基本介紹
- 中文名：微波振盪器
- 外文名：microwave generator
- 分類：電真空器件與固體器件
- 功能：將DC轉換成穩態微波信號
- 套用領域：各類微波系統
簡介,基本原理,設計技術,直接模擬頻率合成技術,間接頻率合成技術,數字頻率合成技術,現代頻率合成技術,微波振盪器分類,體效應二極體振盪器,矽三極體微波振盪器,場效應管微波振盪源,
簡介
微波振盪器主要利用頻率合成技術產生需要的頻率或波形信號，其在微波毫米波儀器及系統套用範圍廣，需求大。頻率合成技術是通過把晶體振盪器產生具有高頻譜純度和高穩定度的低頻標準參考信號，經過在頻域內進行線性運算，通過倍頻、混頻、分頻等技術，得到具有相同穩定度和低相噪等滿足各項指標要求的一個或多個頻率、頻段的信號。從頻率合成的發展史來看，頻率合成方式依次經歷了直接模擬合成、鎖相技術、直接數字合成。
目前，在微波振盪器設計方面，常用的是單環鎖相頻率合成或多環鎖相頻率合成，其中多環鎖相反饋網路採用諧波混頻和微波取樣器，把微波主振的頻率輸出下變頻到射頻頻段鑒相併構成環路，最終實現對微波主振的鎖定。還有比較常用的是利用新型振盪器和間接頻率合成技術相結合設計微波振盪器。
因此，現在的微波振盪器設計是將模擬技術、數位技術、光學技術和計算方法等相結合，通過直接模擬頻率合成技術、鎖相環（PLL）、直接數字合成（DDS）和新型的振盪器等合理組合，使得微波振盪器的頻率範圍、頻率解析度、頻率切換時間和頻譜純度（相位噪聲、諧波、次諧波和雜散）等指標大大提高。微波振盪器的發展趨勢主要有以下幾個方面：小型化，進一步減小體積、重量和成本；提高跳頻速度和單邊帶噪聲，增加線性度，滿足現代雷達和電子對抗裝備的測試需求；模組化儀器，滿足自動測試領域的需求。
圖1.微波頻綜鎖相環振盪器基本原理
微波振盪器從電路結構上可以分為反饋型和負阻型兩種。反饋型振盪器主要用於低頻電路系統，而負阻型振盪器主要用於高頻電路系統。所以負阻振盪電路比較適合於射頻、微波等頻率較高的頻率範圍，可以利用負阻原理分析和設計微波振盪電路。
在一定電路組態下的微波電晶體可視為一個二連線埠器件。給予電晶體特定端接地時， 由於非線性負阻特性從而構成雙連線埠負阻振盪器。一個雙連線埠負阻振盪器等效網路包含有源器件（BJT）及反饋電路、諧振網路和輸出網路，如圖2所示。圖中Zr，Zin，Zout和ZL為各連線埠看進去的輸入阻抗，Гr，Гin，Гout和ГL分別表示各連線埠的反射係數。
圖2.雙連線埠負阻振盪器等效模型假設諧振網路的輸入阻抗Zr=Rr+jXr， 電晶體網路的輸入阻抗Zin=Rin+jXin。根據振盪原理，在沒有輸入信號，而僅僅依靠電路內部微弱噪聲起振的初始狀態時，需要滿足起振條件：
如果諧振器具有較高Q值，它就可以控制振盪器的工作頻率。在起振之後，1/Гin會逐漸增加並最終滿足下式的關係。|Гr|應該儘可能大。
為了能夠將最大的功率傳輸至負載，起振時，輸入阻抗需要滿足：
起振後負阻
會隨振幅的增加而線性減小，最終達到穩定狀態並滿足：
而另一個重要條件是電晶體的穩定性，要發生振盪，電晶體電路需要在全頻帶或者至少在工作頻段不穩定，用穩定係數K<1表示：
式中S11，S12，S21和S22表示電晶體網路的S參數。其中，
。
設計技術
直接模擬頻率合成技術
直接模擬頻率合成技術是由晶體參考源產生標準參考頻率，再經諧波發生器產生一系列諧波，然後經混頻、分頻和濾波電路等處理產生更多的頻段和頻點。直接模擬頻率合成技術的模擬電路比較多，電路設計複雜，而且也會帶來一些雜散、諧波和次諧波，且都很難抑制。
間接頻率合成技術
間接頻率合成是指利用鎖相技術實現頻率合成，它運用負反饋的方法把一個電調諧振盪器（如壓控振盪器或介質振盪器）與參考信號相聯繫，實現輸入、輸出信號的同步及頻率變換。鎖相環路是根據反饋網路的不同，可以分為混頻鎖相環、分頻鎖相環和小數分頻鎖相環。隨著目前電子技術和電子元器件水平的提高，集成度越來越高，整數分頻器和小數分頻器已同時集成到鎖相晶片中。在頻率合成領域，鎖相環路已得到廣泛的套用。
