非线性振荡简介

压控振荡器Voltage Controlled Oscillator（简称VCO）是射频电路的重要组成部分，在通信、电子、航天、航空及医学等诸多领域的用途十分广泛，尤其在通信系统电路中更是与功放具有同等重要地位的必不可少的关键部件。

伴随采用新体制、新技术、新材料和新工艺的现代通信、雷达、电子干扰和电子侦察等电子信息系统的发展，对电子设备及其关键部件VCO的要求也越来越高，而VCO在端接不同负载阻抗下会出现频率偏移现象，由此导致电子设备工作不稳定甚至出现失效，产生严重影响，因此解决VCO的非线性特性（如频率牵引）测试问题并由此实现最优匹配显得日益重要和紧迫。

VCO的非线性特性

以典型双极型晶体管管芯封装的科耳皮兹压控振荡器为例，如图1所示。从图中可以看出，按照振荡器的基本原理其有谐振电路、有源器件及输出负载三部分组成。调谐电压（Vcontrol）从电路左端输入，谐振回路包括变容二极管Cvar、谐振电感L1以及电容C1、C2、C3、C4和C5，其中变容二极管是一种在PN结上加反向偏压时产生电容变化的二极管，用于改变振荡器的电容量以达到输出频率可调的目的；有源器件为双极型晶体管用以放大振荡信号；输出负载为应用该振荡信号的部分，理想状态为50欧姆负载。

当选取的谐振回路器件满足振荡器起振条件时振荡器开始工作，VCO内的有源器件等效构成的负电阻部分所提供的能量能够满足谐振回路所消耗的能量则振荡电路的振荡条件能够得以维持，VCO能够正常工作。

然而，VCO实际的工作状态绝非理想状态，并不是设计时所假定的终端连接理想的50欧姆负载，因此其终端负载条件的变化会导致VCO出现输出振荡频率发生变化的非线性现象，这就是频率牵引，其表征参数为频率牵引系数。从图1可以看出，从VCO输出看去的阻抗变化会引起VCO的有源器件结上直流电压的变化，也就是说，VCO输出反射回来的信号功率能引起晶体管漏电流和偏置点的波动，导致该双极型晶体管集电极与基极之间的电压（Vcb）发生变化，影响集电极与基极之间的电容（Ccb），从而通过影响整个回路的谐振状态和条件导致振荡频率和相位噪声的改变。

图1 典型双极型晶体管VCO模型

解决方案

传统的测试方法是在被测VCO的输出端连接6dB衰减器、定向耦合器和机械式拉伸线，一方面满足终端连接回波损耗12dB的负载条件，另一方面通过手动调节机械式拉伸线实现360度相位的改变。但是这种方法存在着如下问题：

①对操作者能力依赖程度高；

②费时且费力；

③对应不同振荡频率的VCO需要相应工作频段的机械式拉伸线和开/短路技术以避免出现相位调节范围无法满足要求的现象；

④负载阻抗反射系数的模固定且不能灵活调整。因此，测试效率与测试结果都不能很好地满足越来越高的测试要求。

中电科仪器仪表有限公司采用先进的负载牵引测试技术推出基于通用测试仪器的应用解决方案，测试框图如图2所示，使得这一状况得到有效改观，彻底解决测试难题。

图2 VCO非线性特性（频率牵引）测试框图

其中，中电仪器的176X系列主流程控直流电源产品能够为被测VCO提供程控状态下的偏置电源及调谐电压；243X系列功率计产品能够在程控状态下测量各个测试点的输出功率参数；4051X系列频谱分析仪产品能够在程控状态下测量各个测试点的输出频谱或频率参数；定向耦合器实现分离信号分别提供测试信号至功率计和频谱分析仪；自动阻抗调配器在程控状态下沿等效反射系数模

（即回波损耗12dB，驻波比1.67）或其它要求值的等反射系数圆在360º范围内等间距调节相位以实现负载阻抗精确可控变化；主控计算机及系统软件是整个系统的控制中心，一方面实现对系统内各仪器设备的程控并协调各仪器设备按照测试步骤完成测试数据的采集、保存，另一方面根据对自动阻抗调配器进行校准的数据按照S参数级联方式及相关算法计算出等效网络的反射系数和去除通道中各部分插损后的输出功率等参数。所有测试工作均不需要人为干预，可在条件、状态均设置合适的情况下自动完成测试并输出相应的测试结果。

应用实例

图3 HE405

图4 HE486

应用该解决方案对中国电科XX所研制的HE405（频率范围1~2GHz，外观如图3所示）和HE486（频率范围2~3GHz，外观如图4所示）两种TO-8C封装VCO进行测试，测试在不同工作频点下端接负载阻抗沿等反射系数圆360º范围内均匀改变相位时的频偏变化，测试结果如下：

①HE405在工作频率1.6GHz时的频率牵引最大频偏为24.433334MHz，即频率牵引系数为1.53%@1.6GHz；输出功率最大偏移1.10dB，此时输出功率16.00dBm。测试曲线如下图5所示，其中纵坐标为工作频率测试值（Hz），横坐标为沿等反射系数圆360º范围内均匀改变负载阻抗相位时的测试点（该测试结果一共包含36个点）。

图5 HE405工作频率在1.6GHz时的非线性特性（频率牵引）测试曲线

②HE405在工作频率2GHz时的频率牵引最大频偏为24.666666MHz，即频率牵引系数为1.23%@2GHz；输出功率最大偏移1.95dB，此时输出功率15.03dBm。测试曲线如下图6所示，其中纵坐标为工作频率测试值（Hz），横坐标为沿等反射系数圆360º范围内均匀改变负载阻抗相位时的测试点（该测试结果一共包含36个点）。

图6 HE405工作频率在2GHz时的非线性特性（频率牵引）测试曲线

③HE486在工作频率2.5GHz时的频率牵引最大频偏为42.000000MHz，即频率牵引系数为1.68%@2.5GHz；输出功率最大偏移2.15dB，此时输出功率16.70dBm。测试曲线如下图7所示，其中纵坐标为工作频率测试值（Hz），横坐标为沿等反射系数圆360º范围内均匀改变负载阻抗相位时的测试点（该测试结果一共包含36个点）。

图7 HE486工作频率在2.5GHz时的非线性特性（频率牵引）测试曲线

④HE486在工作频率3GHz时的频率牵引最大频偏为40.400000MHz，即频率牵引系数为1.35%@3GHz；输出功率最大偏移1.30dB，此时输出功率14.46dBm。测试曲线如下图8所示，其中纵坐标为工作频率测试值（Hz），横坐标为沿等反射系数圆360º范围内均匀改变负载阻抗相位时的测试点（该测试结果一共包含36个点）。

图8 HE486工作频率在3GHz时的非线性特性（频率牵引）测试曲线

通过与该研究所研制这两个型号VCO的技术指标进行对比，测试取得较为满意的结果，说明中电仪器的该应用解决方案不仅操作简便易行，在测试效率、测试一致性等方面更显示出显著的优越性，可以满足当前VCO的研制、生产等过程中对非线性特性（频率牵引）的测试需求，具有良好的应用前景。