工程師2 發表於 2018-05-24 09:41:00
壓控振蕩器Voltage Controlled Oscillator（簡稱VCO）是射頻電路的重要組成部分，在通信、電子、航天、航空及醫學等諸多領域的用途十分廣泛，尤其在通信系統電路中更是與功放具有同等重要地位的必不可少的關鍵部件。
伴隨採用新體制、新技術、新材料和新工藝的現代通信、雷達、電子幹擾和電子偵察等電子信息系統的發展，對電子設備及其關鍵部件VCO的要求也越來越高，而VCO在端接不同負載阻抗下會出現頻率偏移現象，由此導致電子設備工作不穩定甚至出現失效，產生嚴重影響，因此解決VCO的非線性特性（如頻率牽引）測試問題並由此實現最優匹配顯得日益重要和緊迫。
以典型雙極型電晶體管芯封裝的科耳皮茲壓控振蕩器為例，如圖1所示。從圖中可以看出，按照振蕩器的基本原理其有諧振電路、有源器件及輸出負載三部分組成。調諧電壓（Vcontrol）從電路左端輸入，諧振迴路包括變容二極體Cvar、諧振電感L1以及電容C1、C2、C3、C4和C5，其中變容二極體是一種在PN結上加反向偏壓時產生電容變化的二極體，用於改變振蕩器的電容量以達到輸出頻率可調的目的；有源器件為雙極型電晶體用以放大振蕩信號；輸出負載為應用該振蕩信號的部分，理想狀態為50歐姆負載。
當選取的諧振迴路器件滿足振蕩器起振條件時振蕩器開始工作，VCO內的有源器件等效構成的負電阻部分所提供的能量能夠滿足諧振迴路所消耗的能量則振蕩電路的振蕩條件能夠得以維持，VCO能夠正常工作。
然而，VCO實際的工作狀態絕非理想狀態，並不是設計時所假定的終端連接理想的50歐姆負載，因此其終端負載條件的變化會導致VCO出現輸出振蕩頻率發生變化的非線性現象，這就是頻率牽引，其表徵參數為頻率牽引係數。從圖1可以看出，從VCO輸出看去的阻抗變化會引起VCO的有源器件結上直流電壓的變化，也就是說，VCO輸出反射回來的信號功率能引起電晶體漏電流和偏置點的波動，導致該雙極型電晶體集電極與基極之間的電壓（Vcb）發生變化，影響集電極與基極之間的電容（Ccb），從而通過影響整個迴路的諧振狀態和條件導致振蕩頻率和相位噪聲的改變。
圖1、典型雙極型電晶體VCO模型
傳統的測試方法是在被測VCO的輸出端連接6dB衰減器、定向耦合器和機械式拉伸線，一方面滿足終端連接回波損耗12dB的負載條件，另一方面通過手動調節機械式拉伸線實現360度相位的改變。但是這種方法存在著如下問題：
①對操作者能力依賴程度高；
②費時且費力；
③對應不同振蕩頻率的VCO需要相應工作頻段的機械式拉伸線和開/短路技術以避免出現相位調節範圍無法滿足要求的現象；
④負載阻抗反射係數的模固定且不能靈活調整。因此，測試效率與測試結果都不能很好地滿足越來越高的測試要求。
中電科儀器儀表有限公司採用先進的負載牽引測試技術推出基於通用測試儀器的應用解決方案，測試框圖如圖2所示，使得這一狀況得到有效改觀，徹底解決測試難題。
圖2、VCO非線性特性（頻率牽引）測試框圖
其中，中電儀器的176X系列主流程控直流電源產品能夠為被測VCO提供程控狀態下的偏置電源及調諧電壓；243X系列功率計產品能夠在程控狀態下測量各個測試點的輸出功率參數；4051X系列頻譜分析儀產品能夠在程控狀態下測量各個測試點的輸出頻譜或頻率參數；定向耦合器實現分離信號分別提供測試信號至功率計和頻譜分析儀；自動阻抗調配器在程控狀態下沿等效反射係數模（即回波損耗12dB，駐波比1.67）或其它要求值的等反射係數圓在360º範圍內等間距調節相位以實現負載阻抗精確可控變化；主控計算機及系統軟體是整個系統的控制中心，一方面實現對系統內各儀器設備的程控並協調各儀器設備按照測試步驟完成測試數據的採集、保存，另一方面根據對自動阻抗調配器進行校準的數據按照S參數級聯方式及相關算法計算出等效網絡的反射係數和去除通道中各部分插損後的輸出功率等參數。所有測試工作均不需要人為幹預，可在條件、狀態均設置合適的情況下自動完成測試並輸出相應的測試結果。
圖3、HE405
圖4、HE486
應用該解決方案對中國電科XX所研製的HE405（頻率範圍1~2GHz，外觀如圖3所示）和HE486（頻率範圍2~3GHz，外觀如圖4所示）兩種TO-8C封裝VCO進行測試，測試在不同工作頻點下端接負載阻抗沿等反射係數圓360º範圍內均勻改變相位時的頻偏變化，測試結果如下：
① HE405在工作頻率1.6GHz時的頻率牽引最大頻偏為24.433334MHz，即頻率牽引係數為1.53%@1.6GHz；輸出功率最大偏移1.10dB，此時輸出功率16.00dBm。測試曲線如下圖5所示，其中縱坐標為工作頻率測試值（Hz），橫坐標為沿等反射係數圓360º範圍內均勻改變負載阻抗相位時的測試點（該測試結果一共包含36個點）。
圖5 HE405工作頻率在1.6GHz時的非線性特性（頻率牽引）測試曲線
② HE405在工作頻率2GHz時的頻率牽引最大頻偏為24.666666MHz，即頻率牽引係數為1.23%@2GHz；輸出功率最大偏移1.95dB，此時輸出功率15.03dBm。測試曲線如下圖6所示，其中縱坐標為工作頻率測試值（Hz），橫坐標為沿等反射係數圓360º範圍內均勻改變負載阻抗相位時的測試點（該測試結果一共包含36個點）。
圖6、HE405工作頻率在2GHz時的非線性特性（頻率牽引）測試曲線
③ HE486在工作頻率2.5GHz時的頻率牽引最大頻偏為42.000000MHz，即頻率牽引係數為1.68%@2.5GHz；輸出功率最大偏移2.15dB，此時輸出功率16.70dBm。測試曲線如下圖7所示，其中縱坐標為工作頻率測試值（Hz），橫坐標為沿等反射係數圓360º範圍內均勻改變負載阻抗相位時的測試點（該測試結果一共包含36個點）。
圖7、HE486工作頻率在2.5GHz時的非線性特性（頻率牽引）測試曲線
④ HE486在工作頻率3GHz時的頻率牽引最大頻偏為40.400000MHz，即頻率牽引係數為1.35%@3GHz；輸出功率最大偏移1.30dB，此時輸出功率14.46dBm。測試曲線如下圖8所示，其中縱坐標為工作頻率測試值（Hz），橫坐標為沿等反射係數圓360º範圍內均勻改變負載阻抗相位時的測試點（該測試結果一共包含36個點）。
圖8、HE486工作頻率在3GHz時的非線性特性（頻率牽引）測試曲線
通過與該研究所研製這兩個型號VCO的技術指標進行對比，測試取得較為滿意的結果，說明中電儀器的該應用解決方案不僅操作簡便易行，在測試效率、測試一致性等方面更顯示出顯著的優越性，可以滿足當前VCO的研製、生產等過程中對非線性特性（頻率牽引）的測試需求，具有良好的應用前景。
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