦合输出有时也可以采用耦合探针。
第6章 微波振荡器
图6-7(a)表示变容二极管调谐同轴腔转移电子振荡器的
BL=－BD。 所以短路线的长度l可由下式求得:
第6章 微波振荡器
2π
BL
BD
Y0
ctg(
g
l)
即
l
g
2π
ctg1
BD Y0
(6-3)
式中：Y0为传输线特性导纳，λg 由于振荡器通常工作在大信号状态，负电导GD在起振
后有所降低，为使振荡器易于起振，因此设计时往往使负载
第6章 微波振荡器
GD GL'
BD
B
Y0
cot
2π
l
(6-6)
若已知器件导纳YD=－GD+jBD，G'L可通过改变耦合环 的插入深度及方向来调节。选择同轴线特性阻抗Z0=1/Y0， 则同轴线长度可由式(6-6)求得。
第6章 微波振荡器
图 6-6 同轴腔振荡器 (a) 结构示意图；(b) 等效电路
第6章 微波振荡器
第6章 微波振荡器
6.1 微波二极管负阻振荡器电路 6.2 微波晶体管振荡器 6.3 微波频率合成器 习题
第6章 微波振荡器
6.1
将雪崩二极管、体效应二极管与同轴腔、波导腔、微 带线、鳍线等各种形式的谐振电路适当连接，通过它们的相 互作用，把直流功率变换成射频功率，从而构成雪崩二极管
电导GL略小于GD(一般取GD≈1.2GL)。因此负阻振荡器的振
第6章 微波振荡器
GD≥GL BD=－BL
(6-4) (6-5)
6.1.2
下面我们介绍一些实用的负阻振荡器电路，并运用前面
学过的一般理论对它们作必要的分析。同时，介绍一些电子
调谐电路振荡器等相关知识。
第6章 微波振荡器
1. 图6-2(a)和图6-2(b)为两种体效应管微带振荡器电路图。 体效应管与微带线并接，偏置通过微带低通滤波器加入。图 6-2(a)中器件的右边是一段长度为l的终端开路微带线，它等 效于一个电抗网络，选择线段长度在λg/4<l<λg/2范围内，以 满足振荡的相位平衡条件。器件左边的渐变微带线起阻抗变 换作用，使50 Ω负载电阻变换成器件的负阻值。 图6-2(b)中器件放置在一端，由一段长为l1的传输线和 一段长为l2
结构示意图。它在利用活塞进行机械调谐的同轴腔振荡器中
增加了一个分支，在这个分支的内导体上串接一个变容二极
管，并通过环和同轴腔耦合。为了对转移电子器件和变容二
极管分别加直流偏压，在它们的管座和腔体之间通过高频旁
路电容隔断。利用这一电路，若采用截止频率fc=75 GHz,
C0 Cmin Cmin