基頻高達20GHz的寬帶YIG振蕩器
基頻高達20GHz的寬帶YIG振蕩器
微波頻率的產生需要借助于許多奇異的結構，其中包括Gunn二極管、電介質諧振器以及小心切削的石英晶體片。但或許沒有哪種諧振器制造方法像基于放置在加有電磁場的空腔內的釔鐵石榴石(YIG)球微波源那樣吹毛求疵。經過對該技術的多年潛心研究，Micro Lambda Wireless公司的工程師們終于開發出迄今為止性能最高的YIG振蕩器：可連續調節，基頻頻率范圍在2到18GHz之間和2到20GHz之間的MLXB超寬帶系列振蕩器，采用頻帶切換方式，基頻頻率范圍在2到18GHz之間和2到20GHz之間的MLXS-T系列寬帶振蕩器。寬帶YIG振蕩器在許多系統中得到了應用，如在接收器和頻譜分析儀中用作本地振蕩器(LO)、在頻率合成器中用作微波源，以及在反恐怖仿真器和寬帶電子戰系統中用作信號發生器。
組裝YIG振蕩器需要技巧和時間，但其出色的低噪聲性能值得付出努力。YIG振蕩器是通過把微小的YIG球準確地放在電磁鐵氣隙中形成的。在設計合理的YIG振蕩器中，電磁場場強是外加電流的線性函數，進而決定最終的YIG振蕩器的調諧行為。導線環把來自電磁鐵的能量耦合到球上；類似地，耦合環提取YIG球產生的諧振能量，進而產生YIG振蕩器的輸出頻率。與YIG球產生諧振的儲能電路根據電磁鐵的線圈和球本身的要求進行設計。為了產生高品質輸出信號，該電路的設計具有高無負載品質因數(Q)。
YIG振蕩器中的主線圈負責頻率調諧，但在產生頻率調制(FM)或使輸出頻率穩定到外部參考源(如在PLL振蕩器或合成器中)時，次線圈也是需要的。與主線圈一樣，FM線圈是由電流調諧的。為了能與現代PLL集成電路一起工作，FM環應具有產生寬帶調制頻偏的能力并具有足夠高的調諧靈敏度。
事實上，市場上以前就提供寬帶YIG振蕩器，但它們都沒有基頻輸出。有幾家制造商，通過把較低頻率的基音YIG振蕩器與頻率乘法器和寬帶輸出放大器集成在標準的柱狀YIG封裝中，獲得了最高為18或20GHz的輸出頻率。MLXB超寬帶系列YIG振蕩器(圖1)和MLXST系列頻帶切換YIG振蕩器(圖2)提供基頻輸出但不使用乘法器。
MLXB超寬帶系列YIG振蕩器目前有四款產品，其中兩款的頻率范圍為2-18GHz，另兩款的頻率范圍為2-20GHz(表1)。較低頻率的兩款產品在整個頻率范圍內的輸出功率不低于+13 dBm，而較高頻率的兩款產品在整個頻率范圍內的輸出功率不低于+12dBm；在整個帶寬調諧范圍內，所有這四款產品的輸出功率平坦度均在±3dB之內。這四款YIG振蕩器從+15VDC電源獲得最大100mA電流，從+5VDC電源獲得20mA電流，另外，它們都使用+24VDC電源(變化范圍為±4V,最大電涌電流為250 mA，穩態電流為25mA)為YIG源的內部加熱器電路供電。
包含這個加熱器電路的目的是減小頻率變化，因為它是溫度變化的函數。在0到65°C范圍內，在18GHz以下，頻率溫漂最大值只有20MHz，20GHz以下，只有25MHz。除了低漂移之外，相對來說，這些YIG振蕩器也不受負載失配的影響，對12dB的負載回損，頻率推移(pulling)的典型值為1MHz。電源電壓變化的影響也很小，對+15VDC電源，頻率推移典型值為0.1MHz/V，對于-5VDC電源，頻率推移典型值為1MHz/V。
