西工大-微波電子線路復(fù)習(xí)

1、第一章 微波混頻器Microwave Mixer引言引言 Introduction非線性器件有：非線性器件有：二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等輸入信號(hào)輸入信號(hào)非線性器件非線性器件輸出信號(hào)輸出信號(hào)濾波器濾波器本振本振二極管二極管 內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)金屬金屬N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流漂移電流漂移電流exp()1soeViInkT 微波混頻器的原理和特性微波混頻器的原理和特性原理原理忽略寄生參量，只記非線性電忽略寄生參量，只記非線性電阻阻jR( )()Lsif vf vv通常通常|Lsvv2311()()()().23LLsLsLsif vf vvfvvfvv！取一階近似取

2、一階近似()()LLsif vf vv()( )LLv vdif vg tdt1()2cosLdcnLnf vIInt 01()( )2cosLnLnf vg tggnt 000()VsoLgI eJV 0()VnsonLgI eJV 混頻器的傳輸特性混頻器的傳輸特性變頻損耗包括：變頻損耗包括：(1)電路適配損耗，電路適配損耗，(2)混頻管結(jié)損耗，混頻管結(jié)損耗，(3)混頻時(shí)的凈變頻損耗混頻時(shí)的凈變頻損耗221212(1)(1)(dB)10lg10lg44aL混頻器的噪聲特性混頻器的噪聲特性1111(1)smDmmTTTLL1101011(1)sDmmmTTtLTLT故等效噪故等效噪聲溫度為聲溫

3、度為等效噪聲等效噪聲溫度比為溫度比為鏡頻開路或短路鏡頻開路或短路0222022(1)2mmDmNLTTTkBL2222 (1)12mmdmLttL 鏡頻匹配鏡頻匹配0(1)mmIFFFL F 整機(jī)噪聲系數(shù)整機(jī)噪聲系數(shù)1.4 混頻器基本電路混頻器基本電路1.4.1 單端混頻器單端混頻器1.4.2 平衡混頻器平衡混頻器1.環(huán)行線耦合平衡混頻器環(huán)行線耦合平衡混頻器反相型平衡混頻器反相型平衡混頻器2.分支線耦合平衡混頻器分支線耦合平衡混頻器90相移平衡混頻器相移平衡混頻器3.正交場(chǎng)平衡混頻器正交場(chǎng)平衡混頻器隔板隔板諧振窗諧振窗混頻腔混頻腔本振輸入本振輸入信號(hào)輸入信號(hào)輸入至中放至中放接晶體電流表接晶體電

4、流表波導(dǎo)式平衡混頻器波導(dǎo)式平衡混頻器1.4.3 雙平衡混頻器雙平衡混頻器二極管橋二極管橋信號(hào)巴倫信號(hào)巴倫本振巴倫本振巴倫中頻輸出中頻輸出中頻口中頻口信號(hào)巴倫信號(hào)巴倫本振巴倫本振巴倫信號(hào)口信號(hào)口本振口本振口1.5.1 濾波型鏡像回收混頻器濾波型鏡像回收混頻器1.5.2 平衡型鏡像回收混頻器平衡型鏡像回收混頻器微帶平衡型鏡像回收混頻器微帶平衡型鏡像回收混頻器組成及金屬半導(dǎo)體二極管特性組成及金屬半導(dǎo)體二極管特性 工作原理工作原理特性特性傳輸傳輸噪聲噪聲隔離隔離匹配匹配設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基本電路基本電路平衡和雙平衡混頻器平衡和雙平衡混頻器鏡像回收與抑制鏡像回收與抑制第二章第二章 參量放大器參量放大器 Param

