实验八：振荡器设计（OscillatorDesign）**一、实验目的：1、了解射频振荡器的基本原理与设计方法。2、利用实验模组实际测量以了解振荡器的特性。3、学会使用MICROWAVE软件对射频振荡器的设计和仿真，并分析结果。预习内容：熟悉振荡器的原理等理论知识。熟悉振荡器设计的相关理论知识。实验设备：项次设备名称数量备注1MOTECHRF2000测量仪1套亦可用网络分析仪2振荡器模组1组RF2KM8-1A350ΩBNC及1MΩBNC连接线4条CA-1、CA-2、CA-3、CA-44直流电源连接线1条DC-15MICROWAVE软件1套微波软件理论分析：一个射频晶体振荡器电路可分为三大部分：二端口有源电路、谐振电路及输出负载匹配电路，如图8-1所示。二端口有源电路输出负载匹配电路无源谐振电路Γin=S’11ΓLK<<1ΓSΓin=1ΓLΓout=1|ΓS|<1|ΓL|<1Γout=S’22起振条件|ΓSS’11|>1ΓS图8-1振荡器电路方框图及振荡条件一般而言，二端口有源电路采用共射极（或共源极）三极管（BJT、FET）电路，除有源元件外，还包括射极（或源极）反馈电路及其直流偏压电路。而谐振电路及输出负载匹配电路大多采用无源元件电路，即利用电容、电感或传输线来设计电路。一般振荡器电路可以稳定振荡的条件有三个：（一）二端口有源电路的稳定因子(StabilityFactor)，K必须小于1，即K<1。可利用射极（或源极）反馈电路来实现。（二）谐振电路的输入反射系数与二端口有源电路的输入反射系数的乘积等于1，即ΓSΓin=1（三）输出负载匹配电路的输出反射系数与二端口有源电路的输出反射系数的乘积等于1，即ΓLΓout=1而要让振荡器电路的振荡的条件为|ΓSΓin|>1。根据上述的理论,可以依下列步骤利用S参数来设计一个振荡器。实验设计步骤：步骤一：设定振荡频率(f0)与输出负载阻抗(RL)。一般射频振荡器的输出负载阻抗设定为50Ω。步骤二：根据电源选用半导体、元件及设定三极管的偏压条件(VCE,IC)，决定出在该振荡频率下的三极管的S参数(S11,S21,S12,S22)。步骤三：将步骤二所获得的S参数代入下列公式以计算出稳定因子K的值。其中步骤四：检查K值是否小于1。若是K值不够小时（最好为负数），可使用射极（或源极）反馈电路来降低K值，如图8-2（a）所示。步骤五：将反馈电路的Z参数（[Zf]）与三极管的Z参数（[Za]）串连在一起以获得新的二端口有源电路的S参数（[Sm]）。公式如图8-2（b）中所列。有源器件[Za]反馈电路[Zf]二端口有源电路[Zm][Zm]=[Za]+[Zf]图8-2(a)有源器件与反馈电路的串连图8-2(b)Z参数与S参数的转换公式步骤六：利用下列公式计算出负载稳定圆（Loadstabilitycircle）的圆心（A）与半径（b），并绘出以ΓL为主的史密斯圆，如图8-3所示。同理亦可计算出振源稳定圆（Sourcestabilitycircle）的圆心（C）与半径（d）.|ΓS|=1经1/S’22映射至ΓL平面「负载稳定圆」|ΓS-A|=b(|ΓS|=1)|ΓL|=1|ΓS|<1及|ΓS|<1的交叉区域(斜线区)ΓL平面ΓS平面|ΓS|>1bA图8-3|ΓS|=1经1/S’22映射至ΓL平面之[负载稳定圆]负载稳定圆：；圆心：：半径：振源稳定圆：；圆心：：半径：步骤七：设计一个谐振电路，一般使用并联电容，ZS；并将其反射系数ZS经下列（1/S’22）映射公式转换成ΓL1，并将其标记到|ΓL1|=1的史密斯圆图上。步骤八：检查ΓL1的值是否落在负载稳定圆外部与|ΓL|=1的单位圆内部的交叉斜线区域，如图8-4所示。若没有，则重选谐振电路的电容值，并重复步骤七直到符合步骤八的要求。负载稳定圆|ΓL-A|=b(|ΓS|=1)振源稳定圆|ΓS-C|=d(|ΓL|=1)经1/S’11映射至ΓS平面ΓS1aΓL1aΓS1ΓL1ΓS平面ΓL平面经1/S’22映射至ΓL平面图8-4振荡器设计图示步骤九：根据步骤七所计算得到ΓL1的，选择一个接近新值ΓLla，使其对应的阻抗值(ZLla)的实数部分(Re[ZLla]等于输出负载阻抗(RL)。步骤十：将新值ΓLla经(1/S’11)映射转换成新值ΓSla，并检查其绝对值是否小于步骤七所选定的ΓS1的绝对值，即较接近|ΓS|=1的圆心，如果是即符合起