1、.重要性：微波集成振蕩器是各種微波系統(tǒng)的重要部件之一，其性能優(yōu)劣直接影響微波系統(tǒng)的性能指標。 要求越來越高：輸出大、相位噪聲低、頻率穩(wěn)定性高、尺寸小、溫度穩(wěn)定性高、可靠性高、成本低。 類型：二極管振蕩器：從輸出和效率兩方面來看，體效應二極管振蕩器比雪崩二極管振蕩器差，但在相位噪聲方面，體效應二極管振蕩器比雪崩二極管振蕩器好。 晶體管振蕩器：比二極管振蕩器工作頻帶寬、效率高，諧振頻率完全依賴于外部諧振電路，相位噪聲優(yōu)于二極管振蕩器，這是功耗小、工作溫度低、可靠性高的唯一缺點，最高振蕩頻率低于二極管振蕩器石英晶體振蕩器：是振蕩頻率低且穩(wěn)定的頻率源，在微波頻帶中，作為穩(wěn)定性高的頻率源，經(jīng)常采用倍頻鏈

2、型石英振蕩器、鎖相環(huán)型石英振蕩器、介質諧振器晶體管振蕩器。 作為第八屆微波振蕩器設計、振蕩器的主要技術指標的振蕩器穩(wěn)定度主要有頻率精度、頻率穩(wěn)定度、長期穩(wěn)定度、短期穩(wěn)定度和初始漂移。 1 .頻率精度2 .頻率穩(wěn)定度(1)長期頻率穩(wěn)定度(2)短期頻率穩(wěn)定度(3)瞬時頻率穩(wěn)定度、頻率精度、頻率穩(wěn)定度根據(jù)規(guī)定的時間間隔的長短，頻率穩(wěn)定度分為長期頻率穩(wěn)定度、短期頻率穩(wěn)定度、瞬時頻率穩(wěn)定度三種。 作為振蕩器的主要技術指標的頻率調制噪聲和相位噪聲，頻率f0在f0附近也包含很多旁路頻率，連續(xù)地分布在f0兩側。 如圖8-1所示，縱軸是功率，f0是載波功率(振蕩器輸出功率)，f0的兩側是噪聲功率，包含了調制噪聲

3、功率和振幅調制噪聲功率兩者。 另外，圖8-1的振蕩器輸出的頻譜，在振蕩電路中受各種不確定因素的影響，所以使振蕩頻率和振蕩振幅隨機起伏。 振蕩頻率的隨機起伏稱為瞬時頻率穩(wěn)定度，頻率的瞬變產(chǎn)生調頻噪聲、相位噪聲、相位抖動。 振幅的隨機起伏引起振幅調制噪聲。 因此，如果未在振蕩器上施加調制，則輸出的頻率不僅是振動，而且是作為振蕩器的主要技術指標的頻率調制噪聲和相位噪聲，1 .調制噪聲(1)功率是(2)均方根頻率偏移2 .相位噪聲(1)相位噪聲的定義(2)相位噪聲的表示、相位頻率脈動頻譜密度，單側頻帶相位噪聲頻譜密度3 .頻譜純度，1 .頻率調制噪聲.1 .頻率調制噪聲，2 .相位噪聲，(1)相位噪聲

4、的定義圖8-2中振蕩器的頻譜邊帶與寄生振幅調制和寄生調制有關。 根據(jù)調制理論的分析，接近振蕩頻率的噪聲邊帶的功率主要由寄生調制相位引起，但是寄生振幅調制分量小，所以也可以不考慮。 圖8-2包含兩種調制信號。 第一個是特定的調整信號。 在主要一些離散信號中，它是從電源頻率、振動頻率和交變電磁場產(chǎn)生的干擾信號，這些干擾信號是可通過相位調制噪聲譜密度映射分離的離散分量。 第二類：被稱為隨機調制信號、相位噪聲。 相位噪聲頻譜在寬頻率范圍內(nèi)是連續(xù)頻譜。 由于所測量的噪聲電平是檢波器帶寬的函數(shù)，所以測量結果與檢波器帶寬無關，在1Hz帶寬處測量了相位噪聲電平。 圖8-2振蕩器的相位調制噪聲頻譜密度、2 .相