5、etric AmplifierParametric Amplifier2.2.2 非線性電抗中的一般能量關(guān)系和參放分類非線性電抗中的一般能量關(guān)系和參放分類1. 門雷門雷羅威關(guān)系羅威關(guān)系并聯(lián)并聯(lián)型非型非線性線性電容電容網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)串聯(lián)型非型非線性線性電容電容網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò) 00()mnmnpsmPmfnf 00()mnmnpsnPmfnf門雷門雷羅威關(guān)系羅威關(guān)系門雷門雷羅威關(guān)系的應(yīng)用羅威關(guān)系的應(yīng)用和頻變頻器和頻變頻器差頻變頻器差頻變頻器負(fù)阻反射參量放大器負(fù)阻反射參量放大器簡(jiǎn)并型、準(zhǔn)簡(jiǎn)并型參放簡(jiǎn)并型、準(zhǔn)簡(jiǎn)并型參放特性與原理特性與原理2.2 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管( )(0)/(1/ )njC VCV 靜態(tài)

6、特性靜態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性變?nèi)荻O管所加的電壓為變?nèi)荻O管所加的電壓為 0cosppvVVt 則則1000( )(12cos)(12 cos)jppCC vCtCtC第三章第三章 倍頻器倍頻器變?nèi)莨鼙额l器變?nèi)莨鼙额l器基本電路基本電路并聯(lián)型并聯(lián)型串聯(lián)型串聯(lián)型3.2.2 基本原理基本原理1. 二次倍頻器二次倍頻器如果變?nèi)莨艿耐饧与妷簼M足如果變?nèi)莨艿耐饧与妷簼M足BVv ( )(0)/(1/ )njC vCv (0)C為零偏壓時(shí)的結(jié)電容為零偏壓時(shí)的結(jié)電容 為勢(shì)壘電壓為勢(shì)壘電壓 111(0)( )( )()(0) () /(1)(0) ()0/(1)(0)()1nvvjnnnvnnnnCq vC v

7、dvdvvCvnCvnCvqn 1(0)( )()1nnCq vqvqn 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)BvV 1(0)()1nnBBCqqVqn 111( )()()()nnnBBBq vqvvqqVV 令令MBVV ( )MBq vqvVqq 其中其中1/(1)n 令令MvvV 為歸一化電壓為歸一化電壓( )Bq vqqqq 為歸一化電荷為歸一化電荷則上式簡(jiǎn)化為則上式簡(jiǎn)化為 ( )vq 為了簡(jiǎn)單選用突變結(jié)變?nèi)莨転榱撕?jiǎn)單選用突變結(jié)變?nèi)莨?/2n 2 忽略損耗電阻忽略損耗電阻0sR 考慮電流激勵(lì)型二次倍頻器考慮電流激勵(lì)型二次倍頻器由于濾波器由于濾波器F1和和F2的限制流過(guò)變?nèi)莨艿碾娏髦挥蓄l率的限制流過(guò)變?nèi)莨艿碾娏?/p>

8、只有頻率f1和和f2的的分量，相應(yīng)變?nèi)莨軆啥穗姾煞至浚鄳?yīng)變?nèi)莨軆啥穗姾蓂1和和q2也只有頻率也只有頻率f1和和f2的分量的分量01121( )2sin2sin(2)q vQQtQt 歸一化歸一化01121( )( )2sin2sin(2)Bq vqq vQQtQtqq 00( )BQqQ vqq 11( )BQQ vqq 22( )BQQ vqq 因?yàn)橐驗(yàn)?vq所以所以201121222012011212121212121212sin2sin(2)(22)4(sinsin(2)4cos(2)2cos24cos(3)2cos(42 )vQQtQtQQQQ QtQtQ QtQtQ QtQt 其中

9、其中提取提取 和和 頻率的電壓分量頻率的電壓分量1 12 11210114cos()4sinvQ QtQ Qt 直流電壓分量為直流電壓分量為222001222VQQQ22110212cos24sin(2)vQtQ Qt 微帶型四倍頻器微帶型四倍頻器低通濾波器低通濾波器高阻線高阻線1/4 開路線開路線(空閑）空閑）2/4 帶通濾波器帶通濾波器3.3 階躍階躍-恢復(fù)二極管倍頻器恢復(fù)二極管倍頻器階躍階躍-恢復(fù)二極管是一種特殊的恢復(fù)二極管是一種特殊的P-N結(jié)器件，在正弦波激勵(lì)下，結(jié)器件，在正弦波激勵(lì)下，能產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間極短的脈沖，該脈沖含有非常豐富的頻率分能產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間極短的脈沖，該脈沖含有非常豐富的頻

