微波固态电路第五章

第五章,微波倍频器,主要内容,引言 变容二极管及阶跃恢复二极管 倍频器基本理论 变容二极管倍频器 阶跃恢复二极管倍频器 肖特基势垒二极管倍频器 微波晶体管倍频器,§5.1 引 言,倍频器基础与技术指标 用途 倍频器的类型 倍频器的噪声,倍频器基础,倍频器的工作原理是：把输入频率的正弦波能量通过非线性器件（包括非线性电阻、电感、电容等） ，使其输出波形发生畸变，产生各次谐波，再用滤波电路把所需要的谐波能量取出送到负载。 非线性电抗元件是构成倍频器的基础器件，而容性非线性电抗在实际电路中用得较多。变容二极管和FET三端器件是倍频电路广泛采用的容性器件。相对而言，三端器件倍频器在保持高变频效率的同时，可以在宽带范围内实现变频增益。而二极管倍频器不可能产生倍频增益，且在高电平时频带很窄。电阻性倍频器频带虽然可以做得比较宽，但其损耗也更大，而且承受大功率能力很差。,倍频器主要技术指标,波形纯度：用所需频谱幅度与杂波频谱幅度之比来表示，一般以分贝为单位。 倍频器的工作频率及倍频次数：倍频器的工作频率指倍频器能达到其他技术指标情况下输入频率与输出频率的值。倍频次数是输出频率与输入频率的比值。 倍频器输出功率：指倍频器在一定输入功率情况下的输出功率。 倍频器变频损耗（或倍频器的效率）：输出所需谐波功率与输入基波功率之比，用dB表示时称为倍频器的变频损耗，若直接用百分数表示，则称为倍频器的效率。 倍频器的驱动功率：指能使倍频器正常工作的最小输入基波信号的功率。 带宽：一般以输出功率下降3dB的频率变化范围表示。 输入、输出驻波比：表征倍频器输入、输出端口匹配性能的技术指标，理想情况下其值为1。,倍频器用途,倍频器多用在微波和毫米波发射机和接收机电路，以产生在基频振荡器上无法获得的高频率的本征信号源。,倍频器的类型,利用二极管PN结的静态非线性I-V关系，即非线性电阻产生谐波，实现倍频； 利用变容二极管的非线性电抗特性即非线性电量Q-V特性实现参量倍频； 利用阶跃恢复二极管（SRD）而产生高阶谐波，实现高次倍频； 有源倍频，即同时利用有源器件获得谐波和增益，如砷化镓场效应管，异质结双极管，高电子迁移率晶体管等，其倍频机理是跨导传输函数的非线性； 利用强迫同步现象，将振荡器注入锁定在基准频率n次的谐波上，实现倍频； 利用宽带单片放大器的非线性产生谐波，并放大谐波构成宽带倍频； 利用非线性传输线（NLTL）来实现，传输线周期加载既可以是非对称也可以是对称的变容管用作非调谐倍频器，它能提供效率和带宽。,倍频器的噪声,来自倍频器的外部主振器（如有放大，还包括功率放大器引入的噪声）。 来自倍频器的内部。 采用倍频链的实现方式，则整个倍频链的噪声将有一定程度的恶化，即输入频率的n次倍频源的相位噪声比输入基波信号的相位噪声至少增加n2倍，这等效于n次倍频源的噪声恶化,§5.2 变容二极管及阶跃恢复二极管,变容二极管是一种结电容随外加偏压非线性变化的二极管。变容二极管的非线性电容可以采用PN结或肖特基结形成，如无特别说明，变容管一般指PN结型的二极管，它可用于微波压控振荡器、微波倍频器、微波移相器、微波上变频器及微波限幅器等。,变容二极管,PN结结电容形成的原理,图5.2 PN结电荷分布图,变容二极管,PN结的结电容，也叫做势垒电容，表示为 根据高斯定律有 其中，A为结面积；W为空间电荷层宽度； 为半导体的介电常数；dV为PN结偏压变化量。 由上两式可知，PN结的结电容为 当外加电压为正时， W减小，即 增加，当外加电压为负时， W增大， 减少，,(5.1),(5.2),(5.3),变容二极管的结构,(a) 平面管芯结构 (b)台面管芯结构 图5.3 变容二极管管芯结构图,变容二极管的等效电路,图5.4 变容二极管的等效电路,表征变容管性能的静态电参数,损耗电阻 ：管子的损耗，一般在1左右。 