5、位噪聲、2 .相位噪聲、3 .頻譜純度，振蕩器的頻譜純度指的是由于振蕩頻率不穩(wěn)定而引起的頻譜雜質。 振蕩器的雜波信號越多，相位噪聲越大，頻譜純度越差。 振蕩器的頻譜純度可由振蕩器的輸出功率與每一雜波頻率的總水平之比的分貝數(shù)表示。 介質諧振器穩(wěn)定FET振蕩器、介質穩(wěn)定FET振蕩器是利用微波介質諧振器作為高q諧振器來穩(wěn)定FET振蕩器的諧振器，一般簡稱為介質振蕩器。它的特征是，在1GHz到數(shù)十GHz的頻率范圍內(nèi)，可以不倍頻直接產(chǎn)生所需的振蕩頻率，體積小，結構簡單。 由于低損耗介質諧振器材料取得了很大進展，介質諧振器的q值已經(jīng)接近金屬腔諧振器，所以振蕩器的相位噪聲很低。 介質諧振器的溫度系數(shù)容易控制，

6、與FET電路互補，可以使介質諧振器具有高頻率穩(wěn)定性。 因此，介質振蕩器在各種微波系統(tǒng)中廣泛使用。 (1)微波介質諧振器材料的物理特性微波介質諧振器是一種介電常數(shù)高、損耗低的陶瓷材料，是含鋅、鉻的鈦酸鹽和鋯酸鹽的混合陶瓷。 在不同頻率范圍內(nèi)工作的介質諧振器必須用不同的材料實現(xiàn)，它大致分為三種，分別用于l、s頻帶的c波段和x、k波段。 介質諧振器的主要參數(shù)是介電常數(shù)r、空載質量系數(shù)Q0和諧振頻率溫度系數(shù)f。 諧振頻率介質諧振器的諧振頻率與介質成反比，要求在微波頻率低的地方r值比較大，縮小電路尺寸。 現(xiàn)在r在2590的范圍內(nèi)，是Trans-Tech公司制的8000系列介質諧振器，r從28到80，頻率

7、從UHF頻帶到Ka頻帶。 在圖8-3圓柱形金屬腔的情況下，1 .介質諧振器、1 .介質諧振器、諧振頻率溫度系數(shù)可以改變介質諧振器的材料成分的配比，在20ppm/ -20ppm/的范圍內(nèi)任意選定介質諧振器的諧振頻率溫度系數(shù)rf，誤差約為0.5ppm/。 可以通過下式計算介質諧振器的諧振頻率溫度系數(shù)(ppm/) (8-16 )式中的f2對應于溫度為T2時的諧振頻率，f1對應于溫度為T1時的諧振頻率。 一般而言，由介質諧振器的參數(shù)表給出的諧振頻率溫度系數(shù)rf是常溫(T=20)下的rf值，但實際電路大多要求在某一溫度范圍內(nèi)rf接近0ppm/，rf的變化不太大。 由這樣的介質諧振器實現(xiàn)的介質諧振器的頻率

8、穩(wěn)定性能比較好。 現(xiàn)在，在2560溫度變化范圍內(nèi)，很多介質諧振器的rf變化如果超過只有數(shù)ppm/的上述溫度范圍，則rf的溫度特性變差，rf的變化量有可能變大到數(shù)百ppm/。 1 .介質諧振器，諧振頻率溫度系數(shù)圖8-4是Trans-Tech公司的8000系列rf的溫度變化關系圖8-5是日本村田制作所產(chǎn)品的rf對溫度的變化關系。 從圖8-4可以看出，rf的溫度特性因模型而異，其中8515模型的rf的溫度特性最好。 圖8-4 rf的溫度特性圖8-5 rf的溫度特性(Trans-Tech Inc8000系列) (日本村田制作所)、1 .介質諧振器、空載質量系數(shù)q介質諧振器的空載質量系數(shù)Q0與介質損耗和

9、環(huán)境損耗有關。 Q0值是儲藏和周期性耗散能的比，具體計算由下式表示的(8-17 )式的意思如圖8-6所示。 圖8-6介質諧振器的質量系數(shù)的確定，1 .介質諧振器，圖8-7是Q0的溫度特性，Q0值隨溫度上升而下降。 圖8-8是Q0的頻率特性，Q0的值隨著頻率的增加而下降，Q0和f的乘積是恒定的，其值因材料而異。 電路設計時，質量系數(shù)Q0應盡可能大，用于穩(wěn)定振蕩器頻率的Q0值應大于3000。 圖8-7 Q0的溫度特性圖8-8 Q0的頻率特性通過低損耗材料的改善，介質諧振器的無負載Q0值不斷提高，通常10GHz的無負載Q0值約為10000，達到近年來報道的20000，該值已經(jīng)接近研磨金屬空洞。 原理