10、率分量，利用這種性質(zhì)，單次倍頻次數(shù)可以達(dá)到量，利用這種性質(zhì)，單次倍頻次數(shù)可以達(dá)到1020次，而且次，而且不需要加空閑回路。不需要加空閑回路。3.3.1 階躍階躍-恢復(fù)二極管的基恢復(fù)二極管的基本特性及參量本特性及參量最大耗散功率最大耗散功率二極管上消耗的功率，通過(guò)加散熱器可以增加該功率二極管上消耗的功率，通過(guò)加散熱器可以增加該功率maxP3.3.1 階躍階躍-恢復(fù)二極管倍頻器組成和工作原理恢復(fù)二極管倍頻器組成和工作原理方框圖方框圖各級(jí)波形各級(jí)波形偏置偏置電路電路匹配匹配電路電路激勵(lì)激勵(lì)電感電感諧振電路諧振電路輸出濾波器輸出濾波器負(fù)負(fù)載載信信源源脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器原理電路圖原理電路圖bLCHL高

11、頻扼流圈高頻扼流圈bR自給偏壓電阻自給偏壓電阻MLMCTC輸入濾波匹配網(wǎng)絡(luò)輸入濾波匹配網(wǎng)絡(luò)L激勵(lì)電感激勵(lì)電感諧振電路和濾波電路根據(jù)具體情況可以是集諧振電路和濾波電路根據(jù)具體情況可以是集中參數(shù)或分布參數(shù)電路中參數(shù)或分布參數(shù)電路bC隔直流電容隔直流電容cCdC1 脈沖發(fā)生器脈沖發(fā)生器電流正向流通時(shí)，階躍管相當(dāng)于短路，故電流正向流通時(shí)，階躍管相當(dāng)于短路，故v近似于零，實(shí)際為勢(shì)近似于零，實(shí)際為勢(shì)壘電壓壘電壓 ，當(dāng)電流反向流通時(shí)，階躍管存儲(chǔ)的電荷開始放電，這，當(dāng)電流反向流通時(shí)，階躍管存儲(chǔ)的電荷開始放電，這時(shí)電壓仍為時(shí)電壓仍為 ，放電完畢時(shí)，電路突然減小，階躍管進(jìn)入高阻狀，放電完畢時(shí)，電路突然減小，階躍管

12、進(jìn)入高阻狀態(tài)，同時(shí)激勵(lì)電感態(tài)，同時(shí)激勵(lì)電感L產(chǎn)生一個(gè)反向感應(yīng)電壓，二極管上有一個(gè)反產(chǎn)生一個(gè)反向感應(yīng)電壓，二極管上有一個(gè)反向高壓脈沖出現(xiàn)，左圖，此后二極管有開始正向流通，電壓又向高壓脈沖出現(xiàn)，左圖，此后二極管有開始正向流通，電壓又回到回到 ，在負(fù)載上得到重復(fù)的，周期為在負(fù)載上得到重復(fù)的，周期為T1的脈沖串。的脈沖串。下面分別討論兩種狀態(tài)下面分別討論兩種狀態(tài)導(dǎo)通期間導(dǎo)通期間110sin()()diLVtVdt 設(shè)初始條件為設(shè)初始條件為0( )i tI0I流過(guò)激勵(lì)電感的起始電流流過(guò)激勵(lì)電感的起始電流方程的解為方程的解為01011()( )coscos()VVi tIttLL 直流項(xiàng)直流項(xiàng)余弦項(xiàng)余弦項(xiàng)

