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微波压控振荡器的发展与选用
【进入博客】【进入论坛】   更新时间：2008年09月24日   浏览次数： 20   作者：   来源： 微波压控振荡器的发展与选用
 
云振新
 
（国营970厂，四川成都610051）
 
1引言    电子装置的高速化、宽带化和高频化，导致各种微波无线系统的出现。移动通信系统的工作频率，从第一代的150MHz、450MHz快速进入第二代的800MHz～1.9GHz、第三代（3G）的2.1GHz～2.2GHz。未来的第四代（4G）移动通信系统的工作频率将高达5GHz～8GHz。甚小孔径终端卫星系统（USAT）、无线局域网（WLAN）、本地多点分配系统（LMDS）、卫星通信系统、高清晰度电视传输系统和汽车防撞雷达系统均工作在微波频段高端和毫米波频段。现代和将来的微波无线系统不仅具有很高的工作频率，而且对小型化、轻量化、高性能化、多功能化、低功耗化和低成本化方面的要求不断提高且日益迫切。移动通信、手机、因特网、电子商务、无线接入系统及蓝牙系统与全球定位系统（GPS）的无线数据传输链路是提出这些要求的典型例子。
频率产生源是大多数电子系统必不可少的组成部份，更是无线通信系统的核心。VCO是频率产生源的关键部件。在许多现代通信系统中，VCO是可调信号源，用以实现锁相环（PLL）和其它频率合成源电路的快速频率调谐。VCO对电子系统的性能、尺寸、重量和成本都有决定性的影响。为了适应现代微波无线系统的要求和发展，人们利用先进的微电子技术、表面安装技术（SMT）和表面安装元器件（SMC和SMD）开发了许多工作频率高、性能优异、体积微小、价格合理的VCO产品投放市场，形成了新一代微波VCO系列。美国ZCommunications公司最近成功地开发出工作频率为5.22GHz～5.42GMHz,外形尺寸仅为1.27cm×1.27cm×0.33cm的表面安装VCO，就是微波VCO的一个例子。
开发微波无线系统时，人们将面临VCO的选择与使用这一重要问题。为了选好和用好VCO，一方面要全面、正确地理解VCO的技术规范，另一方面要了解VCO产品与技术的发展情况。VCO技术规范中给出多项性能参数，这些参数往往是相互关联的。我们不能一味追求某些参数的高指标而忽视由此引起的其它参数的劣化。此外，掌握VCO的最新发展动态，采用现代的、先进的VCO产品，这对提高系统的性能和水平无疑是十分重要的。
2VCO概述    VCO是一种其振荡频率随外加控制电压变化的振荡器。VCO的振荡电路和压控元件是多种多样的。微波VCO通常采用克拉泼（clapp）振荡电路并以变容二极管作压控器件。克拉泼振荡电路实际上是一种改进型电容三点式振荡电路。
VCO的有源器件既可以是硅双极型晶体管，也可是砷化镓金属－半导体场效应晶体管（GaAsMESFET），微波频段高端和毫米波频段的VCO通常采用GaASMESFET作有源器件，振荡频率的典型值大于10GHz。
改变VCO谐振电路的电容大小，振荡频率将发生变化。变容二极管的电容随外加电压的改变而变化。用变容二极管作压控器件，改变其控制电压就可实现VCO振荡频率的调节。电容随电压变化的范围较小的变容二极管通常在窄带VCO中使用。宽带VCO要采用电容随电压变化的范围较大的所谓超突变结变容二极管。
VCO通常以混合集成或单片集成方式，做成功能模块以供应市场，有插装型、同轴型、表面安装型等多种封装，外形尺寸规格多种多样。
3VCO的参数和特性    表1给出VCO的典型性能参数。正确了解VCO的技术规范和使用要求，对于在设计上用好这种器件是很关键的。下面介绍VCO电参数的特点和选用时应注意的问题。
3.1对VCO的一般要求    首先要弄清具体应用场合，需要的是VCO还是一般的振荡器。当设计人员希望通过外加控制电压来对振荡器的频率作一定范围的调谐时，就应选用VCO器件。其次，决定选用之后，就需确定VCO的电参数、外形尺寸和封装型式。
供应商提供的VCO产品很多，有各种外形尺寸和封装型式，参数水平也多种多样。VCO应具备所需的频率范围、外形尺寸和封装结构。除了要确保覆盖要求的调谐范围外，VCO还须提供适当的输出功率，相位噪声要最小，谐波电平和寄生噪声电平要低，调谐的线性要好，耐电源电压变化和负载变化的能力要强。当然，在满足各项性能要求的同时，VCO的价格也应合理。
3.2电压调谐与频率变化的关系    VCO的频率偏移值同加在其调谐电路上的控制电压大小有关。调谐电压的范围决定了可调效率的起始值和终止值。根据频率调谐范围的大小，VCO分为窄带和宽带两大类。窄带VCO常用可调带宽百分比，而不是用频率的起止值来表示调谐频率的范围。例如，一个中心频率为1GHz、带宽5％的VCO，其频率调谐范围为50MHz，也就是说，其起止频率范围为975MHz～1.025GHz。蜂窝电话所用的VCO多属窄带VCO。宽带VCO的频率调谐范围可达一个或多个倍频程，通常用起止频率值来表示。应当注意，窄带VCO调谐的线性性能要比宽带VCO的好。
3.3输出功率    VCO的输出功率是在50Ω负载条件下测得的，单位用dBm来表示。而且，在给出输出功率的时候，应同时标出调谐范围内输出功率的平坦度。例如，一个频率范围为1.9GHz～2GMHz、额定输出功率为＋7dBm、输出功率平坦度为±1dB的VCO，在调谐范围内，各频率点的实际输出功率有所起伏，最小输出功率可为＋6dBm，最大输出功率可为＋8dBm。进行系统设计时，对可能出现的最大输出功率和最小输出功率都应加以考虑。此外，由于有源器件的输出功率与温度有关，因此VCO的输出功率也将随温度的不同而改变。在选用VCO时，必须注意其输出功率的温度特性。
表1VCO的典型性能参数[1]
 
