微波固态电路第六章.ppt

第六章,微波振荡器,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 负阻振荡器的频率稳定 负阻振荡器的调频和调幅噪声 微波晶体管振荡器,§6.1 引 言,Gunn（体效应二极管）振荡器、雪崩二极管振荡器及晶体管振荡器等 在输出功率及效率两方面，Gunn二极管振荡器都不如雪崩二极管振荡器，但在相位噪声方面，体效应二极管振荡器比雪崩二极管振荡器好 晶体三极管振荡器比二极管振荡器有下述优点：①工作频带宽，可实现宽频带可调振荡器；②效率高，可达40%，而雪崩二极管振荡器的效率最高只有15%；③对三极管振荡器来说，谐振频率完全取决于外部谐振电路，而二极管振荡器很易锁定在寄生频率上的现象是不会在三极管振荡器中出现的；④三极管振荡器的功耗小，工作温度较低，因此可靠性高；⑤它的唯一缺点是最高振荡频率低于二极管振荡器§6.1 引 言,在微波波段，稳定的频率源通常用石英晶体振荡器经过N次倍频来实现，也采用锁相式晶体振荡器及介质谐振器晶体管振荡器作为高稳定性的频率源 倍频链式晶体振荡器适合在2GHz以下的低频段工作 分频锁相式晶体振荡器具有频率稳定度高、噪声低、体积小、结构简单、成本低、便于和微带电路集成在一起的优点，是一种用途非常广泛的高稳定振荡器。

介质谐振器由于其Q值高、尺寸小，以及可以很好地集成于微波集成电路（MIC），因此可以直接用作确定频率的元件，以实现稳定的MIC晶体管振荡器 钇铁石榴石（YIG）调谐振荡器具有最宽的调谐带宽然而，与变容管调谐的振荡器（VCO）相比，它调谐缓慢，体积大，且效率低得多，但其相位噪声和调谐线性度却要好很多§6.2 负阻二极管与振荡晶体管,最常用的有源二极管有碰撞雪崩渡越时间（IMPATT）二极管和转移电子器件（Gunn）二极管 雪崩管和Gunn管利用内反馈机理与渡越时间效应相结合，在RF电流和电压间产生大于90的相位延迟，因此产生有源特性 IMPATT二极管的振荡频率已高达400GHz左右，Gunn管也能产生高约150GHz的振荡雪崩渡越时间二极管,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、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。

目前成熟应用的还是崩越二极管工作原理,,,图 6.1 (a) 里德二极管的结构 (b) 雪崩二极管的电流-电压波形 和杂质与电场分布,结构与电参数,雪崩二极管的典型结构为P+NN+单边突变结，因为雪崩管是大功率器件，所以散热设计十分重要，可有倒装和电镀热沉两种结构 以上讨论的雪崩管只有一个漂移区，称为“单漂移型”，还有一种“双漂移型”的结构双漂移雪崩管的输出功率和转换效率都明显地高于单漂移结构，但其缺点是热阻较大，工艺较为复杂 为了增大输出功率和提高转换效率，也可改变雪崩管的杂质分布，常用的有“高－低”结和“低－高－低”结两种分布雪崩二极管的主要电参数,工作频率 : 式中，W——漂移区厚度 转换效率 : 式中， ——输出功率； ——电源供给功率 输出功率Pmax : 式中， ——最大电场强度； ——载流子饱和漂移速度； ——雪崩管的容性电抗，,,,,,,,,,,,,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；如果匹配不好，不仅不能获得应有的输出功率，还会引起器件烧毁 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所示图6.2 GaAs的多能谷结构图(300K时),结构与电参数,,,图6.3 Gunn管芯等效电路,——Gunn管的负阻,——畴电容,——畴外低场区的电阻,——工作层电容,Gunn管主要参数,工作频率 : 式中， ——畴的运动速度； L——畴渡越的有效长度（即工作区长度） 输出功率 P0: 式中，E——Gunn管中的电场； ——畴的运动速度； RL——负载电阻。

