西工大-微波電子線路復習課件

第一章微波混頻器

MicrowaveMixer引言Introduction非線性器件有：二極管、三極管、場效應管等輸入信號非線性器件輸出信號濾波器本振二極管內(nèi)建電場金屬N型半導體擴散電流漂移電流微波混頻器的原理和特性原理忽略寄生參量，只記非線性電阻通常取一階近似混頻器的傳輸特性變頻損耗包括：(1)電路適配損耗，(2)混頻管結(jié)損耗，(3)混頻時的凈變頻損耗混頻器的噪聲特性故等效噪聲溫度為等效噪聲溫度比為鏡頻開路或短路鏡頻匹配整機噪聲系數(shù)1.4混頻器基本電路1.4.1單端混頻器1.4.2平衡混頻器1.環(huán)行線耦合平衡混頻器——反相型平衡混頻器2.分支線耦合平衡混頻器——90°相移平衡混頻器3.正交場平衡混頻器隔板諧振窗混頻腔本振輸入信號輸入至中放接晶體電流表波導式平衡混頻器1.4.3雙平衡混頻器二極管橋信號巴倫本振巴倫中頻輸出中頻口信號巴倫本振巴倫信號口本振口1.5.1濾波型鏡像回收混頻器1.5.2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體二極管特性工作原理特性傳輸噪聲隔離匹配設計基本電路平衡和雙平衡混頻器鏡像回收與抑制第二章參量放大器

ParametricAmplifier2.2.2非線性電抗中的一般能量關系和參放分類1.門雷——羅威關系并聯(lián)型非線性電容網(wǎng)絡串聯(lián)型非線性電容網(wǎng)絡門雷—羅威關系門雷—羅威關系的應用①和頻變頻器②差頻變頻器③負阻反射參量放大器④簡并型、準簡并型參放特性與原理2.2變?nèi)荻O管靜態(tài)特性動態(tài)特性變?nèi)荻O管所加的電壓為則第三章倍頻器變?nèi)莨鼙额l器基本電路并聯(lián)型串聯(lián)型3.2.2基本原理1.二次倍頻器如果變?nèi)莨艿耐饧与妷簼M足為零偏壓時的結(jié)電容為勢壘電壓當時令其中令為歸一化電壓為歸一化電荷則上式簡化為為了簡單選用突變結(jié)變?nèi)莨芎雎該p耗電阻考慮電流激勵型二次倍頻器由于濾波器F1和F2的限制流過變?nèi)莨艿碾娏髦挥蓄l率f1和f2的分量，相應變?nèi)莨軆啥穗姾蓂1和q2也只有頻率f1和f2的分量歸一化因為所以其中提取和頻率的電壓分量直流電壓分量為②微帶型四倍頻器低通濾波器高阻線開路線(空閑）帶通濾波器3.3階躍-恢復二極管倍頻器階躍-恢復二極管是一種特殊的P-N結(jié)器件，在正弦波激勵下，能產(chǎn)生持續(xù)時間極短的脈沖，該脈沖含有非常豐富的頻率分量，利用這種性質(zhì)，單次倍頻次數(shù)可以達到10~20次，而且不需要加空閑回路。3.3.1階躍-恢復二極管的基本特性及參量最大耗散功率二極管上消耗的功率，通過加散熱器可以增加該功率3.3.1階躍-恢復二極管倍頻器組成和工作原理方框圖各級波形偏置電路匹配電路激勵電感諧振電路輸出濾波器負載信源脈沖發(fā)生器原理電路圖高頻扼流圈自給偏壓電阻輸入濾波匹配網(wǎng)絡激勵電感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)電路隔直流電容1脈沖發(fā)生器電流正向流通時，階躍管相當于短路，故v近似于零，實際為勢壘電壓