频率范围/GHz
 
输出功率/dBm
 
调谐电压/V
 
相位噪声（频偏10kHz/100kHz）/(dBc/Hz)
 
谐波抑制/dBc
 
调谐灵敏度/(MHz/V)
 
频率偏移/(MHz/V)
 
频率牵引（1.75：1 VSWR）/MHz
 
直流偏置/(V/mA)
 
0.5～0.6
 
0
 
0～5
 
－90/－115
 
－10
 
20～30
 
5
 
15
 
7/35
 
0.8～1.6
 
＋14
 
0～25
 
－95/－120
 
－10
 
40～60
 
1
 
15
 
12/35
 
0.9～2.2
 
＋12
 
0～25
 
－85/－110
 
－10
 
55～80
 
8
 
15
 
12/35
 
1～2
 
＋11
 
0.5～22
 
－95/－120
 
－10
 
40～60
 
5
 
15
 
12/35
 
1.1～2.2
 
＋13
 
0.5～25
 
－95/－120
 
－10
 
40～60
 
5
 
15
 
12/35
 
1.6～2.0
 
＋10
 
0～5
 
－90/－115
 
－10
 
80～100
 
13
 
10
 
5/35
 
2.56～2.8
 
＋9
 
0.5～8
 
－92/－117
 
－10
 
35～50
 
5
 
15
 
5/35
 
2.75～2.86
 
＋8
 
0.5～9
 
－93/－115
 
－10
 
15～25
 
5
 
15
 
5/35
 
3.2～3.32
 
＋2
 
0～5
 
－85/－110
 
－10
 
35～50
 
5
 
15
 
5/35
 
4.65～5.35
 
＋5
 
1～14
 
－80/－100
 
－10
 
100～130
 
10
 
20
 
15/20
 
5.35～5.75
 
＋9.5
 
1～4
 
－70/－97
 
－10
 
170～230
 
8
 
35
 
10/45
 
5.9～6.1
 
＋5
 
3～8
 
－70/－97
 
－10
 
130
 
10
 
20
 
10/20
 
 
3.4相位噪声    相位噪声是振荡器频率不稳定性的一种量度（在数字技术和光技术领域内常称为跳动）。VCO的相位噪声是双极晶体管、GaAsMESFET和调谐二极管等有源器件引起的。相位噪声是在载波频率的各偏移频率区中心处1Hz带宽内测量的，并用振荡器输出功率与其噪声功率的比值来表示，单位是dBC/Hz。相对于载波频率的频偏范围通常为1Hz～40MHz（受大多数商用测试设备限制）。当载波的频偏为10kHz时，相位噪声的典型值为－100dBc/Hz。随着频率偏离，载波频率的间隔不断加大，VCO的相位噪声将迅速下降。一般来说，当对载波的频偏超过1MHz时，相位噪声最终达到一个恒定的噪声电平，即所谓的噪声本底。
相位噪声是通信系统的关键参数，对高速数字调制通信系统尤为重要。例如，正交幅度调制（QAM）数字系统以不同的相位状态来代表数码。如果该系统的相位噪声过大，就会淹没数码，产生很高的误码率，造成数据的丢失。由此可见，相位噪声对通信系统的性能影响很大。要降低通信系统的相位噪声，设计上的一项重要措施就是选用高频率、低相位噪声的微波VCO。对数字微波系统、光通信系统和其它对相位有严格要求的系统来说，更要重视这方面的工作。
3.5谐波抑制与寄生信号    产生谐波是振荡电路必然出现的一种弊端。1GHz基波频率的振荡器还将产生2GHz二次谐波频率、3GHz的三次谐波频率及其它高次谐波频率的能量。谐波信号电平通常以抑制度（单位为dB）或谐波电平与载波输出电平的比值（单位为dBc）来表示。VCO谐波电平的典型值为－10dBc。除谐波信号之外，振荡电路在电源线路噪声这类外部干扰的作用下，还将产生寄生信号。同谐波信号相似，寄生信号电平也是用抑制度或寄生输出功率与载波基波电平的比值来表示。应当指出，寄生信号是信号中的非谐波分量。
