西電微波電子線路大作業(yè)1

1、微波電子線路大作業(yè) 姓班級：021014 學號： 一 肖特基勢壘二極管與混頻器 1 肖特基勢壘二極管 利用金屬與半導體接觸形成肖特基勢壘構成的微波二極管稱為肖特基勢壘二極管。這種器件對外主要呈現(xiàn)非線性電阻特性，是構成微波混頻器、檢波器和微波開關等器件的核心元件。目前絕大多數(shù)混頻器都采用肖特基勢壘二極管，因為肖特基勢壘二極管的耗盡電容比PN結電容小的多，因此肖特基勢壘二極管更適合微波頻率下工作。 肖特基勢壘二極管的等效電路如右圖所示： 肖特基二極管作為非線性電阻應用時，除結電容之外， 其他都是寄生參量，會對電路的性能造成影響，應盡量減小 它們本身的值，或在微波電路設計時，充分考慮這些寄生參 量的

2、影響。 一般地，肖特基勢壘二極管的伏安特性可以表示為： 對于理想的肖特基勢壘，；當勢壘不理想時，,點接觸型二極管,面結合型二極管。 如下圖是肖特基勢壘二極管的伏安特性曲線： 肖特基勢壘二極管特性參量： 1） 截止頻率 2） 噪聲比（理想情況下） 3） 中頻阻抗 4） 變頻損耗 2 混頻器 微波混頻器的核心元件是肖特基勢壘二極管?；祛l機理是基于肖特基勢壘二極管結電阻的非線性管子在偏壓和本振的激勵下，跨導隨時間變化，加上信號電壓后出現(xiàn)一系列頻率成分的電流，用濾波器取出所需中頻即可。 jRSRjCpCSL描述二極管混頻器的混頻過程，需要建立一個等效電路。由于混頻二極管是一個單向器件，不僅與和差拍產(chǎn)生

3、新的頻率，而其電流在一定的阻抗上所建立起的電壓也會反過來加到二極管上該電壓與和差拍，也產(chǎn)生新的頻率。 混頻器等效電路如右圖所示： 信頻、中頻和鏡頻電流的幅值為： 由等效電路可以求出變頻損耗。微波混頻器的作用是將微波信號轉換為中頻信， 頻率變換后的能量損耗即為變頻損耗。 變頻損耗主要包括三部分： (1) 由寄生頻率產(chǎn)生的凈變頻損耗。 (2) 由混頻二極管寄生參量引起的結損耗 。 (3) 混頻器輸入/輸出端的失配損耗。 結論；混頻器的變頻損耗載鏡頻開路時變頻損耗最低，鏡頻匹配時變頻損耗最高。變頻損耗與本振功率有關，在最佳本振功率時，變頻損耗最低。如下圖所示： 微波混頻器的基本電路包括單端混頻器、平

4、衡混頻器和雙平衡混頻器。為了保證有效地進行混頻，微波混頻器的基本電路都應滿足以下幾項主要原則：1、信號功率和本振功率都應能同時加到二極管上，二極管要有直流通路和中頻輸出回路；2、二極管和信號回路應盡可能做到匹配，以便獲得較大的信號功率；3、本機振蕩器與混頻器之間的耦合應能調節(jié)，以便選擇合適的工作狀態(tài)；4、中頻輸出端應能濾掉高頻信號。 二 變容管和變容管上變頻器 1 變容管 變容管:PN結的結電容(主要是勢壘電容)隨著外加電壓的改變而改變，利用了這一特性可以 構成變容二極管（簡稱為變容管）。變容管可以構成參量放大器、參量變頻器、參量倍頻器 iG0GA 102gg?210ggg?210ggg?gg

5、Ui本振功率/mW變頻損耗/dB鏡頻開路鏡頻匹配鏡頻短路(諧波發(fā)生器)、可變衰減或調制器等。 等效電路如右圖： 其結電容與偏壓的關系圖： 結電容可以表示為以下普遍形式： mj jUCUC1)0()(? 式中：m稱為結電容非線性系數(shù)，取決于半導體中參雜濃度的分布狀態(tài)。 變容管參數(shù) （1） 品質因數(shù)Q （2） 截止頻率 fc sjcRcf?21? （3） 反向擊穿電壓VB 表示反向電壓承受限.規(guī)定VB為反向電流為1uA對應的反偏電壓值.使用時電壓波動范圍為VBVS . （4） 自諧振頻率 串聯(lián)自諧振頻率 fsr 并聯(lián)自諧振頻率 f pr 2 變容管上變頻器 功率上變頻器的分析方法有電荷分析法和諧波

6、平衡法兩種，電荷分析法是屬于早期采用的方法。 假設二極管上的激勵電荷為 tQtQtQQtqoutoutPpSS?sin2sin2sin2)(0? 式中：假定t=0時初相位均相同。 流過二極管的電流為 tQtQtQdttdqtioutoutoutPPPSSS?cos2cos2cos2)()(? 為求的二極管上的電壓u(t)，應先推導出變容管上的電荷-電壓（q-u）特性。 根據(jù)變容管原理，利用?duuCuqj)()( 關系求得電容上存儲的電荷為 ?qnuUCuqnnB?)1(1)()()(1min 于是可得 )1(1)()()(1min?nuUCquqnnB? 式中： ?q為?v 時的結電容上存儲