10、上，由于介質諧振器沒有金屬損耗，無負載q-0的值可能進一步變高。 (2)圓柱形介質諧振器的工作模式圖8-9是圓柱形介質諧振器的主模式TE01場分布，圖中實線是電力線，虛線是磁力線。當圖8-9的圓柱形介質諧振器主模式te01場分布、1、介質諧振器和圓柱形介質諧振器以te01主模式操作時，它和微帶線的耦合由磁場實現(xiàn)。 微帶線和介質諧振器之間的距離越小，耦合越強，介質諧振器的載波質量系數(shù)越低，有可能為1000以下。 圖8-10介質諧振器(TE01模式)和微帶線的耦合結構，(3)介質諧振器和微帶線的耦合，2 .介質穩(wěn)頻FET振蕩器電路、介質穩(wěn)頻振蕩器的有源器件可以是FET也可以是BJT， 從電路結構和

11、設計方法兩方面來看，介質穩(wěn)頻FET振蕩器和介質穩(wěn)頻BJT振蕩器沒有什么區(qū)別，所以這里只討論介質穩(wěn)頻FET振蕩器。 介質穩(wěn)定FET振蕩器電路有公共柵極、公共漏極和公共源極三種振蕩電路形式。 高q介質腔作為振蕩電路的一個元件，也作為反饋電路元件和振蕩電路的負載的一部分，在050的溫度范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定度達到10-5位。 雖然頻率的穩(wěn)定度比倍頻鎖相環(huán)振蕩器和分頻鎖相環(huán)振蕩器稍低，但可以滿足許多微波系統(tǒng)的要求。 具有體積小、電路不復雜、功耗低、可靠性高、沒有低于主振動頻率的高次諧波噪聲等優(yōu)點。 2 .介質穩(wěn)定FET振蕩器電路、介質穩(wěn)定振蕩器電路形式有以下三種形式。 (1)輸出反射型、圖8-14輸出反射型

12、介質穩(wěn)頻振蕩器(a )振蕩器電路(b )等效電路。 圖8-14是輸出反射型介質穩(wěn)頻振蕩器的電路圖。 其中，F(xiàn)ET柵極比g/4開路微帶線小，等效地在柵極上連接電容Cg，在漏極間連接正反饋電容Cgd，將FET電路構成自激振蕩器，另外一方面，在輸出微帶線的附近耦合高q介質諧振器，作為負載的一部分，發(fā)光關于滯后現(xiàn)象，將在下一節(jié)詳細說明。 2 .介質穩(wěn)定FET振蕩器電路，(2)環(huán)路反饋式圖8-15(a )是環(huán)路反饋式介質穩(wěn)定振蕩器電路的示意圖。 在沒有插入介質諧振器的情況下，F(xiàn)ET電路處于微波放大器的工作狀態(tài)，如果將不發(fā)生振蕩的高q介質諧振器放置在輸出微帶線和輸入微帶線之間，則通過磁耦合將輸出功率的一部

13、分反饋到柵極， 當反饋相位和反饋功率適當時振蕩，介質諧振器相當于窄帶帶通濾波器，在介質諧振器的中心頻率上反饋最強，相位適當。 圖8-15(b )是反饋式介質振蕩器的等效電路圖。 由于反饋式介質穩(wěn)頻振蕩器的穩(wěn)頻效果與介質振蕩器的載波質量因素QL成比例，所以QL越大越好。 設計FET放大器電路時，請在振蕩頻率下增益最高，在其他頻率下盡量沒有增益，不要存在寄生振蕩。 圖8-15環(huán)路反饋式介質穩(wěn)頻振蕩器(a )的振蕩器電路(b )等效電路。 2 .介質穩(wěn)定FET振蕩器電路，(3)柵極耦合式圖8-16(a )是柵極耦合式介質穩(wěn)定振蕩器電路。 FET與漏極電路連接。 連接漏極微帶低通濾波器，將漏極接地到微

14、波上，構成漏電壓的直流通路。 介質諧振器耦合到柵極微帶線，從耦合面到柵極的距離l約為g/4，在柵極上等于高q的圖8-16的柵極耦合型介質穩(wěn)頻振蕩器(a )振蕩器電路(b )等效電路。 的串聯(lián)諧振電路構成FET的漏極電容Cds、柵極電容Cgs和靜電電容式三點振蕩電路，如圖8-16(b )所示。 源極通過匹配電路輸出振蕩功率。 3 .術語描述應考慮頻率溫度系數(shù)、頻率初始漂移、頻率估計系數(shù)、頻率牽引、頻率穩(wěn)定系數(shù)和滯后現(xiàn)象等，以設計穩(wěn)定、性能好的介質穩(wěn)頻振蕩器。 (1)頻率溫度系數(shù)溫度變化時，介質穩(wěn)頻振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，頻率變化越小，振蕩器的溫度穩(wěn)定性能越好。介質穩(wěn)頻振蕩器的溫度穩(wěn)定性能的好壞