3.6调谐灵敏度与调谐线性    调谐灵敏度和调谐线性对PLL和其它频率合成源电路的设计人员和使用人员来说都是特别重要的性能参数。在一定的调谐电压范围内，VCO的频率随调谐电压变化的特性，常用调谐灵敏度这一物理量来描述，其单位用MHz/V表示。根据VCO调谐范围和调谐电压范围的不同，调谐灵敏度可从几MHz/V变化至50MHz/V。调谐线性用来描述VCO的频率随调谐电压变化的函数关系所具备的特征。一般来说，理想的调谐线性曲线是一条直线，而且在调谐范围内没有“停振点”（在某一调谐电压下VCO停止工作）。
3.7频率偏移和频率牵引    电源电压的波动和负载的改变将引起VCO的频率发生偏移。频率偏移表示一定的电源电压变化所产生的频率偏移量。频率牵引则表示一定的负载电压驻波比（VSWR）条件下的频率偏移量。频率偏移用单位MHz/V表示。而频率牵引则用给定负载条件（例如VSWR=2.0:1）下的频率偏移值（例如10MHz或±5MHz）表示。实际上，频率偏移和频率牵引这两个参数分别说明VCO耐电压变化和负载变化的能力。从使用上讲，希望VCO有较强的抗电源电压变化和负载变化的能力，要求频率偏移和频率牵引具有较低的数值。
4VCO的发展动态[2][3][4]    为了适应现代微波无线系统发展的要求，VCO正不断向小型化、高频化、宽带化、高输出化和特性多样化方向发展。采用超小型元器件和先进的安装技术，实现VCO封装的微型化和表面安装化。通过晶体管的改进及振荡电路的开发，改善了小型化带来的谐振器Q值的降低和低功耗引起的特性劣化。第四代移动电话以及其它工作在微波频段高端的无线系统需要VCO进一步提高工作频率，实现VCO的高频化。开发工作频率更高的微波VCO是当前十分重要的热门课题，世界各先进国家的研究与开发都异常活跃。下面介绍近年来美国微波VCO的发展情况。
Z.Communications公司开发了多种VCO产品。V940ME11型VCO是为HIPERLAN无线局域网（WLAN）系统等不用申请许可证的国家信息基础设施（UNII）频段的应用系统而开发的产品。其频率范围为5.22GMHz～5.42GHz，表面安装型封装的尺寸为1.27cm×1.27cm×0.33cm，在＋0.5V～＋4.5V调谐电压范围内可实现200MHz频率调谐。最近，该公司采用CSP/0107封装和超小型0201无源元件封装技术，利用专有的薄膜技术、压控振荡器技术和先进的表面安装设备，开发成功用于无线系统的USSP系列超小型VCO。该系列VCO采用表面安装式封装，外形尺寸仅为5mm×5mm×1.6mm，其频率调谐、控制电压、功率耗散、相位噪声等关键参数都达到很高的水平。
SynergyMicrowave公司生产各种小型表面安装VCO系列产品，外形尺寸为1.27cm×1.27cm×0.56cm。该系列VCO产品包含多种型号，其工作频率从40MHz～100MHz一直延伸到6.1GHz。该公司除上述产品外，还生产其它表面安装式封装的VCO和插装封装式VCO。
Mini-Circuits公司提供范围广泛的小型化VCO产品。JTOS.2200PA型小型表面安装式封装VCO是为2000MHz～2200MHz频段的系统开发的产品。其典型输出功率为＋6dBm,典型谐波抑制为－22dBc，对载波的频偏10kHz时的相应噪声为－92dBc/Hz，对载波的频偏100kHz时的相应噪声为－112dBc/Hz。
Vari-L公司生产微小型表面安装式T型封装VCO，其外形尺寸为1.27cm×1.27cm×0.46cm。该公司的VCO190-1925T型产品在1.65GHz～2.22GHz范围内工作，其调谐灵敏度为60MHz/V,输出功率达0dBm，偏离载波10kHz时的相位噪声为－90dBc,偏离载波100kHz时的相位噪声下降至－110dBc/Hz，二次谐波抑制为－10dBc，寄生信号抑制为－90dBc。
