CN106685360A - 一种宽频段微波电压控制振荡器 - Google Patents

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郭晓东
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Abstract

本发明公开了一种宽频段微波电压控制振荡器，采用正偏BE结晶体管的变容结构构成调谐网络，其偏置电压、变容范围、电容值及变容比可以在很大的范围内调整，保证了电压控制振荡器的调谐带宽，降低由于分布参数对电路的影响，降低MMIC布线难度。偏置网络采用偏置电阻、扼流电感以及滤波电容，除了给晶体管供电外还承担了滤出高频纹波的功能。集电极与射极之间采用分布参数做两个极之间的电容使调谐更加容易。本发明结构简单，成本低，有效解决了电压控制振荡器(VCO)在微波低频段通常难以单个变容管实现宽调谐的局限。

Description

一种宽频段微波电压控制振荡器
技术领域
本发明属于微波技术、微波电路领域，具体涉及一种宽频段微波振荡器
背景技术
随着射频电路小型化、低功耗要求的日益加强，随着现代通信技术的日益发展，使用单片微波集成电路(MMIC)方案设计和制造的压控振荡器(VCO)，成为包括军用器件在内的各类频率源的基本电路核心。一个低相位噪声，宽调谐范围，大输出功率，高效率，高集成度的压控振荡器几乎决定了通信系统所能达到的最高性能。振荡器由于其谐振电路的固有窄频特性，实际应用中成为最迫切需要调谐的器件，过去电压控制振荡器(VCO)中，变容电路大多采用反向偏压的变容二极管作为压控器件。然而，在用实际工艺实现电路时,会发现变容二极管常常会影响电路的性能。于是，人们便尝试采用其它的器件来代替一般的变容二极管,晶体管变容便应运而生。在高集成度的单片微波集成电路(MMIC)中，由于在基片上制作一只晶体二极管(BJT)或场效应管(MOSFET)其成本很低，因此在压控振荡器MMIC中，常用BJT的BE结来实现变容功能。晶体管的BE结相当于一个PN结，当外加反偏电压后，其势垒电容随反偏电压增大而减小。然而使用BE结作为变容管其电容值较小，单个变容管在微波低频段通常难以实现宽调谐，所以在VCO中人们常常使用多个变容管组成阵列来实现宽调谐，其结构复杂，设计和制作存在一定的困难。
发明内容
本发明的目的是为了解决电压控制振荡器(VCO)在微波低频段通常难以实现宽调谐的局限，而提出一种有效实现宽调谐的电路。
本发明采用的技术方案如下：一种宽频段微波电压控制振荡器，由调谐网络、偏置网络一、晶体管、反馈电感、偏置网络二、匹配网络及负载构成，其特征在于，所述的调谐网络一端接地，另一端接偏置网络一和晶体管的发射极，所述的偏置网络一另一端接地，所述的晶体管基极接反馈电感，集电极接偏置网络二和匹配网络，所述的反馈电感另一端接地，所述的偏置网络二另一端接地，所述的匹配网络另一端接负载，所述的负载另一端接地。
进一步的，所述调谐网络为一晶体管正偏BE结的变容结构，其偏置电压、变容范围、电容值及变容比可以在很大的范围内调整，确保电压控制振荡器的调谐带宽。
进一步的，所述晶体管使用双电源供电，以提高放大管供电稳定性，降低由于分布参数对电路的影响，降低MMIC布线难度。
进一步的，所述晶体管的基极引入电感正反馈，以方便完成调谐和降低相位噪声。
进一步的，所述偏置网络由偏置电阻、扼流电感以及滤波电容构成，除了给晶体管供电外还承担了滤出高频纹波的功能。
进一步的，所述匹配网络除了给输出功率做匹配外，同时承担了降低幅度噪声和衰减调幅噪声的作用。
进一步的，所述集电极与射极之间并没有单独引入电容，其原因是使用分布参数做两个极之间的电容以使调谐更加容易。
进一步的，所述扼流电感和滤波电容值的取值应依据电路中需要滤除的杂波频率分量确定。
进一步的，所述电压控制振荡器电路，除晶体管以外全部由集总参数元件构成，方便制作单片集成电路。