數字頻率合成技術
數字頻率合成技術與其他頻率合成技術在方法上有很大不同，數字式頻率合成（DDS）技術是利用全數位技術和計算技術相結合實現的新一代頻率合成技術。DDS主要由相位暫存器、相位累加器、正弦查詢表、數模轉換器、模擬濾波器組成。DDS在時鐘頻率下，控制每次的相位增加量並累加輸出一個相位序列碼，在相位累加器中完成，然後通過查詢正弦波形，把相位序列碼轉換為幅度序列碼，再把幅度序列碼通過DAC轉換成階梯波形，最後經過模擬濾波器形成正弦波。因此，改變相位增量就可以改變DDS的輸出頻率值。DDS的頻率變化由數字器件的回響速度決定，現在可達到幾納秒。
圖3.數字式頻率合成（DDS）技術原理框圖現代頻率合成技術
現代頻率合成技術是將模擬技術、數位技術、光學技術和計算方法相結合，根據頻率合成器的技術指標把直接頻率合成技術、鎖相環（PLL）、直接數字頻率合成技術（DDS）等成熟的頻率合成技術與新型的振盪器（如YIG調諧振盪器、介質振盪器DRO和光電振盪器OEO等）和新的工藝技術合理組合，使得微波振盪器的頻譜純度、頻率切換速度和輸出頻率範圍等技術指標滿足不同場合的套用。尤其是，基於微波光子學由光生微波的方法也快速發展，目前可以實現的方法有：光諧波法、光電振盪器法、光外差法、相位調製器法等，這些頻率合成技術為合成微波毫米波及亞毫米波頻率的信號提供更廣闊的空間。
微波振盪器分類
體效應二極體振盪器
在1963年美國國際商業機器公司（1BM）J.B.Gunn發現，砷化鎵和磷化銦等材料的薄層具有負阻特性，因而無需P-N結就可以產生微波振盪。它的工作原理與通常由P-N結組成的半導體器件不同，它不是利用載流子在P-N結中運動的特性，而是利用載流子在半導體的體內運動的特性，是靠砷化鎵等材料“體”內的一種物理效應工作的，所以這類器件被稱為體效應二極體或耿氏二極體（以發明者Gunn命名）。
在實驗中觀察到，若在一塊N型砷化鎵單晶的兩端加上直流電壓。當電壓逐漸增加時，電流也跟著增大。但是，當電壓升到某一臨界值時，電流達到它的最大值。隨著電壓的進一步增大，電流反而減小，這就是我們常講的負阻現象。當電壓增大到以後，如果繼續增大電壓，電流又開始上升，進入另一正阻區。剛開始出現負阻時的電壓和電流分別稱之為閾值電壓和閾值電流。從體效應管的電壓-電流特性曲線顯然看出：如果適當選擇管的直流工作點，就可能利用它的負阻特性來產生高頻振盪。
矽三極體微波振盪器
矽三極體微波振盪器是微波通信和測量中十分重要的部件，它的主要特點是調頻噪聲與相位噪聲低、頻率溫度穩定性高，其成就可大致分兩個方面，即高性能三極體介質諧振振盪器（DRO）和超小型的微波單片積體電路壓控振盪器（MMIC VCO）。
（1）高性能三極體DRO：在L~S 波段，前期發展起來的三極體與微帶線混合集成的所謂固態微波源，適應了當時設備減體減重的迫切需要，蓬勃發展起來，甚至今天還在使用著。但是這種振盪器的微帶諧振器品質因數低，以至在不太寬溫度範圍內（-10~55℃），頻率穩定度大致只能達到±5×10-3，即便經溫度補償，也不過在大約 ±2×10-3~±5×10-4範圍。
高Q介質諧振盪器（DR）的出現，促進了微帶線混合集成微波振盪器的發展，使其主要性能指標有較大的提高。近年來已經達到比較高的水平。在-5~85℃寬溫度範圍內，頻率溫度穩定性可達到±5×10-3~ ±1×10-5。與FET管微波振盪源相比，相位噪聲也是最低的。例如在10GHz，10kHz頻偏下，相位噪聲可達到-120dBc/Hz，在100kHz頻偏下，可達-100~110dBc/Hz，比穩定的FET振盪器的相位噪聲要好5~10dB。
這類微波振盪器將隨著HBT的發展，不斷向更高的頻率（如毫米波）方向發展，形式多樣、性能優良、價格低廉，在軍民產品中都有較強的生命力。
