介质振荡器的工作原理

介质振荡器的工作原理 应用介质谐振器可以出一种频率稳定性好、Q值高和噪声低的新型微波振荡源，这种振荡源称为介质振荡器(Dielectric Resonator Oscillator,简称DRO)。介质振荡器的主要优点是频率稳定度高、噪声低、体积小、结构简单、价格低廉、对机械振动和电源瞬间过程不敏感，并且在一到几十GHz频率范围内，可直接产生所需频率的振荡而无需倍频。正因为如此，介质振荡器广泛用于各种通讯系统和测试设备中。 1 介质振荡器的电路形式 三端器件振荡器可采用共栅极、共漏极及共源极三种振荡电路方式，高Q值介质谐振器可以作为振荡电路的一个元件，也可以作为反馈元件和振荡电路负 ,5载的一部分，使振荡器在温度范围内，频率温度稳定性可达量级。0~50C10DRO比倍频锁相式振荡器或分频锁相式振荡器的频率温度稳定性略低，但可以满足大多数微波系统的要求，具有体积小、电路不复杂、功耗低、可靠性高和没有低于主振频率分谐波干扰的优点。按照电路结构，介质稳频振荡器电路形式主要有以下几种。 ? 反应型DRO:又称为加载带阻滤波器型DRO。属于迫稳型DRO，即在去掉介质谐振器(DR)后电路仍能振荡的类型。当有足够的、合适的反馈时，在希望的频率范围内振荡。其振荡频率由输出端的介质谐振器来稳定。这种振荡器结构简单，方法简单易行，有利于小型化。缺点是由于该设计方法本身的原因，这种振荡器通常有很高的杂散，不能提供低相噪，而且容易跳模，频率迟滞，频率易受输出功率变化的牵引，但有时也被采用。 ? 并联反馈型DRO:属于自稳型DRO，既去掉DR，电路将停振。在自稳型DRO中，DR既是定频元件，又是反馈元件，这种振荡器用得最多。自稳型DRO结构简单，易于小型化，较大地提高了效率。与迫稳型DRO相比较，有较强的抗跳模，抗迟滞效应的能力。并联反馈型DRO的工作原理类似于晶体振荡器，它是利用介质谐振器作为选频反馈网络，以达到产生振荡和稳频的双重目的。这类振荡器可视为具有正反馈的FET放大器，其DR作为确定频率的正反馈元件。并联反馈型DRO在设计上可以用正反馈放大器理论分析设计，也可以用S参数设计，使其满足负阻振荡条件;还有用三端口网络理论来进行设计的。这些是并联反馈型DRO的优势之一，它的优势还在于工作稳定，有载Q值高(这主要相对于串联反馈型DRO(以下将介绍到)而言，串联反馈型DRO只与一条微带线耦合，而 并联反馈型DRO要与两条微带线耦合，其耦合系数不相等，增加校准频率的困难，但恰是因为是并联反馈，提高了电路的有载Q值)，相位噪声低，结构简单，便于精确计算。它的缺点在于建模复杂，在电路的调试时调试的余地较小。 ? 传输型DRO:属于自稳型DRO，它是DRO的另一种常用电路形式。振荡管输出微带线的终端接匹配负载，这样，稳频介质谐振器失谐时，电路不会产生任何振荡。电路正常工作时，其振荡频率主要由介质谐振器来决定，振荡功率通过介质谐振器传输给负载，故这种电路称为传输型稳频振荡器。这种电路无滞迟区域。并联反馈型和传输型这两种DRO都是利用两条微带线之间的介质谐振器在放大器设计的输入和输出端提供频率选择性反馈环路。通常，这两种结构的电路在调试时都不允许有太多的调整，在仿真器中建模很复杂。 ? 反射型DRO:又叫串联反馈型DRO，属于自稳型DRO。这种振荡器采用负阻的概念，将介质谐振器放在与不稳定放大器输入端相连的微带线的另一终端附近(即DR耦合加载网络)。在其谐振频率附近，介质谐振器将功率反射回放大器，从而在与它相接的两个元件之间建立振荡。在这种结构中，谐振器与传输线之间的耦合更容易建模，杂散振荡也更容易得到避免。缺点是这种结构的DRO对匹配要求相当苛刻，相位噪声也不如并联反馈的好。目前，此种结构的DRO也是应用较为广泛的DRO之一。低功率、固定频率的微波振荡器构成了地面通信、雷达和电子战系统里必不可少的一部分。随着科技不断的发展，越来越需要性能更好的振荡器。因此，一些新型介质谐振振荡器不断涌现，主要有以下几种: 1)PUSH-PUSH结构的DRO:由于晶体管和场效应管的工作频率都有上限，当需要的频率超过了这一限制时，普通的DRO结构无法满足要求。这时可采用该结构的DRO。实践明，使用该结构甚至可以使DRO的振荡频率超出有源器件本身的最高工作频率。这种电路的关键在于，要求两个网络绝对对称以获得对奇次分量的很好抑制，从而使电路正确工作。 2)同轴传输线结构的DRO:因为同轴线消除了通过孔到地的需要，并且它可以自由选择传输线的尺寸以获得希望的阻抗，因此，用同轴线结构代替微带线构的DRO是近年来在频率很高的应用场合中越来越受欢迎。 3)回音廊模式的DRO:微波频率时，通常模式的介质谐振器尺寸过小，Q值太低，这时更优先使用回音廊(WG, Whispering Gallery)模式的DR。