微波固态电路第五章
124页1、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
2、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
3、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
4、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1A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
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