反向击穿电压VB ：一般定义为反向电流达1µA时的反偏电压值。它限制了二极管的激励电平，一般适用范围在VB v 之内。 结电容 Cj ：对任意杂质浓度分布的PN结，其结电容是外加电压的函数，其关系如下： 品质因数 Q：品质因数的物理意义是变容二极管储存能量与耗散能量的比值，可由下式表示：,表征变容管性能的静态电参数,功率容量 ：为了提高变容管的功率容量，应提高其击穿电压、降低热阻。 截止频率：当Q值降为1时对应的频率，表达式如下： 自谐振频率 ：封装变容管的等效电路具有谐振电路形式 ，定义变容管的串联自谐振频率 和并联自谐振频率 分别为 电容调制系数 ：,变容二极管的分类及应用,根据的不同，常将变容管分为以下四种不同类型： =1/3 =1/2 =1/26 =1/151/30,线性缓变结,限幅和倍频,突变结,电调谐参量放大,超突变结,电调谐, =2使用最多,阶跃恢复结,高次倍频,阶跃恢复二极管,阶跃恢复二极管简称阶跃管（Step Recovery Diode，缩写为SRD）是一种具有很强非线性导电特性的二极管。它实际上是电容调制系数 =1/151/30的变容二极管。 多用于高次倍频器，还可用于梳状频谱发生器、频率合成器及锁相固态源中。 可用来产生极窄的脉冲（脉冲宽度可窄到几十微微秒），在毫微秒脉冲发生器、取样示波器等脉冲技术领域的应用也很广泛。,阶跃恢复二极管特性,SRD的杂质分布图 普通二极管和SRD电流波形比较,阶跃二极管的主要电参数,阶跃时间 tt ：阶跃管的反向电流从0.8 Ir降至0.2 Ir所需的时间。它是阶跃管获得高次倍频的关键参数， tt越小，高次谐波越丰富，倍频效率越高。 阶跃管能有效地产生谐波的上限频率以阶跃时间的倒数来定义，即f上=1/ tt ，也就是说SRD有效工作的输出频率上限为f上。 少数载流子寿命 ：停止注入后，少数载流子的平均存在时间，它定义为少数载流子浓度减少到初始值的1/e所经历的时间。也可采用储存时间ts来等效。储存时间ts定义为电压开始反向到反向电流Ir降至0.8 Ir的这一段时间，即反向电流阶跃开始前的一段持续时间。,式中， If,正向注入电流；,Ir 反向抽取电流。,阶跃二极管的主要电参数,SRD的工作依赖于电荷复合。如果储存的电荷在器件内保持一段比射频周期长的时间，则将产生复合，且将降低器件效率。这一因素决定SRD工作频率的下限。 频率下限以电荷寿命的倒数来定义即f下=1/ ；因此为了使SRD在输入信号激励下能有效地工作，要求满足关系式： 1。,阶跃二极管的等效电路,SRD的等效电路,§5.3 倍频器基本理论,非线性电阻倍频理论 非线性电抗倍频理论 二极管平衡倍频电路原理,非线性电阻倍频理论,当要求宽带或高功率的倍频器时常采用以单调正非线性电阻为基础的电阻倍频器。 电阻性倍频器的优点是能提供较宽的带宽，且比电抗性倍频器工作更加稳定，不易产生参变振荡。 由于电阻倍频器比电抗倍频器或有源倍频器具有更低的变换效率，因此应用不如电抗性倍频器普及。,Page-Pantell不等式,电阻性倍频器通常用正向偏置的肖特基势垒二极管提供非线性I-V特性。 Pantell、Page和Clay都指出，对于正非线性电阻来说，电压v是电流i的单值函数，且 。,推导电阻性倍频器功率关系的概念性电路,Page-Pantell不等式,当输入频率为的信号时，由于电阻的非线性特性则在电路中存在输入频率的n次谐频信号，所以电阻上的电压和电流可用傅里叶级数表示为 式（5.14）中的傅里叶系数的表达式为 因为v(t)和i(t)是实函数，所以有 和 。