微波电子线路

微波电子线路总结

一、基于肖特基势垒二极管的混频器

1、PN结简介：

PN结的定义:在一块本征半导体中，掺以不同的杂质，使其一边成为Ｐ型，另一边成为Ｎ型，在Ｐ区和Ｎ区的交界面处就形成了一个PN结。

PN结的形成

（1）当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界面处存在载流子浓度的差异，这样电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。但是，电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，这就是我们所说的PN结，如图1所示。

（2）在这个区域内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的多数载流子(到了本区域后即成为少数载流子了)复合掉了，即多数载流子被消耗尽了，所以又称此区域为耗尽层，它的电阻率很高，为高电阻区。

（3）Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场，如图2所示。

（4）内电场是由多子的扩散运动引起的，伴随着它的建立将带来两种影响：一是内电场将阻碍多子的扩散，二是P区和N区的少子一旦靠近PN结，便在内电场的作用下漂移到对方，使空间电荷区变窄。

（5）因此，扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，有利于少子的漂移而不利于多子的扩散；而漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。当扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，交界面形成稳定的空间电荷区，即ＰＮ结处于动态平衡。PN结的宽度一般为0.5um。

PN结的单向导电性

PN结在未加外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。

（1）外加正向电压（正偏）

当电源正极接P区，负极接N区时，称为给pN结加正向电压或正向偏置，如图3所示。由于PN结是高阻区，而P区和N区的电阻很小，所以正向电压几乎全部加在PN结两端。在PN结上产生一个外电场，其方向与内电场相反，在它的推动下，N区的电子要向左边扩散，并与原来空间电荷区的正离子中和，使空间电荷区变窄。同样，P区的空穴也要向右边扩散，并与原来空间电荷区的负离子中和，使空间电荷区变窄。结果使内电场减弱，破坏了PN结原有的动态平衡。于是扩散运动超过了漂移运动，扩散又继续进行。与此同时，电源不断向P区补充正电荷，向N区补充负电荷，结果在电路中形成了较大的正向电流IF。而且IF 随着正向电压的增大而增大。

（2）外加反向电压（反偏）

当电源正极接N区、负极接P区时，称为给PN结加反向电压或反向偏置。反向电压产生的外加电场的方向与内电场的方向相同，使PN结内电场加强，它把P区的多子（空穴）和N区的多子（自由电子）从PN结附近拉走，使PN结进一步加宽，PN结的电阻增大，打破了PN结原来的平衡，在电场作用下的漂移运动大于扩散运动。这时通过PN结的电流，主要是少子形成的漂移电流，称为反向电流IR。由于在常温下，少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内变化时，它几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。当反向电流可以忽略时，就可认为PN结处于截止状态。值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子一空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。

综上所述，PN结正偏时，正向电流较大，相当于PN结导通，反偏时，反向电流很小，相当于PN结截止。这就是PN结的单向导电性。

PN结的伏安特性

伏安特性曲线：加在PN结两端的电压和流过二极管的电流之间的关系曲线称为伏安特性曲线，如图4所示。u>0的部分称为正向特性，u<0的部分称为反向特性。它直观形象地表示了PN结的单向导电性。

式中 iD ——通过PN 结的电流

vD ——PN 结两端的外加电压

VT ——温度的电压当量，VT=kT/q=T/11600=0.026V ，其中k 为波耳兹曼常数（1.38×10–23J/K ），T 为热力学温度，即绝对温度（300K ），q 为电子电荷（1.6×10–19C ）在常温下，VT ≈26mV

e ——自然对数的底

Is ——反向饱和电流，对于分立器件，其典型值为10-8~10-14A 的范围内集成电路中二极管PN 结，其Is 值则更小

由此可看出PN 结的单向导电性。

2、肖特基势垒二极管

形成过程：在金属和N 型半导体中都存在导电载流子--电子。它们的能级不同，逸出功也不同。当金属和N 型半导体相接触时，电子流从半导体一侧向金属一侧扩散，同时也存在金属中的少数能量大的电子跳跃到半导体中，称为热电子（漂移）。显然，扩散运动占据明显优势，于是界面上金属中形成电子堆积，在半导体中出现带正电的耗尽层。在界面上形成由半导体指向金属的内建电场，它是阻止电子向金属一侧扩散的。随着扩散过程的继续，内建电场增强，扩散运动削弱。于是在某一耗尽层厚度下，扩散和热电子发射（漂移）处于平衡状态。宏观上耗尽层稳定，两边的电子数也稳定。界面上就形成一个对半导体一侧电子的