Amplifonix公司提供TO-8、双列直插式封装（DIP）、扁平封装、接插封装和表面安装式封装等多种封装结构的VCO产品。这些产品包含的调谐范围从60MHz～70MHz直至2GHz～2.5GHz，输出功率的典型值在＋10dBm以上。其中，大多数产品在偏离载波100kHz时的相位噪声低于－100dBc/Hz。这些产品的谐波抑制典型值均优于－12dBc，部分产品的谐波抑制值达到－40dBc的水平。
MODCO公司生产VS系列表面安装式VCO。这是专门为国际个人计算机存储卡协会（PCMCIA）的调制解调卡等高组装密度无线装置而设计的产品。这种小型VCO的外形尺寸仅为0.445cm×0.445cm×0.157cm，在700MHz～5.8GHz范围内带宽达10％。工作频率为3GHz的产品在偏离载波100kHz时的相位噪声小于－105dBC/Hz。
IBM公司凭借其SiGeBiCMOS工艺的优势以及主要无线手机厂商的订单，几年前就已涉足微波VCO市场了。该公司既生产具有片上振荡电路的全集成VCO，同时也提供须外接振荡电路的VCO芯片。IBM的最新产品是用于全球GSM移动通信系统的三频带VCO。这种VCO的工作频率范围是3.6GHz～4.0GHz，其输出功率为－3dBm，偏离载波3MHz时的相位噪声为－147dBc/Hz，偏离载波20MHz时的相位噪声为－162dBc/Hz。
AgilentTechnologies公司提供一系列小型TO-8封装的VCO产品。VTO-8000系列产品采用变容二极管调谐，而VTO-9000系列产品用超突变结变容二极管调谐。以VTO-9000系列中的VTO-9090型VCO为例来说明产品的性能水平。VTO-9090的工作频率范围是900MHz～16GHz，其输出功率为＋10dBm，偏离载波50kHz时的相位噪声为－100dBc/Hz。最近，该公司称专门为OC-19210Gb/s光通信系统开发成功中心频率为9.95328GHz的VOT-0995型VCO。TO-8VCO产品也有表面安装式封装的产品，其型号为VTO-0995-S。此外，该公司还宣布开发了一系列用于40Gb/s光系统的表面安装式VCO，包括各种输出功率、工作频率为19.906GHz和39.813GHz、时间抖动优于50fS(1fS=10－15秒)的产品。
5结语    VCO是频率产生源的关键器件，已广泛用于手机、卫星通信终端、基站、雷达、导弹制导系统、军事通信系统、数字无线通信、光学多工器、光发射机和其它电子系统。VCO的性能对电子系统有决定性的影响。现代微波无线系统和其它高频系统的发展，要求开发高频率、宽频带、性能优异、体积微小、适合表面安装、价格合理的VCO产品。这种需求促使VCO的技术与产品迅速发展，形成了新一代微波VCO。微波VCO是当前重要的研究与开发课题，新技术、新产品不断涌现。正确理解VCO的技术规范、及时掌握VCO的发展情况，无论是对VCO的选用还是对电子系统的设计都是十分重要的，应给予足够的重视。
参考文献:
 
[1]SYNERGYMICROWAVECORPORATION,SYNERGYMICROWAVECORPORATIONDESIGNER′SHANDBOOK [M],2001:26-28
[2]JACKBROWNE.SpecifyingMicrowaveVoltage.ControlledOscillators[J]. Microwaves ＆ RF,September2001:107-112
[3]ZCommunications,AdvancedPackagingTechnologyPavesTheWayforVCOMiniaturization. MicrowaveProductDigest[Z].Nove-mber2001:10-62
[4]Vail.LCo.Inc.,ANewWidebandFamilyofOscillators[J].MicrowaveJournal,2002,(3):156-157