1、第五章 軟件無(wú)線電的硬件實(shí)現(xiàn)-射頻電路設(shè)計(jì)1軟件無(wú)線電是建立在一個(gè)通用的硬件平臺(tái)之上的，這個(gè)通用平臺(tái)具有模塊化、開(kāi) 放性、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。軟件無(wú)線電的硬件平臺(tái)主要由一下幾個(gè)部分組成： 模擬射頻 前端、寬帶A/D和D/A、數(shù)字上下變頻器、高速數(shù)字信號(hào)處理等。5 .1射頻前端各模塊的性能指標(biāo)圖5.1是射頻前端收發(fā)電路。從圖中可以看出一個(gè)典型的射頻電路分為發(fā)射和接 收兩個(gè)部分。每個(gè)部分包括以下幾個(gè)模塊：開(kāi)關(guān)（功率分配器）、低噪聲放大器（LNA）、混頻器（MIXER :降頻器和升頻器）、射頻濾波器和本地振蕩器，功率放大器（PA）、中頻濾波器和中頻放大器圖5.1是射頻發(fā)射與接收電路在發(fā)送信號(hào)時(shí)，從基帶模

2、塊送出的模擬信號(hào)，經(jīng)中頻放大、混頻器中的升頻器、 功率放大器（PA），然后再通過(guò)天線發(fā)送出去。通過(guò)天線接收進(jìn)來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)濾波和低噪聲放大器（LNA）放大后，與本地振蕩器所產(chǎn)生的本地振蕩信號(hào)經(jīng)混頻器混頻（這里是降頻器），產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)IF，然后，經(jīng)放大后送到基帶部分。典型的射頻收發(fā)設(shè)備除了功耗、速度、成品率等性能要求外，還要面對(duì)噪聲、線 性范圍、增益等指標(biāo)。分析整個(gè)射頻通信機(jī)， 最重要的器件就是放大器， 混頻器和振蕩器。 下面詳細(xì)分 析各射頻電路模塊的性能指標(biāo)。5.1.1 放大器由圖 5.1 可以看出，射頻通信電路中的放大器包括接收機(jī)的低噪聲小信號(hào)放大器 和發(fā)射機(jī)的射頻功率放大器。低噪聲放

3、大器 （1ow-noise amplifier ，簡(jiǎn)稱 LNA） 是射頻接收機(jī)前端的主要部分。 它主要有四個(gè)特點(diǎn)：首先，它位于接收機(jī)的最前端， 這就要求它的噪聲越小越好。 為了抑制后面各級(jí) 噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響， 還要求有一定的增益， 但為了不使后面的混頻器過(guò)載， 產(chǎn)生非線 性失真，它的增益又不宜過(guò)大。其次，它所接收的信號(hào)是很微弱的， 所以低噪聲放大器必定是一個(gè)小信號(hào)線性放 大器， 而且由于受傳輸路徑的影響， 信號(hào)的強(qiáng)弱又是變化的， 在接收信號(hào)的同時(shí)又可 能伴隨許多強(qiáng)干擾信號(hào)混入， 因此要求放大器有足夠大的線性范圍， 而且增益最好是 可調(diào)節(jié)的。第三，低噪聲放大器一般通過(guò)傳輸線直接和天線或天線濾波器

4、相連， 放大器的輸 入端必須和它們很好的匹配， 以達(dá)到功率最大傳輸或最小的噪聲系數(shù)， 并能保證濾波 器的性能。第四， 應(yīng)具有一定的選頻功能， 抑制帶外和鏡象頻率干擾， 因此它一般是頻帶放 大器。放大器中的晶體管有兩種描述方法一、是物理等效電路模型， 模型中的參數(shù)都有一定的物理意義， 這種等效電路適 用的頻率范圍較寬。目前的射頻集成電路工藝包括雙極 （bipolar） 、GaAs 和 CMOS 工藝。工作頻率最高的是 GaAs器件，GaAs是一種化合半導(dǎo)體材料，性能穩(wěn)定、工 藝成熟，它的最咼頻率達(dá)到 50100GHz，在超咼速微電子學(xué)和光電子學(xué)中占據(jù)了 重要地位，近幾年來(lái)特別在超高速、低噪聲方面

5、發(fā)展極快。二、是用網(wǎng)絡(luò)參數(shù)表示的網(wǎng)絡(luò)模型，在射頻段最合適的參數(shù)是 S 參數(shù)，這是一 組特定頻率下的線性參數(shù)。 S 參數(shù)也稱散射參數(shù)，暗示為事物分散為不同的分量，散 射參數(shù)即描述其分散的程度和分量的大小。 在電子系統(tǒng)中， 它有兩個(gè)分量： 入射波和 反射波，因此 S 參數(shù)是基于入射波和反射波之間關(guān)系的參數(shù)。S 參數(shù)在射頻段很容易測(cè)量，特別適合用于微波段的系統(tǒng)分析。5.1.1.1 低噪聲放大器低噪聲放大器的主要指標(biāo)是：低的噪聲系數(shù) （NF）、足夠的線性范圍（IIP3）、合適 的增益（gain）、輸入輸出阻抗的匹配（VSWR）、輸入輸出間良好的隔離。對(duì)于移動(dòng)通 信還有一個(gè)很重要的指標(biāo)是低電源和低功耗，

6、 原因是移動(dòng)通信中， 接收機(jī)處于等待狀 態(tài)時(shí)， 射頻前端電路一直是工作的， 因此低功耗是十分重要的。 下面分析影響這些指 標(biāo)的因素，特別要強(qiáng)調(diào)的是，所有這些指標(biāo)都是互相牽連的，甚至是矛盾的。它們不 僅取決于電路的結(jié)構(gòu)， 對(duì)集成電路來(lái)說(shuō)， 還取決于工藝技術(shù)。 在設(shè)計(jì)中如何采用折衷 的原則，兼顧各項(xiàng)指標(biāo)，是很重要的。1 、低功耗LNA 是小信號(hào)放大器，必須給它設(shè)置一個(gè)靜態(tài)偏置。而降低功耗的根本辦法是 采用低電源電壓、 低偏置電流， 但伴隨的結(jié)果是晶體管的跨導(dǎo)減小， 從而引起晶體管 及放大器的一系列指標(biāo)的變化2 、工作頻率放大器所能允許的工作頻率與晶體管的特征頻率 fT 有關(guān)。減小偏置電流的結(jié)果使

