壓控振蕩器Voltage Controlled Oscillator（簡(jiǎn)稱(chēng)VCO）是射頻電路的重要組成部分，在通信、電子、航天、航空及醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域的用途十分廣泛，尤其在通信系統(tǒng)電路中更是與功放具有同等重要地位的必不可少的關(guān)鍵部件。

伴隨采用新體制、新技術(shù)、新材料和新工藝的現(xiàn)代通信、雷達(dá)、電子干擾和電子偵察等電子信息系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備及其關(guān)鍵部件VCO的要求也越來(lái)越高，而VCO在端接不同負(fù)載阻抗下會(huì)出現(xiàn)頻率偏移現(xiàn)象，由此導(dǎo)致電子設(shè)備工作不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)失效，產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此解決VCO的非線性特性（如頻率牽引）測(cè)試問(wèn)題并由此實(shí)現(xiàn)最優(yōu)匹配顯得日益重要和緊迫。

VCO的非線性特性

以典型雙極型晶體管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(fù)載三部分組成。調(diào)諧電壓（Vcontrol）從電路左端輸入，諧振回路包括變?nèi)?a target="_blank">二極管Cvar、諧振電感L1以及電容C1、C2、C3、C4和C5，其中變?nèi)荻O管是一種在PN結(jié)上加反向偏壓時(shí)產(chǎn)生電容變化的二極管，用于改變振蕩器的電容量以達(dá)到輸出頻率可調(diào)的目的；有源器件為雙極型晶體管用以放大振蕩信號(hào)；輸出負(fù)載為應(yīng)用該振蕩信號(hào)的部分，理想狀態(tài)為50歐姆負(fù)載。

當(dāng)選取的諧振回路器件滿(mǎn)足振蕩器起振條件時(shí)振蕩器開(kāi)始工作，VCO內(nèi)的有源器件等效構(gòu)成的負(fù)電阻部分所提供的能量能夠滿(mǎn)足諧振回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(shí)際的工作狀態(tài)絕非理想狀態(tài)，并不是設(shè)計(jì)時(shí)所假定的終端連接理想的50歐姆負(fù)載，因此其終端負(fù)載條件的變化會(huì)導(dǎo)致VCO出現(xiàn)輸出振蕩頻率發(fā)生變化的非線性現(xiàn)象，這就是頻率牽引，其表征參數(shù)為頻率牽引系數(shù)。從圖1可以看出，從VCO輸出看去的阻抗變化會(huì)引起VCO的有源器件結(jié)上直流電壓的變化，也就是說(shuō)，VCO輸出反射回來(lái)的信號(hào)功率能引起晶體管漏電流和偏置點(diǎn)的波動(dòng)，導(dǎo)致該雙極型晶體管集電極與基極之間的電壓（Vcb）發(fā)生變化，影響集電極與基極之間的電容（Ccb），從而通過(guò)影響整個(gè)回路的諧振狀態(tài)和條件導(dǎo)致振蕩頻率和相位噪聲的改變。

圖1、典型雙極型晶體管VCO模型

解決方案

傳統(tǒng)的測(cè)試方法是在被測(cè)VCO的輸出端連接6dB衰減器、定向耦合器和機(jī)械式拉伸線，一方面滿(mǎn)足終端連接回波損耗12dB的負(fù)載條件，另一方面通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)械式拉伸線實(shí)現(xiàn)360度相位的改變。但是這種方法存在著如下問(wèn)題：

①對(duì)操作者能力依賴(lài)程度高；

②費(fèi)時(shí)且費(fèi)力；

③對(duì)應(yīng)不同振蕩頻率的VCO需要相應(yīng)工作頻段的機(jī)械式拉伸線和開(kāi)/短路技術(shù)以避免出現(xiàn)相位調(diào)節(jié)范圍無(wú)法滿(mǎn)足要求的現(xiàn)象；

④負(fù)載阻抗反射系數(shù)的模固定且不能靈活調(diào)整。因此，測(cè)試效率與測(cè)試結(jié)果都不能很好地滿(mǎn)足越來(lái)越高的測(cè)試要求。

中電科儀器儀表有限公司采用先進(jìn)的負(fù)載牽引測(cè)試技術(shù)推出基于通用測(cè)試儀器的應(yīng)用解決方案，測(cè)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(cè)試難題。