13、線性增長(zhǎng)項(xiàng)線性增長(zhǎng)項(xiàng)當(dāng)電流為正時(shí)，階躍管存儲(chǔ)電荷，當(dāng)電流反向時(shí)存儲(chǔ)的電荷當(dāng)電流為正時(shí)，階躍管存儲(chǔ)電荷，當(dāng)電流反向時(shí)存儲(chǔ)的電荷釋放，當(dāng)釋放，當(dāng)t達(dá)到達(dá)到ta時(shí)，橫坐標(biāo)上下，正負(fù)電流所包含的面積相時(shí)，橫坐標(biāo)上下，正負(fù)電流所包含的面積相等時(shí)，表明階躍管存儲(chǔ)的電荷已全部清除，這時(shí)進(jìn)入階躍期，等時(shí)，表明階躍管存儲(chǔ)的電荷已全部清除，這時(shí)進(jìn)入階躍期，由于導(dǎo)通期間階躍管等效為一個(gè)電壓為由于導(dǎo)通期間階躍管等效為一個(gè)電壓為 的電源，這時(shí)輸出電的電源，這時(shí)輸出電壓為壓為 。階躍期間階躍期間 存儲(chǔ)電荷釋放完畢，擴(kuò)散電容消失，階躍管等效為一個(gè)勢(shì)壘電容存儲(chǔ)電荷釋放完畢，擴(kuò)散電容消失，階躍管等效為一個(gè)勢(shì)壘電容Cj，相當(dāng)于一

14、個(gè)高速開關(guān)將大電容換為小電容，適當(dāng)調(diào)節(jié)偏壓相當(dāng)于一個(gè)高速開關(guān)將大電容換為小電容，適當(dāng)調(diào)節(jié)偏壓V0，使，使ta正好正好發(fā)生在負(fù)電流最大的瞬間，即發(fā)生在負(fù)電流最大的瞬間，即( )0at tdi tdt 此時(shí)電感上無(wú)電壓降，同時(shí)階躍管也無(wú)電壓降，回路中能力全部轉(zhuǎn)換此時(shí)電感上無(wú)電壓降，同時(shí)階躍管也無(wú)電壓降，回路中能力全部轉(zhuǎn)換為電感中的磁能，如果忽略勢(shì)壘電壓，這時(shí)激勵(lì)電壓的瞬時(shí)值和偏壓為電感中的磁能，如果忽略勢(shì)壘電壓，這時(shí)激勵(lì)電壓的瞬時(shí)值和偏壓V0相等，極性相反，階躍管總的外加電壓為零，因此在分析時(shí)忽略外加激相等，極性相反，階躍管總的外加電壓為零，因此在分析時(shí)忽略外加激勵(lì)電壓和直流偏壓勵(lì)電壓和直流偏壓1

15、1( )0jtdvv t dtCvLdtR回路方程為回路方程為整理為整理為221( )10jjd vdv tvdtRCdtLC解為解為( )cossintNNv teAtBt 因?yàn)橐驗(yàn)?0)0vA所以所以( )sintNv tBet ( )( )sincosttjjNNNdv ti tCC Betetdt 1(0)jNiC BI 1/jNBIC 1( )(/)sintjNNv tICet 其中其中1/(2)jRC 221(4/)(1/)211NjjjLCRCLC 12jLRC 21/(2)/1NjjjjRCCL CLC 2112/( )sin1NtjNL Cv tIet ( )v t 為一衰減

16、振蕩，上圖中虛線，但由于存在階躍管，當(dāng)振蕩電壓正為一衰減振蕩，上圖中虛線，但由于存在階躍管，當(dāng)振蕩電壓正向達(dá)到接觸電壓時(shí)，階躍管導(dǎo)通，因此衰減振蕩只能維持半個(gè)周期。向達(dá)到接觸電壓時(shí)，階躍管導(dǎo)通，因此衰減振蕩只能維持半個(gè)周期。脈沖的寬度為脈沖的寬度為21221jNpNNLCTtf 實(shí)際脈沖寬度實(shí)際脈沖寬度tp不一定等于半個(gè)周期，但為了保證倍頻效率，脈沖寬不一定等于半個(gè)周期，但為了保證倍頻效率，脈沖寬度至少小于輸出信號(hào)的周期，故選擇原則為度至少小于輸出信號(hào)的周期，故選擇原則為2NpNTtT脈沖的腹點(diǎn)出現(xiàn)在脈沖的腹點(diǎn)出現(xiàn)在tp/2處，脈沖的幅度為處，脈沖的幅度為2212 11122/4/( )11N