n次谐频功率是（忽略系数4）,（5.14a）,（5.14b）,（5.15a）,（5.15b）,（5.16）,Page-Pantell不等式,若用 乘以式（5.15a）的 并求和，可得 将式（5.14b）两边对t求二次偏导并化简有 于是式（5.17）可表示为 因为v(t)和i(t)是周期为的周期性函数，故有v(0)= v(T)和i(0) =i(T) 。同理i(t)的导数具有同样的周期性，所以式（5.18）中等式右端的第一项为零。 又有,（5.17）,（5.18）,Page-Pantell不等式,则式（5.18）可简化为 又有 ，并结合式（5.16），可得 对于正的非线性电阻，式（5.19）的积分总是正的。所以有 如果除了基频和所需要的谐频n外，所有其他谐频都端接电抗性负载，则式（5.20）可简化为 0。,（5.19）,0,（5.20）,Page-Pantell不等式,源输送功率P10，而代表器件提供的谐频功率Pn0。所以理论上的最大变换效率为：,（5.21）,非线性电阻倍频理论,Page-Pantell不等式适用于所有正非线性电阻，它表示电阻性倍频器的效率是按倍频系数的平方下降的。这是对一切采用正非线性电阻倍频器的基本限制，这一限制也适用于理想的指数二极管。 一般情况下，可以采用平衡结构的两个二极管来改进二极管倍频器的性能。这样可提高输出功率、改进输入阻抗特性以及抑制某些（全部偶次或全部奇次）谐频。,非线性电抗倍频理论,非线性电抗倍频器电路按照所使用的器件不同可分为二极管倍频器和晶体管倍频器两大类。 非线性电抗二极管倍频器常采用变容二极管和阶跃恢复二极管。 变容管倍频器适用于低次倍频，其效率较高，如果忽略损耗电阻等寄生参量的影响，由Manley-Rowe功率关系，其效率可达100%。 阶跃管倍频器多用在高次倍频场合，由于它不需要变容管倍频所需的空闲电路，因而在电路结构上相对简单，其倍频次数可达100次以上。 也有采用肖特基势垒二极管来实现的倍频器电路。,非线性电抗倍频理论,若将正弦电压加到变容二极管上，则产生的电流波形将发生畸变。由于这一畸变，就产生了高次谐波。谐波含量的多少、幅度的大小与二极管的非线性程度以及激励电压的大小有关。,推导Manley-Rowe关系的概念性电路,非线性电抗倍频理论,Manley-Rowe关系式(常用形式）： 电抗性倍频器是Manley-Rowe关系的一种特定情况，因为它只用了一个信号源，即当m=0时有 式中， 表示n次谐频功率（对于n=0直流项是零）。 表示由源输入的基波功率，其值恒大于0。,（5.31a）,（5.31b）,或,(5.32),非线性电抗倍频理论,若除了n次谐频外所有谐频都端接无耗电抗性负载，则式（5.32）可简化为 Manley-Rowe关系式的含义：对于任意无耗非线性电抗，功率是守恒的。 Manley-Rowe关系式也可用于谐波振荡器、参量放大器以及在RF、微波甚至光波频段的变频器，利用该关系可预示出最大可能功率增益和变换效率。,（5.33）,倍频器的组成,二极管倍频器方框图,二极管平衡倍频电路原理,在此电路中两只同样的二极管相对于输入和输出信号分别以反向并联和串联形式接入。这种电路实际上是一种全波整流电路。其中在输入信号的半个周期一只二极管导通而在另半周期另一只二极管导通。,二极管平衡电路原理图,二极管平衡倍频电路原理,流经每个二极管的电流分别为 式中， 为反向饱和电流； ；n是理想因子；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度； 是二极管的效率常数； 是温度的等值电压。 流经反向并联二极管对的总电流就可以写为 取 并代入上式并将其展成级数形式为 式中， 是第一类（2n+1）阶Bessel函数。方程意味着流经反向二极管对的总电流不存在直流项，而且只包含基频和奇次谐频分量。,二极管平衡倍频电路原理,流经负载电阻RL的电流为 同样将关系 代入并借助 Bessel函数展开上式，就可得到 式