本发明的有益效果是，采用正偏BE结晶体管的变容结构构成调谐网络，其偏置电压、变容范围、电容值及变容比可以在很大的范围内调整，保证了电压控制振荡器的调谐带宽。晶体管使用双电源供电，以提高放大管供电稳定性，降低由于分布参数对电路的影响，降低MMIC布线难度。偏置网络采用偏置电阻、扼流电感以及滤波电容，除了给晶体管供电外还承担了滤出高频纹波的功能。集电极与射极之间采用分布参数做两个极之间的电容使调谐更加容易。采用集总参数元件，方便制作单片集成电路。结构简单，成本低。本发明有效解决了电压控制振荡器(VCO)在微波低频段通常难以单个变容管实现宽调谐的局限。
附图说明
图1为宽频段微波电压控制振荡器电路结构示意图；
图2为调谐网络电路结构示意图；
图3为实施例调谐网络偏置电压与电容变化关系图；
图4、图5为实施例整体电路输出电压不同时的时域波形及其傅里叶单边谱，其中(a)为时域波形图，(b)为傅里叶单边谱图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的描述：
实施例
本实施例以宽频段微波电压控制振荡器电路为例进行说明
如图1所示，本例宽频段微波电压控制振荡器电路，包括调谐网络1、偏置网络一2、晶体管3、反馈电感4、偏置网络二5、匹配网络6及负载7。本例晶体管3采用HP公司的双极型晶体管AT41411，振荡器设计使用双电源供电。其中，射极一侧使用-5V电源供电，集电极一侧使用12V电源供电，使得总体保持集电极与射极之间的电压为8V。偏置网络一和偏置网络二均由偏置电阻、扼流电感以及滤波电容构成，偏置网络中电阻值使用仿真软件的优化方法进行求解，扼流电感和滤波电容值的取值应依据电路中需要滤除的杂波频率分量确定。调谐网络1如图2所示，左侧的控制电压经电阻限流导通HBT晶体管的BE结，使其发生正向偏置。BE结导通时利用其正向电容效应，产生端口阻抗的虚部，串联10pF电容用于将变容值限制在合理的范围。由于BE解正向导通时端口还有不小的纯阻性，因此又并联5pF电容目的为将这一端口电阻降到最低。调谐网络1测试结果如图3所示，当频率为2GHz，偏置电压从0V变到15V时，其端口电容的变化范围为5pF至15pF。本例整体电路的测试结果如图4、5所示，在偏置电压为0V时，输出电压的时域波形及其傅里叶单边谱如图4所示。电路经过10ns起振，振荡中心频率为2.409GHz，幅度为1.565，二次谐波频率为4.817GHz，幅度为0.443。当偏置电压达到15V时，经45ns后起振，振荡中心频率为1.605GHz，幅度为1.183，二次谐波频率频率3.209GHz，其幅度为0.100。虽然起振时间较之前变容管结构长，但是其谐波抑制能力依然保持了很高的水平。在控制电压从0V到15V扫描范围内，应用新型变容管的压控振荡器实现了从1.605GHz到2.409GHz的调谐范围，其相对带宽达到40.2％，对单管电压控制振荡器电路来说取得了很高的水平。
从理论分析和以上实施例可以看出，本发明宽频段微波电压控制振荡器采用正偏BE结晶体管的变容结构构成调谐网络，其偏置电压、变容范围、电容值及变容比可以在很大的范围内调整，保证了电压控制振荡器的调谐带宽，且具有结构简单、易于集成、成本低等优点，具有很大的实际应用价值。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种宽频段微波电压控制振荡器，由调谐网络(1)、偏置网络一(2)、晶体管(3)、反馈电感(4)、偏置网络二(5)、匹配网络(6)及负载(7)构成，其特征在于，调谐网络(1)一端接地，另一端接偏置网络一(2)和晶体管(3)的发射极；偏置网络一(2)另一端接地，晶体管(3)基极接反馈电感(4)，集电极接偏置网络二(5)和匹配网络(6)；反馈电感(4)另一端接地；偏置网络二另一端接地，匹配网络另一端接负载，负载(7)另一端接地。
2.根据权利要求1所述的宽频段微波电压控制振荡器，其特征在于，所述调谐网络1采用晶体管正偏BE结的变容结构，以使偏置电压、变容范围、电容值及变容在很大的范围内可调，确保电压控制振荡器的调谐带宽。
3.根据权利要求1所述的宽频段微波电压控制振荡器，其特征在于，所述晶体管(3)使用双电源供电，以提高放大管供电稳定性，降低由于分布参数对电路的影响，降低MMIC布线难度。
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