微波电子线路第三章上

•微波频率变换器
• 可得出结论：对于非负的时变电阻 和时变电导 来说， •混频器中所有混频产物所得到的总功率不大于信号源所供给的 •信号功率。 • 变频损耗不可能小于1，即不可能有变频增益，因而我们所 讨论的线性周期时变电阻网络是无源的。由于其无源性，因而 它是绝对稳定的，即在任何终端负载和本振条件下都不会产生 自激振荡。 • 在无穷多个混频产物频率中，我们一般仅需要输出一种频 率成分，即中频。那些不需要输出的混频产物（称为带外闲频） 在相应频率的端口阻抗上造成功率损耗，如果能使混频器对这些 无用边带频率造成特殊的终端条件，则可减少有用功率的浪费， 减小变频损耗。
•微波频率变换器
•得出以下基本结论:
在非线性电阻混频过程中产生了无数的组合分量，其中包 含有中频分量，能够实现混频功能。可用中频带通滤波器 取出所需的中频分量而将其它组合频率滤掉。
中频电流的振幅为
.它与输入信号之间具有线性关系,
这一点对信号接收时的保真无疑是非常有意义的。
•从而，傅立叶展开的g(t)可以写为：
•微波频率变换器
•信号电压及其各次幂同样可以写成： • 表示为： •混频输出电流的一般表达式
•微波频率变换器
•大信号下混频的基本结论： 在非线性电阻混频过程中产生了信号和本振所有可能的各次 谐波组合分量，比小信号时丰富得多。其中包含有中频分量， 能够实现混频功能。可用中频带通滤波器取出所需的中频分 量而将其它组合频率滤掉。 二极管电流中包含中频分量为：
•器。
• 实际上，最常用的是变容管倍
•频器和阶跃管倍频器。变容管倍频 •微波倍频器的组成
•器适用于低次倍频，其效率较高， •如果忽略损耗电阻等寄生参量的影
•称为倍频次数
•响，效率甚至可以达到100％；而阶
•跃管倍频器多用在高次倍频场合，
•其结构相对简单，倍频次数可达100
•以上。
• 本章将讨论变容管倍频器和阶跃管倍频器的性能及电路结构。
微波电子线路第三章上
•包含一个或 多个非线性 元件的网络
•微波频率变换器
•中
•包含一个 •和
频信
或多个非线 频信
号
性元件的网 号
络
•本地振 荡信号
•微波下变频器的组成
•泵浦 信号
•微波上变频器的组成
•微波下变频一般采用阻性变频器 •工作频带可作得很宽，可达几 •个甚至几十个倍频程，而且动 •态范围比较大，总噪声系数可 •以作得相当低
•微波上变频一般采用参量变频器 •它变频效率高、绝对稳定。
•微波频率变换器
• 微波倍频器也是微波毫米波系统中常用的部件，在一些微
波设备中，例如频率合成器和微波倍频链中，它更是不可缺少
•的关键部件之一。
•包含一个或
• 原则上，各种半导体元件只要 •具有非线性，都可以用来构成倍频
多个非线性 元件的网络
•其振幅可计算出为： • 中频电流振幅不再与输入信号振幅成线性关系，将产生非线 性失真。 由于信号也产生各次谐波，将有可能在输出端产生组合干扰。
•微波频率变换器
•3.2.2 电路功率关系与变频损耗
•混频器的变频损耗 一般可定义为：
• 它表示混频器中任意边带频率 到另一边带频率 之间的 •变频损耗， 和 分别表示这两个频率上的资用功率。 • 由于一般只关注输出中频的情况，可把混频器的变频损耗 •定义限定为：
• 和 分别为从信号源和中频输出端 得到的资用功率。
•1．混频器的功率关系 •二极管这一非线性电阻中的瞬时功率可表示为：
•微波频率变换器
•平均功率一般可表示为：
•当 时，积分项为1，当 时，积分项为0
•对于阻性二极管来说， 是时间的实函数，而且对所有的时 间来说 ，则可见 为实数，而且恒有 。
•考虑到只有信号源对时变电阻 馈给功率，故 （信号频率上 •进入的功率）是正的，而在其它频率 （ ）上均吸收功率， •因而它们的功率 均为负值。
•微波频率变换器
•3.2.1 电路工作原理与时频域关系
• 微波混频器只采 •用一个肖特基势垒混 •频二极管，称为单端 •混频器
•是信号源内阻抗， •是本振源内阻抗， •表示输出负载阻抗， •为直流偏压
•微波频率变换器
•1. 输出电流频谱（设 ）
•先假设 、 和 均被短路;负载电压（输出电压） • 加于二极管两端的电压为信号电压、本振电压及直流偏压 •（或零偏压）之和
•微波频率变换器
•（2）大信号情况
• 如果混频器的输入信号是强信号（但可认为信号电压幅度仍 远小于本振电压幅度），不能忽略 以上的各高次项。此时信号 也将产生各次谐波，混频产物电流的频谱分量将大为增加。
• 为使问题分析及表达简洁，可以借助欧拉公式把上述各三角 函数表示为指数形式:
•如果定义
，则有：
•肖特基势垒二极管的特性可以表示为: •二极管电流为 :
•（1）小信号情况
• 信号电压幅度远小于本振电压幅度 ,按台劳级数在 •处展开为:
•微波频率变换器
•由于信号电压的幅度很小，可将 以上的各高次项忽略不计
•二极管的时变电导
•假设混频二极管对所有本振谐波电压都是短路的，仅由正弦本振电压决定
•
是仅加直流及本振电压时的二极管电流
由于本振信号是强信号，在混频过程中它通过二极管的非 线性作用而产生了无数的谐波，每一个谐波都包含了部分 有用的信号功率，是对信号功率的浪费，应该采取措施加 以回收利用，以提高从信号变换为中频的变换效率。但各 谐波功率大约随 变化，因此混频产物电路的组合分量 强度随增加而很快减小。通常只有本振基波和二次谐波 等分量才足够强，对混频变换效率产生较大影响。
•和
都是本振频率 的周期函数,利用傅立叶级数展开
•微波频率变换器
• 根据第二章第二节混频二极管的交流激励特性可知 •（忽略反向饱和电流）：
•（本振电流） •（信号基波电流） •（输出中频电流）
•微波频率变换器
•（高次差频电流）
•（各次和频电流）
•混频电流的主要频谱
•
频率称为和频，
称为镜像频率。
除称为中频外还称为差频，
•微波频率变换器
•3.2 非线性电阻微波混频器
• 非线性电阻微波混频器的核心元件是肖特基势 •垒二极管。常见的非线性电阻微波混频器的基本电 •路有三种类型：单端混频器采用一个混频二极管， •是最简单的微波混频器；单平衡混频器采用两个混 •频二极管；双平衡混频器采用四个二极管。
• 本节将以元件的特性为基础，分析非线性电阻微 •波混频器的工作原理及性能指标，包括电路时频域 •关系、功率关系、变频损耗、噪声特性，并给出各 •种非线性电阻微波混频器的电路实现（微带电路结 •构）等。