17、ptjjpt tL CL CEIev tIe 當(dāng)負(fù)載電阻當(dāng)負(fù)載電阻R較大時(shí)，較大時(shí)，12jLRC 將很小，將很小，1/pjEIL C pjtLC ( )sinpNv tEt 輸出脈沖的平均功率輸出脈沖的平均功率22201100212( )sin1ppttpNpjEvtPfdtftdtRRE f C 當(dāng)當(dāng) 很小時(shí)很小時(shí)( 0.3)，201pjPE f C 偏置電壓偏置電壓V0通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓可以控制使階躍發(fā)生在負(fù)電流最大時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓可以控制使階躍發(fā)生在負(fù)電流最大時(shí)，如前，階躍期間，當(dāng)忽略勢(shì)壘電壓時(shí)，管子上總電壓為零如前，階躍期間，當(dāng)忽略勢(shì)壘電壓時(shí)，管子上總電壓為零110sin()0VtV 當(dāng)當(dāng)

18、，電壓為零，將，電壓為零，將 帶入上式可得帶入上式可得 /pNtt pt111010sin()sin()0NVtVVtV 101sin()NVVt 導(dǎo)通結(jié)束時(shí)導(dǎo)通結(jié)束時(shí)( )階躍管上的電流為階躍管上的電流為 1dptTt1I010111()coscos()dVVIttILL 聯(lián)立以上各式可以得到聯(lián)立以上各式可以得到 0101001()coscos()0ttVVidtItt dtLL 再由導(dǎo)通結(jié)束時(shí)階躍管上上總電荷為零的條件得再由導(dǎo)通結(jié)束時(shí)階躍管上上總電荷為零的條件得 偏壓自給：階躍管的直流分量偏壓自給：階躍管的直流分量(整流電流整流電流)通過(guò)偏壓電阻通過(guò)偏壓電阻Rb產(chǎn)生電壓降得產(chǎn)生電壓降得到，

19、到，Rb的值取決于所需的偏壓及整流電流的大小，可以依下式選擇。的值取決于所需的偏壓及整流電流的大小，可以依下式選擇。22 /()bjRN C該值僅屬于估算值，實(shí)際中需要進(jìn)行調(diào)整該值僅屬于估算值，實(shí)際中需要進(jìn)行調(diào)整輸入阻抗輸入阻抗輸入導(dǎo)納對(duì)電流的匹配很重要，可以將電流分解為與基波電壓同相分量輸入導(dǎo)納對(duì)電流的匹配很重要，可以將電流分解為與基波電壓同相分量IR和正交分量和正交分量IL，并分別與基波電壓幅度相比，即得到輸入阻抗，并分別與基波電壓幅度相比，即得到輸入阻抗11102cos sin(/)LRLRN 111012cos sin(/)LXLXN 0R0X ， 為阻抗倍乘系數(shù)，它們與為阻抗倍乘系數(shù)，它們與N和和 的關(guān)系曲線，通常估算輸入的關(guān)系曲線，通常估算輸入阻抗時(shí)，近似認(rèn)為阻抗時(shí)，近似認(rèn)為 ， 。為此一調(diào)諧電容將電感分量補(bǔ)。為此一調(diào)諧電容將電感分量補(bǔ)償，則輸入阻抗為償，則輸入阻抗為01R 01X 11ZL 脈沖頻譜脈沖頻譜輸出電壓脈沖波形為（當(dāng)輸出電壓脈沖波形為（當(dāng) 很小，并忽略很小，并忽略 后）后）1sin 0( )0