7、的電荷。 當BUu?時，BQuq?)(，則上式可寫成 nUCqQBB?1min? 根據(jù)上式可得 nBBUuqQquq?1)()(? 一般近似認為?u時，勢壘消失，?q趨于零，所以 nBBUuQuq?1)()(? 上式表示q(u)的一般特性。式中：BQ 按積分式本應為負值，但為使q-u特性使用方便，因此在上式中令BQ 為正值，這并不影響q-v特性的物理實質。 對于突變結變電容，21?n ，于是上式可寫成 )()(22BBUuQuq? 令 2BBQUA?，故得 )()(222uAqQUuquBB? 由此可畫出突變結變電容的q-u特性，如圖4-5中實線所示。為分析方便，圖中將u的坐標零點移至?處，并

8、令uu?，故得到 )(2uAqu? 式中：2BBQUA?。 若在變容管上加入正弦變化的電荷激勵，根據(jù)q-u特性，則二極管上的電壓為非正弦波，如圖4-5所示。圖中二極管上的電壓限制在 ?BU 的范圍內，為滿激勵（全激勵）狀態(tài)。此時取2/0BQQ? ，可得到最大交變電荷幅度。將這種最佳狀態(tài)下的工作參數(shù)代入式（4-17），可得 )sin2sin2sin221()(tmtmtmQtqoutoutPPSSB? （4-26） 式中：m 為電荷激勵系數(shù)，BSSQQm? ，BPPQQm? ，BoutoutQQm?。 設PS?，outPS?由式（4-25）求得變容管上的電壓為 2222)sin2sin2sin2

9、21()(tmtmtmQQUuAquoutoutPPSSBBB? ?)sinsinsin(2)22241(222tmtmtmmmmUoutoutPPSSoutPSB?)coscoscos(4無用邊帶分量和諧波?tmmtmmtmmoutPSPoutSsoutP? 將式（4-26）和式（4-27）進行比較，由變容管上的電壓和流過電流之間的相位關系可以看出：對S?、P?和out?既有同相分量，也有正交分量，而且對輸出頻率out?，電路呈現(xiàn)負阻及容抗，對S?和P?均呈現(xiàn)正阻及容抗，這說明有out?頻率分量的能量輸出。 三 階躍恢復二極管和階躍恢復二極管倍頻器 1 階躍恢復二極管 階躍恢復二極管（SRD

10、）可以看做一種特殊的變容管，簡稱階躍管。利用階躍管由導通恢復到截止的電流突變可以構成窄脈沖輸出，也可以利用其豐富的諧波制作梳狀頻譜發(fā)生器或高次倍頻器。 階躍管采用了PNN?結構，其中很薄的N層的載流子濃度很低，幾乎接近本征層。 階躍管特性： 00 )0()1()0()(CCUCUCjjj? 在反偏時結電容近似不變，為一個不變的小電容0C（處于高阻狀態(tài)，近似開路）。正偏時，形成了較大的擴散電容dC（處于低阻狀態(tài)，近似短路）。階躍管相當于一個電容開關。 特點： 加正向電壓時導通，但I區(qū)載流子壽命長，復合慢，在結區(qū)有大量電荷貯存，電壓反向時，由于結區(qū)的貯存電荷存在，管子仍然導通，但貯存電荷在載流子抽

11、完后突然消失，電流截止。加交變電壓對應電流波形如右圖，與一般p-n結管子的不同在于導通時載流子壽命長，復合慢，電壓反向時不能立即截止。 階躍管特性參數(shù)： （1）貯存時間： 電壓由正變負，由于貯存電荷效應，管子上電壓不能突變。貯存電荷經(jīng)過 時間，管子兩端電壓降為零。 （2）階躍時間： 反向電流消失時間(0.8iR 0.2 iR 或0.9iR 0.1 iR )， 該時間越短越好。 （3）其他參數(shù)： 少子壽命 ，約為信號周期的10倍。還有反向擊穿電壓VB，截止頻率fc、反向偏置結電容Cj和最大耗散功率Pmax等. 2 階躍恢復二極管倍頻器 階躍管的作用是把每一個周期)(1T輸入的信源能量轉換為一個諧

12、波豐富的大幅度窄脈沖；再利用它激勵一個諧振電路，得到頻率為1NffN?的衰減波振蕩，最后通過帶通濾波器在負載上得到N次諧波的等幅波。 輸入信號)sin(1?tUug，通過一個激勵電感L激勵階躍管，以便利用電感來儲能，使之得到大幅度的階躍電流，因此gu應為功率信號源。圖中0U為負偏壓，'LR為脈沖發(fā)生器的等效負載。 （1）導通期間 由圖的等效電路可求出電路中電流的表達式。 電路的微分方程： ?01)sin(UtUdtdiL 假定其實條件為00|Iiii?，0I為電感中起始電流，則解方程得 tLUtLUIti?0110)cos(cos)( 由此可見，電流由三部分組成：直流分量、余弦分量和線

13、性下降項。 (2)階躍期間。假定在i(t) 達到負的最大值，即attdtdi?|=0，產(chǎn)生階躍，則可畫出節(jié)約期間的等效電路和謝過電路方程： ?oaUtUdtdiL)sin(01? 0)sin(01?UtUa? 電路的微分方程為： 0)()(0? LLRdtdiLdtdtdiLdCti 令att?為階躍期間的階躍開始時刻0?t時，起始條件為 ?0|0010ttLuIi 解得電流為 )sin(cos)(1tteItiNNNtL? 式中： 20121?NLCR 021LCN? 021CLRL? ?為阻尼因子，由電路參數(shù)決定。適當選擇激勵電感和LR，對一定的階躍管使?<1,則)(tiL的波形為衰減震蕩。負載上的電壓波形為 tCLtIdtiCtuNNo?sin1/1exp