微波固态电路第四章

1、第四章,微波混频器和检波器,主要内容,肖特基势垒二极管和检波二极管 微波混频器工作原理 微波混频器的基本电路 镜像回收混频器 毫米波混频及谐波混频 微波集成检波器,4.1 引 言,混频器是利用非线性或时变元件来达到频率变换的目的。 检波器是利用固态器件的非线性来产生直流或低频电流及电压，用以检测微波功率。 混频器是微波集成电路接收系统中必不可少的部件。 检波器是微波指示设备中最常用的部件。 微波集成混频器基本上采用肖特基势垒二极管做变频元件。,4.1 引 言,从电路结构形式来看，混频器有单管式混频、两管平衡式混频和多管式混频。 单管式混频只用一支二极管，结构简单，成本低，但噪声高，抑制干扰能力差，在要求不高处可以采用。 平衡式混频器借助于平衡电桥可使本机振荡器的噪声抵消，因而噪声性能得到改善，电桥又使信号和本征之间达到良好隔离，因此平衡混频器是最普遍采用的形式。 多个二极管的混频器，比如管堆式双平衡混频器、镜频抑制混频器等是为特殊要求而设计的，可用于多倍频程设备、镜频能量回收或自动抑制镜频干扰。,4.2 肖特基势垒二极管和检波二级管,金属-半导体结（肖特基势垒结）的工作原理,(a) 金

2、属的能带示意图 (b) N型半导体的能带示意图 金属和N型半导体在接触前各自的能带示意图,肖特基势垒二极管,处于不同能级状态的电子如果获得足够的能量，就会脱离原子核的束缚，逸出并形成热电子发射，这是物体又一属性。定义起始能量为费米能级的电子逸出所需的最小能量为物体的逸出功，或称为功函数W，即定义逸出功为真空中静止电子的能量与费米能级之差。 EF统一的结果，使M-S交界处的能带发生弯曲，意味着电子位能由N区向金属区逐渐升高，从而形成一个势垒，阻挡电子从半导体流向金属。该势垒高度就是半导体和金属的相对差值 为势垒电位差（或称接触电位差，内建电位差）。,肖特基势垒二极管,我们通常所说的肖特基表面势垒，指的是在半导体一侧的势垒高度 ，而金属-半导体结二极管通常称为肖特基势垒二极管。,热平衡时金属-半导体结的能带图,肖特基势垒二极管,外加电压作用下的单向导电特性,（a）加正偏置 (b) 加反偏置 M-S结在外加电压作用下的情况,肖特基势垒二极管,肖特基势垒二极管的基本物理结构是M-S结，其主要物理过程以多数载流子的运动为基础，因此被称为“多子器件”。它与以少数载流子的扩散运动为基础的PN结二极管

3、的特性既很相似，又有所不同，可比较如下： 伏安特性与结电阻 结电容 串联电阻 击穿电压,M-S结与PN结I-V特性比较,肖特基势垒二极管的结构、 等效电路与主要参数,(a)点接触型 (b)面接触型（面结合型） 肖特基势垒二极管管芯结构,肖特基势垒二极管的结构、 等效电路与主要参数,肖特基表面势垒二极管优于点接触二极管，主要在于： 点接触管在制作时形成的是不完善的肖特基势垒，而面接触则形成的是完善的肖特基势垒。 不同的点接触管在压接时压力可能不同，使肖特基结的直径不同，因此性能一致性差，可靠性也差；而平面工艺使结直径、金属膜厚度等均能严格控制，因而管子性能一致性好，便于设计使用。 以上两个优点表现为I-V特性中的工艺修正系数n有所不同。点接触型n1.4，而面接触型n=1.051.1，因此非线性特性较陡。此外，面接触型管的噪声性能也有改善。,肖特基势垒二极管的结构、 等效电路与主要参数,微波混频二极管的典型封装结构及其等效电路如图所示,(a) 面接触型微带式封装结构 (b) 等效电路 混频二极管的封装结构及等效电路,肖特基势垒二极管的结构、 等效电路与主要参数,M-S结二极管的截止频率较高

