毫米波固態(tài)電路課件

1、毫米波理論與技術(shù)毫米波理論與技術(shù)第二章第二章 毫米波固態(tài)源毫米波固態(tài)源第六章第六章 毫米波固態(tài)電路毫米波固態(tài)電路2011年年4月月毫米波真空管分類毫米波真空管分類慢波型慢波型正交場(chǎng)放大器（正交場(chǎng)放大器（CFA）磁控管（磁控管（Magnetron）速調(diào)管（速調(diào)管（Klystron）行波管（行波管（TWT）返波管（返波管（BWO）快波型快波型回旋管（回旋管（Gyrotron）萊達(dá)管（萊達(dá)管（Ledatron）潘努管（潘努管（Peniotron）毫米波固態(tài)源分類毫米波固態(tài)源分類二端器件二端器件IMPATTGunn三端器件三端器件MESFETHEMT FETPHEMT FET倍頻器倍頻器振蕩器振蕩器換

2、能器：換能器：DCAC放大器：放大器：G非線性電路非線性電路負(fù)阻振蕩的基本原理負(fù)阻振蕩的基本原理直流靜態(tài)電阻永遠(yuǎn)為非負(fù)值直流靜態(tài)電阻永遠(yuǎn)為非負(fù)值 R=V/I 0負(fù)阻是就動(dòng)態(tài)電阻而言的，即器件負(fù)阻是就動(dòng)態(tài)電阻而言的，即器件V-A特性曲線上特性曲線上某處的斜率某處的斜率 r=dv/di Rc()平衡條件平衡條件 Zd(A)+Zc()=0穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件振蕩的三種條件振蕩的三種條件振蕩器噪聲分析振蕩器噪聲分析注入鎖定注入鎖定1958年年Read提出模型提出模型1965年年Johnston首次從工作在雪崩區(qū)的首次從工作在雪崩區(qū)的p+n二極管中觀察到了微波振蕩二極管中觀察到了微波振蕩2.2 IMPATT

3、振蕩器振蕩器單雙漂結(jié)構(gòu)對(duì)比單雙漂結(jié)構(gòu)對(duì)比單漂區(qū)（單漂區(qū)（SDR）雙漂區(qū)（雙漂區(qū)（DDR）結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)p+-n-n+p+-p-n-n+漂移區(qū)數(shù)量漂移區(qū)數(shù)量12結(jié)面積結(jié)面積較小較小較大較大輸出功率輸出功率較小較小較大較大工藝復(fù)雜性和成工藝復(fù)雜性和成本本較低較低較高較高毫米波毫米波IMPATT二極管二極管的封裝結(jié)構(gòu)和熱模型的封裝結(jié)構(gòu)和熱模型IMPATT二極管二極管CW功率隨頻率變化功率隨頻率變化IMPATT二極管脈沖功率隨頻率變化二極管脈沖功率隨頻率變化IMPATT二極管封裝結(jié)構(gòu)二極管封裝結(jié)構(gòu)（100GHz以下）以下）陶瓷環(huán)封裝陶瓷環(huán)封裝f50GHz石英環(huán)封裝石英環(huán)封裝50GHzf1 超突變結(jié)超突變結(jié)變

4、容二極管的非線性特性變?nèi)荻O管的非線性特性01jjrDCdqCdvvV零偏壓結(jié)電容零偏壓結(jié)電容PN結(jié)的勢(shì)壘電位差結(jié)的勢(shì)壘電位差反向偏壓絕對(duì)值反向偏壓絕對(duì)值并聯(lián)型（電流激勵(lì)型）和串聯(lián)型（電壓激勵(lì)型）并聯(lián)型（電流激勵(lì)型）和串聯(lián)型（電壓激勵(lì)型）二極管倍頻電路的基本形式二極管倍頻電路的基本形式并聯(lián)型（電流激勵(lì)型）并聯(lián)型（電流激勵(lì)型）特點(diǎn)：二極管上只有特點(diǎn)：二極管上只有f1和和Nf1頻率的電流頻率的電流優(yōu)點(diǎn)：二極管可接地，利于散熱，適合大功率倍頻優(yōu)點(diǎn)：二極管可接地，利于散熱，適合大功率倍頻缺點(diǎn)：二極管與輸入輸出回路均為并聯(lián)，使得輸入缺點(diǎn)：二極管與輸入輸出回路均為并聯(lián)，使得輸入輸出阻抗都較低輸出阻抗都較低

5、串聯(lián)型（電壓激勵(lì)型）串聯(lián)型（電壓激勵(lì)型）特點(diǎn)：二極管上只有特點(diǎn)：二極管上只有f1和和Nf1頻率的電壓頻率的電壓優(yōu)點(diǎn)：輸入輸出阻抗較高，且隨諧波次數(shù)優(yōu)點(diǎn)：輸入輸出阻抗較高，且隨諧波次數(shù)N的增加，的增加，效率下降程度比并聯(lián)型小，對(duì)效率下降程度比并聯(lián)型小，對(duì)N3的場(chǎng)合較適合的場(chǎng)合較適合缺點(diǎn)：散熱不如并聯(lián)型缺點(diǎn)：散熱不如并聯(lián)型二極管倍頻電路兩種形式的特點(diǎn)二極管倍頻電路兩種形式的特點(diǎn)空閑回路（空閑回路（LmCm）匹配電路匹配電路偏置電路偏置電路倍頻附加電路倍頻附加電路W頻段高功率二倍頻電路頻段高功率二倍頻電路輸出部分輸出部分二倍頻器二倍頻器HBV三倍頻器三倍頻器450GHz單管三倍頻器和異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘變?nèi)荻?/p>