圖2、VCO非線性特性（頻率牽引）測(cè)試框圖

其中，中電儀器的176X系列主流程控直流電源產(chǎn)品能夠?yàn)楸粶y(cè)VCO提供程控狀態(tài)下的偏置電源及調(diào)諧電壓；243X系列功率計(jì)產(chǎn)品能夠在程控狀態(tài)下測(cè)量各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸出功率參數(shù)；4051X系列頻譜分析儀產(chǎn)品能夠在程控狀態(tài)下測(cè)量各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的輸出頻譜或頻率參數(shù)；定向耦合器實(shí)現(xiàn)分離信號(hào)分別提供測(cè)試信號(hào)至功率計(jì)和頻譜分析儀；自動(dòng)阻抗調(diào)配器在程控狀態(tài)下沿等效反射系數(shù)模（即回波損耗12dB，駐波比1.67）或其它要求值的等反射系數(shù)圓在360o范圍內(nèi)等間距調(diào)節(jié)相位以實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗精確可控變化；主控計(jì)算機(jī)及系統(tǒng)軟件是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各儀器設(shè)備的程控并協(xié)調(diào)各儀器設(shè)備按照測(cè)試步驟完成測(cè)試數(shù)據(jù)的采集、保存，另一方面根據(jù)對(duì)自動(dòng)阻抗調(diào)配器進(jìn)行校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)按照S參數(shù)級(jí)聯(lián)方式及相關(guān)算法計(jì)算出等效網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)和去除通道中各部分插損后的輸出功率等參數(shù)。所有測(cè)試工作均不需要人為干預(yù)，可在條件、狀態(tài)均設(shè)置合適的情況下自動(dòng)完成測(cè)試并輸出相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。

應(yīng)用實(shí)例

圖3、HE405

圖4、HE486

應(yīng)用該解決方案對(duì)中國(guó)電科XX所研制的HE405（頻率范圍1~2GHz，外觀如圖3所示）和HE486（頻率范圍2~3GHz，外觀如圖4所示）兩種TO-8C封裝VCO進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試在不同工作頻點(diǎn)下端接負(fù)載阻抗沿等反射系數(shù)圓360o范圍內(nèi)均勻改變相位時(shí)的頻偏變化，測(cè)試結(jié)果如下：

① HE405在工作頻率1.6GHz時(shí)的頻率牽引最大頻偏為24.433334MHz，即頻率牽引系數(shù)為1.53%@1.6GHz；輸出功率最大偏移1.10dB，此時(shí)輸出功率16.00dBm。測(cè)試曲線如下圖5所示，其中縱坐標(biāo)為工作頻率測(cè)試值（Hz），橫坐標(biāo)為沿等反射系數(shù)圓360o范圍內(nèi)均勻改變負(fù)載阻抗相位時(shí)的測(cè)試點(diǎn)（該測(cè)試結(jié)果一共包含36個(gè)點(diǎn)）。

圖5 HE405工作頻率在1.6GHz時(shí)的非線性特性（頻率牽引）測(cè)試曲線

② HE405在工作頻率2GHz時(shí)的頻率牽引最大頻偏為24.666666MHz，即頻率牽引系數(shù)為1.23%@2GHz；輸出功率最大偏移1.95dB，此時(shí)輸出功率15.03dBm。測(cè)試曲線如下圖6所示，其中縱坐標(biāo)為工作頻率測(cè)試值（Hz），橫坐標(biāo)為沿等反射系數(shù)圓360o范圍內(nèi)均勻改變負(fù)載阻抗相位時(shí)的測(cè)試點(diǎn)（該測(cè)試結(jié)果一共包含36個(gè)點(diǎn)）。

圖6、HE405工作頻率在2GHz時(shí)的非線性特性（頻率牽引）測(cè)試曲線

③ HE486在工作頻率2.5GHz時(shí)的頻率牽引最大頻偏為42.000000MHz，即頻率牽引系數(shù)為1.68%@2.5GHz；輸出功率最大偏移2.15dB，此時(shí)輸出功率16.70dBm。測(cè)試曲線如下圖7所示，其中縱坐標(biāo)為工作頻率測(cè)試值（Hz），橫坐標(biāo)為沿等反射系數(shù)圓360o范圍內(nèi)均勻改變負(fù)載阻抗相位時(shí)的測(cè)試點(diǎn)（該測(cè)試結(jié)果一共包含36個(gè)點(diǎn)）。

圖7、HE486工作頻率在2.5GHz時(shí)的非線性特性（頻率牽引）測(cè)試曲線

④ HE486在工作頻率3GHz時(shí)的頻率牽引最大頻偏為40.400000MHz，即頻率牽引系數(shù)為1.35%@3GHz；輸出功率最大偏移1.30dB，此時(shí)輸出功率14.46dBm。測(cè)試曲線如下圖8所示，其中縱坐標(biāo)為工作頻率測(cè)試值（Hz），橫坐標(biāo)為沿等反射系數(shù)圓360o范圍內(nèi)均勻改變負(fù)載阻抗相位時(shí)的測(cè)試點(diǎn)（該測(cè)試結(jié)果一共包含36個(gè)點(diǎn)）。

圖8、HE486工作頻率在3GHz時(shí)的非線性特性（頻率牽引）測(cè)試曲線

通過(guò)與該研究所研制這兩個(gè)型號(hào)VCO的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試取得較為滿(mǎn)意的結(jié)果，說(shuō)明中電儀器的該應(yīng)用解決方案不僅操作簡(jiǎn)便易行，在測(cè)試效率、測(cè)試一致性等方面更顯示出顯著的優(yōu)越性，可以滿(mǎn)足當(dāng)前VCO的研制、生產(chǎn)等過(guò)程中對(duì)非線性特性（頻率牽引）的測(cè)試需求，具有良好的應(yīng)用前景。