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微波振荡器是微波信号发生器的核心部件,作为本地振荡器,也是矢量网络分析仪频谱分析仪和测试接收机的核心部件,对仪器整机性能指标有很大影响。目前,常用的产生微波振荡的有两大类,即电真空器件与固体器件。电真空器件主要包括微波电真空三极管、反射速调管、磁控管和返波管等;固体器件有晶体三极管、体效应二极管(也称耿氏二极管)和雪崩二极管等。

目录

简介

  微波振荡器主要利用频率合成技术产生需要的频率或波形信号,其在微波毫米波仪器及系统应用范围广,需求大。频率合成技术是通过把晶体振荡器产生具有高频谱纯度和高稳定度的低频标准参考信号,经过在频域内进行线性运算,通过倍频、混频、分频等技术,得到具有相同稳定度和低相噪等满足各项指标要求的一个或多个频率、频段的信号。从频率合成的发展史来看,频率合成方式依次经历了直接模拟合成、锁相技术、直接数字合成。

  目前,在微波振荡器设计方面,常用的是单环锁相频率合成或多环锁相频率合成,其中多环锁相反馈网络采用谐波混频和微波取样器,把微波主振的频率输出下变频到射频频段鉴相并构成环路,最终实现对微波主振的锁定。还有比较常用的是利用新型振荡器和间接频率合成技术相结合设计微波振荡器。

  因此,现在的微波振荡器设计是将模拟技术、数字技术、光学技术和计算方法等相结合,通过直接模拟频率合成技术、锁相环(PLL)、直接数字合成(DDS)和新型的振荡器等合理组合,使得微波振荡器的频率范围、频率分辨率、频率切换时间和频谱纯度(相位噪声、谐波、次谐波和杂散)等指标大大提高。微波振荡器的发展趋势主要有以下几个方面:小型化,进一步减小体积、重量和成本;提高跳频速度和单边带噪声,增加线性度,满足现代雷达和电子对抗装备的测试需求;模块化仪器,满足自动测试领域的需求。


分类

  体效应二极管振荡器

  在1963年美国国际商业机器公司(1BM)J.B.Gunn发现,砷化镓和磷化铟等材料的薄层具有负阻特性,因而无需P-N结就可以产生微波振荡。它的工作原理与通常由P-N结组成的半导体器件不同,它不是利用载流子在P-N结中运动的特性,而是利用载流子在半导体的体内运动的特性,是靠砷化镓等材料“体”内的一种物理效应工作的,所以这类器件被称为体效应二极管或耿氏二极管(以发明者Gunn命名)。

  在实验中观察到,若在一块N型砷化镓单晶的两端加上直流电压。当电压逐渐增加时,电流也跟着增大。但是,当电压升到某一临界值时,电流达到它的最大值。随着电压的进一步增大,电流反而减小,这就是我们常讲的负阻现象。当电压增大到以后,如果继续增大电压,电流又开始上升,进入另一正阻区。刚开始出现负阻时的电压和电流分别称之为阈值电压和阈值电流。从体效应管的电压-电流特性曲线显然看出:如果适当选择管的直流工作点,就可能利用它的负阻特性来产生高频振荡。

  硅三极管微波振荡器

  硅三极管微波振荡器是微波通信和测量中十分重要的部件,它的主要特点是调频噪声与相位噪声低、频率温度稳定性高,其成就可大致分两个方面,即高性能三极管介质谐振振荡器(DRO)和超小型的微波单片集成电路压控振荡器(MMICVCO)。

  (1)高性能三极管DRO:在L~S波段,前期发展起来的三极管与微带线混合集成的所谓固态微波源,适应了当时设备减体减重的迫切需要,蓬勃发展起来,甚至今天还在使用着。但是这种振荡器的微带谐振器品质因数低,以至在不太宽温度范围内(-10~55℃),频率稳定度大致只能达到±5×10-3,即便经温度补偿,也不过在大约±2×10-3~±5×10-4范围。

  高Q介质谐振荡器(DR)的出现,促进了微带线混合集成微波振荡器的发展,使其主要性能指标有较大的提高。近年来已经达到比较高的水平。在-5~85℃宽温度范围内,频率温度稳定性可达到±5×10-3~±1×10-5。与FET管微波振荡源相比,相位噪声也是最低的。例如在10GHz,10kHz频偏下,相位噪声可达到-120dBc/Hz,在100kHz频偏下,可达-100~110dBc/Hz,比稳定的FET振荡器的相位噪声要好5~10dB。