，當電流反向流通時，階躍管存儲的電荷開始放電，這時電壓仍為，放電完畢時，電路突然減小，階躍管進入高阻狀態(tài)，同時激勵電感L產(chǎn)生一個反向感應電壓，二極管上有一個反向高壓脈沖出現(xiàn)，左圖，此后二極管有開始正向流通，電壓又回到，在負載上得到重復的，周期為T1的脈沖串。下面分別討論兩種狀態(tài)①導通期間設初始條件為流過激勵電感的起始電流方程的解為直流項余弦項線性增長項當電流為正時，階躍管存儲電荷，當電流反向時存儲的電荷釋放，當t達到ta時，橫坐標上下，正負電流所包含的面積相等時，表明階躍管存儲的電荷已全部清除，這時進入階躍期，由于導通期間階躍管等效為一個電壓為

的電源，這時輸出電壓為

。②階躍期間

存儲電荷釋放完畢，擴散電容消失，階躍管等效為一個勢壘電容Cj，相當于一個高速開關將大電容換為小電容，適當調(diào)節(jié)偏壓V0，使ta正好發(fā)生在負電流最大的瞬間，即

此時電感上無電壓降，同時階躍管也無電壓降，回路中能力全部轉(zhuǎn)換為電感中的磁能，如果忽略勢壘電壓，這時激勵電壓的瞬時值和偏壓V0相等，極性相反，階躍管總的外加電壓為零，因此在分析時忽略外加激勵電壓和直流偏壓回路方程為整理為解為因為所以其中

為一衰減振蕩，上圖中虛線，但由于存在階躍管，當振蕩電壓正向達到接觸電壓時，階躍管導通，因此衰減振蕩只能維持半個周期。脈沖的寬度為實際脈沖寬度tp不一定等于半個周期，但為了保證倍頻效率，脈沖寬度至少小于輸出信號的周期，故選擇原則為脈沖的腹點出現(xiàn)在tp/2處，脈沖的幅度為當負載電阻R較大時，將很小，③輸出脈沖的平均功率當很小時(

<0.3)，④偏置電壓V0通過調(diào)節(jié)偏壓可以控制使階躍發(fā)生在負電流最大時，如前，階躍期間，當忽略勢壘電壓時，管子上總電壓為零當，電壓為零，將帶入上式可得導通結(jié)束時()階躍管上的電流為聯(lián)立以上各式可以得到

再由導通結(jié)束時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(整流電流)通過偏壓電阻Rb產(chǎn)生電壓降得到，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。該值僅屬于估算值，實際中需要進行調(diào)整⑤輸入阻抗輸入導納對電流的匹配很重要，可以將電流分解為與基波電壓同相分量IR和正交分量IL，并分別與基波電壓幅度相比，即得到輸入阻抗

