第11章 其他常用微波電路-魏峰

主講人：魏峰射頻/微波電路導(dǎo)論

第11章其他常用微波電路

11.1隔離器與環(huán)形器

11.2混頻器與檢波器

11.3倍頻器和分頻器

11.4開(kāi)關(guān)與相移器11.1隔離器與環(huán)形器

隔離器又稱單向器，它是一種允許電磁波單向傳輸?shù)膬啥丝谄骷?，其示意圖如圖11-1所示。從端口①向端口②傳輸?shù)恼螂姶挪ㄋp很小，而從端口②向端口①傳輸?shù)姆聪虿▌t有很大的衰減。在微波系統(tǒng)中，經(jīng)常把隔離器接在信號(hào)發(fā)生器與負(fù)載網(wǎng)絡(luò)之間，以改善源與負(fù)載的匹配。這樣可以使得來(lái)自負(fù)載的反射功率不能返回發(fā)生器輸入端，避免負(fù)載阻抗改變而引起的發(fā)生器輸出功率和工作頻率的改變。

常用的環(huán)行器是三端口元件，信號(hào)傳輸可以是順時(shí)針?lè)较?，也可是逆時(shí)針?lè)较颉－h(huán)行器可以用作隔離器，更多場(chǎng)合是與其他電子器件一起構(gòu)成微波電路。 一般地，隔離器和環(huán)行器是在微波結(jié)構(gòu)中放入鐵氧體材料，外加恒定磁場(chǎng)，在這個(gè)區(qū)域構(gòu)成各向異性介質(zhì)。電磁波在這種媒體中三個(gè)方向的傳輸常數(shù)是不同的，從而可實(shí)現(xiàn)單向傳輸。鐵氧體材料是一種電子陶瓷，材料配方和工藝多種多樣，隨鐵氧體的使用場(chǎng)合而定。11.1.1隔離器的技術(shù)指標(biāo) 隔離器和環(huán)行器的技術(shù)指標(biāo)是：工作頻帶、最大正向衰減量α+、最小反向衰減量α-、正反向駐波比、功率容量等。這些指標(biāo)的定義在前述各種電路中都遇到過(guò)，在此不再贅述。 好的指標(biāo)是正向衰減盡可能?。?.5dB以下），反向衰減盡可能大(25dB以上)，駐波比盡可能?。?.2以下），頻帶和功率容量滿足整機(jī)要求。11.1.2隔離器的原理從原理上講，不論是縱向磁化鐵氧體還是橫向磁化鐵氧體都有可能實(shí)現(xiàn)單方向的隔離作用，因此將它填充于各種傳輸線段中，形成不同的隔離器。1.諧振式隔離器1)波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 波導(dǎo)型諧振式隔離器的基本原理是鐵磁諧振效應(yīng)。在鐵磁諧振頻率附近（ω=ω0），橫向磁化的鐵氧體強(qiáng)烈地吸收右旋圓極化波的能量，而使右旋波受到很大的衰減，左旋波損耗很小。如圖11-2所示，鐵氧體片在矩形波導(dǎo)內(nèi)的位置應(yīng)該是電磁波磁場(chǎng)為圓極化的地方，矩形波導(dǎo)中ＴＥ10模的磁場(chǎng)分布，沿正z方向?yàn)閳D（b），沿負(fù)z方向?yàn)閳D（c）。理想情況下，正向無(wú)衰減，反向無(wú)傳輸。

圖11-2波導(dǎo)諧振式隔離器

2)微帶型 微帶結(jié)構(gòu)在微波電路中用途很廣。圖11-3是微帶型鐵氧體諧振式隔離器。由于諧振原理，這種隔離器的頻帶比較窄，一般不超過(guò)中心頻率的10％。

圖11-3微帶型諧振式隔離器 橫向偏置的鐵氧體條置于微帶線旁，電磁波磁場(chǎng)圓極化方向與鐵氧體內(nèi)感應(yīng)電流引起的磁場(chǎng)一致，電磁波交給鐵氧體能量，鐵氧體發(fā)熱。 2.場(chǎng)移式隔離器 1)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

如圖11-4所示，矩形波導(dǎo)中TE10模磁場(chǎng)為圓極化，在x1處放置一塊鐵氧體片，并加有垂直于波導(dǎo)寬壁的橫向恒定磁場(chǎng)H0（負(fù)y方向），在鐵氧體片面向?qū)挶谥芯€的一側(cè)再附加一片薄的吸收片。圖11-4波導(dǎo)場(chǎng)移式隔離器(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電場(chǎng)分布

場(chǎng)移式隔離器的工作原理與諧振式的不同，區(qū)別在于它不是工作在ω=ω0的諧振區(qū)，而是工作在ω0/ω＜1的低場(chǎng)區(qū)，即外加磁場(chǎng)H0小于諧振時(shí)的磁場(chǎng)。鐵氧體顯示出“抗磁”性質(zhì)，對(duì)微波磁場(chǎng)起排斥作用。所以，對(duì)右旋波來(lái)說(shuō)，鐵氧體內(nèi)部的電磁場(chǎng)強(qiáng)很弱，電磁能量主要在鐵氧體外邊的波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，電場(chǎng)分量Ey在鐵氧體內(nèi)側(cè)與空氣的交界面上為最小值，而對(duì)于左旋波，由于鐵氧體的介電常數(shù)較大，電磁場(chǎng)集中于鐵氧體片內(nèi)部及其附近傳輸，在鐵氧體內(nèi)側(cè)與空氣的交界面上，電場(chǎng)強(qiáng)度Ey有最大值，這種場(chǎng)分布的差異稱為場(chǎng)移效應(yīng)，如圖11-4(b)所示。 2)微帶型 如圖11-5所示的鐵氧體表面的微帶線在偏置磁場(chǎng)作用下，電磁場(chǎng)會(huì)偏離中心向一邊移動(dòng)，在微帶線旁放置一塊吸波材料，就會(huì)吸收電磁波的能量。如果將偏置磁場(chǎng)改變方向或電磁波從另一方向來(lái)，則不會(huì)有影響?，F(xiàn)有場(chǎng)移式隔離器指標(biāo)為6.0～12GHz，反向衰減20dB，正向衰減1.5dB，比諧振式隔離器頻帶寬。