  这类微波振荡器将随着HBT的发展,不断向更高的频率(如毫米波)方向发展,形式多样、性能优良、价格低廉,在军民产品中都有较强的生命力。

  (2)MMICVCO超小型微波源:第二个发展成就是超小型微波振荡器方面。MMICVCO的结构特点是由单片集成电路结合改进型的带状线腔体及采用CAD的温度补偿电路而组成,属微组装产品。其性能为超小型,电参数指标比较好,可靠性高,一致性好,便于大规模系列化生产,因此价格低廉。在无绳电话等一系列民用产品中普遍被采用。

  MMICVCO的又一应用是构成小型、高稳定度的微波锁相振荡器。将晶体标准源、鉴相器、压控振荡器等整个锁相环路混合集成为一整体。一体化的恒温措施,或数字环路控制,使锁相源的主要性能指标之一的长期稳定度达±2×10-8/日到±5×10-11/日。对于在S波段这样高的指标和超小型要求,相同波段的波导腔振荡器和介质腔振荡器是不能胜任的,而MMICVCO则表现出了突出的优越性。

  此外,随着HBT的发展,近来也出现了以HBT管构成的HBTVCO,它是MMIC的一种宽压控范围的VCO。电调电压0.4~25V,频率变化范围为7~15GHz,输出功率为9dBm,功率5~15mW,频偏100kHz下全频段相位噪声小于-75dBc/Hz。连同缓冲放大级在内,制作在0.8x1mm2的片子上。此例也是硅三极管宽压控范围振荡器MMCI特性的典型代表。

  场效应管微波振荡源

  随着微波场效应晶体管的发展,场效应管微波振荡源是发展进步最快的领域之一。场效应管的使用频率不断提高,器件内部反馈小,有利于外电路藕合反馈,射频功率对直流的转换效率高。普遍用它来构成性能优良的小型微波振荡器,据近年来的报道,发展比较突出的有如下几方面。

  (1)场效应管、微带线、介质谐振器混合集成的固态DRO:电路形式丰富多彩,有反馈型、反射型、开关型、多频型、偏码输出型、推挤输出型等。

  一般情况下,有一级缓冲放大器,最大功率输出不到1瓦。当需几瓦功率时,后面可加功率放大器或功率合成器,构成需要的微波功率源。图中示出的带有缓冲级的GaAsFET-DRO的振荡频率向高端有一定的扩展。通常,此类微波振荡源在宽温度范围内,都有较高的频率稳定性,在-5~85℃范围,能达到±50~100ppm。相位噪声性能良好,例如一个采用双管P-PDRO的振荡频率在34GHz时,100kHz的偏移下,相位噪声为-100dBc/Hz;18GHz时,相位噪声为-130dBc/Hz。由于其性能优良而得到广泛应用,成为目前微波集成振荡器的主流。

  (2)压控介质微波源VCDRO:应用于窄带调制通信系统、调频雷达系统、锁相环路系统的VCDRO有了很大的进步。比微带线压控振荡源的性能有较大的提高,仅就频率稳定性而言,提高了两个数量级(达±5×10-5),与DRO的各项指标相差无几。通常,要有窄带电调带宽,大约在0.1%~1.0%带宽范围。最常用的电调方法是变容管电调法。近年来,更为简便适用的调栅法也发展起来,调谐频带宽度虽然不如变容管的宽,但其他主要性能如稳定度,相位噪声等均比变容管的要好些,电路形式也简单,避免了不少麻烦。

  (3)带状线谐振器FETVCO:上述的FETVCDRO性能指标高,多用于军民用精密设备上,但成本、价格都比较高。在诸多因素的促使下,三极管微封装VCO及MICVCO也蓬勃发展起来。虽然其主要性能不如VCDRO,但其优势在于尺寸超小(6x8mm2)电调范围宽、CAD温度补偿电路、系列化大规模生产、成本低价格便宜。在日本的数字无绳电话(DCT)系统,欧洲数字无线电话(DECT)系列、个人通信网络(PCN)、卫星通信终端设备(SCTE)上均被大量采用,很快就风靡世界。由于它适应了市场的需要,浩瀚的世界民用市场为微封装VCO的发展提供了强大的动力,使其原本不高的电性能也不断进步,不断完善。


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