4、，定义 为 二极管作为混频管使用时主要参数有以下几点： 变频损耗 、噪声温度比 、中频阻抗 及其他。 噪声温度比（简称噪声比）：二极管的总输出噪声资用功率与其等效电阻在相同温度下热噪声资用功率kTB之比。 若Rs很小，且Rs Rj ，则上式简化为： 噪声来源与晶体管同，来源有三部分：散粒噪声、热噪声和闪烁噪声。,检波二极管,检波二极管多用PN结和肖特基势垒二极管。 因微波信号一般比较微弱，所以要求检波二极管的灵敏度很高，检波二极管的输出电压由视频放大器放大，这样就构成了晶体视频接收机，其灵敏度虽低于超外差接收机，但结构简单，也有不少重要用途。,检波管等效电路,检波二极管,检波二极管的IV特性为 式中，IS为二极管的的反向饱和电流，典型值从10-1610-13A不等，且受势垒高度、结面积和温度影响；V是二极管结两端的电压；q是电子电荷； k是波尔兹曼常数；T是绝对温度；n是理想因子，用来计入不可避免的结缺陷和其他热电子发射之外的次要效应，它总是大于1的，并且应该小于1.2。 检波二极管的结电容也随外加电压而变化： 式中， 是零偏压时的结电容； 是二极管势垒电位； 是电容非线性系数，一般为

5、0.5左右。,检波二极管的重要电参数,电流灵敏度 ：电流灵敏度定义为短路整流电流和输入射频功率之比，常以 表示。电流灵敏度有如下表示式： 采用电流灵敏度表征的缺点是它与负载关系较大，而且不能反映检波管的噪声性能，近来已较少采用。 电压灵敏度 ：检波器输入信号功率前后，检波器负载上电压的变化值与输入的信号功率之比，常以 表示；有时也可在测试条件中给定输入功率，而仅给出负载上的检波电压值，并以mV表示。,检波二极管的重要电参数,正切灵敏度 :在脉冲测试中，没有信号时，检波管噪声输出的上限与有信号时噪声输出的下限在同一水平线上，这时对应的信号电平就是正切灵敏度，以dBm表示。正切灵敏度这一指标由于能反映出在噪声条件下的检波能力，所以得到越来越多的应用。 优质系数M：检波二极管的优质系数M用于比较不同二极管的质量，它包含电流灵敏度 和视频电阻 ，由下式表示： 式中， 为第一级视放输入端的等效噪声电阻。对于不同视放， 的数值有所变化，一般可取 。 视频电阻 ：指检波二极管对视频信号所呈现的电阻，它对于检波器与视频放大器的匹配设计很有用。,4.3 微波混频器工作原理,非线性电阻混频原理 二极管混频

6、器的原理等效电路如图所示。在肖特基势垒二极管上加较小的直流偏压（或零偏压）、大信号本振功率（1mW以上）及接收的微弱信号（W级以下）。,二极管混频器的原理等效电路图,非线性电阻混频原理,假设本振与信号分别表示为 由于 ，因此可以认为二极管工作点随本振电压而变化，而在各工作点展开为泰勒级数。设二极管伏安特性用 表示，则求得二极管电流的瞬时值为,非线性电阻混频原理,第一项是二极管电流中的大信号成分可用傅里叶级数表示为 其他各项为二极管电流中的信号成分，当 很小时，可仅取第二顶。其中 为二极管电导。由于二极管是非线性元件，,则,展成傅里叶级数,其中,非线性电阻混频原理,(a) 正弦本振激励下的二极管大信号电流成分 (b) 时变电导波形,非线性电阻混频原理,因此由上述各式可知二极管电流中的小信号成分近似为: 若负载采用谐振回路，选出所需中频成分（决定于一次混频电导与信号电压的乘积）：,其中,当,或,当,非线性电阻混频原理,混频电流的主要频谱（设 ),非线性电阻混频原理,假设本振和信号电压分别为 则由混频产生的中频电流成分为 而在强信号下（但仍有 ），则混频电流i可最终表示为,，当,或,，当,微