7、晶體管的特征頻率降低。 在集成電路中， 增大晶體管的面積使極間電容增加也降低了 特征頻率。3 、噪聲系數(shù)1）放大器的噪聲系數(shù)與工作點(diǎn)有關(guān)。2）晶體管放大器的噪聲與基區(qū)體電阻有關(guān)。4 、增益低噪聲放大器的增益要適中， 過(guò)大會(huì)使下級(jí)混頻器的輸入太大， 產(chǎn)生失真。 但為 了抑制后面各級(jí)的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響， 其增益又不能太小。 放大器的增益首先與管子 跨導(dǎo)有關(guān)，跨導(dǎo)直接由工作點(diǎn)的電流決定。其次放大器的增益還與負(fù)載有關(guān)。5 、增益控制低噪聲放大器的增益最好是可控制的。 在通信電路中， 控制增益的方法一般有以 下幾種：改變放大器的工作點(diǎn)，改變放大器的負(fù)反饋量，改變放大器諧振回路的 Q 值等。6 、輸入阻抗

8、匹配低噪聲放大器與其信號(hào)源的匹配是很重要的。 放大器與源的匹配有兩種方式： 一 是以獲得噪聲系數(shù)最小為目的的噪聲匹配， 二是以獲得最大功率傳輸和最小反射損耗 為目的的共軛匹配。一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在絕大多數(shù)的 LNA 均采用后一種匹配方法，這樣 可以避免不匹配而引起 LNA 向天線的能量反射，同時(shí)，力求兩種匹配接近。匹配網(wǎng)絡(luò)可以用純電阻網(wǎng)絡(luò)， 也可以用電抗網(wǎng)絡(luò)。 電阻匹配網(wǎng)絡(luò)適合于寬帶放大， 但它們要消耗功率， 并增加噪聲。 采用無(wú)損耗的電抗匹配網(wǎng)絡(luò)不會(huì)增加噪聲， 但只適合窄帶放大。另外還有線性范圍、隔離度和穩(wěn)定度。低噪聲放大器的設(shè)計(jì)無(wú)論采用 Bipolar, Bi-COMS 或GaAsFET工藝技術(shù)

9、設(shè)計(jì), 其電路結(jié)構(gòu)都是差不多的，都是由晶體管、偏置、輸入匹配和負(fù)載低法部分組成。5.1.1.2 射頻功率放大器射頻功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末級(jí)，它將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到所需要的功率并且不值，送到天線中發(fā)射，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可以收到滿意的信號(hào)電平, 干擾相鄰信道的通信。衡量射頻功率放大器的性能指標(biāo)值如下:1、功率功率根據(jù)用途而定，移動(dòng)通信的袖珍機(jī)功率一般為0.3w0.6w，基站一般10100w 。2、效率功率放大器的效率有兩種定義方法。一種稱為集電極效率c,它是輸出功率Pout與電源功給功率Pdc之比，即cPdc，這種定義沒(méi)有考慮放大器的功率增益。另一種稱為功率增加效率（PAE），它是輸

10、出功率Pout與輸入功率Rn的差與電源供給功率Pdc之PAE PAEPo： Pin（1 丄）cPdc功率增加效率 PAEPout >> Pin,此時(shí)有 c的定義中包含了功率增益的因素，當(dāng)有比較大的功率增益時(shí),PAE。如何保證高的效率和大的功率，是高頻功率放大器設(shè)計(jì)的核心3、雜散輸出與噪聲如果收和收發(fā)信機(jī)的接收和發(fā)射設(shè)備一般都是通過(guò)天線雙工器共用一付天線的 發(fā)采用不同頻帶的工作方式， 那么發(fā)射機(jī)功率放大器頻帶外的雜散輸出或噪聲， 若位 于接收機(jī)頻帶內(nèi)，就會(huì)由于天線雙工器的隔離性能不好而被耦合到接收機(jī)前端的低噪 聲放大器輸入端， 形成干擾， 或者也會(huì)對(duì)其他相鄰信道形成干擾。 因此必須限

11、制功率 放大器的帶外寄生輸出， 而且要求發(fā)射機(jī)的熱噪聲的功率譜密度在相應(yīng)的接收頻帶處 要小于 -130dm/Hz ，這樣對(duì)接收機(jī)的影響基本上可以忽略。4 、線性高頻功率放大器按工作狀態(tài)分為線性放大與非線性放大兩種， 非線性放大器有較 高的效率，而線性放大器的最高效率也只有 50% 。因此從高效率的角度來(lái)看應(yīng)采用 非線性放大器。 但是非線性放大器在放大輸入信號(hào)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列有害影響。 從 頻譜的角度看， 由于非續(xù)性的作用， 輸出會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量， 它干擾了有用信號(hào)并 使被放大的信號(hào)頻譜發(fā)生變化， 頻帶展寬。 從時(shí)域的角度看對(duì)于波形為非恒定包絡(luò)的 已調(diào)信號(hào)， 由于非線性放大養(yǎng)的增益與信號(hào)幅度

12、有關(guān)， 則使輸出信號(hào)的包絡(luò)發(fā)生了變 化，引起波形失真，同時(shí)頻譜也變化，引起頻譜再生現(xiàn)象。非線性放大器的所有這些影響對(duì)移動(dòng)通信來(lái)說(shuō)都是至關(guān)重要的。 因?yàn)闉榱擞行У?利用頻率資源和避免對(duì)鄰道的干擾，一般都將基帶信號(hào)通過(guò)相應(yīng)濾波器形成特定波 形，以限制它的頻帶寬度， 從而限制調(diào)制后的頻帶信號(hào)的頻譜寬度。 但這樣產(chǎn)生的已 調(diào)信號(hào)的包絡(luò)往往是非恒定的， 因此非線性放大器的頻譜再生作用使發(fā)射機(jī)的這些性 能指標(biāo)變壞。5.1.2 混頻器混頻器是通信機(jī)的重要組成部件。 在發(fā)射機(jī)中一般用上混頻， 它將已調(diào)制的中頻 信號(hào)搬移到射頻段。 接收機(jī)一般為下混頻， 它將接收到的射頻信號(hào)搬移到中頻上。 接收機(jī)的混頻器位于LN