当使用WG模式时，其尺寸变得足够大，从而提供了很明显的优势，如杂散模的高抑制性，高品质因数，对导电材料边界的近似迟钝等。采用这种介质谐振器的振荡器具有优秀的相噪指标，好的输出功率和高的频率温度稳定性。以下具体对串联和并联反馈电路做具体的分析。 1.1 串联反馈型介质振荡器的工作原理: 串联反馈型介质谐振器振荡器电路结构原理图如图3.1所示。串联反馈型介质振荡器优点是DR位置易于调整，原因是它只耦合于微带线的一侧，正因为如此，振荡器的输出频率对介质谐振器的位置很敏感。串联反馈型介质振荡器有共发射极、共集电极和共基极三种电路组态，如图中(a)、(b)、(c)。这种DRO由有源网络、DR耦合加载网络以及输出匹配网络组成(偏置电路图中未画出)。由于DR如同一个反射谐振腔一样，对来自晶体管的输入信号产生反射，故也称它为反射型DRO。 (a)共发射极电路 (b)共集电极电路 (c)共基极电路 图1 串联反馈型DRO的电路原理图 当稳定系数k>1时，在发射极加入一段微带开路线作为负阻的反馈元件，以 `达到k<1的目的。图1中，处介质谐振器的等效电路如图2所示。 BB 图2介质谐振器等效电路 振荡器的振荡频率与介质谐振器的无载Q值、谐振频率、藕合系数、微带, ,线电长度等因素都有关。 1 1.2 并联反馈型介质振荡器的工作原理: 并联反馈型介质振荡器的基本组成如图3所示。实际上，各种晶体管振荡器均有反馈，尤其是微波晶体管的内反馈较大，单向性差，即使电路在形式上没有反馈网络，但在适当的短接条件下就能产生振荡，像一个负阻振荡器那样。并联反馈型介质谐振器稳频振荡器，它是利用介质谐振器作选频反馈网络，以达到产生振荡和稳频的双重目的。在并联反馈结构中，DR同时耦合于微带线的两侧并且通常采用高增益放大器，允许DR与微带线间耦合极松，使DR具有一个较高的有载品质因数值，从而使振荡器有较低的相位噪声.并联反馈型介质谐振器振荡器的电路形式通常如图4(a)所示，图4(b)是对应的微带电路形式的振荡器。 图3 并联反馈型振荡器的基本组成 图4 并联反馈型介质谐振器振荡器电路 在设计并联反馈型介质谐振器振荡器时，为了获得理想的稳频效果，必须采 SS用单向性好的晶体管，即管子的应尽可能地小，希望趋于0，否则，由于1212 管子地内反馈作用，将无法实现预期地稳频性能。因此，这种振荡器电路中地晶体管常用微波场效应管(FET)，而不用微波双极晶体管。除此而外，为了能产生 ,振荡，并有足够大地功率输出，在工作频率上的放大器功率增益必须大于介, ,质谐振器反馈网络地功率传输系数的绝对值，即: (1) ,,,, ,当前功率场效应管在和波段的功率增益均可大于此值，约为8dB左右，X0 所以在十几GHz以下的频率均可采用这种振荡器电路。关于并联反馈型介质谐振器稳频振荡器的振荡频率，可用图5的近似等效电路来分析求得。 图5 反馈型稳频振荡器的近似等效电路 CC设放大器的输入和输出电容分别为和，它们通过介质谐振器与放大器0i 的 LL输入和输出传输线间的互感和，反映至谐振器等效回路中的电抗分别是: mimo 2XLCkZRC,,,,, (2) imiiiiri0 2XLCkZRC,,,,, (3) omooooro0 ZkZk式中，和分别是放大器输入和输出传输线的特性阻抗，和分别是0oi0io 谐振器与输入和输出传输线间的耦合系数。 22,Lmi (4) ,kiZR0ir 22,Lmo (5) ,koZR0or 这样，电路的振荡频率可按上图3.5的等效电路，由式(6)决定: 1,LXX,，，,0 (6) rioC,r ZZZ,,当放大器的输入和输出线的特性阻抗相等时，即,上式解000io 得: ，，,Zr0 (7) 1,,，kCkC,,，，riioo,,2Q，， 在反馈型稳频振荡器中，反馈介质谐振器与输入和输出线间的耦合一般是松 kk耦合，即和都比较小，由公式(7)可知，该振荡器的频率主要由介质谐振器的io w谐振频率来决定。因此可得出两个结论:第一是这种振荡器有很宽得调谐带宽，r 从理论上讲，它得调谐范围主要由，只要满足该不等式就能产生振荡;,,,, 其次是振荡器的频率稳定度主要由介质谐振器得频率稳定度决定，因为由(7)式可得: ,Z,,,,r0r ,,,，,kCkC (8) ，，iioo2Q,,r 从理论上来说，这种振荡器仅有一个谐振回路，所以不会产生滞迟特性，而是单频振荡工作的，但是实际电路中有可能存在寄生回路，为防止寄生振荡，在场效应管的栅极电路中通常加有匹配电阻。 总之，具有优异的相噪指标、好的频率温度稳定性、高输出功率和工作频率、宽线性调谐范围的介质谐振振荡器是介质谐振振荡器未来的发展趋势。