振荡器作为通信与雷达系统中的核心模块,其相位噪声制约着整个系统的性能。随着电子技术的快速发展,对振荡器相位噪声的要求日益增高。因此对振荡器相位噪声模型与低相位噪声振荡器设计进行研究具有重要的意义。本文重点研究了基于电路参数的振荡器非线性相位噪声解析模型以及低相位噪声平面振荡器,包括:推-推振荡器、有源谐振器振荡器与反馈式谐波振荡器。本文的主要工作与创新成果如下:(1)为解决传统Kurokawa分析方法中未考虑谐波影响的问题,提出了一种基于多谐波Kurokawa方法的相位噪声解析模型,根据多谐波失真(Poly-Harmonics Distortion,PHD)建模方法中的谐波叠加原理得到了多谐波条件下的非线性器件参数。并对电路中的两种噪声源:加性噪声与频率变换噪声进行了详细讨论,得到了更加准确的振荡器幅度噪声和相位噪声表达式。将该模型应用到Van der Pol振荡器与基于非线性场效应管的Colpitts振荡器中,其相位噪声计算结果与谐波平衡仿真结果相吻合。与传统单频方法相比,多谐波方法能够更加准确的对相位噪声进行定量分析。(2)为实现低相位噪声,对平面推-推振荡器进行了研究。提出了一种基于多环式开口谐振环(Multiple Split Ring Resonator,MSRR)的差分传输线,通过采用加载一对耦合谐振环的方式实现了两个单元振荡器之间的弱耦合,提高了共用谐振器的频率选择特性,基于该结构设计了X波段推-推振荡器,在设计中采用了一种基于振荡器有源品质因子的相位噪声优化方法。为减小共用谐振器的尺寸,提出了一种基于源-负载耦合的螺旋谐振器阵列,该结构具有高频率选择性的同时又能提供反相电流,将其作为相位耦合网络设计了Ku波段平面推-推振荡器。还提出了一种加载TM110模式下基片集成波导(Substrate Integrated waveguide,SIW)谐振腔的差分传输线,由圆形SIW谐振器中TM110模式的奇模特征维持两个单元振荡器的反相工作模式,并且该结构的反射特征更适用于负阻振荡器,在其基础上设计了K波段推-推振荡器。实验结果表明,所提出的一系列平面推-推振荡器结构均实现了良好的相位噪声与基波抑制度。(3)为了解决平面谐振器品质因子受介质与导体损耗所限的问题,对有源谐振器技术在SIW结构中的应用进行了深入研究。首先提出了一种加载有源SIW谐振器的传输线,采用负阻耦合结构补偿SIW谐振器中能量损耗,使其有载品质因子得到显著提高,将该结构应用到X波段负阻振荡器中,与基于无源SIW谐振器的振荡器相比,其相位噪声有9 dB的改善。随后,为提高滤波器的群延迟,提出了一种有源SIW双模滤波器,采用反馈环结构补偿滤波器的能量损耗,并通过优化电路参数减小有源器件附加噪声的影响,基于该结构设计了X波段反馈式振荡器,测试结果表明:该平面振荡器在10.94 GHz的相位噪声为-118.9 dBc/Hz@100kHz,与基于无源SIW双模滤波器的振荡器相比,相位噪声降低了5.3 dB。(4)为提高振荡器输出频率,减小负载变化引起的频率牵引,对反馈式谐波振荡器进行了研究。为简化电路结构,采用双工器同时作为基波选频元件与二次谐波输出元件,实现了输出负载与基波振荡电路之间的高隔离度,与基波振荡器相比,有效减小了负载反射信号对振荡器的影响。基于SIW-CMSRR双工器与滤波器分别设计了反馈式谐波与基波振荡器,仿真与实验结果表明:谐波振荡器与基波振荡器相比具有更小的频率牵引,并且其相位噪声与二倍频器相比也有改善。