13、A之后，將LNA輸出的射頻信號(hào)通過(guò)與本振信號(hào)相乘變換為中頻信號(hào)?；祛l器的主要性能指標(biāo)如表 5.1表5.1混頻器主要性能指標(biāo)舉例增益10dBNF12dBIIP3+5dBm輸入阻抗50 Q口間隔離1020dB下面分別說(shuō)明各參數(shù)的意義：1、增益混頻器的增益為頻率變換增益，定義為輸出中頻信號(hào)的大小與輸入射頻信號(hào)大小VifVin之比。電壓增益Av和功率增益Gp分別定義為(5.1)Gp（5.2）Rn當(dāng)混頻器的射頻口通過(guò)抑制鏡像頻率的濾波器與LNA相連時(shí)，為了保證濾波器的性能，混頻器射頻口的輸入阻抗必須和此濾波器的輸出阻抗相匹配，濾波器的輸出阻抗一般是50 Q。同樣，混頻器的中頻口也應(yīng)和中頻濾波器匹配，低于

14、 100MHz的 中頻濾波器的阻抗一般都大于 50 Q。例如聲表面波濾波器為200 Q,中頻陶瓷濾波 器是330 Q,晶體濾波器是1k Q。由于兩個(gè)口的阻抗不同，功率增益和電壓增益的關(guān)系是2Gp 牛屮 Rs(5.3 )Pn VRf / RsRl如果以dB表示，則功率增益和電壓增益的分貝數(shù)值就不同。在計(jì)算整機(jī)的指標(biāo)(如噪聲系數(shù)、線性范圍等)時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)?；祛l器可以分為有源混頻器和無(wú)源混頻器兩種， 它們的區(qū)別就在于是否有功率增 益，無(wú)源混頻器的增益小于1，稱為混頻損耗。無(wú)源混頻器常用二極管和工作在可變 電阻區(qū)的場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成。有源混頻器的增益大于I，它由場(chǎng)效應(yīng)管和雙極型晶體管構(gòu)成。無(wú)源混頻器的線性

15、范圍大，速度快，而有源混頻器由于增益大于1，因此，可以降低混頻以后各級(jí)噪聲對(duì)接收機(jī)總噪聲的影響。2、噪聲混頻器緊跟LNA后面，屬于接收機(jī)的前端電路，它的噪聲性能對(duì)接收機(jī)的影響 很大?；祛l器對(duì)射頻而言是線性網(wǎng)絡(luò)，可以按線性網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算公式來(lái)計(jì)算它的噪聲系 數(shù)，只不過(guò)將計(jì)算公式中的增益改為混頻器的頻率變換增益。混頻器的噪聲有兩種定義和測(cè)量方法，即雙邊 (DSB)和單邊(SSB)噪聲系數(shù)。對(duì) 于超外差式接收機(jī)，射頻(RF)信號(hào)位于本振(LO)信號(hào)的一側(cè)，經(jīng)過(guò)混頻后，混頻器不 僅將有用信號(hào)頻帶內(nèi)的噪聲搬到了中頻，并且還將位于鏡像頻帶內(nèi)的噪聲也搬到了中 頻，此時(shí)，測(cè)得的混頻器的噪聲系數(shù)稱為混頻器的單邊噪聲

16、系數(shù)(SSB)。對(duì)于零中頻方案的接收機(jī)，由于射頻頻率和本振頻率相等，若射頻為已調(diào)信號(hào)， 它的頻譜位于載頻兩邊，則經(jīng)過(guò)混頻后，它僅將信號(hào)頻帶內(nèi)的噪聲搬到了零中頻的頻 帶內(nèi)個(gè)為此時(shí)無(wú)鏡頻)。很明顯，此時(shí)如果假設(shè)混頻器是無(wú)噪的，則經(jīng)過(guò)混頻后輸出 輸入的信噪比沒(méi)有變化。對(duì)于這種信號(hào)頻譜位于本振兩側(cè)的情況，測(cè)得混頻器的噪聲 系數(shù)稱為混頻器的雙邊噪聲系數(shù) (DSB)。在測(cè)量時(shí)如果儀器輸出的噪聲系數(shù)是雙邊 的，只要加上 3dB 就是單邊噪聲系數(shù)。3 、線性范圍混頻器對(duì)輸入 RF 小信號(hào)而言是線性網(wǎng)絡(luò)， 其輸出中頻信號(hào)與輸入射頻信號(hào)的幅 度成正比。 但是當(dāng)輸入信號(hào)幅度逐漸增大時(shí)， 與線性放大器一樣， 也存在著

17、非線性失 真問(wèn)題。與放大器一樣，也可以用下列質(zhì)量指標(biāo)衡量它的線性性能。1 ) 1dB 壓降點(diǎn)2 ) 三階互調(diào)節(jié)點(diǎn)3 ) 線性動(dòng)態(tài)范圍4、失真混頻功能是靠器件的非線性完成兩信號(hào)的相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 由于器件非線性特性的 高次方項(xiàng)， 使本振與輸入信號(hào)除產(chǎn)生有用中頻分量外還會(huì)產(chǎn)生很多組合頻率， 當(dāng)某些 組合頻率落到中頻帶寬內(nèi)， 就形成了對(duì)有用中頻信號(hào)的干擾。 因此混頻器的失真主要 表現(xiàn)在組合頻率干擾上，這些失真一般分為以下幾種：1 ) 干擾哨聲2 ) 寄生通道干擾3 ) 互調(diào)失真5 、阻抗匹配對(duì)混頻器三個(gè)口的阻抗要求主要有兩點(diǎn)。一是匹配?；祛l器 RF 及 IF 口的匹配 可以保證與各口相接的濾波器正常工