Micro Lambda Wireless公司采用自動測試系統對MLXB0220 YIG振蕩器(2到20GHz)的實測結果表明，溫度穩定性和輸出功率性能大大高于已公布的指標。對于這款產品，指標為輸出功率不低于+12dBm(盡管規定輸出功率是頻率而不是溫度的函數)。在2到20GHz范圍內，測量結果為輸出功率在20GHz達到最小值+12.4dBm，而在頻率范圍的較低端，輸出功率超過+17dBm。指標要求頻率隨溫度的漂移不大于25MHz，測量結果為，在9GHz誤差為1MHz，在10GHz誤差為0MHz，最大誤差發生在16.4GHz處，為20MHz。
歸功于YIG技術，這些寬帶振蕩器具有非常出色的頻譜純度。對所有這四款產品，寄生信號電平不高于-70dBc，第二諧波不高于-12dBc，第三諧波不高于-15dBc。對于從2到12GHz的載波，在偏移100kHz處的單邊帶相位噪聲(圖3)為-120dBc/Hz。對12到18GHz和18到20GHz的載波，對相同的偏移，相位噪聲分別為-112dBc和-107dBc/Hz。這個窄譜輸出信號的3dB帶寬差不多為5kHz，可利用主線圈高達18MHz/mA的調諧靈敏度進行調諧。在所有這些頻率，主線圈調諧線性度典型值為±0.1%，磁滯典型值不高于16MHz。FM線圈，為了調制或鎮定輸出頻率，通過PLL以410kHz/mA(典型值)的靈敏度控制1MHz的3dB調制帶寬。對所有這四款產品，FM線圈發出的頻偏指令寬達40MHz。
MLXB和MLXS超寬帶系列YIG振蕩器有兩種封裝形式：“立方體”封裝的尺寸為1.25 X 1.25 X 1.00英寸，柱形封裝的尺寸為直徑1.75英寸高1.40英寸(不計入SMA RF輸出連接器)。另外，對于軍事應用，這些產品的工作溫度范圍也可達到-40到+85°C。
與超寬帶系列振蕩器寬帶且可連續調諧的性能不同，MLXS-T系列寬帶YIG振蕩器的這兩款產品(表2)帶有用來選擇頻帶的內部開關。振蕩器可以在兩個頻帶之間切換。MLXS0218T的兩個頻帶為2到8GHz和8到18GHz；MLXS0220T的兩個頻帶為2到8GHz和8到20 GHz。這兩款振蕩器在8GHz頻率處都有200MHz的重疊。頻帶切換由TTL控制電路實現，其中包含內部驅動器，用于關閉未使用的頻帶、消除信號泄漏和保持功率。對于MLXS-0218T型(2到 18GHz)和MLXS-0220T型(2到20GHz)，這種頻帶切換設置的最低精度分別為8MHz和10 MHz。
與超寬帶系列振蕩器相比，采用頻帶切換架構的MLXS-T系列的輸出功率稍高一些，在18GHz以下不低于+14dBm，在20GHz以下不低于+13dBm。輸出功率隨頻率變化的最壞情況為±3 dB。頻率隨溫度的漂移，MLXS-0218T不大于20MHz，MLXS-0220T不大于25MHz。這兩款產品進入12dB回損負載的頻率牽引(frequency pulling)典型值為1MHz，而對于+15VDC和-5VDC電源，頻率推移(frequency pushing)典型值分別為0.1 MHz/V和1 MHz/V。
同超寬帶系列振蕩器一樣，MLXS-T系列振蕩源具有出色的低噪聲性能-最小第二諧波為-12dBc，最小第三諧波為-15dBc。寄生成分為-70dBc或更好。對于這兩款產品，從載波偏移1kHz、10 kHz、100 kHz處的最小相位噪聲分別為-103、-108和-128dBc/Hz。