【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 蕩器工作于最佳工作狀態(tài)，即輸出振蕩功率最大、最平坦，必須借助計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)輸入電路、反饋電路及匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以期獲得最大負(fù)阻特性。 起振條件。它包含晶體三極管、諧振網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)。晶體三極管的散射矩陣[S]用S1S1S2S22表示。設(shè)兩個(gè)端口上連接的傳輸線特性阻抗都為Z0,線長(zhǎng)都為零。 雙端口振蕩器原理圖設(shè)輸入阻抗為Zin=Rin+jXin，輸入端反射系數(shù)為Γin，向諧振網(wǎng)絡(luò)看進(jìn)去的阻抗為Zg=Rin+jXin,相應(yīng)的反射系數(shù)為Γg。、輸出端反射系數(shù)Γout、負(fù)載阻抗ZL及負(fù)載反射系數(shù)ΓL。設(shè)雙端口網(wǎng)絡(luò)的入射波為aa2，反射波為bb2。雙口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)定義為 b1=S11a1+S12a2 ()b2=S21a1+S22a2 () 由此可以求出雙口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)。利用上兩式和ΓL= a2/ b2的關(guān)系可得到 ()同樣，利用式（）、（）和Γg = a1/ b1的關(guān)系可得到 () 如前述振蕩器和放大器設(shè)計(jì)很相似，不同之處在于振蕩器工作于反饋狀態(tài)，而放大器工作在負(fù)反饋狀態(tài)，要求穩(wěn)定系數(shù)k1, S11’ 1,S22’ 1。對(duì)振蕩器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，為了產(chǎn)生振蕩，兩端口的反射系數(shù)S11’ S22’ 均大于1，而穩(wěn)定系數(shù)小于1。振蕩條件可以表示為 () () () 式中D=S11S22S12S21。因?yàn)檩斎攵丝诮又C振回路，輸出端口接匹配網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載，都是無(wú)源器件構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，故|Γg|和|ΓL|都小于1，這意味著|S11’|1,|S22’|1。顯然欲產(chǎn)生振蕩，穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)小于1。如果不滿足這個(gè)條件，就應(yīng)該改變公共端，或加大正反饋，使達(dá)到k1。這相當(dāng)于單口負(fù)阻振蕩器的起振條件。而式（）或（）表示振蕩器的幅相平衡和穩(wěn)定條件。 輸出功率Pucel 等指出FET放大器的功率飽和特性可以用式（）估算。 () 其中，G0是小信號(hào)增益，Psat是放大器的輸出飽和功率。放大器在每個(gè)輸入電平下調(diào)諧到最大有效增益GME。Kotzebue定義最大有效增益是兩端口附加增益最大的功率增益。即：用S參數(shù)的形式，表示為 其中K是穩(wěn)定系數(shù)。輸入端和輸出端的反射系數(shù)分別為： 此時(shí)，輸出功率近似為從這里，可以得出振蕩器最大輸出功率因此，最大有效增益GME為 壓控振蕩器（VCO）是電壓——頻率轉(zhuǎn)換器，其瞬時(shí)頻率ω(t)受到環(huán)路濾波器輸出誤差電壓Ud(t)的控制，ω(t)= ω0+Kv Ud(t)。其中Kv是VCO的壓控靈敏度，它表示單位控制電壓可使VCO角頻率變化的大小。VCO是數(shù)字鎖相環(huán)路中的核心部分，鎖相振蕩源的輸出功率直接來(lái)自VCO，VCO的調(diào)頻噪聲會(huì)直接反映到振蕩器的輸出中。而輸出信號(hào)的調(diào)頻噪聲（相位噪聲）與輸出長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度一并構(gòu)成了鎖相頻率合成器非常關(guān)鍵的兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)。從相位的觀點(diǎn)看壓控振蕩器在鎖相環(huán)路中起了積分器的作用。因此，從理論和實(shí)踐上設(shè)計(jì)好壓控振蕩器是十分重要的。需按如下步驟實(shí)現(xiàn)對(duì)壓控振蕩器的設(shè)計(jì)。 主要元器件的選擇微波晶體管分為雙極型與單極型兩種,雙極型晶體管就是一般的npn或pnp晶體管，由于硅的特征頻率ft與最大允許電壓Vm的乘積Vmft=2*1011伏/秒比鍺材料的大一倍，因而在微波應(yīng)用中主要是npn型的硅管。由于它有兩種載流子參與導(dǎo)電故又稱雙極型晶體管。單極型晶體管就是場(chǎng)效應(yīng)晶體管，在微波中使用的主要是金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MESFET），由于其中只有一種載流子參與導(dǎo)電故稱單極型晶體管，由于砷化鎵材料的Vmft的乘積比硅大5倍，目前多采用砷化鎵材料。在微波(固體)壓控振蕩其中，即可以用YIG(釔鐵石榴石)，也可以用變?nèi)莨茏鳛閴嚎卦?，前者壓控特性的線性好，控制范圍寬,但需要用一套外加磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，比較復(fù)雜；而變?nèi)莨茏鳛閴嚎卦?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于單頻鎖相。在本設(shè)計(jì)中，選用微波雙極晶體管。