18、作。 LO 口的匹配可以有效的向本地振蕩器汲取 功率。但對(duì) FET 管，由于柵極的輸入阻抗很高，匹配往往是很難做到的。二是每個(gè) 口對(duì)另外兩口的信號(hào)，力求短路。這樣可以減少各口之間的干擾5.1.3 振蕩器制作振蕩器的有源器件可以用固態(tài)器件和電真空器件。 固態(tài)器件與真空器件相比 具有體積小，制作方便，耗能小，工作穩(wěn)定及成本低等特點(diǎn)，因此人們廣泛使用固態(tài) 源。在使用的固態(tài)器件中，固態(tài)三端器件與固態(tài)二端器件相比具有效率高、噪聲低、 頻帶寬及易于集成等優(yōu)勢(shì)。所以固態(tài)振蕩器己逐漸向三端器件發(fā)展。振蕩器的主要技術(shù)指標(biāo)是振蕩器性能質(zhì)量的標(biāo)志， 是設(shè)計(jì)研制、 質(zhì)檢考核、選擇 使用的依據(jù)。振蕩器的主要技術(shù)指標(biāo)如下

19、 6 ：1 、工作頻率范圍指滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求的機(jī)械調(diào)諧或電調(diào)諧頻率范圍，用起止頻率表示，單位為MHz 或 GHz 。也可用 f0+% f 0 表示。2 、射頻輸出功率指給定條件下射頻輸出功率的大小，以 mW 或 W 計(jì)，或用 dBm 表示（ 1mW時(shí)為 0dB ）。若考慮隨頻率的變化或隨溫度的變化時(shí)，則用功率起伏表示，常以±dB 表示出功率穩(wěn)定性。3 、長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度指振蕩器件的老化和元件參數(shù)慢變化引起的頻率漂移（一般按年、月、日計(jì)）以 及環(huán)境條件改變（如溫度、壓力、電源電壓等）引起的頻率慢變化（一般以時(shí)、日、 月、年計(jì)），常用一定時(shí)間內(nèi)頻率的相對(duì)變化 f/f表示。4 、調(diào)諧特性分為

20、模擬調(diào)諧與數(shù)字調(diào)諧。模擬調(diào)諧包括：1）調(diào)諧電壓范圍。指對(duì)應(yīng)電調(diào)帶寬起止，用伏特（V）表示。2）調(diào)諧（或調(diào)制）靈敏度。有最大、最小或平均調(diào)諧靈敏度之分。對(duì)變?nèi)莨苷{(diào) 諧，以 MHz/V 表示；對(duì) YIG 調(diào)諧，用 MHz/mA 表示。電壓調(diào)諧靈敏度也稱作壓控靈敏度或壓控斜率。3) 調(diào)諧線性度。指偏離理想的線性調(diào)諧直線的最大調(diào)諧頻偏與總的調(diào)諧帶寬之 比，用百分比表示。此外調(diào)諧線性度還有用最大調(diào)諧頻偏與最小調(diào)諧頻偏之 比或百分?jǐn)?shù)表示法。數(shù)字調(diào)諧包括：1) 每字比特?cái)?shù)2) 每比特 TTL 負(fù)載量3) 數(shù)字最大調(diào)諧率4) 數(shù)字調(diào)諧靈敏度( MHz/ 比特)5 、調(diào)諧時(shí)間。指電壓調(diào)諧振蕩器由輸出頻率初值調(diào)諧

21、到指定頻率范圍終值所需的時(shí)間。6、調(diào)后漂移(Post Tuning Drif 或 PTD )。定義為振蕩器預(yù)置到頻帶內(nèi)某一頻率， 經(jīng)過(guò)一指定時(shí)間后引起的輸出頻率漂移最 大值。7 、頻率牽引系數(shù)。說(shuō)明振蕩器負(fù)載變化 (由匹配到指定的失配) 引起輸出頻率變化的敏感程度。 用% fo或MHz 駐波比p表示。8 、推頻系數(shù)。用以說(shuō)明振蕩器輸出頻率隨電源電壓變化的敏感程度。用 MHz/V 或% f0/V 表 示。9 、諧波電平指出與輸出頻率相干的領(lǐng)近基波的諧波或分諧波含量與載波電平(c) 之比，以-dBc 表示。10 、雜散電平或寄生頻率分量。指與輸出頻率不相干的無(wú)用頻率含量與載波電平之比。用 -dBc

22、 min 或用 -dBm 表 示。11 、電源要求。指直流工作電壓土 V，電流mA max，及電源紋波大小，以多少Hz上 兇或mV表示。12 、工作溫度范圍及其他要求。振蕩器被稱為各種無(wú)線通信系統(tǒng)的心臟， 是雷達(dá)、電子對(duì)抗、 通信和測(cè)試等無(wú)線 通信系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的重要部件。 高穩(wěn)定度的微波振蕩源可以提高超外差接收機(jī)的信噪 比和靈敏度；對(duì)射頻通信系統(tǒng)而言，則可以提高通信質(zhì)量，充分利用電磁頻譜資源； 在儀表測(cè)量中微波振蕩源的好壞直接影響到測(cè)量的精度和穩(wěn)定度。就是因?yàn)橐陨显?，本課題著重研究振蕩器的原理，并設(shè)計(jì)了兩個(gè)分別工作在1.8GHz2GHz 和 800MHz900MHz 的壓控振蕩器。下面主要介

23、紹一下振蕩器的 原理與設(shè)計(jì)方法。5.2 振蕩器的原理振蕩器在現(xiàn)代各種電子系統(tǒng)中， 幾乎是必不可少的重要部件。 它主要用作各種中 小功率調(diào)制載波信號(hào)源、 收發(fā)信機(jī)中的本機(jī)振蕩源和激勵(lì)器、 以及測(cè)量系統(tǒng)中的基本 信號(hào)源。由于它的性能直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量， 因此，設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)的振蕩源是電子 技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)永恒的課題。5.2.1 振蕩器的分類 振蕩器分類方法很多，這里分別從工作頻段和帶寬、器件類型、電路結(jié)構(gòu)形式、 調(diào)諧方式、穩(wěn)頻方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行分類。1 、工作頻段和帶寬來(lái)劃分按照振蕩器工作的頻段和帶寬可劃分為 P、L、S、C、X、Ku、Ka、W 波段的 振蕩器。根據(jù)振蕩器工作帶寬又可分為寬帶與窄帶的形

