YIG振荡器——激荡60年代

　　振荡器，一种产生非常精确频率的电信号的一种装置。最著名的莫过于晶体振荡器(晶振）。石英晶振的广泛应用于各种电子产品中，此外还应用于为控制器集成电路、计算机主板、手机、通信网络、钟表等各个领域，起着至关重要的作用。晶振的常见频率通常在0.032MHz(实时时钟) -1075MHz(显卡的像素时钟)之间。如果想要获得GHz级别的高频的振荡器，YIG振荡器则是一个绕不开的话题。

　　近些年，压控石英振荡器（voltage-controlled oscillator, VCO）的频率最高可扩展到18GHz，逐渐蚕食了YIG振荡器的部分市场。YIG振荡器价格相对昂贵（单价），但是在需要超低相位噪声的高质量器件方面仍然主导高频振荡器市场(5-40GHz)。具笔者调查，YIG振荡器在2021年的市场规模(北美)保守估计可达2000万美元。

　　世界上第一个YIG振荡器(原型机)可以追溯到1965年。来自于Cutler-Hammer, Inc公司（如今是伊顿公司Eaton Corporation的一部分）旗下的Airborne Instruments Lab（机载仪器实验室）的两位工程师W. J. DAUKSHE和J. J. HAMILTO最先在Proceedings of the IEEE上报道了YIG调谐的振荡器。它使用了1956年刚刚合成的YIG材料——直径为0.050英寸（大约1.27mm）的YIG球体、和德州仪器的SA-1828硅基晶体管。二者缺一不可。而此时正值半导体行业发展方兴未艾的时期，对于高频器件的需求，导致了GHz级别的YIG振荡器同时也呼之欲出。

　　第一个YIG振荡器所用的YIG所测得的饱和磁化强度为330高斯，（从饱和磁化强度来看，这并不是高纯YIG，而是用镓掺杂了以后的Ga:YIG，特别为低频应用制作的。）以及线奥斯特，由于Ga:YIG很难直接达到高频，因此工程师巧妙的使用了二级谐波做倍频处理，因此可以把频率提高到8GHz。

　　题外线世纪最伟大的发明。最初的晶体管都是用锗制造的。随着半导体工业的发展，1954年4月德州仪器(Texas Instruments)

　　贝尔电话实验室的Tanenbaum就已经研制出来了世界上第一个硅基晶体管，但可惜的是贝尔实验室并不觉得这个发明有商业上的吸引力。这在11年后又催生了YIG振荡器的发明。

　　在德州仪器研发硅基晶体管的团队，摄于1954 年。从左到右，分别是W. Adcock、M. Jones、E. Jackson 和 J. Thornhill。

　　1967年，美国Sylvania electronic product公司的工程师K. Hunton制作出了两款新型振荡器。其中一款是YIG调谐振荡器。此设计改善了DAUKSHE和HAMILTO设计中输出功率变化过大的问题。此时使用的YIG球仍是掺镓YIG。晶体管用的则是德州仪器的SS7285。

　　YIG谐振器的Q值(unloaded)随频率的变化。以及unloaded 和 loaded Q值的比值。

　　此时科学家和工程师们已经意识到，平稳的输出功率非常重要，并且在有意识地优化这一点。同时也给电路加上了后置滤波电路，滤除不需要的波段。此时的YIG球的Q值已经来到500附近，已经是那个时代比较不错的质量了。

　　行书至此，已经有两个美国高科技公司先行一步，并且表现出了浓厚的兴趣，虽然都是原型机，但是距离商业化应用也并不遥远。

　　的振荡器模型。他们的实验使用了直径为1.26mm的YIG球体，具体的耿氏二极管并未给出具体型号。

　　但是日本学者这篇文章中的设计还很粗糙，发现也仅限于YIG共振频率与外磁场强度之间的线性关系。不过的确是第一个公开的文章提出将YIG与耿氏二极管结合起来的点子。

　　该报告描述了一项关于使用钇铁石榴石对渡越时间二极管振荡器进行电子调谐的调查。介绍了渡越时间二极管的微波特性，包括等效电路和噪声特性。构建了一个能够在 700 MHz 频带上进行电子调谐的原型，并提供了初步数据。

