微波振荡器

微波信号发生器的核心部件

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。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。

产品简介

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。

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，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。

基本原理

微波振荡器从电路结构上可以分为反馈型和负阻型两种。反馈型振荡器主要用于低频电路系统，而负阻型振荡器主要用于高频电路系统。所以负阻振荡电路比较适合于射频、微波等频率较高的频率范围，可以利用负阻原理分析和设计微波振荡电路。

在一定电路组态下的微波晶体管可视为一个二端口器件。给予晶体管特定端接地时，由于非线性负阻特性从而构成双端口负阻振荡器。一个双端口负阻振荡器等效网络包含有源器件（BJT）及反馈电路、谐振网络和输出网络，如图2所示。图中Zr，Zin，Zout和ZL为各端口看进去的输入阻抗，Гr，Гin，Гout和ГL分别表示各端口的反射系数。

假设谐振网络的输入阻抗Zr=Rr+jXr，晶体管网络的输入阻抗Zin=Rin+jXin。根据振荡原理，在没有输入信号，而仅仅依靠电路内部微弱噪声起振的初始状态时，需要满足起振条件：

并且相位相等：

如果谐振器具有较高Q值，它就可以控制振荡器的工作频率。在起振之后，1/Гin会逐渐增加并最终满足下式的关系。|Гr|应该尽可能大。

为了能够将最大的功率传输至负载，起振时，输入阻抗需要满足：

起振后负阻会随振幅的增加而线性减小，最终达到稳定状态并满足：

而另一个重要条件是晶体管的稳定性，要发生振荡，晶体管电路需要在全频带或者至少在工作频段不稳定，用稳定系数K<1表示：

式中S11，S12，S21和S22表示晶体管网络的S参数。其中，。

设计技术

直接模拟频率合成技术

直接模拟频率合成技术是由晶体参考源产生标准参考频率，再经谐波发生器产生一系列谐波，然后经混频、分频和滤波电路等处理产生更多的频段和频点。直接模拟频率合成技术的模拟电路比较多，电路设计复杂，而且也会带来一些杂散、谐波和次谐波，且都很难抑制。

间接频率合成技术

间接频率合成是指利用锁相技术实现频率合成，它运用负反馈的方法把一个电调谐振荡器（如压控振荡器或介质振荡器）与参考信号相联系，实现输入、输出信号的同步及频率变换。锁相环路是根据反馈网络的不同，可以分为混频锁相环、分频锁相环和小数分频锁相环。随着电子技术和电子元器件水平的提高，集成度越来越高，整数分频器和小数分频器已同时集成到锁相芯片中。在频率合成领域，锁相环路已得到广泛的应用。

数字频率合成技术

数字频率合成技术与其他频率合成技术在方法上有很大不同，数字式频率合成（DDS）技术是利用全数字技术和计算技术相结合实现的新一代频率合成技术。DDS主要由相位寄存器、相位累加器、正弦查询表、数模转换器、模拟滤波器组成。DDS在时钟频率下，控制每次的相位增加量并累加输出一个相位序列码，在相位累加器中完成，然后通过查询正弦波形，把相位序列码转换为幅度序列码，再把幅度序列码通过DAC转换成阶梯波形，最后经过模拟滤波器形成正弦波。因此，改变相位增量就可以改变DDS的输出频率值。DDS的频率变化由数字器件的响应速度决定，可达到几纳秒。

现代频率合成技术

现代频率合成技术是将模拟技术、数字技术、光学技术和计算方法相结合，根据频率合成器的技术指标把直接频率合成技术、锁相环（PLL）、直接数字频率合成技术（DDS）等成熟的频率合成技术与新型的振荡器（如YIG调谐振荡器、介质振荡器DRO和光电振荡器OEO等）和新的工艺技术合理组合，使得微波振荡器的频谱纯度、频率切换速度和输出频率范围等技术指标满足不同场合的应用。尤其是，基于微波光子学由光生微波的方法也快速发展，可以实现的方法有：光谐波法、光电振荡器法、光外差法、相位调制器法等，这些频率合成技术为合成微波毫米波及亚毫米波频率的信号提供更广阔的空间。

产品分类

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（MMIC VCO）。

（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）MMIC VCO超小型微波源：第二个发展成就是超小型微波振荡器方面。MMIC VCO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。

MMIC VCO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MMIC VCO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HBT VCO，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。振荡频率越来越高，已扩展到50GHz以上，输出功率随频率的升高而变化的情况如图4所示。

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GaAs FET-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-P DRO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，成为微波集成振荡器的主流。

（2）压控介质微波源VC DRO：应用于窄带调制通信系统、调频雷达系统、锁相环路系统的VC DRO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FET VCO：上述的FET VCDRO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MIC VCO也蓬勃发展起来。虽然其主要性能不如VC DRO，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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