（2）MMIC VCO超小型微波源：第二個發展成就是超小型微波振盪器方面。MMIC VCO的結構特點是由單片積體電路結合改進型的帶狀線腔體及採用CAD的溫度補償電路而組成，屬微組裝產品。其性能為超小型，電參數指標比較好，可靠性高，一致性好，便於大規模系列化生產，因此價格低廉。在無繩電話等一系列民用產品中普遍被採用。
MMIC VCO的又一套用是構成小型、高穩定度的微波鎖相振盪器。將晶體標準源、鑒相器、壓控振盪器等整個鎖相環路混合集成為一整體。一體化的恆溫措施，或數字環路控制，使鎖相源的主要性能指標之一的長期穩定度達±2×10-8/日到±5×10-11/日。對於在S波段這樣高的指標和超小型要求，相同波段的波導腔振盪器和介質腔振盪器是不能勝任的，而MMIC VCO則表現出了突出的優越性。
此外，隨著HBT的發展，近來也出現了以HBT管構成的HBT VCO，它是MMIC的一種寬壓控範圍的VCO。電調電壓0.4~25V，頻率變化範圍為7~15GHz，輸出功率為9dBm，功率5~15mW，頻偏100kHz下全頻段相位噪聲小於-75dBc/Hz。連同緩衝放大級在內，製作在0.8x1mm2的片子上。此例也是矽三極體寬壓控範圍振盪器MMCI特性的典型代表。
場效應管微波振盪源
隨著微波場效應電晶體的發展，場效應管微波振盪源是發展進步最快的領域之一。場效應管的使用頻率不斷提高，器件內部反饋小，有利於外電路藕合反饋，射頻功率對直流的轉換效率高。普遍用它來構成性能優良的小型微波振盪器，據近年來的報導，發展比較突出的有如下幾方面。
（1）場效應管、微帶線、介質諧振器混合集成的固態DRO：電路形式豐富多彩，有反饋 型、反射型、開關型、多頻型、偏碼輸出型、推擠輸出型等。振盪頻率越來越高，已擴展到50GHz以上，輸出功率隨頻率的升高而變化的情況如圖4所示。
圖4.DRO的功率-頻率特性一般情況下，有一級緩衝放大器，最大功率輸出不到1瓦。當需幾瓦功率時，後面可加功率放大器或功率合成器，構成需要的微波功率源。圖中示出的帶有緩衝級的GaAs FET-DRO的振盪頻率向高端有一定的擴展。通常，此類微波振盪源在寬溫度範圍內，都有較高的頻率穩定性，在-5~85 ℃範圍，能達到±50~100ppm。相位噪聲性能良好，例如一個採用雙管P-P DRO的振盪頻率在34GHz時，100kHz的偏移下，相位噪聲為-100dBc/Hz；18GHz時，相位噪聲為-130dBc/Hz。由於其性能優良而得到廣泛套用，成為目前微波集成振盪器的主流。
（2）壓控介質微波源VC DRO：套用於窄帶調製通信系統、調頻雷達系統、鎖相環路系統的VC DRO有了很大的進步。比微帶線壓控振盪源的性能有較大的提高，僅就頻率穩定性而言，提高了兩個數量級（達±5×10-5），與DRO的各項指標相差無幾。通常，要有窄帶電調頻寬，大約在0.1%~1.0%頻寬範圍。最常用的電調方法是變容管電調法。近年來，更為簡便適用的調柵法也發展起來，調諧頻頻寬度雖然不如變容管的寬，但其他主要性能如穩定度，相位噪聲等均比變容管的要好些，電路形式也簡單，避免了不少麻煩 。
（3）帶狀線諧振器FET VCO：上述的FET VCDRO性能指標高，多用於軍民用精密設備上，但成本、價格都比較高。在諸多因素的促使下，三極體微封裝VCO及MIC VCO也蓬勃發展起來。雖然其主要性能不如VC DRO，但其優勢在於尺寸超小（6x8mm2）電調範圍寬、CAD溫度補償電路、系列化大規模生產、 成本低價格便宜。在日本的數字無繩電話（DCT）系統，歐洲數字無線電話（DECT）系列、個人通信網路（PCN）、衛星通信終端設備（SCTE）上均被大量採用，很快就風靡世界。由於它適應了市場的需要，浩瀚的世界民用市場為微封裝VCO的發展提供了強大的動力，使其原本不高的電性能也不斷進步，不斷完善。