24、式。2 、根據(jù)器件類型劃分1 ）雙極晶體管振蕩器；2 ）場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器；3）微波二極管（體效應(yīng)管、雪崩管等）振蕩器。 微波二極管是單結(jié)器件，由它構(gòu)成的振蕩器又稱單端口振蕩器。雙極晶體管 （BJT） 和場(chǎng)效應(yīng)管 （FET） 都是雙結(jié)器件，由它們構(gòu)成的振蕩器稱作 雙端口振蕩 器或微波晶體管振蕩器。3 、按照電路形式分1 ）同軸腔振蕩器；2 ）波導(dǎo)腔振蕩器；3）微波集成（或混合集成）振蕩器（含微帶、鰭線）；4 ）微波單片振蕩器（ MMIC OSC. ）。4 、按振蕩器調(diào)諧方式分1 ）機(jī)械調(diào)諧振蕩器；2 ）偏置調(diào)諧振蕩器；3 ）變?nèi)莨苷{(diào)諧振蕩器；4 ）YIG 調(diào)諧振蕩器；5 ）數(shù)字調(diào)諧振蕩器；6 ）光

25、調(diào)諧振蕩器。5 、按穩(wěn)頻方式分按穩(wěn)頻方式可分為穩(wěn)頻振蕩器與一般振蕩器，而穩(wěn)頻振蕩器有以下幾種形式1 ）晶體穩(wěn)頻源。即晶振激勵(lì)的倍頻微波源；2）高 Q 腔穩(wěn)頻源，又分為同軸腔、波導(dǎo)腔、介質(zhì)諧振器穩(wěn)頻源；3 ）鎖相穩(wěn)頻源，又可細(xì)分為注入鎖相穩(wěn)頻源、環(huán)路鎖相穩(wěn)頻源、取樣鎖相穩(wěn)頻 源諧波混頻鎖相穩(wěn)頻源等。其它還可根據(jù)功率大小、 相位噪聲高低等性能來(lái)劃分振蕩源。 實(shí)際中常常是綜合 上述諸性能來(lái)分類，以比較全面反映微波固態(tài)源的特性。5.2.2 雙端口負(fù)阻振蕩器的分析1、用 S 參數(shù)分析法根據(jù)前述內(nèi)容我們知道， 無(wú)論是微波雙極晶體管或場(chǎng)效應(yīng)晶體管， 都可以視為一 個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)， 在適當(dāng)端接下， 均可以構(gòu)成振

26、蕩器。 雙端口振蕩器負(fù)阻的形成可以通 過(guò)器件內(nèi)部基建電容的正反饋， 外部電路的正反饋或內(nèi)外電路相結(jié)合的反饋網(wǎng)絡(luò)， 但 要求反饋的相位和幅度適當(dāng)，才能產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩。因此，從反饋角度考慮，雙端口 振蕩器又稱為反饋振蕩器。 換句話說(shuō)， 無(wú)論用正反饋概念或負(fù)阻概念分析微波晶體管 振蕩器，其本質(zhì)都是相同的，只是負(fù)阻分析方法更漸變而已。從設(shè)計(jì)角度看， 雙端口振蕩器的設(shè)計(jì)和放大器的設(shè)計(jì)很相似。 它們都是以測(cè)試指 定頻率和指定偏置下的器件 S 參數(shù)為基礎(chǔ)，且負(fù)載和匹配網(wǎng)絡(luò)幾乎沒(méi)有什么差別。所不同的僅僅是放大器工作于負(fù)反饋狀態(tài)， 一般 S11 、S22 都小于 1 ，穩(wěn)定系數(shù)大于 1，所以便于用一般的史密斯圓

27、圖或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，屬于線性電路設(shè)計(jì)范疇。而振蕩器工作于強(qiáng)非線性狀態(tài)。不能簡(jiǎn)單的用小信號(hào)S參數(shù)分析。為使窄帶情況下振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。2、起振條件一個(gè)雙端口負(fù)阻振蕩器示于圖5.2。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Sii、S12、S21、S22表示。設(shè)兩個(gè)端口上連接的傳輸線 特性阻抗都為Zo,線長(zhǎng)都為零。（加g圖5.2雙端口振蕩器原理圖設(shè)輸入阻抗為Z/Rin+jXin，輸入端反射系數(shù)為in，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

28、數(shù)為g。在圖5.2中同時(shí)示出了晶體管的輸出阻抗 Zout、 輸出端反射系數(shù)r out、負(fù)載阻抗 乙及負(fù)載反射系數(shù)r L。設(shè)雙端口網(wǎng)絡(luò)的入射波為ai、 a 2，反射波為b 1、b 2 0雙口網(wǎng)絡(luò)的散射參數(shù)定義為(5.4)b 1 =Sn a 1+S 12 a2b2=S 21 a1 +S 22 a2(5.5)由此可以求出雙口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)。禾I用上兩式和r L= a2/ b 2的關(guān)系可得到(5.6)同樣，利用式(5.4 )、( 5.5 )和口 = aj b 1的關(guān)系可得到(5.7)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) k>

29、;1, S 11 '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(5.8)(5.9)(5.10)式中 D=S 1 1 S 22 -S 1 2 S 21 。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|昭和I心都小于1，這意味著|S 11>1,|S 22'>1 o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 k<1 。這相當(dāng)于單口負(fù)阻振蕩器的起振條件。而

30、式( 5.9 )或 ( 5.10 )表示振蕩器的幅相平衡和穩(wěn)定條件。3 、 輸出功率Pucel 等指出 FET 放大器的功率飽和特性可以用式( 5.11 )估算。(5.11)其中，Go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5.3 壓控振蕩器的設(shè)計(jì)壓控振蕩器(VCO )是電壓一一頻率轉(zhuǎn)換器，其瞬時(shí)頻率3

31、 (t)受到環(huán)路濾波器輸 出誤差電壓Ud(t)的控制，3(t)= 3o+Kv U d(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)。5.3.1 主要元器件的選擇微波晶體管分為

