【正文】 ? ???? ?應電流的表達式，它是脈沖寬度為 T/周期為 T的矩形脈沖 。對其基波 分量 ic1(t) 進行分析知： ic1(t)的相位滯后電子流的基波 π/2，而電子流的基波 ia1(t)又比外加交變電壓 v(t)的相位滯后 π/2，顯然感應電流的基波 ic1(t)比外加交變電壓 v(t)的相位滯后 π，這說明里德雪崩渡越時間二極管具有 負阻特性 。 進一步分析，要使二極管具有 純負阻特性 ，必須使 ic1(t)與 v(t)相位相反，這時渡越角 θ應為 θ=ωW/vs＝ π，據(jù)此可求得 式中 vs≈107cm/s，稱 fd為 渡越時間頻率或漂移區(qū)的特征頻率 。 Wvf sd 2?注意： 1） fd是二極管產(chǎn)生振蕩的 最佳工作頻率 ，在一定范圍內(nèi)外電路調諧到低于或高于 fd時二極管仍有負阻，也可以產(chǎn)生振蕩； 2） 前面假定在外加反向直流偏壓 V0上疊加一個極小的微波電壓僅僅是為了便于分析雪崩二極管振蕩的原理， 實際雪崩二極管振蕩器并不需要一個外加微波電壓 。只要電路中有一個微小的電壓沖擊，例如某種噪聲或電沖擊信號，振蕩器就會振蕩。 三．負阻振蕩器的一般理論 在一定偏壓下體效應二極管和雪崩渡越時間二極管都具有負阻特性，我們把具有負阻特性的器件構成的振蕩器叫做 負阻振蕩器 。對于振蕩器我們最關心的是 起振條件、平衡條件、振蕩穩(wěn)定條件及頻率穩(wěn)定度 等問題。 下圖 (左 )是一個包含了負阻器件的串聯(lián)振蕩電路，其中 Rd是負阻器件的 負阻 ， R是包含了負載電阻及電路損耗電阻的總電阻，L是包含了電路的電感元件及小信號條件下的負阻器件電感的總電感， C是包含了電路的電容元件及小信號條件下負阻器件電容的總電容。 由電路基本理論可知，若電路中存在某種自由振蕩，其回路電流 i應為 c os( ) ( ) / 2t di I e t R R L? ? ? ??? ? ? ?式 中 ， 可見，回路電流 i是振幅隨時間而變的正弦振蕩，并且當 RRd時、 α0，電流 i的振幅隨時間而衰減；當 RRd時、 α0， i的振幅隨時間而增加；當 R=Rd時、 α=0， i的振幅不變。由此可見，對于該串聯(lián)振蕩電路，為使起始的振蕩得以增長，負阻器件在小信號時的負阻絕對值必須大于回路的總電阻值，即 RdR，這就是包含負阻器件 串聯(lián)振蕩電路的起振條件 。 上圖（右）所示的是包含了負阻器件的并聯(lián)振蕩電路，圖中 Gd是負阻器件的負電導， G是包含了負載電導及電路損耗在內(nèi)的總電導， L和 C與左圖中的意義相同。對于這個電路，根據(jù)電路基本理論可知，其回路電壓 v應為 c os( ) ( ) 2t dv V e t G G C? ? ? ??? ? ? ?式 中 ， 根據(jù)同樣的分析，負阻器件在小信號時負阻的絕對值必須大于回路的總電導，即 GdG，這就是包含了負阻器件的 并聯(lián)振蕩電路的起振條件 。 回路的起始振蕩起因于某種噪聲或電沖擊信號，當滿足起振條件時，微弱的振蕩就會很快增長為幅度很大的振蕩。這里應 注意 ，以上兩式只適用于判別是否起振及起振時電流或電壓的變化情況，而不適用于振蕩的全過程。事實上，負阻振蕩器起振后，電流或電壓的振幅不會無限增長，經(jīng)歷一個短暫過程后電流或電壓會趨于某一個穩(wěn)態(tài)值。 平衡條件 時振蕩達到 穩(wěn)態(tài) 時電路必須滿足的條件。 Z(ω) i 諧振回路 RL vD v ZD(I) 負阻振蕩器的一般等效電路 左圖是器件阻抗和電路阻抗串聯(lián)的負阻振蕩器的一般等效電路。其中：－ZD(I)=－ RD(I)+jXD(I)是負阻器件的阻抗，它通常應為電流振幅 I和振蕩頻率 ω的函數(shù)，由于它隨頻率變化緩慢，故在一般振蕩器的工作頻率范圍內(nèi)可以認為它僅是電流振幅的函數(shù)； RL是負載電阻；諧振回路可以是單諧振回路，也可以是多諧振回路； Z(ω)=R(ω)+jX(ω)是由器件向電路方向看的總阻抗。 