微波雙極晶體管的工作原理與普通晶體管相同，為了使其工作在微波波段，它的結(jié)構(gòu)工藝和封裝形式有所不同。微波雙極晶體管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常是平面型。這種結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，電流放大倍數(shù)隨電流變化較小，并允許在較小有效結(jié)面積的條件下，使用較大接觸面積，從而可將引線電感和接觸電阻減至最小。微波雙極晶體管的一個(gè)重要性能參數(shù)是特征頻率fT ,它是共發(fā)射極短路電流增益│hfc│=1時(shí)的頻率。特征頻率越高，工作頻率也越高。微波雙極晶體管的特征頻率可以達(dá)到15GHz ，一般工作頻率只用到C波段以下，即其特性頻率較高。晶體管的特性頻率高，一方面可減小其分布參數(shù)對(duì)振蕩頻率的限制；另一方面，也有利于提高振蕩器的頻譜純度。我們可以求出fT的近似表達(dá)式式中，τx是載流子在基極——集電極耗盡層的渡越時(shí)間；τb是載流子在基區(qū)的渡越時(shí)間。從而，基區(qū)設(shè)計(jì)越薄，τb越小，特征頻率越高。晶體管的最高振蕩頻率與特征頻率的關(guān)系表述如下：其中Rb是基極擴(kuò)散電阻，C0是集電極——基極結(jié)電容。由上式可知，晶體管的特征頻率越高，其工作頻率也就越高。通常要求fT (3~10)fmax。不僅這些，我們選用微波雙極晶體管，還因?yàn)樗谠肼曁匦苑矫嫠邆涞膬?yōu)越性能。另外，雙極晶體管的制造工藝十分成熟，在器件的可靠性，抗電壓沖擊性，偏置電路簡(jiǎn)單等許多方面都占有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)。除此以外，選擇晶體管還應(yīng)具備下述要求：電流放大系數(shù)(也就是增益)要大,這樣振蕩器就易于起振；晶體管集電極損耗應(yīng)滿足PCM≥（5~20）Pout。鑒于上述這些要求，在設(shè)計(jì)中選用HP公司的AT—41411。它是低功耗、硅材料NPN雙極型晶體管，普遍用于低噪聲VHF、UHF、微波寬帶放大器和振蕩器中[25]。對(duì)應(yīng)的在電路仿真時(shí)采用的是ADS元件庫(kù)里所提供的芯片。芯片名稱為pb_hp_AT41411_19921101，V ce（集電極與發(fā)射極電壓）=12V, Ic（集電極電流）=20mA，F(xiàn)requency(可達(dá)到的頻率范圍)={—}GHz，Noise Frequency(噪聲頻率范圍)={—}GHz。這里需說(shuō)明，在ADS庫(kù)中晶體管由兩種仿真模型：SP參數(shù)模型和大信號(hào)模型。SP模型：屬于小信號(hào)線性模型，模型中已經(jīng)帶有了確定的直流工作點(diǎn)，和在一定范圍內(nèi)的S參數(shù)，仿真時(shí)需要注意適用范圍。SP模型只能得到初步的結(jié)果，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠，不能用來(lái)大信號(hào)的方針，或者直流饋電電路的設(shè)計(jì)，不能直接生成版圖。大信號(hào)模型：可以用來(lái)仿真大、小信號(hào)，需要自行選擇直流工作點(diǎn)，仿真時(shí)要加入饋電電路和電源。帶有LAYOUT的大信號(hào)模型可以用來(lái)生成版圖。變?nèi)荻O管簡(jiǎn)稱變?nèi)莨埽且环N電抗可變的非線性電路元件，其可變電抗是通過(guò)改變變?nèi)莨苌贤饧与妷簛?lái)實(shí)現(xiàn)的。要選擇變?nèi)莨?，我們首先要?duì)其基本原理和主要參數(shù)有所了解。變?nèi)荻O管的等效電路和數(shù)學(xué)模型變?nèi)莨苁怯蒔N結(jié)或金屬—半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。它的理想化電路模型可以表示成一個(gè)結(jié)電容Cj和電阻Rs相串聯(lián)的電路，考慮封裝電感Ls和封裝電容Cp的影響，(a)所示。其伏安特性與一般半導(dǎo)體二極管沒(méi)有什么區(qū)別，所不同的是變?nèi)荻O管PN結(jié)勢(shì)壘電容Cj隨外加反向偏置電壓變化而改變，Rs是P型和N型半導(dǎo)體的體電阻和引線接觸電阻之和，通常為1~5Ω。Rs隨外加電壓變化很小，因而一般把它當(dāng)常量看待。變?nèi)莨芙Y(jié)電容Cj和外加反向偏壓v的關(guān)系可用下式表示Cj=式中Cj0是外加電壓v=0時(shí)的結(jié)電容；φ是P型和N型半導(dǎo)體接觸電勢(shì)，對(duì)硅管。m是結(jié)電容非線性稀疏，它的大小取決于PN結(jié)的結(jié)構(gòu)和雜質(zhì)濃度分布狀況。對(duì)于突變結(jié)（如合金結(jié)和肖特基結(jié)）雜質(zhì)分布和空間電荷分布都是突變的，m=1/2；對(duì)于緩變結(jié)或漸變結(jié)（如生長(zhǎng)結(jié)和擴(kuò)散結(jié)），m=1/3；對(duì)于超突變結(jié)，m1/2。（b）表示了變?nèi)莨芙Y(jié)電容Cj隨外加電壓v變化的關(guān)系曲線。電調(diào)振蕩器正是利用了變?nèi)莨芙尤胫C振電路，在外電壓作用下改變了回路電容，從而調(diào)整頻率的。(a) 等效電路 （b）結(jié)點(diǎn)容Cjv特性 變?nèi)莨艿奶匦噪娐放cCjv特性變?nèi)荻O管的主要參數(shù)變?nèi)荻O管用作電調(diào)振蕩器時(shí)有幾個(gè)重要參數(shù)：電容變比t、品質(zhì)因數(shù)Q、截止頻率fc、自諧振頻率fD等對(duì)振蕩器影響較大。1）電容變化。在電調(diào)振蕩器中，變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容隨外加反向