毫米波第二六章毫米波固態(tài)電路

毫米波理論與技術(shù)

第二章毫米波固態(tài)源

第六章毫米波固態(tài)電路2015年4月毫米波真空管分類慢波型正交場放大器（CFA）磁控管（Magnetron）速調(diào)管（Klystron）行波管（TWT）返波管（BWO）快波型回旋管（Gyrotron）萊達(dá)管（Ledatron）潘努管（Peniotron）毫米波固態(tài)源分類二端器件IMPATTGunn三端器件MESFETHEMTFETPHEMTFET倍頻器振蕩器換能器：DC→AC放大器：G→∞非線性電路負(fù)阻振蕩的基本原理直流靜態(tài)電阻永遠(yuǎn)為非負(fù)值R=V/I≥0負(fù)阻是就動態(tài)電阻而言的，即器件V-A特性曲線上某處的斜率r=dv/di<0§2.1固態(tài)振蕩器的一般理論只考慮穩(wěn)態(tài)振蕩時器件中的電流基波分量i(t)=Acos(ωt+φ)設(shè)器件的微分阻抗和電路阻抗分別為Zd(A)=-Rd(A)+jXd(A)Zc(ω)=Rc(ω)+jXc(ω)則起振條件Rd(A)>Rc(ω)平衡條件Zd(A)+Zc(ω)=0穩(wěn)定條件振蕩的三種條件任何原因引起的噪聲源在振蕩器噪聲分析中都可以看成是一個與器件阻抗串聯(lián)的電壓源，它將引起器件電流的振幅和相位起伏。振蕩器噪聲分析注入鎖定技術(shù)經(jīng)常用來改善振蕩器輸出相位和頻率穩(wěn)定度。利用頻率靠近自由振蕩器頻率的小信號注入，振蕩頻率就被同步到注入信號頻率上。注入鎖定1958年Read提出模型1965年Johnston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§2.2IMPATT振蕩器單雙漂結(jié)構(gòu)對比毫米波IMPATT二極管

的封裝結(jié)構(gòu)和熱模型IMPATT二極管CW功率隨頻率變化IMPATT二極管脈沖功率隨頻率變化IMPATT二極管封裝結(jié)構(gòu)

（100GHz以下）陶瓷環(huán)封裝f<50GHz石英環(huán)封裝50GHz<f<100GHzIMPATT二極管開放結(jié)構(gòu)

（100GHz以上）單石英支撐雙石英支撐直接接觸毫米波二極管波導(dǎo)型振蕩電路腔穩(wěn)法（不適合毫米波）注入鎖定鎖相環(huán)頻率穩(wěn)定方法1963年Gunn發(fā)現(xiàn)在外加電場作用下半導(dǎo)體能級間電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)RWH（Radley,Watkins,Hilsum）雙谷理論模型1964年Kromer證明了二者是同一種效應(yīng)§2.3Gunn振蕩器與IMPATT對比，Gunn器件不是結(jié)效應(yīng)器件，而是體效應(yīng)器件，也稱電子轉(zhuǎn)移器件優(yōu)點：噪聲低，適合作低噪聲本振缺點：輸出功率較低Gunn與IMPATT對比Gunn與IMPATT二極管CW功率Gunn與IMPATT二極管脈沖功率鰭線振蕩器=鰭線諧振器+有源器件鰭線諧振器用一段帶有偏置電路和適當(dāng)調(diào)諧電路的鰭線制作有源器件可以是Gunn、IMPATT等二端器件，也可以是FET、HEMTFET等三端器件§6.1鰭線振蕩器簡單的鰭線振蕩器鰭線壓控振蕩器平面柱鰭線振蕩器周期柵鰭線振蕩器單柵鰭線振蕩器鰭線FET振蕩器P=P1+P2理論合成效率可達(dá)100%并聯(lián)雙管合成振蕩器P=2(P1+P2)理論合成效率可達(dá)200%這是因為串聯(lián)可使Gunn管比單個時有更大的負(fù)阻，也更容易與阻抗較高的傳輸線匹配關(guān)鍵：等幅同相合成串聯(lián)雙管合成振蕩器鰭線串聯(lián)雙管合成振蕩器Gunn二極管和串聯(lián)雙管合成振蕩器的等效電路等效電路鰭線串聯(lián)雙Gunn管合成振蕩器