稳定高度势垒 ，N 半导体的参杂浓度，Wd 厚度，这个存)2/(2

G W eN D D S =φ

在于金属—半导体界面由扩散运动形成的势垒成为肖特基势垒，耗尽层和电子堆积区域成为金属—半导体结。

工作原理：零偏：保持前述势垒状态。正偏：金属一侧接正极，半导体一侧接负极。外加电场与内建电场方向相反，内建电场被削弱，耗尽层变薄，肖特基势垒高度降低，使扩散运动增强。金属半导体结呈正向导电特性，且外加电压越大，导电性越好。

肖特基势垒二极管和PN 结二极管的伏安特性既相似，又有所不同。它同样具有单向导电的特性，其伏安特性为：

T 工作温度( 以绝对温度计) V 加在管子两端的电压

反向饱和电流，典型值为 n 修正因子，取决于制造工艺，典型值 1-2

K 波尔兹曼常数

e 电子电荷

肖特基势垒二极管和PN 结二极管的伏安特性虽然形式上类似，但电流形成方式不同(肖特基势垒二极管完全依靠多数载流子的运动)。

I-V 表达式中决定反向饱和电流的参数不同，PN 结的反向饱和电流与外加偏压无关，而金属-半导体结的反向饱和电流实际上还对偏压有依从关系。在伏安特性上，金属－半导体结有较低的导通电压，较高的正向电流、较强的非线性度，因而优于PN 结。

由于金属－半导体结的I-V 特性较陡，因而在同样偏压下具有较小的结电阻；当二极管工作点随大信号交流电压激励而变化时可导致微分电导(g=1/Rj)有较陡的变化，这对混频是有利的。由表达式可见，正偏时随I 上升，Rj 变小。

3、混频

混频机理是基于肖特基势垒二极管结电阻的非线性管子在偏压和本振的激励下，跨导随时间变化，加上信号电压后出现一系列频率成分的电流，用滤波器取出所需中频即可。

单管混频器为例，输入：本振、偏压、信号、输出、中频

远小于UL,故可视为微分增量 ，

很小，忽略平方以后高次项，只取一阶导数项。一阶导数表示了小信号电流与小信号电压之间的关系， ??

????-=1)ex p(nKT eV I I D Sa ()1-=D aV Sa e I Sa I A 5910~10--()u f i =()

au

sa au Sa e I e I ≈-=1t V t V V u S S L L ωωcos cos 0++=S u u ?u ?()t L V V u du di u u i i i ωcos 0+=?+=?+()()t ug u i ?+=

混频结果从表达式中可以看出：第一项为时变电流，第二项为时变电导与电压的乘积。从中可以取出所需的中频，差频，和频等频率分量。

众多频率成分中，中频是有用成分。越大越好，镜频和和频有利用可能。其他均为无用的寄生频率，必须滤除掉。

二、变容二极管

变容管:PN 结的结电容(主要是势垒电容)随着外加电压的改变而改变，利用了这一特性可以构成变容二极管（简称为变容管）。变容管可以构成参量放大器、参量变频器、参量倍频器(谐波发生器)、可变衰减或调制器等。

主要工作区域为P+N 交接面的PN 结,由于耗尽层电荷随外加电压变化. 结电容也发生变化,一般加负偏压.工作在负电压区.不使其出现正向电流.所以电压最小值为击穿电压VB 对应Cmin,最大值为Φs 对应Cmax.与肖特基管相同,其等效电路为Cj 为结电容.Rs 为串联电阻Ls 为引线电感.Cp 为封装电容。

结电容特性：通过控制制造工艺过程.参数m 可以变化.m 表征结电容随电压变化的非线性程度，m 越大非线性程度越显著。

①m=0.5 突变结变容管,主要用于变频及参放。

②m>0.5 超突变结变容管,主要用于电调谐。

③m=1/3 线形缓变节变容管,主要用于倍频。

④m=0 阶跃恢复二极管,主要用于高次倍频。

给出时变电容随泵浦电压周期变化的曲线:

时变电容也是周期为泵频ωp 的周期函数用傅里叶级数展开这个周期函数。 在同样的泵浦激励下，使用突变结比使用线性缓变结可以得到更大的电容调制系数，结电容 的变化范围更大，故采用突变结变容管更有利于微波电路设计。

结电容 是外加电压V=0时的结电容。

通过控制制造工艺过程，参数m 可以变化，m 表征结电容随电压变化的非线性程度，m 越大非线性程度越显著。

在偏压和大信号泵浦作用下,变容管是一个时变电容,等效为许多不同频率的周期变化的电容并联。

门雷－罗威详细研究了无耗理想非线形电抗中能量随频率的分配关系，称为门－罗关系式.该关系式极其重要.是非线形电抗变频、倍频的基础。为每个频率的信号提供一个通路，只准该频率信号通过对其它频率呈开路，对应的负载为Ri,泵浦和信号内阻为Rp 和Rs 。

()()()()j j dc j m m dc P p p C 0C V C t V V cos t 1p cos t 1ωω==+??--??Φ??m j j V C V C ??????-=φ1)0()()0(j C

门——罗关系式

流入C(t)和流出C(t)的功率总和为零,流入为正,流出为负.非线性电容的能量只能转换为其他频率分量的能量而全部输出。

三、阶跃恢复二极管倍频器

1、阶跃二极管

阶跃管倍频器多用于8-20次倍频，且有较高的频率，这归因于其核心元件阶跃恢复二极管的特殊性能。该器件导通时能储存大量电荷，截止时载流子突然被抽走，电流骤然消失，产生具有丰富谐波分量的尖脉冲。

特点： 加正向电压时导通，但I 区载流子寿命长，复合慢，在结区有大量电荷贮存，电压反向时，由于结区的贮存电荷存在，管子仍然导通，但贮存电荷在载流子抽完后突然消失，电流截止。加交变电压对应电流波形如右图，与一般p-n 结管子的不同在于导通时载流子寿命长，复合慢，电压反向时不能立即截止。

当正向偏压时，少数载流子注入形成正向电流，注入的载流子在势垒区不能全部被复合，便穿过势垒区向对方扩散，成为该区少数载流子。并不断复合。若载流子的寿命远大于外加电压的周期，只有少量少子被复合，PN 结两边存储的电荷越多，扩散长度越长。

当反向偏压时，存储的电荷被PN 结内的电场拉回去，形成反向电流。由于存储的电荷很多，反向电流可能很大；但它们也不会一下子流完，只是到某一时刻，正向期间存储的电荷才被全部拉去，反向电流陡降为零。此时方才恢复到截止状态，所以就出现了电流的阶跃。对阶跃管来说希望阶跃的时间，即电流陡降到零的时间越短越好，因为阶跃时间越短，谐波含量就越丰富，就可以用于更高次数的倍频。

典型的阶跃二极管结构如右图：

阶跃二极管电容--电压关系如下图：

二极管与阶跃管的区别：

0mn m n P +∞+∞=-∞=-∞=∑

∑

谐振电路的输出频谱中仍含有相当高的N+1与Ｎ-1次旁频分量，这些分量必须通过输出滤波器加以滤除。这样谐振电路输出的衰减振荡波形被变换为Nf1 的等幅振荡。该滤波器为带通滤波器，输入阻抗为RL ，输出接负载阻抗为ZL，该滤波器兼有阻抗匹配作用。微带电路C波段(4-8GHz)六倍频器；输入频率1GHz ,功率1W;输出频率6GHz,功率100mW 。输入信号通过变阻匹配低通滤波器2，CT和Ｌ(3) 加到阶跃管4上。输出滤波器7对输入频率不是开路，呈现一阻抗值，选择合适连接线5的长度，使阶跃管在这个位置得到最大激励。输出滤波器7前接的一段λN/4传输线6起谐振回路作用。输出带通滤波器7为平行耦合微带线结构，耦合电容Cc被考虑并设计在输出滤波器中。偏置电压的引线9应为输入信号的四分之一波长的奇数倍，特性阻抗约为100欧姆。为了使偏置引线与电路输入端的连接处呈现良好开路，在偏置电阻上并联了一个约为100微微法的电容。其焊点一段直流接地，一段

射频接地。