6、極單管三倍頻器和異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘變?nèi)荻O管（管（HBV）器件）器件 M. Saglam 2002反向并聯(lián)二極管對(duì)反向并聯(lián)二極管對(duì)平衡倍頻器平衡倍頻器35% bandwidth Q-to-W band frequency doubler C. Nguyen 1987鰭線平衡倍頻電路鰭線平衡倍頻電路75-110GHz full waveguide band MMIC tripler M. Morgan 2001W頻段單片集成平衡三倍頻器頻段單片集成平衡三倍頻器900GHz平衡三倍頻器平衡三倍頻器 2004900GHz平衡三倍頻器性能平衡三倍頻器性能三端器件振蕩器和倍頻器三端器件振蕩器和倍頻器FET二倍頻

7、器（微帶結(jié)構(gòu)）二倍頻器（微帶結(jié)構(gòu)）二端器件混頻器二端器件混頻器單二極管混頻器（單端混頻器）單二極管混頻器（單端混頻器）反向并聯(lián)二極管對(duì)偶次諧波混頻器反向并聯(lián)二極管對(duì)偶次諧波混頻器二極管平衡混頻器二極管平衡混頻器二極管雙平衡混頻器二極管雙平衡混頻器三端器件混頻器三端器件混頻器6.3 混頻器混頻器梁式梁式Schottky二極管俯視圖二極管俯視圖二極管混頻原理二極管混頻原理混頻器噪聲系數(shù)和混頻器噪聲系數(shù)和SSB變頻損耗變頻損耗亞諧波混頻器亞諧波混頻器反向并聯(lián)二極管對(duì)偶次諧波混頻電路反向并聯(lián)二極管對(duì)偶次諧波混頻電路平衡混頻電路平衡混頻電路230GHz single ended mixer J.W. A

8、rcher 1981波導(dǎo)單端混頻器波導(dǎo)單端混頻器SSB變頻損耗和噪聲溫度變頻損耗和噪聲溫度單端混頻器單端混頻器亞諧波混頻器亞諧波混頻器亞諧波混頻器亞諧波混頻器300-360GHz sub-harmonic mixer using planar Schottky diodes B. Thomas 2005單脊鰭線亞諧波混頻器單脊鰭線亞諧波混頻器Wide-band subharmonically pumped W-band mixer in single-ridge fin-line P.J. Meier 1982單片亞諧波混頻器單片亞諧波混頻器E-band monolithic Schottky

9、 diode pair subharmonic mixer E.B. Stoneham 2006單片四次諧波混頻器單片四次諧波混頻器60GHz Uniplanar MMIC 4 Subharmonic Mixer M.W. Chapman 2002有限寬度地共面（有限寬度地共面（FGC）波導(dǎo)）波導(dǎo)鰭線共面線平衡混頻器鰭線共面線平衡混頻器鰭線帶線平衡混頻器鰭線帶線平衡混頻器鰭線帶線平衡混頻器鰭線帶線平衡混頻器微帶平衡混頻器微帶平衡混頻器V頻段單片集成混合環(huán)平衡混頻器頻段單片集成混合環(huán)平衡混頻器IV band singly balanced diode mixer C. Florian 2005W

10、頻段單片集成混合環(huán)平衡混頻器頻段單片集成混合環(huán)平衡混頻器91-99GHz monolithic HEMT Schottky diode singly balanced mixer Velocium單片雙平衡混頻器單片雙平衡混頻器70-90GHz monolithic HBT star mixer Velocium單柵和雙柵三端器件混頻電路單柵和雙柵三端器件混頻電路三端器件平衡混頻電路三端器件平衡混頻電路單片有源平衡混頻器單片有源平衡混頻器32-46GHz monolithic GaAs PHEMT balanced mixer MimixHEMT器件結(jié)構(gòu)及其等效電路器件結(jié)構(gòu)及其等效電路實(shí)際實(shí)際

11、HEMT器件的典型結(jié)構(gòu)器件的典型結(jié)構(gòu)單級(jí)、雙級(jí)單級(jí)、雙級(jí)低噪聲放大器低噪聲放大器56-70GHz monolithic PHEMT low noise amplifier TriQuint單片低噪聲放大器單片低噪聲放大器平衡式平衡式分布式（行波式）分布式（行波式）反饋式反饋式有源匹配式有源匹配式有損匹配式有損匹配式寬帶放大器類型寬帶放大器類型 G MN MN 反饋型 D S 平衡式寬帶放大器平衡式寬帶放大器分布式（行波式）寬帶放大器分布式（行波式）寬帶放大器反饋式寬帶放大器反饋式寬帶放大器 G MN MN 反饋型 D S 有源匹配式寬帶放大器有源匹配式寬帶放大器有損匹配式寬帶放大器有損匹配式寬帶放大器寬帶放大器性能比較寬帶放大器性能比較平衡式分布式（行波式）負(fù)反饋有源匹配有損匹配應(yīng)用頻段范圍1個(gè)倍頻程多個(gè)倍頻程（最寬）幾個(gè)倍頻程幾個(gè)倍頻程幾個(gè)倍頻程阻抗匹配效果優(yōu)良優(yōu)良良好良好較差噪聲系數(shù)低中等較高較高高輸出功率線性度好一般較好較好一般電路尺寸較大較小中等較小小制造允許公差大中等中等中等大80-100GHz monolithic HEMT balanced, 3-stage, low noise amplifier TriQuint平衡式放大器平衡式放大器DC-60GHz monolithic MMHEMT low noise amplifier TriQuint單片分布式（行