微波集成電路與系統(tǒng)

微波振蕩器

2§6.1微波振蕩器What?-(Whatisthis?)Why?-(Whyneedit?)How?-(Howaboutit?Howtorealizeit?Howtoimproveit?)3微波振蕩器是一種將直流能量轉(zhuǎn)換為電磁波能量的能量轉(zhuǎn)換裝置。Whatisthis-微波振蕩器DCMicrowave典型的微波振蕩器通常是由諧振器和外部電路構(gòu)成的，諧振器自身并不產(chǎn)生微波信號(hào)，只有與外部電路結(jié)合才能產(chǎn)生微波信號(hào)。諧振器振蕩電路濾波器放大器§6.1微波振蕩器4LC/RC振蕩器晶體振蕩器介質(zhì)振蕩器微波管振蕩器微波固態(tài)振蕩器Whatisthis-振蕩器的分類§6.1微波振蕩器微波振蕩器是雷達(dá)、導(dǎo)航和通信等系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。它不僅為系統(tǒng)接收機(jī)提供本振和參考信號(hào)，而且為系統(tǒng)發(fā)射激勵(lì)源和系統(tǒng)時(shí)鐘。起振平衡穩(wěn)定Howaboutit-微波振蕩器的工作狀態(tài)Whyneedit-微波振蕩器的作用§6.1微波振蕩器1．工作頻率f：輸出微波信號(hào)的頻率。精度和準(zhǔn)確度受外部環(huán)境和內(nèi)部因素影響。2．輸出功率Pout：輸出微波信號(hào)的功率。隨溫度、負(fù)載等變化而發(fā)生改變。3．頻率穩(wěn)定度：振蕩器能夠維持某一恒定振蕩頻率的能力，根據(jù)考察時(shí)間的不同，頻率穩(wěn)定度可以分為長期頻率穩(wěn)定度和短期頻率穩(wěn)定度。4．品質(zhì)因數(shù)Q：諧振頻率與半功率帶寬之比。值越高，帶寬越小，電路的頻率選擇性越好。5．噪聲和相位噪聲Noise&PhaseNoise：隨機(jī)的相位波動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)的頻率波動(dòng)，這就是產(chǎn)生振蕩器噪聲的本質(zhì)原因。主要包括器件的熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲。Howaboutit-微波振蕩器的性能指標(biāo)§6.1微波振蕩器7“負(fù)阻”是負(fù)微分電阻的簡稱，當(dāng)一個(gè)有源器件產(chǎn)生的能量等于消耗的能量時(shí)，電路就會(huì)保持振蕩，這個(gè)有源器件可以被認(rèn)為是負(fù)阻器件。最常用的有源負(fù)阻二極管有碰撞雪崩渡越時(shí)間（IMPATT）二極管（以下簡稱雪崩二極管)轉(zhuǎn)移電子器件二極管（以下簡稱Gunn管）它們?cè)谝欢ǖ闹绷髌珘合戮哂胸?fù)阻特性。Howaboutit-負(fù)阻振蕩器§6.1微波振蕩器8（1）雪崩二極管：反向電壓，內(nèi)部載流子的能量，與晶體原子碰撞形成自由電子-空穴對(duì)。連續(xù)碰撞，周而復(fù)始，載流子像滾雪球一樣越滾越多，最后形成“雪崩”之勢。電參數(shù)：（1）工作頻率f：載流子通過漂移區(qū)的渡越時(shí)間等于其工作頻率的半周期。（2）轉(zhuǎn)換效率?：輸出功率與電源供給功率的比值。（3）最大輸出功率Pmax：Howaboutit-負(fù)阻振蕩器§6.1微波振蕩器雪崩二極管的結(jié)構(gòu)示意圖及電流-電壓波形9（2）Gunn管（耿式二極管）：當(dāng)一個(gè)N型半導(dǎo)體的兩端電壓逐漸增大時(shí)，電流也跟著增大，如OA段所示，此時(shí)屬于正阻區(qū)。但是當(dāng)電壓超過某一臨界值并繼續(xù)增大時(shí)，電流反而開始減小，這就是所謂的負(fù)阻現(xiàn)象，如AB段所示，稱為負(fù)阻區(qū)。耿式二極管的電壓-電流特性曲線電參數(shù)：（1）工作頻率f：