，為阻抗倍乘系數(shù)，它們與N和的關系曲線，通常估算輸入阻抗時，近似認為，。為此一調(diào)諧電容將電感分量補償，則輸入阻抗為⑥脈沖頻譜輸出電壓脈沖波形為（當很小，并忽略后）分解為Fourier級數(shù)其中頻譜的相對值為2諧振電路不加諧振電路加諧振電路頻率較低時諧振電路采用集中參數(shù)電路(f<300MHz~500MHz)，頻率較高時可以采用分布參數(shù)電路或諧振腔Cc為耦合電容，其作用是控制負載對諧振線的影響，即控制有載Q值。Cc為無窮大，耦合過強，有載Q值過大，負載直接接在傳輸線終端，建立不起衰減振蕩，輸出波形仍然為脈沖串，只是時延四分之一周期。Cc太小，耦合太弱，負載得到的功率小，效率低，有載Q高，頻道窄。如果則脈沖延遲負載同相反射延遲階躍管(此時階躍結(jié)束，階躍管正向?qū)?，呈現(xiàn)低阻)反相反射負載上得到的電壓為衰減常數(shù)為選擇合適的Q值，使衰減振蕩在一個脈沖周期內(nèi)基本衰減完，一般選為一個脈沖周期后衰減為確定以后，如何確定耦合電容一般情況下將串聯(lián)的電容和負載等效為并聯(lián)形式3輸出濾波器輸出頻率為，在其兩邊為和的旁頻，濾波器的作用是濾去旁頻，輸出需要頻率的信號輸入信號的頻率范圍為輸出信號的頻率范圍為輸入輸出隔直電容軛流圈偏壓電阻匹配電容匹配電感調(diào)諧電容激勵電感階躍管諧振線耦合電容防寄生振蕩電阻輸入輸出偏置線諧振線門雷-羅威公式變?nèi)荻O管特性變?nèi)荻O管應用低噪聲參量放大器階躍管倍頻器基本特性工作原理倍頻器工作原理脈沖發(fā)生器諧振電路濾波器第四章微波半導體二極管振蕩器4.2雪崩渡越時間二極管直流偏壓為臨界擊穿電壓，其上疊加一個幅度較小的交流電壓雪崩電流滯后與電壓90°相位感應電流的基波振幅等于電子流基波振幅乘以相位滯后4.2.5俘獲等離子體雪崩觸發(fā)模式1.基本原理在IMPATT模式中，大信號時，由于前面分析的原因，（雪崩提前結(jié)束，相移減小，空間電荷波后面電場降低，前面電場提高，使渡越時間改變），使雪崩管性能下降。而TRAPATT模式正好利用大信號時空間電荷波對電場的影響來提高效率的。在A點給雪崩管施加一個大電流，該電流給勢壘電容充電，結(jié)電壓很快上升到BB點電壓很高雪崩很強，過激勵很強強雪崩區(qū)快速掃過雪崩管，在其后邊留下大量的電子和空穴，相當于等離子體，阻抗很低，電壓下降到C，載流子被俘獲在低電場中CD段電壓很低，電流很大，當?shù)入x子體被吸收后電壓上升到D，等待下一次激勵。在CD段電壓很低電流很大4.3轉(zhuǎn)移電子振蕩器1963年由Gunn在實驗室發(fā)現(xiàn)的一種現(xiàn)象4.3.1基本工作原理1.N型砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)和速度—電場特性N型砷化鎵的導帶分為上下兩個能谷—主能谷和子能谷(下能谷和上能谷）

兩個能谷的能級相差0.36eV

常溫(290K)時電子具有的熱能為KT0=0.025eV，遠小于兩個能谷之間的能級差別，因此電子主要處于主能谷中。

下能谷中電子的有效質(zhì)量為上能谷電子有效質(zhì)量的6倍，遷移率近似為70倍。流過二極管的電流為器件的工作長度為L，按照均勻電場的設想，則即所以：電壓—電流關系與電場—速度關系相同，為閾值電壓3.微波振蕩的產(chǎn)生過程疇內(nèi)電場陰極附近電子密度低電子密度低的地方電場強，首先發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移形成疇，疇內(nèi)電場高(疇的電場與外加電場方向相同)，電壓不變，疇外電場低4.轉(zhuǎn)移電子器件的動態(tài)伏安特性電壓由小上升，電流沿A—B—C—D變化，但當電壓由高降低，電流沿D—C—A變化，原因是所建立的疇的存在，當電壓降低到時，不能再維持疇的存在，疇消失，電流回到靜態(tài)伏安特性上。外電路的電流疇的生長和消失時間較渡越時間小很多，所以渡越時間近似等于電流脈沖的周期，因此振蕩頻率近似為1.偶極疇的渡越時間模式2.偶極疇的延遲模式3.偶極疇的猝滅模式5.限壘模4.4負阻振蕩器的一般理論和電路4.4.1負阻振蕩器的工作原理1.起振條件2.平衡條件3.穩(wěn)定條件4.4.2負阻振蕩器電路1.同軸腔由平衡條件可以得到同軸線的長度為2.微帶振蕩器負載電路二極管電路等效電路3.波導振蕩器負阻振蕩器的頻率調(diào)諧所謂頻率調(diào)諧就是采取一定的措施改變振蕩器的振蕩頻率。調(diào)諧方式機械調(diào)諧通過改變諧振腔的尺寸來改變振蕩頻率電調(diào)諧偏置調(diào)諧通過改變負阻器件的偏置來改變振蕩器的振蕩頻率，體效應管采用偏壓調(diào)諧，雪崩管采用偏流調(diào)諧，但是頻率變化的同時輸出功率也在發(fā)射變化，甚至出現(xiàn)停振變?nèi)莨苷{(diào)諧YIG調(diào)諧(1)溫度補償法(2)鎖相穩(wěn)頻法(3)高Q腔穩(wěn)頻法負阻振蕩器的穩(wěn)頻方法器件振蕩器條件雪崩二極管頻率調(diào)諧起振工作原理和模式轉(zhuǎn)移電子器件平衡穩(wěn)定頻率穩(wěn)定5.4微波放大器的增益、穩(wěn)定性和噪聲系數(shù)5.4.1端接任意負載時的輸入、輸出阻抗負載反射系數(shù)信源反射系數(shù)5.4.2輸入、輸出功率放大器的輸入功率為信號源資用功率為則負載得到的功率為網(wǎng)絡輸出的資用功率為5.4.3三種功率增益1實際功率增益