15、可以用頻率溫度系數(shù)來描述。 介質穩(wěn)頻振蕩器頻率溫度系數(shù)(ppm/) (8-25 )式中的f2對應于溫度為T2時的振蕩頻率，f1對應于溫度為T1時的振蕩頻率。 0f包括兩個部分，一部分是介質諧振器的諧振頻率溫度系數(shù)RF，另一部分是當沒有介質諧振器時振蕩器頻率的隨著溫度的相對變化。 如果適當?shù)剡x擇RF使得變化方向與第二部分的變化幅度相等，則介質穩(wěn)定頻率振蕩器的頻率溫度系數(shù)最小。 (2)頻率初始漂移為常溫，介質穩(wěn)頻振蕩器的啟動頻率隨電路溫度的上升而變化，在電路達到熱平衡之前，振蕩頻率也達到某個穩(wěn)定值。 介質穩(wěn)頻振蕩器從電源接通到熱平衡，在其頻率中產(chǎn)生的漂移稱為頻率初始漂移。 (3)頻率估計系數(shù)介質穩(wěn)

16、頻振蕩器的振蕩頻率根據(jù)FET的柵極偏置、漏極電壓的變化而變化，振蕩頻率的變化越小，振蕩器的性能越穩(wěn)定。 在設計振蕩器時，用估計頻率系數(shù)來描述該性能，有柵極壓力估計頻率系數(shù)和泄漏壓力估計頻率系數(shù)兩種。 在門壓推定頻率系數(shù)為漏壓一定，門壓變化的情況下，振蕩頻率的變化量和門壓的變化量的比相同，在漏壓推定頻率系數(shù)為門壓一定，漏壓變化的情況下，振蕩頻率的變化量和漏壓的變化量的比由分析可知，推定頻率系數(shù)為介質諧振器的(4)滯后現(xiàn)象輸出反射型介質穩(wěn)定化FET振蕩器的振蕩頻率和輸出功率在頻率調諧過程中存在二值性。 在圖中，橫軸h表示頻率調節(jié)金屬盤與介質的距離，用虛線表示的曲線是頻率變化規(guī)則，實線是振蕩器輸出的

17、變化規(guī)則。 h從ha增加到hb時，振蕩頻率沿-曲線變化，輸出沿1-2-3-4-5-6變化，金屬盤的距離從hb減少到ha時，振蕩頻率沿-變化，輸出該現(xiàn)象被稱為振蕩器的調諧滯后，圖8-17的機械調諧出現(xiàn)在振蕩頻率和輸出功率上的滯后現(xiàn)象(a )振蕩器的機械調諧機構(b )滯后曲線。 振蕩頻率和輸出功率出現(xiàn)二值性的現(xiàn)象。 這種現(xiàn)象縮小了振蕩器的調諧范圍，從曲線可以看出，在h1h2的短范圍內(nèi)，只有單一值的穩(wěn)定區(qū)，在穩(wěn)定區(qū)的兩側出現(xiàn)滯后。 同樣，柵極源極電壓和漏極電壓的變化也使振蕩頻率和輸出功率產(chǎn)生滯后。 圖8-18(a )是柵極電壓的變化在振蕩頻率和輸出功率中出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象，圖8-18(b )是漏極電壓

18、的變化在振蕩頻率和輸出功率中出現(xiàn)的滯后現(xiàn)象。3 .專業(yè)術語的說明，圖8-18的電壓變化時的振蕩頻率和輸出功率的滯后現(xiàn)象(a )的柵極電壓變化的滯后曲線(b )漏壓變化的滯后曲線。 (4)滯后現(xiàn)象，3 .術語說明，(5)頻率牽引振蕩器的負載變化時，介質穩(wěn)頻振蕩器的振蕩頻率變化，這種現(xiàn)象稱為振蕩器的頻率牽引。 負載的變化相當于振蕩器輸出端口的駐波比變化。 在設計振蕩器時，駐波比要求在某個范圍內(nèi)頻率牽引系數(shù)在規(guī)定值以下。 頻率牽引系數(shù)可以用下式計算(8-28 )式中的QL介質諧振器的有負載質量系數(shù)Po振蕩器的輸出Pr振蕩器的輸出端口的反射功率。 根據(jù)上式，頻率牽引系數(shù)f的牽引與QL成反比，與Pr成正比。 3 .