（2）輸出功率Pmax：Howaboutit-負(fù)阻振蕩器§6.1微波振蕩器10若將負(fù)阻二極管與諧振電路相連，并在它的兩端加上適當(dāng)?shù)闹绷麟妷?，就可以產(chǎn)生微波振蕩。諧振電路一方面調(diào)諧振蕩波形使其接近單頻信號(hào)，另一方面是把電磁能量收集起來并送到負(fù)載。確定器件模型：設(shè)計(jì)振蕩器需要知道器件的等效阻抗ZD或等效導(dǎo)納YD。負(fù)阻二極管振蕩器設(shè)計(jì)流程：負(fù)載匹配電路：與負(fù)阻器件電抗形成諧振回路；同時(shí)使振蕩器滿足振蕩的起振條件、平衡條件及輸出功率最大。直流偏置電路：提供直流電源并應(yīng)盡量減小對(duì)振蕩器的影響。頻率調(diào)諧電路：采用機(jī)械的、電子的、數(shù)字的和光的調(diào)諧方式來改變振蕩頻率。Howtorealizeit-負(fù)阻二極管振蕩器設(shè)計(jì)§6.1微波振蕩器晶體管這類三端口器件在一定的電路結(jié)構(gòu)下也可以看作雙端口網(wǎng)絡(luò)，基于負(fù)阻特性構(gòu)成振蕩器，稱為雙端口負(fù)阻振蕩器。雙端口負(fù)阻振蕩器模型要使振蕩電路起振，需要滿足：Howtorealizeit-晶體三極管振蕩器設(shè)計(jì)§6.1微波振蕩器負(fù)阻型振蕩器設(shè)計(jì)實(shí)例§1.1微波振蕩器Howto

realize

it?使用SIW諧振器設(shè)計(jì)一種負(fù)阻型低相位噪聲振蕩器1.SIW諧振器的低成本、低損耗、高Q值、平面可集成，能夠顯著改善相位噪聲2.諧振器作為穩(wěn)頻元件放置于有源器件的柵極3.隔直濾波器除了隔直還能起到濾波器的作用4.一段相位補(bǔ)償微帶線用于調(diào)節(jié)相位以使得振蕩器滿足相位條件5.源極端接短路枝節(jié)可以增加振蕩器的不穩(wěn)定性6.漏極接隔直濾波器和50歐姆負(fù)載負(fù)阻型振蕩器原理框圖SIW諧振腔結(jié)構(gòu)及其相位特性蔡宗棋.低相噪微波毫米波振蕩器研究[D].電子科技大學(xué),2020.DOI:10.27005/ki.gdzku.2020.003929.13芯片化提高了產(chǎn)品一致性，實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本、小型化，逐漸成為未來微波振蕩器發(fā)展的趨勢。CMOS工藝與傳統(tǒng)的砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）等III-VI族工藝相比，具有低成本、小面積及高集成度的優(yōu)勢，因此，基于CMOS工藝的低相噪、大寬帶、數(shù)字可重構(gòu)的振蕩器及其應(yīng)用成為近年來國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。Howtorealizeit-微波振蕩器的芯片化設(shè)計(jì)§6.1微波振蕩器14

浙江大學(xué)提出基于數(shù)控人工電介質(zhì)（DigitalControlledArtificialDielectric，DiCAD）開關(guān)傳輸線的駐波振蕩器（SWO）?；贒iCAD諧振腔的SWO由一段短路差分傳輸線組成，負(fù)阻單元由互補(bǔ)的交叉耦合對(duì)實(shí)現(xiàn)。這種信號(hào)在傳輸線上不同位置的電壓和電流幅值不一致而相位相同，是SWO的關(guān)鍵特征。K波段基于DiCAD諧振腔的駐波振蕩器原理圖基于DiCAD諧振腔的駐波振蕩器顯微鏡照片和PCB測試板Howtorealizeit-微波振蕩器的芯片化設(shè)計(jì)§6.1微波振蕩器15頻率合成（FrequencySynthesis）技術(shù)是由一個(gè)或幾個(gè)參考頻率源產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)頻率的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)頻率合成的電路或組件稱為頻率合成器。頻率合成器的定義：頻率合成器的分類：直接頻率合成（DirectFrequencySynthesis，DS）技術(shù)間接頻率合成（IndirectFrequencySynthesis，IFS）技術(shù)直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)混合頻率合成技術(shù)。Whatisthis-頻率合成器§6.4頻率合成器16頻率合成器的主要任務(wù)是向無線系統(tǒng)發(fā)射機(jī)提供射頻激勵(lì)信號(hào)，向無線系統(tǒng)接收機(jī)提供與回波信號(hào)下變頻的多種本振信號(hào)，為信號(hào)處理系統(tǒng)提供參考基準(zhǔn)信號(hào)。1.相位噪聲：倍頻輸出信號(hào)的相位噪聲的理論值為：鎖相環(huán)的近端相位噪聲主要由參考信號(hào)和鑒相器決定，遠(yuǎn)端相位噪聲主要由VCO決定。鎖相環(huán)的相位噪聲構(gòu)成圖對(duì)于混頻器而言，輸出信號(hào)的相位噪聲的理論值為：How