32、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*10 11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?壓控元件，前者壓控特性的線性好，控制范

33、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，其線性范圍夠用.所以本設(shè)計(jì)選用變?nèi)莨堋?.3.1.1 振蕩管的選擇在本設(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)射極短路電流增益丨h(huán)fc I =1時(shí)的頻率。特

34、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，t是載流子在基極一一集電極耗盡層的渡越時(shí)間；T b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，T b越小，特征頻率越咼。晶體管的最咼振蕩頻率與特征頻率的關(guān)系表述如下：f max J- 8 RbC。其中Rb是基極擴(kuò)散電阻，Co是集電極一一基極結(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

35、10）f max。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（520 ） 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_AT-4141

36、1_19921101，V ce （集電極與發(fā)射極電壓）=12V, Ic （集電極電流）=20mA ， Frequency（可達(dá)到的頻率范圍）=0.10 7.00GHz ， Noise Frequency（噪聲頻率范圍）=0.10 4.00GHz。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

37、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531.2變?nèi)荻O管的選擇變?nèi)荻O管簡(jiǎn)稱變?nèi)莨?，是一種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。1、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)或金屬一半導(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,則等效電路如圖5.3(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

38、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 15 Qo 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=Cj0式中Cj0是外加電壓v=0時(shí)的結(jié)電容；©是P型和N型半導(dǎo)體接觸電勢(shì)，對(duì)砷化 傢變?nèi)莨芗s0.7V，對(duì)硅管，約0.35V o 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)，m>1/2。圖5.3 (b)表示了變?nèi)莨芙Y(jié)電容Cj隨

39、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Cj-v特性圖5.3變?nèi)莨艿奶匦噪娐放c Cj-v特性2、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)電容隨外加反向偏壓而變化,設(shè)對(duì)應(yīng)最大偏壓和最小偏壓時(shí)的結(jié)電容分別為Cmax Cmin ,則電容變比為t=C max /C mint愈大，表示結(jié)電容在一定電壓變化范圍內(nèi)相對(duì)變化量愈大,可實(shí)現(xiàn)電調(diào)范圍就愈寬。有些場(chǎng)合，也有用電容調(diào)制系數(shù)

40、丫表示變?nèi)莨芙Y(jié)電容的相對(duì)變化量，此時(shí)C max C minY=_2(C max C min )丫愈大，電調(diào)范圍也愈寬。2)品質(zhì)因數(shù)。變?nèi)莨艿钠焚|(zhì)因數(shù)定義為Q=2 fCjRs(5.12 )由于結(jié)電容C與偏壓有關(guān)，因此Q值隨偏壓而變，反向偏壓愈大，Cj愈小，則 Q值愈高。此外變?nèi)莨艿腝值還與測(cè)試頻率f有關(guān)，因此說(shuō)變?nèi)莨艿腝值時(shí)必須指 明頻率測(cè)試與電壓數(shù)值。3 ）截止頻率fc。變?nèi)莨艿腝值隨工作頻率的升高而下降，通常定義Q值等于1時(shí)的頻率叫做變?nèi)莨艿慕刂诡l率fc，由下式得1c2 CjRs 具有重要意義。此外還應(yīng)考慮到射頻電壓對(duì)變?nèi)莨艿淖饔茫?要求振蕩器工作在弱電平,截止頻率fc取決于變?nèi)莨艿膿p耗電阻

41、Rs及結(jié)電容Cj。一般規(guī)定在變?nèi)莨芊聪驌舸╇妷菏沟媒刂诡l率叫額定截止頻率，此時(shí)Cj=Cmin o由此截止頻率確定了變?nèi)莨芄ぷ黝l率的上限，一般工作頻率遠(yuǎn)小于 fc4 ）自諧振頻率fD o由圖5.3（a）可見(jiàn)，封裝變?nèi)莨艿牡刃щ娐肪哂兄C振電路的形式。由Ls、Cj、S、Rs組成的串聯(lián)電路為變?nèi)莨艿拇?lián)諧振電路，其自諧振頻率為D12 LsCj該圖中由Ls、C、Rs和Cp組成的并聯(lián)電路為變?nèi)莨艿牟⒙?lián)諧振電路，則并聯(lián)自諧振頻率為D212 LCpCj2 Ls Cp CjD1提高變?nèi)莨艿淖灾C振頻率對(duì)提高電調(diào)振蕩器的工作頻率、增大帶寬和降低噪聲都即射頻電壓小，相對(duì)激勵(lì)振幅低，使變?nèi)莨墚a(chǎn)生的諧波電容趨于零，這樣才

42、有可能獲 得純凈頻譜的振蕩，輸出低的調(diào)頻噪聲。鑒于對(duì)以上的這些考慮，應(yīng)盡量選擇品質(zhì)因素高地變?nèi)荻O管， 并且要求其反向 飽和電流盡量小。本電路設(shè)計(jì)采用的變?nèi)荻O管是ASI MV1404,其主要參數(shù)為，其最大電容為：90-144PF,最大Q值：200。其他參數(shù)如下表4.2，ADS庫(kù)中模塊見(jiàn)圖 4.4。12V-< f巧匸門(mén)*啊燈沖丹“巧“峠 | | 8511 1 *1,1111 脣朋W實(shí)孵希聲忌；帝檢骷罰搐 氐閻麺it樹(shù)匸啊滋加回卡d擬沁小!磁 I s II FD1Lnil表5.2 ASI MV1404 各參數(shù)振蕩電路形式的選擇圖 5.4 ASI MV1404 ADS 庫(kù)模型振蕩電路形式的選