　　1968年，刚刚提到的Sperry Corporation公司的Martin在一年后又提出了一个新的设计。将其一年前的700MHz设计提高到x波段，但是这次他用了YIG圆环而非YIG球体。这个设计的特点是发射功率比之前其他人的设计都大很多。

　　此时英国学者就已经被YIG球体的质量困扰了，他们认为如果YIG的线宽更小，则可以将器件优化到更好。而且他们的YIG远未达到当时能制造的最优。

　　此时各方意识到YIG振荡器在高频上面的优秀表现，试图突破那层最后的屏障，究竟鹿死谁手，且听我下回分解。

　　这个惠普公司的设计已经奠定了现代YIG振荡器的基本结构。频率范围在1.8GHz到4.2GHz之间。最高频率调制率为1MHz。调谐线%。此时磁场调谐已经集成到振荡器内部。此时的YIG振荡器已经成为一个独立的、可集成的电子器件。

　　同年，还是来自于惠普公司的D. C. Hanson提出了一种“YIG调谐-转移电子振荡器”。基于转移电子振荡效应（又称耿氏效应、基于其原理的器件为耿氏二极管）。英国科学家J. B. Gunn在1962年于 IBM 工作期间发现了耿氏效应

　　这个系列的YIG振荡器使用了直径为0.010-0.020 英寸 (0.25mm – 0.50mm) 的YIG球体并采用了GaAs 振荡器设计把放大电路放到了一个蓝宝石薄膜上。

　　展示了组装好的YIG调谐转移电子振荡器的封装。整个装置的直径为1.8英寸，长度为2.0英寸，重量为18盎司。通过一个密封的OSM接口输出微波。散热通过一个内部连接到外壳的铜柱完成。整个设备是磁闭的，以满足更复杂的环境条件。还可以通过其他引脚控制调谐磁铁共振频率并进行频率调制(调频FM)。

　　展示了磁铁盖和封装设计的内视图。磁极构成了微波电路的一个表面，以尽量减少所需的磁铁驱动电流。振荡器的偏置输入通过一个大电容旁路接地，以抑制任何可能发生的低频振荡。块状砷化镓(GaAs)器件、YIG球体和调谐结构被安装在一个单独的散热器上，整个电路可以提供可调节的耦合输出。

　　看到这里，你以为惠普是唯一一个推出产品的公司吗？如果你这么认为，那么就大错特错了，YIG振荡器就在同时就已经有了不少竞争，这个竞争者来头虽然没有惠普那样如雷贯耳，但也是来头不小。

　　1969年，瓦里安联合公司的Masahiro Omori在之前提到的同一个会议中, 发布了YIG调谐的基于耿氏谐振电路的振荡器。

　　YIG球的高阶模式与二极管共振的耦合。其中的Spurious Circuit resonance——杂散电路模式，可能来自于耿氏二极管的其他模式或者高阶模。

　　通过上图不难看出，对于线性调谐，最低调谐频率应略高于二极管电路的谐振频率以避开耦合区域。对于平滑的往复调谐，从二极管到YIG谐振器以及从YIG谐振器到输出电路的耦合应使二极管与输出电路良好匹配。

　　早在设计YIG振荡器的同时，就已经观察到了来源于耿氏二极管的腔光子与磁振子

　　YIG的杂模和二极管的杂模，在大多数情况下，都引入了非互易的频率跳跃和功率跳跃（这可能涉及到YIG材料的非线性克尔效应

　　总之，此时YIG的质量，尤其是对杂模的抑制，在YIG振荡器的设计之中显得至关重要。瓦里安公司也是第一个报告了杂模对于YIG振荡器影响的公司。

　　YIG诞生于1956年，此时的国际局势风起云涌。科技产业日新月异。二战期间射频设备的大规模应用，催生了高频微波的巨大需求，尤其是分米波雷达