振荡晶体管,双极晶体管振荡器相位噪声低、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，因此已成为重要的微波频率源 一般双极晶体管振荡器都采用共基极电路 振荡GaAs FET管的共源、共栅和共漏组态都可构成振荡电路，但其特点不同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；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；而共漏振荡电路克服了前两种电路的缺点，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振荡晶体管的主要微波电参数,振荡频率 :一般是指在保证一定输出功率电平下，微波晶体管所能达到的最高振荡频率 振荡输出功率 :指在一定振荡频率下，晶体管所能输出的最大振荡功率 相位噪声 :是在距载频特定频偏处，1Hz带宽内的噪声电平相对载频电平的比值，以单位dBc/Hz表示它反映输出频率中的短期频率改变§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,,(a)雪崩二极管等效电路 (b)Gunn管等效电路,负阻振荡器模型,图（a）是负阻二极管构成的微波振荡器示意图，图 (b) 用一个二口网络表示谐振电路，它位于负载ZL与负阻器件ZD（I）之间；外电路在负阻器件端口的等效阻抗是Z(ω)，它的实部包括电路损耗及负载电阻两部分。

a) 微波二极管振荡器示意图 (b) 负阻振荡器的一般等效电路,负阻振荡器模型,负阻器件的阻抗对频率的变化相对外电路来讲是很缓慢的，因此，等效电路中的负阻器件阻抗仅仅是振荡幅度的函数，表示为 式中，I是振荡电流的振幅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： 通过求解可得回路电流为 式中， 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 时， ，是衰减振荡；当 时， ，振幅随时间增长；当 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 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,,,,负阻振荡器平衡条件,一旦起振以后，器件阻抗（或导纳）是振幅的函数，不能等效为线性元件RD(0)（或GD(0)）和C。

实际上，由于器件负阻（或负电导）的绝对值随振荡幅度的增大而减小，振荡不会无限增长下去，而逐渐趋于某稳定状态 在串联振荡回路中，由于ZD(I)和Z(ω)构成的串联谐振回路的滤波作用，流过器件的电流（已是大信号）可以只考虑其基波分量，高次谐波可略去，因此在稳态振荡时，电流为 由于器件阻抗的非线性特性，尽管假设中谐波分量很小而可忽略，但器件两端电压上的谐波分量不见得很小，因此为非正弦波形，可表示为,,,负阻振荡器平衡条件,只要外电路对n次谐波呈现的阻抗Z(nω)不可忽略，则尽管 中谐波分量很小，但电路两端电压 上的谐波分量也不见得很小，因此 为 由于没有外加交变电压，因此对这种自由振荡器，器件两端电压和电路两端电压之和为零，即 综上可得 或表示为,,,,,,,,负阻振荡器平衡条件,若振荡产生，这使RF电流I不为零，因此对稳态自由振荡，必有 因为负载是无源的， ，所以上式表明 这里 为器件阻抗的负值上式为振荡平衡的幅度条件和相位条件 该式说明：在稳态振荡时，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换言之，对于稳定振荡，回路总阻抗必等于零。

即 或,,,,,,,,负阻振荡器平衡条件,对于宽频带负阻振荡器， 将是与频率有关的函数，即应变为 ，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器件线与外电路阻抗轨迹,,,,,,,ImZ,ReZ,,,,,,,,,,,,,,,,,负阻振荡器平衡条件,鉴于串联谐振电路和并联谐振电路的对偶性，可以在有关等式中将阻抗变换为相应导纳，并将电压和电流互换，若外电路的导纳表示为 ，器件的导纳表示为 ，V为基波振荡幅度，则可得振荡的平衡条件为 或表示为,,,,,,最佳负载,可利用振荡平衡条件来估算出振荡平衡时外电路电导（或电阻）的大小与起振时器件小信号电导（或电阻）值的关系如下：,,,振荡器工作点的稳定性,由振荡平衡条件决定的某个工作点可能是稳定的，也可能是不稳定的 如果由于某种原因使振荡偏离原来的平衡点，而当引起偏离的因素消失后，若振荡器不能恢复到原来的状态，而是振荡在另一状态，或者停止振荡，则这样的平衡点为不稳定工作点 如果振荡器按照平衡条件有几个平衡点的话，振荡器必能自动地工作在稳定的平衡点。

如果稳定工作点也有两个以上，那么振荡器特性出现复杂情况，希望避免振荡器工作点的稳定性,如何判别工作点的稳定性：即如果电流幅度I和相位 由于某种原因随时间变化（但假设都是时间的慢变化函数）后，对回路各项关系式的影响 求出电流对时间的微分为 其中 为复数频率，其物理意义是电流的幅度和相位随时间有慢变化时，不可能对任何实数 都能保持平衡方程成立，而频率必须为复数才可能振荡器工作点的稳定性,当有 和 时，必须以复数 代之 以来求电路阻抗： 用泰勒级数展开得 其中 同样 也应有同样的改变，根据前述平衡条件，可得,,,,,,,,,,,,,这就是I和,随时间变化时，振荡电路必须满足的平衡方程振荡器工作点的稳定性,设原稳态工作点为（ ， ），即有 假设由于某种原因，振幅偏离原稳态值，即I由 变化 ，我们可以利用上述平衡方程来研究 随时间的变化趋势如果 ，而 （或。