《有源微波電路》PPT課件

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1、第7章有源微波電路7.1微波混頻器微波混頻器是將接收機(jī)所接收到的微波信號變換成中頻信號，以利于進(jìn)一步對信號進(jìn)行后續(xù)處理的微波有源器件。混頻器之所以具有這種功能，關(guān)鍵在于其中使用了具有非線性電導(dǎo)的非線性元件肖特基勢壘二極管。7.1.1肖特基勢壘二極管金屬和半導(dǎo)體直接接觸構(gòu)成表面勢壘的二極管稱為肖特基勢壘二極管。金屬端加上正電壓時(shí)，肖特基結(jié)耗盡層減薄，二極管處于正向?qū)顟B(tài)；金屬端加上負(fù)電壓時(shí)，肖特基結(jié)耗盡層加厚，二極管反向不導(dǎo)通。一．肖特基勢壘二極管的結(jié)構(gòu)肖特基勢壘二極管管芯剖面：小孔中的金屬與N+半導(dǎo)體形成肖特基勢壘結(jié)。窗孔直徑愈小，結(jié)電容也愈小，工作頻率愈高。二．肖特基勢壘二極管的等效

2、電路和伏安特性Rj和Cj分別是肖特基勢壘結(jié)的結(jié)電阻和結(jié)電容，它們都隨外加電壓的變化而變化。Rj是產(chǎn)生混頻作用的最主要的非線性參量。結(jié)電容Cj由于對結(jié)電阻Rj的旁路作用要損失微波能量，它限制了二極管混頻的上限工作頻率。CpRjCjRsLs肖特基勢壘二極管的等效電路圖肖特基勢壘二極管的伏-安特性VBIsiV0α肖特基勢壘二極管的電壓-電流(伏-安)特性:Gj＝1/Rj是用該管作混頻二極管時(shí)的動態(tài)變頻電導(dǎo)，它也是該管伏安特性曲線的斜率。三．混頻管的主要參數(shù)＝＝≈i截止頻率fc變頻損耗噪聲溫度比(等效噪聲溫度TD)中頻阻抗Zif7.1.2微波混頻器的混頻原理微波混頻器主要是利用肖特基勢壘二極管的

3、非線性電導(dǎo)來混頻。在分析二極管微波混頻器的混頻原理時(shí)，我們只需注意管子的伏安特性。如圖是單個(gè)二極管混頻器的原理圖，其中：V0是直流偏壓，一般微波混頻器為使電路簡單常不外加直流偏壓；vL是本振電壓，是功率為毫瓦級的大信號；vS是微波信號電壓；是微瓦級甚至功率更小的微弱信號；ZL是混頻器輸出負(fù)載阻抗。設(shè)加在混頻二極管上的本振電壓vL(t)和信號電壓vs(t)分別為二極管混頻器原理圖ZLvs(t)ivL(t)V0式中：ωL和ωs分別是本振和信號的角頻率，VL和Vs分別是本振和信號的電壓幅度。當(dāng)本振電壓和微波信號電壓一起加到混頻二極管上時(shí)，由于VL>>Vs，我們可以認(rèn)為V0＋確定了混頻二極管的

4、工作點(diǎn)，顯然此工作點(diǎn)是由本振電壓vL所控制的，是時(shí)變的。設(shè)二極管的電壓-電流特性為將i＝f(v)在工作點(diǎn)V0＋處作泰勒級數(shù)展開，得上式右邊第一項(xiàng)包含了直流、本振頻率及本振各次諧波頻率的電流，它與所加的微波信號無關(guān)；由于Vs很小，可以忽略不計(jì)；值得注意的是第二項(xiàng)。這里令顯然g(t)是隨時(shí)間周期變化的混頻二極管的電導(dǎo)，是偶函數(shù)。我們將它展開成付里葉級數(shù)，則有式中(n＝1，2，3，…)我們稱g0為二極管的平均混頻電導(dǎo)，稱gn為對應(yīng)于本振第n次諧波的混頻電導(dǎo)。混頻電流i可表示成顯然混頻電流i包含了直流和無窮多個(gè)不同頻率分量的電流如圖混頻器電流的頻譜ωs－ωL2ωL－ωs2ωs－ωLωLωs3ωL

5、－ωsωL+ωs2ωL3ωLω在混頻器各不同頻率分量的電流中，頻率為ωif=ωL－ωs(當(dāng)ωL>ωs)或ωif=ωs－ωL(當(dāng)ωs>ωL)的電流是我們所需的中頻電流。在混頻器電流頻譜中，除了我們所需的中頻ωif以外，還有無窮多個(gè)我們所不需要到頻率分量，我們把不需要的這些頻率分量通稱寄生頻率。由于這些寄生頻率分量也是由信號和本振差拍產(chǎn)生的，都攜帶有一部分信號功率，如果將它們都濾除掉，必造成信號能量的損失，這種能量損失我們稱之為凈變頻損耗。在設(shè)計(jì)混頻器時(shí)應(yīng)盡可能減少這種損耗，或者應(yīng)將部分功率“回收”成為有用功率。在寄生頻率中，最值的關(guān)注的是鏡頻ωk=2ωL－ωs。相對于本振頻率ωL的位置，鏡

6、頻處于信號頻率ωs的鏡像位置，故稱ωk為鏡頻。我們之所以關(guān)注鏡頻基于兩個(gè)理由：①鏡頻是由本振的二次諧波與信號差拍產(chǎn)生的，具有不可忽視的功率；②鏡頻存在回收的可能性。因?yàn)殓R頻和本振再一次差拍會得到新的中頻，新中頻ωL－(2ωL－ωs)=ωs－ωL=ωif與原中頻相同，如果我們使混頻電路對鏡頻呈現(xiàn)出電抗性負(fù)載(例如開路或者短路)，把鏡頻分量反射回二極管再次混頻出新的中頻，只要新的中頻與原中頻相位一致，就可使混頻器輸出中頻能量增加而降低變頻損耗。7.1.3混頻器的主要特性一．變頻損耗其定義是輸入混頻器的微波資用功率Ps與加到中頻負(fù)載上的功率Pif之比，記為Lm，于是有混頻器的變頻損耗由三部分組

7、成，這就是凈變頻損耗、寄生參量損耗、端口失配損耗及混頻器電路中其它元件的損耗。其中，凈變頻損耗是主要的損耗。1．凈變頻損耗混頻器依靠二極管的非線性電導(dǎo)使信號從微波信號頻率ωs變成中頻信號頻率ωif，微波信號功率Ps中只有一部分轉(zhuǎn)化成中頻信號頻率Pif，其余部分功率分散在其它寄生頻率分量中而被濾除，由此造成的功率損耗稱為凈變頻損耗，用L1表示。在寄生頻率分量中最值得關(guān)注的是鏡頻分量ωk，對它采取不同的措施會有不同的混頻效果。常采用鏡頻