[科普中国]-微波振荡器

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。1目前，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。

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。1

目前，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。1

因此，现在的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。1

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。2

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