定義為負載吸收的功率與放大器輸入功率之比2資用功率增益

定義為負載吸收的資用功率與信號源輸出資用功率之比3轉(zhuǎn)換功率增益

定義為負載吸收的功率與信號源輸出資用功率之比坐標原點處為穩(wěn)定和不穩(wěn)定的分界線通常因此原點所在的區(qū)域為穩(wěn)定區(qū)域上圖中單位圓內(nèi)陰影部分為穩(wěn)定區(qū)域，其余部分為不穩(wěn)定區(qū)域潛在不穩(wěn)定穩(wěn)定判定圓與單位圓的關系5.4.4微波晶體管放大器的穩(wěn)定性絕對穩(wěn)定5.4.5微波晶體管放大器的噪聲系數(shù)①有源兩端口網(wǎng)絡噪聲系數(shù)的一般表達式晶體管的可以用一個有噪網(wǎng)絡表示，將網(wǎng)絡內(nèi)部的噪聲等效到輸入端，網(wǎng)絡變?yōu)闊o噪聲網(wǎng)絡討論噪聲時，無噪網(wǎng)絡可以去掉不同的F對應于不同的圓，所有圓的圓心都在原點到opt的連線上該圖說明：為了得到一定的噪聲系數(shù)，可以選擇不同的源反射系數(shù)s,同時根據(jù)前面的分析，轉(zhuǎn)換功率增益和資用功率增益GT和Ga也是s的函數(shù)，我們還可以在s平面上畫出等功率圓，這樣就可以選擇合適的源反射系數(shù)s，使其既滿足噪聲系數(shù)有滿足功率增益的要求等噪聲系數(shù)圓5.5小信號微波晶體管放大器的設計

微波晶體管放大器的性能取決于晶體管的性能、晶體管S參數(shù)測量的精度和設計方法

小信號放大器的指標(1)工作頻率和頻帶(2)增益(3)噪聲系數(shù)(4)動態(tài)范圍(5)輸入、輸出電壓駐波比VSWR(6)穩(wěn)定性

微波晶體管放大器的框圖設計步驟(1)選擇合適的晶體管和電路形式

通常采用共發(fā)射極(源)極電路形式，結(jié)構(gòu)可選用同軸線或微帶線形式，工作頻率在6GHz以下多選用雙極晶體管，6GHz以上多選用場效應管，并盡可能選用fT高的晶體管，若設計低噪聲放大器，則應選低噪聲晶體管(2)測量晶體管的S參數(shù)

確定晶體管的工作狀態(tài)，測出頻帶內(nèi)的S參數(shù)(3)判別穩(wěn)定性

根據(jù)所測得的S參數(shù)，判別晶體管的穩(wěn)定性，如果絕對穩(wěn)定則負載阻抗和源阻抗可以任意選擇，如果潛在不穩(wěn)定，則需畫出穩(wěn)定圓，在穩(wěn)定區(qū)內(nèi)選擇合適的源阻抗和負載阻抗(4)設計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡

對高增益放大器應根據(jù)對增益和平坦度的要求設計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡

對低噪聲放大器還應測出工作頻帶內(nèi)的噪聲參數(shù)，然后在根據(jù)對噪聲和增益的要求設計輸入、輸出匹配網(wǎng)絡

在晶體管放大器的設計中，通常根據(jù)S12的大小及穩(wěn)定程度來區(qū)分不同的設計方法，它們是單向化設計、絕對穩(wěn)定條件下設計和潛在不穩(wěn)定條件下的設計5.5.1單向化設計GT與GTu之間的誤差范圍為當u=0.12時即5.5.2非單向化雙共軛匹配的設計其中其中式中K為穩(wěn)定系數(shù)，上式中當，時取減號，當，取加好當例：已知某晶體管在1GHz，6V，集電極電流1.5mA時，S參數(shù)為按最大轉(zhuǎn)換功率增益設計一級放大器解：(1)計算K及單向化優(yōu)質(zhì)比u的值由于，，，，因此該晶體管網(wǎng)絡滿足絕對穩(wěn)定條件，并按雙共軛方法設計。(2)計算雙共軛匹配時的源反射系數(shù)和負載反射系數(shù)(3)計算最大轉(zhuǎn)換功率增益或10.8dB(4)輸入輸出匹配網(wǎng)絡設計5.8微波晶體管振蕩器

微波晶體管振蕩器在實際工程中用廣泛應用，它具有低的調(diào)頻噪聲，良好的頻率穩(wěn)定性，寬動態(tài)范圍，能夠電調(diào)與鎖相，輸出功率從毫瓦級到瓦級，效率也比較高。

在L波段和S波段主要用雙極晶體管，而在較高的頻率上主要使用場效應管。

與高頻晶體管振蕩器一樣，微波晶體管振蕩器也可以看成是再生反饋的放大器。一般用共基極電路，具體的反饋可以通過外電路、內(nèi)部、或內(nèi)外結(jié)合來完成?？紶柈吰澥焦厝R式克拉潑式常用的三種基本電路形式5.8.1以輸入輸出阻抗為基礎的設計①諧振電路置于發(fā)射極—基極之間的設計②諧振電路置于發(fā)射極—集電極之間的設計5.8.2利用S參數(shù)的設計方法

利用S參數(shù)設計小信號振蕩器，首先將晶體管的S參數(shù)轉(zhuǎn)換為Z參數(shù)，如下圖所示，圖中包含負載阻抗ZL和電抗元件X1、X2，回路方程為由上兩式可以得到已知X1、X2，就可以求出ZD，但是該計算非常麻煩，通常需要借助計算機。當求出最大負阻時，即可進行振蕩器設計實際應用中，為了獲得最大最大功率，在負載串聯(lián)的電路中，應選取下列值。柵極偏置RFC高頻旁路交指電容漏極偏置器件基本概念結(jié)型晶體管設計功率場效應管增益穩(wěn)定性和單向化設計判定最大增益和固定增益設計噪聲設計第六章微波電真空器件

真空二極管是用金屬、玻璃、陶瓷等材料密封在真空管殼中的電子器件。抽真空的目的是保護管子的燈絲和陰極，并防止發(fā)生電擊穿。6.1.1靜態(tài)控制真空管1.真空二極管