7、波混频器严格理论分析,大信号分析 小信号分析 非线性电阻混频分析中的三个假设： （1）考虑时变电导 ，假设混频二极管对所有本振谐波电压都短路， 由正弦本振电压所决定。 （2）求混频产生的小信号电流 时，仅计算了接收信号 和本振的所谓“一次混频”，而未考虑混频产物的反作用。 （3）认为二极管仅以结电阻的非线性作用产生变频，只考虑了 ，而忽略其非线性电容的变频效应，即未考虑时变电容 。,微波混频器严格理论分析,由于二极管肖特基结的非线性特性，即使外加正弦本振电压，二极管的实际结电压和结电流的波形都是非正弦的，该波形还受到实际二极管串联电阻 、封装参数 、 及外电路阻抗的影响。正是二极管上的实际电压波形决定了混频器的主要性能，因此应首先求出二极管上实际结电压（和结电流）的波形，这是混频器严格理论分析的出发点。在此基础上求出时变电导 和时变电容 及它们的各次谐波分量幅度。这称为混频器的大信号分析（或非线性分析）。,微波混频器严格理论分析,由于二极管是单端口器件，应考虑所有混频产物（ ）在电路中建立起的电压会重新加到二极管上，与本振、射频之间，以及它们本身互相之间又都会产生混频作用，从而影响混频

8、器的变频损耗等性能。因此还应该研究所有这些小信号频率分量之间的幅度关系，将 和 的各次谐波分量构成一个多频多端口线性网络方程，这称为混频器的小信号分析（或线性分析）。,微波混频器的大信号分析（谐波平衡法）,谐波平衡法属于非线性电路的稳态分析，通常将要分析的网络分成两部分，一部分是含有固定激励源的线性子网络，另一部分是含有非线性器件的非线性子网络（其中也可以有线性元件），对于混频二极管而言，等效为如图所示的电路。,二极管混频器的一般等效电路,小信号线性分析,小信号分析将含有非线性元件（混频二极管）的单端口网络表示为一个多频多端口的线性网络。该网络的导纳变换矩阵Y仅由二极管特性和二极管的大信号激励条件决定，而与小信号成分的幅度大小无关。 为了准确地求解变频损耗，还应计入串联电阻和嵌入网络对小信号分析的影响。,混频器的小信号多频多端口线性网络,理论上这个网络是具有无穷多个端口的线性网络。但是，考虑各端口的终端条件，实际上电压或电流的数目可以大大减少。如果对所有n1的 都提供短路终端，则（n1），那么只剩下三个电压 、 和 不为零，则混频器线性网络可减少为三端口网络。在此条件下，Y的表达式为,

9、混频器指标,变频损耗 混频器噪声系数 动态范围 工作频率 隔离度,变频损耗,定义混频器的变频损耗为输入微波资用功率和加到中频负载上的功率之比，即 或 变频损耗由三部分组成：一是由于频率变换作用产生的损耗；二是由寄生参量产生的损耗；三是混频器输入端由于阻抗不匹配产生的微波功率反射损耗。 利用混频器的小信号多频多端口线性网络计算的变频损耗，考虑了所有混频产物对二极管作用的影响，考虑了结电容的变频效应和串联电阻的损耗作用，考虑了嵌入网络引入的阻抗。其小信号线性变换矩阵中的元素值由大信号非线性分析得出，考虑了本振谐波的影响。,混频器噪声系数,混频器中存在多个频率，是多频多端口网络，为适应多端口网络噪声分析，噪声系数定义改为如下形式： 式中， 当系统输入端噪声在所有频率上都是标准温度T0=290K时，系统传输到输出端的总噪声资用功率； 仅由信号输入所产生的那一部分输出的噪声资用功率。,混频器噪声系数,单边带噪声系数 其中，Pn0是混频器输出端总噪声功率，Pn0=kTmf，PnS是信号边带热噪声，PnS=kT0f/Lm，Tm是混频器等效噪声温度，f为中频放大器频带宽度，tm是混频器噪声混度比，tm= ，大多数情况下，tm1，所以 双边带噪声系数：此时上下两个边带都有噪声输入，因此,，按其定义有,混频器噪声系数,混频器-中放级联的噪声系数,当,时，则,这是SSB情况，若是DSB，则有,混频器噪声系数,若混频器为镜像短路或开路混频器，则微波放大器输出端虽有镜道噪声，却不能通过混频器，则该整机噪声系数仍能应用级联噪声系数公式： 若为镜像匹配混频器，且LNA为宽带匹配，则有,动态范围,动态范围是混频器正常工作时所接收的微波信号的功率范围。其下限通常指信号与

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