非线性微波电路与系统第十章

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1、微波振荡器微波振荡器是各类微波系统的关键(核心）部件之一，其性能优劣直接影响到电子系统的性能指标。微波振荡器件可采用晶体管（单栅和双栅）（效率高达40%以上），雪崩二极管（效率为15%左右）和耿氏二极管（效率仅有5%）。电路形式有：自由振荡器，高Q腔和介质穏频振荡器，频率综合器。foutPout11微波振荡器的主要性能指标：1、工作频率和带宽（VCO）；2、输出驻波系数；3、稳定度①频率准确度②频率稳定度（分长期、短期和瞬时）③功率稳定度4、调频噪声5、相位噪声6、谐波和杂散7、输出功率（以及功率平坦度和稳定度）8、频率牵引、频率温度系数、调频线性度等等@微波振荡器21微波振荡器

2、双极晶体管：工作频率低，相位噪声低，直流到射频的转换效率高。FET类（包括GaAsMESFET、HEMT、PHEMT和HBT等）：相位噪声大，结构简单，便于集成，成本低，可以用于更高的频率。雪崩（IMPATT）和耿氏（Gunn)二极管：工作频率高，噪声电平比较高，直流到射频的转换效率很低。31§10.1基本理论（负阻振荡理论）微波振荡器物理概念：阻抗的实部为负，即“负阻”i(t)Zl(ω)Zs(I0,ω)Vs(t)Гs(ω)源或负载或振荡平衡条件幅度平衡条件，决定振荡器的输出功率相位平衡条件，决定振荡器的振荡频率或41稳定振荡过程是一个逐步建立起来的瞬态，振荡开始时V0和I0很小

3、，不满足上式，直到V0和I0很大到达某一定值时，上式成立，振荡趋于稳定。且受扰动后，正弦电压和电流仍回到它的稳定值。稳定振荡另一种表达方式：51§10.1基本理论微波振荡器正反馈理论→三极管振荡器61微波振荡器71FET振荡器的设计与FET放大器十分相似，它使用的器件，偏置电路以及S参数都与放大器相同，只是工作在不稳定区域为了实现低噪声和高频率稳定度，谐振器的设计通常也包含在振荡器的设计中，谐振器可以是集中参数电路，也可以是分布参数传输线、或是腔体、介质。频率调谐可以采用变容二极管或铁磁材料。微波振荡器81微波振荡器91一、小信号设计方法微波振荡器101可以证明，如果输入端振荡，

4、输出端也振荡；当输出端振荡时，输入端也振荡。微波振荡器111这一结论也可推广到一个n端口振荡器，只要一个端口振荡，其余的端口也必然同时振荡。微波振荡器121设计一个FET振荡器的一般步骤是：1、potentiallyunstabletransistor,如果不是，则采用反馈元件2、3、4、5、Loadmatchingnetwork微波振荡器131Example:GaAsFET.(1)(2)微波振荡器141（3）（4）微波振荡器151二、大信号设计方法大信号方法与小信号方法类似。大信号S参数可以通过测试仪器或大信号模型获取，但相对比较困难，他的设计步骤如下：1、2、3、微波振荡器1

5、61三、FET振荡器的非线性分析以上采用小信号线性S参数进行分析和设计，得不到精确预计输出功率和对应的负载阻抗。FET振荡器非线性分析方法→Volterra级数法。而采用谐波平衡法有以下两个难点：①建立饱和状态模型较为困难；②HB法只能分析一个外激励频率信号去激励一个非线性电路，而振荡稳定是一个逐渐建立的过程，开始振荡时的频率与稳定后的振荡频率不同，且电路参数是随频率变化的过程。微波振荡器171FFS(t)S(t)W(t)W(t)FF-PPFF-PP闭环非线性反馈系统开环非线性系统闭环等效电路开环系统S(t)X(t)W(t)kωωS(t)X(t)W(t)kωωZ(t)微波振荡器1

6、81微波振荡器191由此可求出振荡器的输出信号幅度的大小和振荡频率的高低，而转移函数H是由具体的FET等效电路，偏置，工作状态和电路拓扑所决定。微波振荡器201五、性能参数振荡器的两个主要性能是它的频率和输出功率，但其它性能参数对微波或毫米波系统的性能也有很大的影响：1、输出频率和频率准确度由器件和电路结构决定。微波振荡器2、输出功率P0主要取决于器件。2113、相位噪声微波振荡器输出频谱中产生的噪声边带。221要把相位噪声减至最小，不仅要使用①低噪声器件，②而且还要使用高的有载Q谐振器，在电压控制振荡器中，应使用高Q变容二极管。③用锁相振荡器也可以实现低的相位噪声，如晶体振荡器

7、。④由于相位噪声也可由来自直流电源或耦合到直流偏置电路的噪声引起，所以直流电源的滤波在减小相位噪声方面是不可忽视的。微波振荡器2314、频率牵引和推频→负载的变化引起输出频率改变负载阻抗的变化通过Гin的相位改变可以影响振荡频率。这种现象称为频率牵引。直流偏压的变化可以引起FET的S参数和Гin的变化，因而引起振荡频率变化，这种现象称为推频。减小推频的直接方法是在振荡器的偏置电路中采取稳定措施。①在振荡器的输出端加入输出隔离器或缓冲放大器就可以减小频率牵引。②采用高Q谐振腔。微波