最新微波电路西电雷振亚老师的课件9章射频微波振荡器PPT课件.ppt
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1、微波电路西电雷振亚老师的课微波电路西电雷振亚老师的课件件9 9章射频微波振荡器章射频微波振荡器第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 They feature P1dB input powers as high as+11 dBm,noise figures as low as 7 dB,and gain options from 10 to 40 dB33 to 75 GHz第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡
2、器 第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 用足够分辨率的频谱仪测量振荡器,噪声会使窄谱线的下端变宽,噪声按照1/f3或1/f2下降。振荡器的反馈环的环增益按1/f2而不是按谐振频率下降。1/f因子与器件和谐振器的低频调制有关。相位噪声用L(fm)=(PSSB(fm)/Hz)/PC表示,可用频谱仪或相位噪声分析仪测量。PSSB(fm)/Hz是1 Hz带宽内的相位噪声功率。无论相位噪声接近噪声本底还是一个噪声包络,都能清晰地表征噪声功率的值。fm表示离开载频的边频,也是对载频的调制频率,故有时称作调频噪声。第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器
3、 在数字系统中,通常用时域抖动而不是相位噪声测量零交叉时间的偏离,给出峰峰值和有效值。其单位是皮秒或UI(Unit Intervals),UI是时钟的一部分,即UI=抖动皮秒/时钟一周。因为相位噪声给出了每一个频率调制载频的相位偏移,我们可以累加360内所有的相位偏移,即得到UI。这与计算一个频率或时间的功率是等效的。通信系统对某个频率的抖动更敏感,所以相位噪声与边频的关系就是抖动。用抖动的频域观点看,PLL就是一个“频率衰减器”。PLL反馈环的滤波器频带越窄,调制频率越高,但这种频率和频带依赖关系是有限的。相位噪声的估算公式为 第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 第第9章章 射频射频
4、/微波振荡器微波振荡器 2.输出功率功率是振荡器的又一重要指标。如果振荡器有足够的功率输出,就会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。因此,选用稳定的晶体管或采用补偿的办法,也可增加稳幅电路。这样,又会增加成本和噪声。为了降低振荡器的噪声,让振荡器输出功率小一些,可降低谐振器的负载,增加一级放大器,以提高输出功率。通常,振荡器的噪声比放大器的噪声大,故功率放大器不会增加额外噪声。如果振荡器是可调谐的,还要保证频带内功率平坦度。第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 3.调谐范围 对于可调谐振荡器,还有个调谐带宽指标。通常是指调谐的最大频率和最小频率,而不谈中心频率,对于窄
5、带可调振荡器(如10%),也有用中心频率的。调谐范围对应变容管的电压范围或YIG的电流范围。为了维持振荡范围内的高Q特性,变容管的最小电压大于0。调谐灵敏度的单位是MHz/V,一般地,调谐灵敏度不等于调谐范围/电压范围。近似地,调谐灵敏度在中心频率的小范围内测量。第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 图 9-1 变容管的调谐特性第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 调谐灵敏度比是最大调谐灵敏度/最小调谐灵敏度。在PLL的压控振荡器中,由于这个参数会影响到环路增益,因而特别重要。在低电压时,变容管电容最大,随着电压的增加,电容很快达到最大值。低电压时,电容的大范围变化会引起频率的范围
6、变化大,意味着频率低端灵敏度高,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放大到合适的范围。调谐时间是最大调谐范围所用的时间。变容管的调谐速度比YIG的调谐速度快得多。第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 4.供电电源供电电源是保证振荡器安全工作时所需的电源电压和电流。直流功率要有足够余量。5.结构尺寸振荡器的外形结构和安装尺寸受使用场合的限制。在给定的安装条件下,应合理布局电路,考虑散热,使振荡器能稳定工作。9.1.2 振荡器的原理振荡器设计与放大器设计很类似。可以将同样的晶体管、同样的直流偏置电平和同
7、样的一组S参数用于振荡器设计,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,如图9-2 所示。第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 图 9-2 放大器和振荡器设计方框图第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 对于放大器设计来说,S11和S22都小于1,可以用圆图来设计M1和M2;而对于振荡器设计来说,为了产生振荡,S11和22均大于1。振荡条件可以表示为k1 和|S22|1。假定端口1满足振荡条件则有(9-4)(9-5)(9-6)第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 将式(9-6)展开,可得 GS11-DLG=1-S22L L(S22-DG)=1-S11G同理,有(9
