混合参数高灵敏度微波GaAs FET压控振荡器的

叶海荣

图1　原理框图

　　若在端口1接入反射系数为Γ₁的负载Z_s，就会在端口2产生一反射系数S′₂₂。这一原理对端口2也适用，即有Γ₂，亦有S′₁₁。不难理解，它们的振荡条件为：

设这两式同时表示双端口振荡的边界条件，则网络S矩阵同建立振荡条件之间的关系为

反之也成立，证明如下：根据双端口网络S参数间的关系式可知，

即有

式中｜S｜为S矩阵的行列式。同理

又因S′₁₁Γ₁=1，则所以S′₂₂Γ₂=1。
　　同理可证：当S′₂₂Γ₂=1时，则有S′₁₁Γ₁=1。
　　上面的理论告诉我们，对于每一个Γ₂值，就对应某一个S′₁₁。如果在Γ₂值上导致振荡，就必然存在一个Γ₁值使得S′₁₁Γ₁=1。而且，这个Γ₁值也对应着一个S′₂₂值，使S′₂₂=1。因此，人们只要在端口1选择一组合适的Γ₁负载，使之在所需频带内都满足S′₁₁Γ₁≥1，在端口2设计一个合适的匹配网络，使振荡功率匹配输出。同时，在FET管和变容管上加自绕电感，即形成偏置电路，就可完成VCO的设计。
2.2　电路结构的确定
　　图2为电原理图，振荡器偏置电压为-9V，采用新型的反沟道共漏电路接法。这种接法的优点是输出功率大，频带宽，不产生多模振荡，散热好，单电源供电等。电调电压不超过+4V。按规定变换不同的调谐电压，VCO就在不同的点上振荡，且调频线性度好，性能稳定。
振荡器的振荡条件：

振荡频率：

其中L₀、C₀分别为振荡回路中的总等效电感与电容，其中包含集中参数和分布参数的元件。

图2　电原理图

2.3　电调带宽的分析电调带宽是VCO的主要技术指标之一，影响电调带宽的主要因素是：1)变容二极管的性能，包括变容比、变容管输入形式、变容管上的振荡电压等；2)微波晶体管GaAs FET的性能，包括它的频带振荡区域、最高振荡频率和等效输出电容等几个方面对带宽的制约；3)振荡电路中微带传输线的影响。前两种问题可通过优选变容管和微波晶体管来解决，后者可通过电路调试并改进微带传输线电路的设计来优化。


　　3　着重解决的技术问题
　　设计大频偏的VCO，至今还没有一种较精确而简便的方法。过去曾采用以负阻入手的等效电路法。这种方法对耿氏管(Gunn)或雪崩二极管(IMPATT)的VCO还可适用，而对比二极管复杂得多的三极管VCO就有困难了，且频率越高，困难越大，这是因为此时的器件和电路元件都表现为分布参数，场效应晶体管的特性很难精确地表征，也就无法精确地等效。但若采用分布参数和集总参数混合技术进行设计，设计就变得精确而简便了。在这种思想指导下，本振荡器在研制中着重解决以下两方面技术问题。
3.1　频带与频宽问题
　　为了做到宽频带电调，且使压控灵敏度K值大，我们采用了如下措施：
　　①腔体自激频率要选得高些，使它离开工作频带范围远点，以便消除频带内的不连续现象，为此选用较小腔体尺寸为宜。本振荡器的腔体尺寸为50×45×15(mm³)，稍作调整，腔体体积还可减小1～3m³以上。
　　②采用部分集总参数L、C元件，使元件与工作波长无关，保证宽带工作，且电路尺寸也减小了。
　　③GaAs FET管子采用反沟道共漏电路接法，输出功率大，效率高，散热性好。
　　④引用了L、C串并联频率补偿，以拓宽频带。
3.2　振荡功率的宽频带匹配问题
　　在样品中，已做到在较宽频带内直接输出大于100mW的微波振荡功率，这在国产GaAs FET管中是不多见的，样品频带内的功率不平坦度为1.5倍，改进一下匹配电路，平坦度可提高到1.1～1.2左右。
3.3　压控灵敏度问题
　　为了使频偏宽，即压控灵敏度K高，本振荡器已做到K=107MHz/V，这是一般分布参数振荡电路在此频段不易达到的。这得益于采用集总参数与分布参数相结合的电路设计技术。集总参数元件的参数动态变化快，便于做到工作频带宽和电路尺寸小。已经做出了工作在4GHz左右的集总参数电感，并应用到了电路上。

4　研制结果
　　所研制出的VCO样品尺寸小，工作频率及输出功率稳定，频带内无寄生振荡的干扰。
4.1　测试框图
　　所研制VCO的测试框图见图3。

图3　测试框图

4.2　达到的主要技术参数
　　频率范围　　　　　　3.95～4.352GHz
　　输出功率

图4　P_out～f曲线

图5　f～V_d曲线

表1　电源电压-9V

参　考　文　献

　　1　S