43、擇一定組態(tài)下的微波晶體管可視為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，在適當(dāng)設(shè)計(jì)條件下均可構(gòu)成振 蕩器。按照振蕩器的機(jī)理分類，可分為反饋型振蕩器和負(fù)阻型振蕩器。 前者利用正反 饋把輸出信號(hào)的一部分以適當(dāng)?shù)南辔缓头确答佒凛斎攵耍匝a(bǔ)充振蕩中損失的能 量。后者是利用負(fù)阻器件在一定條件下對(duì)負(fù)載呈現(xiàn)負(fù)阻， 即等效為一個(gè)源來(lái)補(bǔ)充能量。 本質(zhì)上，正反饋必定在電路中引入負(fù)阻。 因此，反饋型振蕩器本質(zhì)上也是一種負(fù)阻振 蕩。雙口振蕩器負(fù)阻的形成可借助于器件內(nèi)部極間電容的正反饋，夕卜部電路的正反饋或內(nèi)部電路相結(jié)合的反饋網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)式（5.6 ）、（ 5.7 ），即雙端口網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的定義:S12S21Lin S111S22LS12S21

44、 goutS221 S11 g根據(jù)式（5.8 ），即振蕩條件表示為:21 S11 S222|S12S21|r rOut =1DS11S22S12S21又因?yàn)間幾=1,| ri<i通常輸入、輸出端口接的均是無(wú)源器件，也就是說(shuō):| ri<i.所以，這就意味著振蕩器應(yīng)滿足| Iin|<1（ 5.13 ）| IOut |<1（5.14 ）可以證明，（5.13 ）和（5.14 ）兩式中只要有一個(gè)成立，則另一式也必定成立，也就是說(shuō)，如果雙口負(fù)阻振蕩器中的任一端口發(fā)生振蕩的話， 則另一端口也必然振蕩， 通常我們選擇二個(gè)端口中的一個(gè)，使該端口反射系數(shù)的模大于1來(lái)確定系統(tǒng)的震蕩條件，其理

45、論依據(jù)就在于此。由可變電抗，振蕩管構(gòu)成的 VCO由六種基本的組態(tài)，如圖5.5所示。對(duì)于這些 組態(tài)，只有當(dāng)輸出端口的反射系數(shù)的幅值| IOut |>1時(shí)，才有可能產(chǎn)生振蕩。由式（5.7）可知輸出端反射系數(shù)r out與可變電抗的反射系數(shù)r g之間的關(guān)系為：out S22S12S21 g1 S11 g其中Sil、S12、S21、S22是各自不同組態(tài)下晶體管的小信號(hào) S參數(shù)，雖然振蕩器是一種大信號(hào)非線性器件。但按小信號(hào)處理完全可以準(zhǔn)確的求出振蕩條件， 并建立十 分接近于工作頻率的振蕩。振蕩器在起振時(shí)（輸出電平未達(dá)到穩(wěn)定值之前）事實(shí)上是 個(gè)小信號(hào)部件。如果不需要精確地確定輸出功率，則小信號(hào)設(shè)計(jì)足以

46、獲得相當(dāng)準(zhǔn)確的 振蕩頻率晶體管本身是三端口期間，但在平時(shí)使用時(shí)，往往使其一個(gè)端口接地而成為二端 口網(wǎng)絡(luò)。其小信號(hào)S參數(shù)可表示為：Sii S12（5.29） S21 S22在ADS軟件中設(shè)計(jì)了如圖5.6、圖5.7、圖5.8所示的三種組態(tài)的電路圖，并分別在數(shù)據(jù)顯示窗口（ Data Display ）中，輸入對(duì)應(yīng)的表達(dá)式，得出如圖5.9、圖 5.10、圖5.11所示的S參數(shù)圖"fonmTermlNifn=lZ_50 OhmTemnTerm?250 Ohm&p Til7 1011701ShP10ias=*B| Vce=8V fc=2fknAHFrequency-"0.10

47、- 4.00 GHZ*'I士圖5.6共基組態(tài)十 AAAXTcsrinn Terml丿SPSNP1Bias=-E3jt; Vce=8V lc=25mft"Frequency-0.10 4.00 GUT+|lfwrnS Ter m2 弋 Nlfn=2 z-sa ohmZ-50 orm圖5.7共射組態(tài)X-I LTerml Num=1Z=50Ohni綁 J飆 M2_HW!1201ShP1Bias"Bjt Vce=SV lc=2£>mA*Frequency=*0 10 -4.00 GRTrerm2Z=50Ot¥ii圖5.8共集組態(tài)3.00.5Z|1/

48、lJ 1 R 11.01.52.02.53.03.5freq, GHz4.0.60"一一"'1 H 1i T » iIII!11 Ii i r i T 1'圖5.9共基組態(tài)的S參數(shù)圖.55.5045405freq, GHz圖5.10共射組態(tài)的S參數(shù)圖1.10freq, GHz圖5.11共集組態(tài)的S參數(shù)圖根據(jù)微波晶體管的S參數(shù)的穩(wěn)定條件判斷依據(jù)|S11|v1,|S22|<1, 我們可以很 清楚的看出3種組態(tài)的穩(wěn)定性。但是作為振蕩器，正是需要利用晶體管的不穩(wěn)定性， 才能很好的振蕩。所以我們選擇這兩個(gè)參數(shù)都大于1的結(jié)構(gòu)。從以上的三個(gè)組態(tài)的S參數(shù)圖中

49、，可以明顯看出，共基組態(tài)的S(1,1),S(2,2)都大于1，也就是說(shuō)不滿足三級(jí)管穩(wěn)定條件，而共射組態(tài)的S(1,1),S(2,2)均小于1三級(jí)管穩(wěn)定，不能振蕩；共集組態(tài)的S(1,1)在某個(gè)頻率范圍內(nèi)大于1，但S(2,2)小于1， 也不適合做振蕩電路。鑒于此，本設(shè)計(jì)選用共基電路，這樣可以在不降低諧振回路的 有載Q值的情況下，保證VCO有一定的調(diào)諧寬度。對(duì)共基、共集、共射三種組態(tài)振 蕩電路的研究實(shí)踐表明：共集電路盡管易于起振，但不夠穩(wěn)定，容易產(chǎn)生跳?，F(xiàn)象。 相比之下共發(fā)射極電路比較難于起振，共基電極電路不僅易于起振，且頻率穩(wěn)定性好， 相位噪聲性能優(yōu)越。論文中采用共基組態(tài)電路。5.322調(diào)諧回路的設(shè)

