微波电子线路大作业

微波电子线路大作业

班级：020914

学号：02091433

姓名：张盼

肖特基势垒二极管与混频器

利用金属与半导体接触形成肖特基势垒构成的微波二极管称为肖特基势垒二极管。这种器件对外主要呈现非线性电阻特性，是构成微波混频器、检波器和微波开关等器件的核心元件。目前绝大多数混频器都采用肖特基势垒二极管，因为肖特基势垒二极管的耗尽电容比PN 结电容小的多，因此肖特基势垒二极管更适合微波频率下工作。 肖特基势垒二极管的等效电路如右图所示：

肖特基二极管作为非线性电阻应用时，除结电容R j 之外， 其他都是寄生参量，会对电路的性能造成影响，应尽量减小

它们本身的值，或在微波电路设计时，充分考虑这些寄生参 量的影响。

一般的，肖特基势垒二极管的伏安特性可以表示为

I =f U =I s exp

qU

?1 对于理想的肖特基势垒，n =1；当势垒不理想时，n >1,点接触型二极管n >1.4,面结合型二极管n ≈1.05~1.1。 特性参量：

1） 截止频率f c =

ωc 2π

=

12πR s C j 0

2） 噪声比t d =N

a kT 0

B =

n 2T T 0

3） 中频阻抗 200~600Ω

4） 变频损耗 L =10lg P

sa P

oa

dB

描述二极管混频器的混频过程，需要建立一个等效电路。由于混频二极管是一个单向器件，不仅与u L 和u s 差拍产生新的频率，而其电流在一定的阻抗上所建立起的电压也会反过来加到二极管上该电压与u L 和u s 差拍，也产生新的频率。

本振电压：u L t =U L cos ωL t 信号电压：u s t =U s sin ωs t 中频电压：u 0 t =?U 0cos ω0t 镜频电压：u i t =?U i sin ωi t 混频器等效电路如右图所示：

信频、中频和镜频电流的幅值为：

I s =g 0U s ?g 1U 0+g 2U i

I s =g 1U 0?g 0U 0+g 1U i I i =?g 2U s +g 1U 0?g 0U i

由等效电路可以求出变频损耗。微波频率变换后的能量损耗即为变频损耗。 变频损耗主要包括三部分：

(1) 由寄生频率产生的净变频损耗L 0。 (2) 由混频二极管寄生参量引起的结损耗 L j 。

(3) 混频器输入/输出端的失配损耗L a 。

具体的公式在课本101页到106页，由于公式较多，限于篇幅，这里就不一一给出。 结论；混频器的变频损耗载镜频开路时变频损耗最低，镜频匹配时变频损耗最高。变频

j

R S

R j C p

C S

L 0

G I 1g

损耗与本振功率有关，在最佳本振功率时，变频损耗最低。如下图所示。

微波混频器的基本电路包括单端混频器、平衡混频器和双平衡混频器。为了保证有效地进行混频，微波混频器的基本电路都应满足以下几项主要原则：1、信号功率和本振功率都应能同时加到二极管上，二极管要有直流通路和中频输出回路；2、二极管和信号回路应尽可能做到匹配，以便获得较大的信号功率；3、本机振荡器与混频器之间的耦合应能调节，以便选择合适的工作状态；4、中频输出端应能滤掉高频信号。 单端混频器

环形平衡混频器

π/2型微带平衡混频器

电荷分析法分析变容管上变频器

功率上变频器的分析方法有电荷分析法和谐波平衡法两种，电荷分析法是属于早期采用的方法。

假设二极管上的激励电荷为

/mW

中频输出信号输入

本振输入

t Q t Q t Q Q t q out out P p S S ωωωsin 2sin 2sin 2)(0+++=

式中：假定t=0时初相位均相同。

流过二极管的电流为

t Q t Q t Q dt

t dq t i out out out P P P S S S ωωωωωωcos 2cos 2cos 2)

()(++==

为求的二极管上的电压u(t)，应先推导出变容管上的电荷-电压（q-u ）特性。

根据变容管原理，利用?

=du u C u q j )()(关系求得电容上存储的电荷为

φφφq n

u U C u q n

n

B +-?---=-)1(1)()()(1min

于是可得)1(1)()

()(1min -?---=--n

u U C q u q n

n

B φφφ 式中：φq 为φ=v 时的结电容上存储的电荷。

当B U u =时，B Q u q =)(，则上式可写成n

U C q Q B

B ---=-1min

φφ

根据上式可得

n

B

B U u q Q q u q ---=--1)(

)(φφφ

φ

一般近似认为φ=u 时，势垒消失，φq 趋于零，所以

n

B

B U u Q u q ---=1)(

)(φφ

上式表示q(u)的一般特性。式中：B Q 按积分式本应为负值，但为使q-u 特性使用方便，因此在上式中令B Q 为正值，这并不影响q-v 特性的物理实质。

对于突变结变电容，21=

n ，于是上式可写成)()(22B

B U u Q u q --=φφ 令2

B

B

Q

U A -=

φ，故得)()

(222

u Aq Q

U u q u B

B

=-=-φφ

由此可画出突变结变电容的q-u 特性，如图4-5中实线所示。为分析方便，图中将u 的坐标零点移至φ处，并令u u -='φ，故得到

)(2u Aq u ='式中：2B

B

Q U A =

。

若在变容管上加入正弦变化的电荷激励，根据q-u 特性，则二极管上的电压为非正弦波，如图4-5所示。图中二极管上的电压限制在φ~B U 的范围内，为满激励（全激励）状态。此时取2/0B Q Q =，可得到最大交变电荷幅度。将这种最佳状态下的工作参数代入式（4-17），可得