aboutit-頻率合成器Whyneedit-頻率合成器§6.4頻率合成器2.雜散信號(hào)：主要是指頻率合成系統(tǒng)輸出的任何不需要的信號(hào)或信號(hào)成分。3.頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間：指從發(fā)出頻率轉(zhuǎn)換指令開始，到頻率轉(zhuǎn)換完成并進(jìn)入允許的相位誤差范圍所耗費(fèi)的時(shí)間。4.輸出功率與穩(wěn)定度：輸出信號(hào)的幅度波動(dòng)實(shí)際是一個(gè)幅度調(diào)制過程，其結(jié)果是會(huì)在輸出頻譜上產(chǎn)生一對(duì)邊帶譜線，即新的雜散。如果調(diào)制信號(hào)是隨機(jī)的，就會(huì)增大輸出信號(hào)的噪底、惡化相位噪聲。5.其他指標(biāo)：如頻率分辨率、信號(hào)帶寬等。頻率分辨率是指兩個(gè)相鄰頻率點(diǎn)之間的間隔。對(duì)于相同的信號(hào)帶寬，頻率分辨率越高，帶內(nèi)的頻點(diǎn)越多，信號(hào)越難被偵測，雷達(dá)的保密性能越強(qiáng)。Howaboutit-頻率合成器§6.4頻率合成器18工作原理:利用倍頻、混頻、分頻、開關(guān)和濾波電路對(duì)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行加減乘除運(yùn)算，用濾波器處理雜散頻率從而產(chǎn)生所需要的頻率信號(hào)。根據(jù)使用的基準(zhǔn)頻率的數(shù)目可分為非相關(guān)合成方法和相關(guān)合成方法兩種。1.直接頻率合成技術(shù)：非相關(guān)合成方法使用多個(gè)基準(zhǔn)頻率。難點(diǎn)在于相同頻率穩(wěn)定性和精度的多個(gè)基準(zhǔn)頻率制作困難成本高。相關(guān)合成方法只用一個(gè)基準(zhǔn)頻率，因而合成器輸出頻率的穩(wěn)定性和精度與基準(zhǔn)頻率一樣。相關(guān)直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)框圖Howtorealizeit-直接頻率合成技術(shù)§6.4頻率合成器19比較：鑒相器持續(xù)比較外部輸入信號(hào)和內(nèi)部振蕩器反饋信號(hào)的相位，輸出一個(gè)反映兩者差值的誤差電濾波與調(diào)整：誤差電壓經(jīng)過環(huán)路濾波器平滑后，去控制壓控振蕩器（VCO），改變其輸出頻率。鎖定：最終VCO的輸出頻率會(huì)與輸入信號(hào)頻率完全相同，并保持一個(gè)固定的相位差，此時(shí)環(huán)路進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。（1）鎖相式頻率合成器：鎖相式頻率合成器的原理圖優(yōu)點(diǎn):相噪低、雜散抑制高、輸出頻率范圍大、頻率穩(wěn)定度高，容易集成化。缺點(diǎn)：信號(hào)的轉(zhuǎn)換需要跟蹤捕獲過程，頻率切換時(shí)間較長。2.間接頻率合成技術(shù)：Howtorealizeit-間接頻率合成技術(shù)§6.4頻率合成器20將一個(gè)基準(zhǔn)參考信號(hào)注入被鎖振蕩器時(shí)，被鎖振蕩器的振蕩頻率與該信號(hào)同步，而二者之間的相位差保持恒定，這種現(xiàn)象稱為注入鎖定。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、能夠降低頻率源的噪聲、成本低、鎖定速度快。缺點(diǎn)：鎖定靠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的，無法對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)；并且只存在頻率的同步，不存在相位的同步；噪聲抑制與可靠入鎖這兩個(gè)基本要求存在矛盾（3）取樣鎖相頻率合成器：（2）注入鎖定振蕩器：Howtorealizeit-間接頻率合成技術(shù)§6.4頻率合成器2.間接頻率合成技術(shù)：21優(yōu)點(diǎn)：除VCO是高頻部件外，其余都可以用集總參數(shù)器件來構(gòu)成，因此結(jié)構(gòu)較簡單，便于小型化。缺點(diǎn)：需要添加額外的頻率捕獲輔助電路來促進(jìn)環(huán)路盡快地入鎖，對(duì)環(huán)境的要求比較高，導(dǎo)致應(yīng)用的范圍比較局限。用“采樣-保持鑒相器”替代了傳統(tǒng)鑒相器，并增加了“脈沖形成電路”。工作原理：采樣：將參考信號(hào)變?yōu)槊}沖，用它來“采樣”VCO的反饋信號(hào)。