振蕩達到穩(wěn)態(tài)時應滿足兩個條件：一是穩(wěn)態(tài)振蕩時回路電流i(t)的振幅 I不變；二是回路電壓和應始終為零 。 對于器件阻抗和電路阻抗 串聯(lián) 的負阻振蕩器電路，其穩(wěn)態(tài)時的 平衡條件 為： ( ) ( )DZ Z I? ?? 器件線和電路阻抗軌跡線 如右圖，在復阻抗平面上分別畫出電路的阻抗軌跡 Z(ω)和器件阻抗負值 ZD(I)的軌跡。它們的交點就是負阻振蕩器的 工作點 。圖中，Z(ω)曲線的箭頭方向表示頻率增加的方向，曲線上的點為頻率刻度；ZD(I)曲線上的箭頭方向表示電流振幅增加的方向，曲線上的點是電流振幅刻度。根據(jù)器件線 ZD(I)和電路阻抗軌跡線的交點刻度，即可以決定負阻振蕩器工作點的振蕩頻率 ω0及電流振幅 I0，這種確定負阻振蕩器工作點的方法稱為 圖解法 。 對于器件導納－ YD(V)=－ GD(V)+jBD(V)和電路導納Y(ω)=G(ω)+jB(ω)并聯(lián) 的負阻振蕩器電路，其穩(wěn)態(tài)的 平衡條件 為： 同樣，可以在導納復平面上畫出以電壓 V為刻度的器件導納線和以頻率 ω為刻度的電路導納軌跡線，兩曲線的交點即為這種負阻振蕩器的 工作點 ，該點上對應的刻度和即為該負阻振蕩器的振蕩頻率和電壓振幅。 當振蕩器振蕩在某個工作點時，如果由于某種外來原因，使振蕩幅度 偏離工作點 ，這時可能出現(xiàn)以下兩種情況：一種情況是引起振幅偏離的因素一旦消失，振蕩器就恢復到原來的狀態(tài)，這樣的工作點叫做 穩(wěn)定工作點 ；另一種情況是即使引起振幅偏離的因素消失，振蕩器也不能恢復到原來的工作狀態(tài)，或者停止振蕩，或者振蕩在另一種狀態(tài)，這樣的工作點成為 不穩(wěn)定工作點 。顯然， 振蕩器只能設計在穩(wěn)定工作點工作 。 ( ) ( )DY Y V? ??00( ) ( )( ) [ ] 0Dd X d RR I Sdd ??????? ???以上是振蕩的 穩(wěn)定條件。 式中 和 分別是穩(wěn)態(tài)振幅的角頻率和振幅，其中， 0?0I000() |()DIIDI RISR I I ????? 000() |()DIIDI RIR I I? ????分別稱為器件負阻的飽和系數(shù)和器件電流的飽和系數(shù)。不難看出用振蕩的穩(wěn)定條件來判別振蕩器工作點的穩(wěn)定性是比較麻煩的。下面介紹一種 圖示判別法 ： 在穩(wěn)定工作點，從器件線箭頭方向沿順時針方向轉到電路阻抗軌跡線箭頭方向所轉過的角度應小于180度 。 頻率穩(wěn)定度是振蕩器的重要指標，是保證系統(tǒng)正常工作的基本條件。例如當振蕩器用作雷達或通信設備的發(fā)射或接收機的本振源時，如果振蕩器的頻率穩(wěn)定度不滿足一定的要求，接收信號就可能落在接收機工作頻帶之外，系統(tǒng)就不能正常工作；或者在頻率穩(wěn)定度不夠高的情況下，為了保證接收系統(tǒng)正常工作，就必須增加接收機的頻帶寬度，這又會導致接收機噪聲系數(shù)的增加、靈敏度下降。 負阻振蕩器滿足平衡條件處于穩(wěn)態(tài)后，如果由于外界原因的改變使振蕩器的電抗發(fā)生變化，則振蕩頻率必然會發(fā)生變化。為了滿足諧振時的相位平衡條件 ，外界因素改變導致的電抗變化必須由頻率變化所產(chǎn)生的電抗變化來補償。 設外界因素 的變化量是 ，則 串聯(lián) 振蕩器 相對頻率穩(wěn)定度 為： 并聯(lián) 振蕩器 相對頻率穩(wěn)定度 為： 其中 Q是回路的有載 Q值。 ( ) ( ) 0DX X I? ??? ??1 ()2DXXQR? ??? ? ????? ? ? ???1 ()2DBBQG? ??? ? ????? ? ? ??? 可知外界因素變化越大，振蕩器頻率的變化越大；回路電抗（或電納）隨外界因素的變化率越大，頻率穩(wěn)定度越差；但是回路總電抗（或電納）隨頻率的變化率越大，或者說回路的有載 Q值越高，則振蕩器的頻率穩(wěn)定度越高。 5．負阻振蕩器的噪聲 在微波負阻振蕩器中，注入噪聲引起的振蕩幅度的隨機波動稱為 調幅噪聲 ，把隨機的頻率偏移稱為 調頻噪聲 。