6.4 微波振荡器2011.ppt

6.4 微波振荡器 6.4.1 微波振荡器的种类与特性 6.4.2 微波晶体管振荡器 6.4.3 雪崩二极管振荡器 6.4.4 体效应二极管振荡器 * 微波振荡器从所用器件类型上可分为以下几种。晶体三极管振荡器：双极晶体管（BJT）振荡器用于 1GHz～ 3GHz范围内，成本低、性能稳定。场效应晶体管（ MESFET）振荡器用于较高频段的 2GHz～ 40GHz范围内。异质结双极晶体管（HBT）振荡器用于 2GHz～ 40GHz范围内，HBT 的优点是相位噪声比较低。为了改善频率稳定性，晶体三极管振荡器的谐振电路常常采用介质谐振器做稳频电路。 二极管振荡器：雪崩二极管振荡器，频率可达到毫米波段，功率可以输出瓦的量级，但是噪声比较大。正因为噪声比较大，经适当的设计可以作为测量仪表用的噪声源。体效应管振荡器也可达到毫米波段，它的功率略小，大约百毫瓦量级，噪声比较小。 真空器件：速调管、磁控管、行波管、返波管、回旋管等真空器件可以产生很大功率，例如兆瓦级，用于雷达、电子加速器等领域。真空器件是基于真空中的电子与微波场的相互作用，以电子为媒介将直流电源的能量转换为电磁场的微波能量。 晶体三极管和二极管都属于固态器件，由于固态器件体积小、电压低、功耗低，在许多微波工程子系统中都取代了真空器件，但是在大功率的性能上则无法与真空器件相比。 由于篇幅所限，本书将不讨论真空器件。 微波晶体管振荡器是反馈型振荡器或负阻型振荡器，两种类型对应了两种分析方法。我们可以采用高频电路中惯用的反馈振荡器的分析方法，也可采用负阻振荡器的分析方法，具体采用哪一种方法，视具体电路和哪种方法更简便而定。S 参量是贯穿本书的、非常有用的工具，在讨论微波晶体管振荡器时仍然被采用。 晶体管振荡器： 　　晶体管振荡器电路模型见图5-63，它工作于不稳定区，实际的功率输出可从管子任意一端获得。设计放大器时应选用稳定性好的器件； 而振荡器的设计则是利用器件的高度不稳定性，同时用正反馈加强这种不稳定性。所以这种类型的振荡器，又称反馈型振荡器。 图5-63 二端口晶体管振荡器典型电路 L S 在设计此种振荡器时可首先将反馈电路断开，按晶体管放大器进行开环设计，然后再接入正反馈电路。通常的概念是：起振取决于小信号的 S 参量，稳定取决于大信号的 S 参量。 1. 反馈振荡器的振荡条件 图 6.38（a）所示为场效应晶体管反馈振荡器的原理图，图 6.38（b）所示为它的等效S参量网络。 图 6.38 场效应晶体管反馈振荡器原理图 （a）电路框图 （b）S参量等效网络 用 S 参量来表示的振荡平衡条件为 证明参阅射频电路设计王子宇译p362传递函数推导 式中， 是开环放大器的 S21， 是反馈网络的 S21，分别用上角标 A 和 R 表示。上式可分解为幅度平衡和相位平衡两个条件。 幅度平衡 相位平衡 代表了放大器的开环功率增益，记作 GT， 代表了反馈网络的功率衰减，记作 1/L。公式（6.4.3）中的 和 分别表示 和 的相角。在上述分析中我们假设两个端口（即输入端口和输出端口）都是匹配的，这样可简化数学表达式，目的在于给出一个简洁的振荡平衡条件。 A、振荡器与放大器的差异如下: 在放大器的情形 。在振荡器的情形 , 振荡器调谐网络和终端网络由无源网络构成 , 有 , 所以要求 。 (2) 在放大器的情形 , 稳定性因子 k1。在振荡器的情形 , 稳定性因子 k 1。 (3) 在放大器的情形 , 希望器件具有高度稳定性。在振荡器的情形 , 希望器件具有高度不稳定性。 (4) 在放大器的情形 , 有输入和输出匹配网络。在振荡器的情形 , 有振荡器调谐网络和终端网络 , 其中振荡器调谐网络决定振荡频率 , 终端网络将负载转换为振荡器所需的负载以确保振荡产生。 (5) 振荡器的起振由任意噪声或暂态信号触发 , 但很快达到一个稳定的振荡状态。振荡器由起振到稳态需要一个非线性有源器件完成 , 对振荡器的全面分析十分复杂。 2. 负阻振荡器的平衡条件 B、接外加负载后放大器网络的稳定性： 以输入端口为例，设输入端口无信号源，这时输入端口的归一化反射电压波为 如果在输入端口上外接反射系数为 的负载，如图 4-16 所示，经端口外接负载 再反射回网络输入端口的入射电压波为 图 4-16 端口接负载的稳定性 如果这时的入射电压波 比原来的入射电压波a1小，即 ，说明来回