保持：將采樣得到的電壓值保持住，濾波后送去控制VCO。鎖定：當(dāng)VCO頻率被調(diào)整到與參考頻率成整數(shù)倍時(shí)，控制電壓穩(wěn)定，環(huán)路鎖定。（3）取樣鎖相頻率合成器：Howtorealizeit-間接頻率合成技術(shù)§6.4頻率合成器2.間接頻率合成技術(shù)：22美國HP公司提出了延時(shí)線鑒頻技術(shù)，即鎖頻環(huán)（FrequencyLockedLoop，F(xiàn)LL），利用環(huán)路中的延時(shí)線將頻率信息轉(zhuǎn)化為相位信息并通過鑒相來實(shí)現(xiàn)最終鎖定。優(yōu)點(diǎn)：環(huán)路帶寬很大，可以提供頻率快速跳變的可能。缺點(diǎn)：由于VCO本身具有漂移等特性，鎖頻環(huán)總會(huì)存在一定的頻率誤差。3.直接數(shù)字頻率合成技術(shù)：Howtorealizeit-間接頻率合成技術(shù)§6.4頻率合成器23直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)。它從相位量化的概念出發(fā)進(jìn)行頻率合成，基本結(jié)構(gòu)包括：相位累加器、正弦查詢表ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器等。優(yōu)點(diǎn)：（1）頻率分辨率極高。DDS的頻率分辨率通?？梢赃_(dá)到微赫茲級(jí)別。（2）頻率捷變很快?？蓪?shí)現(xiàn)納秒級(jí)的瞬時(shí)頻率切換。（3）輸出相對(duì)帶寬大。其最大輸出頻率也高達(dá)時(shí)鐘頻率的0.4倍。（4）易控制、集成和實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。3.直接數(shù)字頻率合成技術(shù)：Howtorealizeit-間接頻率合成技術(shù)§6.4頻率合成器24前述三種頻率合成技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)相互間的補(bǔ)充?；旌项l率合成技術(shù)就是將前述的幾種頻率合成技術(shù)結(jié)合起來滿足更高性能要求的頻率合成技術(shù)。性能直接頻率合成技術(shù)間接頻率合成技術(shù)直接數(shù)字頻率合成技術(shù)工作頻率高高低分辨率一般差高轉(zhuǎn)換速度快慢快電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜簡單簡單相位噪聲極低低低雜散電平中等低高電路成本高較高較低4.混合頻率合成技術(shù)：Howtorealizeit-間接頻率合成技術(shù)§6.4頻率合成器25將PLL設(shè)計(jì)成N倍頻環(huán)，DDS輸出通過帶通濾波器后直接作為PLL的參考信號(hào)，此處帶通濾波器是為了抑制DDS的寬帶頻率雜散。這種混合頻率合成方式將DDS作為PLL的參考源來驅(qū)動(dòng)PLL。優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)很高的輸出頻率、較快的頻率切換速度、高的頻率分辨率，同時(shí)能很好地保證系統(tǒng)的雜散和相位噪聲性能。缺點(diǎn)：系統(tǒng)的跳頻時(shí)間是由PLL決定的，系統(tǒng)的跳頻時(shí)間都只能達(dá)到納秒量級(jí)。（1）DDS激勵(lì)PLL：4.混合頻率合成技術(shù)：Howtorealizeit-間接頻率合成技術(shù)§6.4頻率合成器26環(huán)內(nèi)插入混頻器，DDS沒有參與倍頻，因此不存在雜散和相位噪聲的倍頻惡化問題，具有很好的雜散和相位噪聲性能。環(huán)外插入混頻器，利用DDS保證系統(tǒng)的頻率分辨率，用PLL保證工作頻率和帶寬。相位噪聲好，但雜散性能與DDS一致（2）DDS+PLL混頻方式：4.混合頻率合成技術(shù)：Howtorealizeit-間接頻率合成技術(shù)§6.4頻率合成器由于頻率合成器是參考源和多個(gè)器件協(xié)同工作的產(chǎn)物，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)從指標(biāo)出發(fā)進(jìn)行分析，確定最優(yōu)的方案。通常可以從以下幾點(diǎn)來初步確認(rèn)方案。（1）點(diǎn)頻輸出通常采用振蕩器或者鎖相環(huán)方案。（2）跳頻輸出根據(jù)頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間和頻率步進(jìn)選擇DDS或者PLL。（3）在相位噪聲要求較高的時(shí)候，優(yōu)選振蕩器倍頻方案或者DDS