8、-7)(9-8)(9-9)第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 比较式(9-7)和式(9-9),得这就意味着,在端口2也满足振荡条件。如两端口中任一端口发生振荡,则另一端口必然同样振荡,负载可以出现在两个端口中的任一端口或同时出现在两个端口,但一般负载是在输出终端。根据上述理论,可以依下列步骤利用S参数来设计一个振荡器。步骤一:确定振荡频率与输出负载阻抗。一般射频振荡器的输出负载阻抗为50。第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 步骤二:根据电源选用半导体元件,设定晶体管的偏压条件(UCE,IC),确定振荡频率下的晶体管的S参数(S11,S21,S12,S22)。步骤三:将所获得的S
9、参数代入下列公式以计算出稳定因子K的值。其中=S11S22-S12S21(9-11)第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 步骤四:检查K值是否小于1。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,如图 9-3 所示。图中,ZmZaZf(9-12)第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 图 9-3 有源器件与反馈电路的串联第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 步骤五:利用下列公式计算出负载稳定圆的圆心A与半径b,并绘出以L为参量的史密斯圆,如图 9-4 所示。同理,亦可计算出振源稳定圆的圆心C与半径d。负载稳定圆:|-A|=b第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 振
10、源稳定圆:|-C|=d第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 图 9-4|s|=1映射至L平面的负载稳定圆第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 步骤六:设计一个谐振电路,一般使用并联电容Zs,将其反射系数 Zs转换成L1,并将其标记到|L1|=1的圆图上。步骤七:检查L1的值是否落在负载稳定圆外部与|L|=1的单位圆内部的交叉斜线区域,如图 9-5 所示。若没有,则重选谐振电路的电容值,并重复步骤六直到符合步骤七的要求。第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 图 9-5 振荡器设计图示第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 步骤八:根据计算得到的L1值,选择一个接近新值L1a
11、,使其对应的阻抗值(ZL1a)的实数部分(ReZL1a等于输出负载阻抗(RL)。步骤九:将新值L1a经1/S11映射转换成新值s1a,并检查其绝对值是否小于所选定的s1的绝对值,即较接近|s|=1的圆心,如果符合起振条件|s1|s1a|,如图 9-5 所示,取第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 步骤十:振荡器电路的实现分别将Zf、Zs、Im ZL1a 转成实际元件值,可选用电容、电感或传输线实现这些元件值。(1)反馈电路:若选用电容,公式为 若选用等效传输线(阻抗Z0),长度为 第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 若选用电感,公式为 若选用等效传输线(阻抗Z0),长度为(2)谐
12、振电路:若选用电容,公式为 第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 若选用等效传输线(阻抗Z0),长度为 若选用电感,公式为 若选用等效传输线(阻抗Z0),长度为 第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 (3)输出负载匹配电路:若Im ZL1a0,则选用并联电感或等效匹配传输线:第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 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表9-1。第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 表 9-1 用于射频/微波振荡器的有源器件及使用频段第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 2.谐振器 用于射频/微波振荡器的
13、谐振器及使用频段见表9-2。一般以振荡器的成本、指标来选择谐振器。第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 表 9-2 用于射频/微波振荡器的谐振器及使用频段第第9章章 射频射频/微波振荡器微波振荡器 3.振荡器要把9.1.2 节中的基本原理变成实际电路,应该了解振荡器的基本拓扑结构。图9-6给出了振荡器的四种基本连接形式。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)和图(c)用途最广,技术成熟。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
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