50、計(jì)對(duì)于變?nèi)荻O管調(diào)諧的VCO，確保其頻率一電壓特性的線性是非常重要的。而 變?nèi)荻O管在低頻端調(diào)諧靈敏度 Kv較大，而在高頻端Kv較小。因此頻率一電壓特 性曲線線性不好是變?nèi)荻O管 VCO的一個(gè)缺點(diǎn)。為了改進(jìn)這一缺陷，我在電路中采 用了一電容與變?nèi)荻O管串聯(lián)的優(yōu)化方法。變?nèi)荻O管的特性曲線如圖5.12所示圖5.12變?nèi)荻O管特性曲線從圖中可看出頻率低端的調(diào)諧線性較差。如果取一適當(dāng)數(shù)值的電容C g與變?nèi)莨艽?lián)，貝U總電容Cj表示為:(5.30)CgCjCgC j式(3.29 )可改寫(xiě)成：Cj' =C g/(1+C g/C j)只要選取合適的Cg值，則該電容的串入對(duì)V中左邊的曲線（AB段），

51、特別是對(duì)Vmin附近Cj的影響比V中右邊曲線（AC段）大得多。圖中虛線部分即表示串入電容Cg修正后的特性曲線。這一措施使低頻端的調(diào)諧線性得到了很大的改善。該Cg值的大小可借助于計(jì)算機(jī)分析粗值，在實(shí)際應(yīng)用中，采用可變電容，通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整達(dá)到最 佳值。電路的結(jié)構(gòu)與分析依照上述設(shè)計(jì)思想，在 ADS軟件中首先設(shè)計(jì)出如圖 5.13所示的1.8GHz到 2Ghz壓控振蕩器電路圖。其中：AT 41411晶體管;MV1404 為變?nèi)荻O管;Vtune為控制電壓KFl微波晶體管偏置電路的設(shè)計(jì)如同振蕩器射頻電路設(shè)計(jì)一樣重要。 因?yàn)樗P(guān)系到微 波振蕩器的穩(wěn)定性、相位噪聲、功率及效率的高低，所以必須認(rèn)真慎重地設(shè)計(jì)偏置電

52、 路，并選擇最佳直流工作點(diǎn)，以達(dá)到較好的射頻性能。C20=10000 fliFClOlOOpF郵a驗(yàn)他1昭如 01iLZLMOO.OhHR-<22SNPIFwfUWicyfD I I ii« 4 0Q)GHrL3L=210nHL=10Q G UHR-691V JIJC襯 SRC2三 Vdc-5 VT voc-SRC3 VdCP 12.0 V圖5.13 1.8GHz到2Ghz壓控振蕩器電路圖本振蕩器通過(guò)改變Vtune的值來(lái)控制變?nèi)荻?jí)管 mv1404的電容值，以達(dá)到該VCO在1.8GHz到2Ghz振蕩的目的。下面利用 ADS軟件對(duì)本振蕩器進(jìn)行性能分5.4壓控振蕩器電路的仿真分析5

53、.4.1 ADS軟件的運(yùn)用5.4.1.1 ADS 簡(jiǎn)介ADS(Advaneed Design System)軟件即高級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件是惠普公司提供的從電路、電磁仿真到數(shù)字信號(hào)處理分析以及物理設(shè)計(jì)等全方位的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的EDA軟件包。它包括:1）通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件可以進(jìn)行射頻系統(tǒng)仿真，信號(hào)處理仿真，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并包含信號(hào)處理矩陣模型， 射頻系統(tǒng)模型，天線與傳輸系統(tǒng)模型和數(shù)字I/P集成組件。2）DSP軟件：包括適應(yīng)波形比較器，VHDL或Verilog模型編碼發(fā)生器。VHDL或Verilog仿真器和DSP綜合器。設(shè)計(jì)環(huán)境和數(shù)據(jù)可在DSP設(shè)計(jì)軟件包中顯示。3）RFIC設(shè)計(jì)軟件：可以對(duì)電路在時(shí)域、頻域及時(shí)域混

54、合域進(jìn)行諧波平衡、電路包 絡(luò)、高頻SPICE、線性和卷積等五種仿真。4）微波電路設(shè)計(jì)軟件：可以進(jìn)行線性仿真，諧波平衡仿真，統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)和電路版圖設(shè)計(jì)。軟件還帶有射頻系統(tǒng)模型，模擬模型，開(kāi)發(fā)組件，微波晶體管以及二極管庫(kù)。5）射頻印刷板設(shè)計(jì)軟件：可以進(jìn)行線性諧波平衡和電路包絡(luò)仿真，統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)和版圖 設(shè)計(jì)。同時(shí)也包含有源電路模型庫(kù)，多層交叉模型，系統(tǒng)模型庫(kù)，射頻晶體管庫(kù) 和有源表面封裝（SMT ）庫(kù)。本課題壓控振蕩器的設(shè)計(jì)主要用到微波電路設(shè)計(jì)軟件。5.4.1.2ADS 的基本結(jié)構(gòu)ADS的基本文件結(jié)構(gòu)如圖5.14所示simulation datamomentum datadesignDSP synthesi

55、sDRC dataschematiclayout圖5.14 ADS文件結(jié)構(gòu)Project: ADS 為每個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)都定義為一個(gè)工程Mom_dsn: 電路進(jìn)行分析后，所得到的結(jié)果保存在這一子目錄下。Networks: 所有的電路原理圖和版圖都保存在這一子目錄下。Synthesis: DSP 合成。Verfication: 對(duì)版圖進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則檢查后的結(jié)果都保存在這一子目錄下。5.4.2 壓控振蕩器性能分析考慮到現(xiàn)在射頻電路的發(fā)展趨勢(shì)以及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有硬件條件， 本課題分別設(shè)計(jì)了振 蕩頻率在 1.8GHz2Ghz 和 800MHz900MHz 的壓控振蕩器。并且對(duì)每一個(gè)振蕩 器進(jìn)行性能分析時(shí)分兩步進(jìn)行。第一步，對(duì)壓控振蕩器是否能夠振蕩進(jìn)行仿真檢驗(yàn)。 第二步，對(duì)壓控振蕩器的具體性能參數(shù)進(jìn)行仿真分析。5.4.2.1 1.8GHz2Ghz