真空二極管具有一個陰極和一個陽極陰極是用來產(chǎn)生電子的。大多數(shù)情況是采用將陰極加熱的方法產(chǎn)生電子(因而電子管系統(tǒng)一般都有一個加熱過程)。陽極是用來接收電子的，通常加有一定的正電壓。3.真空三極管在真空二極管的陰極和陽極之間再加一個柵網(wǎng)狀的柵極即構(gòu)成真空三極管。如圖所示在真空二極管通過陽極電壓控制陽極電流，而在三極管中，陽極電流除了受到陽極電壓的控制以外，還受到陰極和陽極之間的柵極電壓的控制。如果柵極和陽極之間的電場為加速場時，電子可以穿過柵極打到陽極形成陽極電流。6.2速調(diào)管放大器陰極陽極燈絲輸入腔輸出腔收集極雙腔速調(diào)管放大器1.結(jié)構(gòu)電子槍漂移空間五部分組成：電子槍、輸入腔、漂移空間、輸出腔和收集極電子槍：產(chǎn)生具有一定速度和密度的電子注輸入腔：輸入信號通過耦合裝置進入輸入諧振腔，在高頻隙縫處激勵起高頻電場，對電子速度進行調(diào)制漂移空間：此空間不存在任何外加電場，是一個等位空間，電子在該空間速度不變，作慣性運動。受過速度調(diào)制的電子在此空間形成群聚。輸出腔：密度不均勻的電子流與高頻場在隙縫處進行能量交換，放大后的微波信號經(jīng)耦合裝置輸出收集極：收集交換能量后的電子構(gòu)成直流通路2.放大原理①電子從直流電場獲得能量②速度調(diào)制③密度調(diào)制④能量交換①②③④①’③’④’①號電子在高頻場為零的瞬間離開輸入腔，速度不變②號電子在高頻減速場最大的瞬間離開輸入腔，速度最小③號電子在高頻加速場最大的瞬間離開輸入腔，速度最大②、③號電子之間的電子會以①號電子為中心群聚④號電子在高頻為零的瞬間離開輸入腔，速度不變②、③’號電子之間的電子不發(fā)生群聚電子的群聚中心分別為T/2，3T/2，5T/2電子電流感應電流基波感應電流基波感應電壓6.2.2多腔速調(diào)管放大器①②③④⑤中間腔感性調(diào)諧，電壓超前于電流輸入腔中，處于1號和3號電子之間的電子發(fā)生群聚，另外半周的電子不參加群聚該電子流進入中間腔后，在中間腔上產(chǎn)生的感應電流與電子電流同相，但中間腔為感性失諧，電壓相位超前于電流，這時不僅1號和3號電子之間的電子參加群聚，而且4號和5號電子也參加群聚。使群聚進一步加強。6.2.4反射速調(diào)管振蕩器

在雙腔或多腔速調(diào)管放大器中，如果加一個反饋支路將輸出信號反饋到輸入端，如果反饋合適就有可能激勵起微波振蕩。但這樣太麻煩，不實用。有更加簡單的方法是只用一個諧振腔，該諧振腔既擔負速度調(diào)制，又擔負能量交換任務。1.結(jié)構(gòu)

反射速調(diào)管由電子槍、諧振腔和反射極組成，有的時候沒有加速極，而直接由諧振腔柵網(wǎng)兼作電子注加速極，相對陰極腔體上加的是正電壓V0，反射極加的是負電壓Vr，這樣在陰極和柵網(wǎng)之間構(gòu)成一個加速場，而柵網(wǎng)與反射極之間構(gòu)成一個直流減速場工作原理

電子注在直流加速場中加速到一定的速度進入柵網(wǎng)，若這時柵網(wǎng)間已經(jīng)存在高頻電壓V1sint,則電子流在該高頻場作用下發(fā)生速度調(diào)制，受到速度調(diào)制的電子進入直流拒斥場中，速度逐漸減小，直到為零，然后返回來加速進入柵網(wǎng)，將能量交給高頻場，從而可以維持振蕩。2.反射速調(diào)管中電子的群聚過程2號電子離開柵網(wǎng)的速度最快，在拒斥場中運動的距離最遠，時間最長3號電子離開柵網(wǎng)的速度最慢，在拒斥場中運動距離的最近，時間最短1號電子離開柵網(wǎng)的速度不變，2號電子和3號電子圍繞1號電子群聚6.3行波管放大器