在注入噪聲源的作用下，振蕩器的輸出實際上是一個被噪聲調制的調頻調幅波。對于這種調頻或調幅波，我們都可以將它分解成載波和無數(shù)個旁頻的疊加，這些旁頻分量的大小反映了振蕩器在噪聲源作用下調頻、調幅噪聲功率的大小。振蕩器輸出的幅度頻譜如右圖所示。 振蕩器輸出的幅度頻譜 0?m?nP 0P 0nPPm?m? nP 0P 0nPP 處的譜線高度代表了載波功率的大小，其余譜線高度對應各自噪聲功率的大小。調幅噪聲可以表示成偏離載頻為 處一定頻帶 B之內(nèi)的噪聲功率 （即旁頻功率）與載頻功率 之比 ，它是 的函數(shù)。噪聲功率可以取單邊帶、也可以取雙邊帶，前者比后者小 3dB。調頻噪聲有兩種表示方法：一種表示方法與調幅噪聲表示方法相同，即利用振蕩器輸出的調頻噪聲頻譜，用偏離載頻 為處一定頻帶 B內(nèi)的噪聲功率 與載頻功率 之比來 表示調頻噪聲；另一種方法是用均方根頻偏來表示調頻噪聲，所 謂 均方根頻偏就是在一定頻帶內(nèi)各個噪聲分量對應頻偏的均方值。 結論 ：（對任何負阻振蕩器都適用 ） ① 振蕩回路有載品質因數(shù)越高，噪聲越??； ② 在 不太大的情況下，負阻振蕩器的調幅噪聲遠小于調頻噪聲； ③ S越大，調幅噪聲也越小，這是因為振蕩器的非線性作用，使注入噪聲引起的輸出幅度波動小。 mf四．負阻振蕩電路 由前面所述體效應二極管和雪崩渡越時間二極管某負阻器件的振蕩原理可知，振蕩器中 負阻器件的作用 是將電源提供的直流功率轉換成微波振蕩功率。由振蕩平衡條件可知，振蕩器的外部電路，一方面要提供必須的電抗，以便對器件電抗進行調諧并構成諧振電路；另一方面要將負載阻抗變換到適當?shù)臄?shù)值，以便維持振蕩并獲得較大的輸出功率。 如下圖，分析其等效電路知其振蕩平衡條件為： 02 , c tg ( )D L DG G B B Y l???? ? ? ?0Y l ?式中 為同軸線特性導納， 是短路同軸線長度， 為振蕩頻率相對應的波長。 同軸腔振蕩器及其等效電路 同軸腔振蕩器結構 同軸腔振蕩器等效電路 負阻器件 散熱塊 耦合環(huán)輸出 同軸腔振蕩器的優(yōu)點是調諧范圍寬，可達一個倍頻程；缺點是電路損耗較大，頻率高時結構設計較困難，一般只適用于厘米波波段。 波導腔振蕩器結構示意圖 2．波導腔振蕩器 由于波導諧振腔比同軸諧振腔品質因數(shù)高、耗損也小。則波導腔振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定度；且波導腔振蕩器具有好的噪聲性能?；谶@兩點，波導腔諧振器獲得了廣泛應用，它主要用于 X波段以上的頻段。 3．微帶振蕩器 微帶振蕩器電路 這種微帶振蕩器結構簡單，制作方便。缺點是微帶線損耗較大，只能工作在較低的微波頻段；另一個缺點是不便于調諧。因此這種微帶振蕩器只宜用作頻率不高的小功率振蕩器。 微波晶體三極管振蕩器 微波晶體三極管是三端口器件，用它可以構成微波晶體三極管振蕩器。與微波晶體二極管振蕩器相比，微波晶體三極管振蕩器有頻帶寬，效率高，容易構成回路的 優(yōu)點 。 構成微波晶體三極管振蕩器所使用的晶體三極管有場效應晶體管和雙極型晶體三極管。就管子的性能而言，場效應晶體管比雙極型晶體管有截止頻率高，本征噪聲低，輸入、輸出隔離很大，相互影響很小，故性能更穩(wěn)定，更便于設計匹配網(wǎng)絡的 優(yōu)點 。 一．場效應晶體三極管振蕩器的基本電路和振蕩平衡條件 眾所周知，三極管振蕩器是一種有 正反饋 的放大器。由于微波場效應晶體三極管輸入、輸出一般都有很高的隔離度，因此用這種器件構成振蕩器必須采用外部電路提供正反饋；提供正反饋的外部電路可以采用串聯(lián)反饋元件，也可以采用并聯(lián)反饋元件。讓微波場效應晶體管工作在負阻區(qū)域，可以構成如下圖所示的共源極、共柵極和共漏極三種基本形式的微波場效應晶體三極管振蕩器電路。 反饋電路 諧振 電路 匹配 電路 G S D RL S G D RL G D S 共源極 共柵極 共漏極 場效應晶體管振蕩器的基本電路