的輸出功率鰭線串聯(lián)雙Gunn管合成振蕩器

的輸出功率穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度HMSIWGunnOscillatorD-band(110-140GHz)

quasi-opticaloscillatorGroovedmirrortypeFabry-Perotquasi-opticaloscillator倍頻器將交流能量轉(zhuǎn)換為其諧波頻率的交流能量，與振蕩器將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量不同。倍頻器與其說是信號源，不如說是頻率變換電路。§2.5二端器件倍頻源按功能信號倍頻功率倍頻按器件二端電抗性二極管變?nèi)荻O管階躍二極管電阻性二極管三端倍頻器分類基頻固態(tài)源和倍頻器可獲得的最大功率（左）基頻電子管型振蕩源可獲得的最大功率（右）毫米波源和倍頻器可獲得的最大功率平面管芯結(jié)構(gòu)和臺面管芯結(jié)構(gòu)等效電路變?nèi)荻O管的管芯結(jié)構(gòu)和等效電路結(jié)電容結(jié)電容變化系數(shù)γ=1/3緩變結(jié)γ=1/2突變結(jié)γ>1超突變結(jié)變?nèi)荻O管的非線性特性零偏壓結(jié)電容PN結(jié)的勢壘電位差反向偏壓絕對值并聯(lián)型（電流激勵型）和串聯(lián)型（電壓激勵型）二極管倍頻電路的基本形式并聯(lián)型（電流激勵型）特點：二極管上只有f1和Nf1頻率的電流優(yōu)點：二極管可接地，利于散熱，適合大功率倍頻缺點：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串聯(lián)型（電壓激勵型）特點：二極管上只有f1和Nf1頻率的電壓優(yōu)點：輸入輸出阻抗較高，且隨諧波次數(shù)N的增加，效率下降程度比并聯(lián)型小，對N>3的場合較適合缺點：散熱不如并聯(lián)型二極管倍頻電路兩種形式的特點空閑回路（LmCm）匹配電路偏置電路倍頻附加電路W頻段高功率二倍頻電路輸出部分二倍頻器HBV三倍頻器450GHz單管三倍頻器和異質(zhì)結(jié)勢壘變?nèi)荻O管（HBV）器件[M.Saglam2002]反向并聯(lián)二極管對平衡倍頻器35%bandwidthQ-to-Wbandfrequencydoubler[C.Nguyen1987]鰭線平衡倍頻電路75-110GHzfullwaveguidebandMMICtripler[M.Morgan2001]W頻段單片集成平衡三倍頻器900GHz平衡三倍頻器[2004]900GHz平衡三倍頻器性能三端器件倍頻器FET二倍頻器（微帶結(jié)構(gòu)）三端器件倍頻器FET平衡三倍頻器二端器件混頻器單二極管混頻器（單端混頻器）反向并聯(lián)二極管對偶次諧波混頻器二極管平衡混頻器二極管雙平衡混頻器三端器件混頻器§6.3混頻器梁式Schottky二極管俯視圖二極管混頻原理混頻器噪聲系數(shù)和SSB變頻損耗亞諧波混頻器反向并聯(lián)二極管對偶次諧波混頻電路平衡混頻電路230GHzsingleendedmixer[J.W.Archer1981]波導(dǎo)單端混頻器SSB變頻損耗和噪聲溫度單端混頻器亞諧波混頻器亞諧波混頻器300-360GHzsub-harmonicmixerusingplanarSchottkydiodes[B.Thomas2005]單脊鰭線亞諧波混頻器Wide-bandsubharmonicallypumpedW-bandmixerinsingle-ridgefin-line[P.J.Meier1982]單片亞諧波混頻器E-bandmonolithicSchottkydiodepairsubharmonicmixer[E.B.Stoneham2006]單片四次諧波混頻器60GHzUniplanarMMIC4SubharmonicMixer[M.W.Chapman2002]有限寬度地共面（FGC）波導(dǎo)單片四次諧波混頻器60GHzUniplanarMMIC4SubharmonicMixer[M.W.Chapman2002]有限寬度地共面（FGC）波導(dǎo)鰭線－共面線平衡混頻器鰭線－帶線平衡混頻器鰭線－帶線平衡混頻器微帶平衡混頻器V頻段單片集成混合環(huán)平衡混頻器IVbandsinglybalanceddiodemixer[C.Florian2005]W頻段單片集成混合環(huán)平衡混頻器91-99GHzmonolithicHEMTSchottkydiodesinglybalancedmixer[Velocium]單片雙平衡混頻器70-90GHzmonolithicHBTstarmixer[Velocium]單柵和雙柵三端器件混頻電路三端器件平衡混頻電路單片有源平衡混頻器32-46GHzmonolithicGaAsPHEMTbalancedmixer[Mimix]HEMT器件結(jié)構(gòu)及其等效電路實際HEMT器件的典型結(jié)構(gòu)單級、雙級低噪聲放大器56-70GHzmonolithicPHEMTlownoiseamplifier[TriQuint]單片低噪聲放大器平衡式分布式（行波式）反饋式有源匹配式有損匹配式寬帶放大器類型平衡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有源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80-100GHzmonolithicHEMTbalanced,3-stage,lownoiseamplifier[TriQuint]平衡式放大器DC-60GHzmonolithicMMHEMTlownoiseamplifier[TriQuint]單片分布式（行波式）放大器18-50GHzmonolithicGaAsPHEMTdistributedampl