)sin 2sin 2sin 22

1

()(t m t m t m Q t q out out P P S S B ωωω+++=（4-26）

式中：m 为电荷激励系数，B S S Q Q m =

，B P P Q Q

m =，B

out out Q Q m =。 设P S ωω<，out P S ωωω=+由式（4-25）求得变容管上的电压为

2222)sin 2sin 2sin 22

1

()(t m t m t m Q Q U u Aq u out out P P S S B B B ωωω+++=

=')

sin sin sin (2)2224

1[(2

22t m t m t m m m m U out out P P S S out P S B ωωω++++++=]

)cos cos cos (4无用边带分量和谐波+-++t m m t m m t m m out P S P out S s out P ωωω

将式（4-26）和式（4-27）进行比较，由变容管上的电压和流过电流之间的相位关系可以看出：对S ω、P ω和out ω既有同相分量，也有正交分量，而且对输出频率out ω，电路呈现负阻及容抗，对S ω和P ω均呈现正阻及容抗，这说明有out ω频率分量的能量输出。

阶跃二极管倍频器

阶跃管采用了P NN +

+

结构，其中很薄的N 层的载流子浓度很低，几乎接近本征层。 阶跃管特性：

)0()

1()

0()(C C U C U C j j j ==≈φ

—

实际中，阶跃管在大信号交流电压的激励下，电容的开关状态在外电压由正半周到负半周的转变时刻不发生转换。

（1）大信号交流电压正半周加在阶跃管上时，处于正D 向导通状态，阶跃管相当于一个低阻，阶跃管的端压u 箝位于PN 结接触电势差φ，管子中有电流i 留过；阶跃管相当于

一个大扩散电容d C ，交流信号将对其进行充电，由于空穴在N 层的复合率比较低，因而有大量的空穴电荷在N 区堆积起来。

（2）信号电压进入负半周，使阶跃管内部产生的势垒电场把N 区内储存的空穴抽回P

+

层，产生很大的反向电流。这时阶跃管仍然有很大的电容量，故阶跃管上的电压降不能突变，管子中仍然有较大的电流，呈现出导通和低阻状态，因此阶跃管端压仍然正向而且箝位于φ，直到正向时存储的电荷基本清除完。一旦电荷耗尽，反向电流将迅速下降到反向饱和电流，形成电流阶跃。调整直流偏压，可以使电流阶跃发生在反向电流最大值处，而且是交流电压。负半周即将结束的时刻。在电流发生阶跃的同时，阶跃管两端将可能发生很大的脉冲电压。 （3）大信号交流激励电压的下一个周期来临。上述过程重复发生，形成与交流激励电压周期相同的一个脉冲串序列波形。

阶跃管的作用是把每一个周期)(1T 输入的信源能量转换为一个谐波丰富的大幅度窄脉冲；再利用它激励一个谐振电路，得到频率为1Nf f N =的衰减波振荡，最后通过带通滤波器在负载上得到N 次谐波的等幅波。

输入信号)sin(1θω+=t U u g ，通过一个激励电感L 激励阶跃管，以便利用电感来储能，使之得到大幅度的阶跃电流，因此g u 应为功率信号源。图中0U 为负偏压，'

L R 为脉冲发生器的等效负载。

导通期间：电路的微分方程：

φθω--+=01)sin(U t U dt

di

L

假定其实条件为00|I i i i ==，0I 为电感中起始电流，则解方程得

t L

U t L U

I t i φθωθω+-+-+

=0110)]cos([cos )( 由此可见，电流由三部分组成：直流分量、余弦分量和线性下降项。 阶跃期间：为了说明节约期间管上的电流、电压波形，假定在i(t)达到负的最大值，即a

t t dt

di

=|=0，产生阶跃，则可画出节约期间的等效电路和谢过电路方程：

Φ--+==o a U t U dt

di

L

)sin(01θω 0)sin(01≈Φ=-+U t U a θω

电路的微分方程为：

0)()(0

=++

L L R dt di L

dt dt di L

d C t i 令a t t =为阶跃期间的阶跃开始时刻0=t 时，起始条件为

??

?=-===0||0

01

0t t L u I i 解得电流为

)sin (cos )(1t t e I t i N N

N t L ωωγ

ωτ-

-= 式中：

20121

ξ

ξωγ-=

=

N L C R 0

2

1LC N ξω-=

21C L R L =

ξ ξ为阻尼因子，由电路参数决定。适当选择激励电感和L R ，对一定的阶跃管使ξ<1,则

)(t i L 的波形为衰减震荡。负载上的电压波形为

t C L t I dt i C t u N N o ωξ

ξξωsin 1/1exp 1)(20

210

-???? ??---==? 可见，电压波形也表现为衰减震荡。

偏置电压的选择。

在阶跃管导通区间，当外加激励电压g u 和负偏压0U -叠加之值大于φ时，二极管导通。 当输入电压幅度U 及倍频次数N 确定后，必须选择并调整合适的偏压，使相应的满足每个周期的电流阶跃发生在电流的最大数值瞬间。

输入导纳：

01

2cos sin()l in l in L R LR G N

ωωπθθ=

≈=-

01

12sin()sin l in l in L X LX B N

ωωπθθ=≈=+-

t 脉冲电压波形及其频谱：脉冲发生器输出的电压为周期性窄脉冲串，具有丰富的谐波。

p 越小，谐波越丰富，并与激励电感和阶跃管的特性有关。

Nf，则效率太低。因此，如果将脉冲发生器用作倍频器，采用滤波器直接从频谱中取出

1

多用脉冲直接激励一个谐振回路，取出其所需要的谐波分量。

Nf附近，此及应用谐谐振电路：谐振回路的作用是将原来窄脉冲的宽频谱能量集中到

1

振回路的特点。