圖11-5微帶場(chǎng)移式隔離器 與諧振式隔離器相比較，場(chǎng)移式隔離器的優(yōu)點(diǎn)是所需偏置磁場(chǎng)H0的值較低，減輕了磁鐵的重量，有利于做出更高頻率的隔離器。缺點(diǎn)是損耗發(fā)生在很薄的吸收片中，散熱受到限制，能承受的功率有限。 3.法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器

波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器如圖11-6所示。圖中1和6是矩形波導(dǎo)，它們的橫截面互成45°的角。7和8是吸收薄片，也互成45°的夾角。2和5是矩形波導(dǎo)ＴＥ10模到圓波導(dǎo)TE11模的轉(zhuǎn)換器。4是產(chǎn)生縱向磁場(chǎng)的螺線線圈。3是兩端做成錐形的鐵氧體圓桿。選擇鐵氧體的長(zhǎng)度l和縱向恒磁場(chǎng)H0的大小，使得經(jīng)過(guò)圓波導(dǎo)后電磁波的極化面有45°的旋轉(zhuǎn)。圖11-6法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器

11.1.3環(huán)行器 環(huán)行器是一個(gè)多端口器件，其中電磁波的傳輸只能沿單方向環(huán)行，例如在圖11-7中，信號(hào)只能沿①→②→③→④→①方向傳輸，反方向是隔離的。在近代雷達(dá)和微波多路通信系統(tǒng)中都要用單方向環(huán)行特性的器件。在微波多路通信系統(tǒng)中，用環(huán)行器可以把不同頻率的信號(hào)分隔開(kāi)，如圖11-8所示，不同頻率的信號(hào)由環(huán)行器Ⅰ的①臂進(jìn)入②臂，接在②臂上的帶通濾波器F1只允許頻率為f1±Δf的信號(hào)通過(guò)，其余頻率的信號(hào)全部被反射進(jìn)入③臂，濾波器F2通過(guò)了頻率為f2±Δf的信號(hào)并反射其余頻率的信號(hào)。這些信號(hào)通過(guò)④臂進(jìn)入環(huán)行器Ⅱ的①臂……于是可以依次將不同頻率的信號(hào)分隔開(kāi)。圖11-7四端口環(huán)行器示意圖圖11-8用環(huán)行器分隔出不同頻率信號(hào)

環(huán)行器的原理依然是磁場(chǎng)偏置鐵氧體材料各向異性特性。微波結(jié)構(gòu)有微帶式、波導(dǎo)式、帶狀線和同軸式，其中以微帶三端環(huán)行器用的最多，微帶環(huán)行器結(jié)構(gòu)如圖11-9所示，用鐵氧體材料作介質(zhì)，上置導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，加恒定磁場(chǎng)Hdc，就具有環(huán)行特性。如果改變偏置磁場(chǎng)的方向，環(huán)行方向就會(huì)改變。圖11-9微帶環(huán)行器結(jié)構(gòu) 下面給出常用結(jié)構(gòu)和用途示例，如圖11-10和圖11-11所示。 圖11-10鐵氧體環(huán)行器（a）三端環(huán)行器示意圖;（b）波導(dǎo)結(jié)構(gòu);（c）微帶結(jié)構(gòu) 圖11-11鐵氧體環(huán)行器應(yīng)用（a）用作隔離器;（b）用作雙工器;（c）用作移相器;（d）用于注入鎖定放大器11.2混頻器與檢波器

混頻器和檢波器是頻率變換電路?；祛l器是超外差接收機(jī)和測(cè)量?jī)x器的前端電路，與本振源結(jié)合，把信號(hào)源頻率降為中頻信號(hào)，送入中頻處理電路。檢波器直接提取信號(hào)包絡(luò)，通常用于功率檢測(cè)。11.2.1混頻器的主要技術(shù)指標(biāo) 混頻器是前端電路，其性能指標(biāo)直接關(guān)系到接收機(jī)的特性。 (1)變頻損耗。 盡管混頻器的器件工作方式是幅度非線性，但我們希望它是一個(gè)線性移頻器。變頻后的輸出信號(hào)的幅度變化就是變頻損耗或增益。一般地，無(wú)源混頻器都是變頻損耗。二極管混頻器的變頻損耗包括混合網(wǎng)絡(luò)損耗（1.5dB左右）、邊帶損耗（3dB左右）、諧波損耗（1dB左右）和二極管電阻損耗（1.5dB左右），典型值為7dB左右。(2)噪聲系數(shù): 描述信號(hào)經(jīng)過(guò)混頻器后質(zhì)量變壞的程度，定義為輸入信號(hào)的信噪比與輸出信號(hào)的信噪比的比值。這個(gè)值的大小主要取決于變頻損耗，還與電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)。肖特基二極管的導(dǎo)通電流直接影響混頻器的白噪聲，這個(gè)白噪聲隨電路的不同而不同，在混頻器的變頻損耗上增加一個(gè)小量。如變頻損耗為6dB，白噪聲為0.413dB，則噪聲系數(shù)為6.413dB。 這種增加量隨本振功率的變化不是線性的。表11-1給出雙平衡混頻器的本振功率與噪聲系數(shù)、變頻損耗之間的典型關(guān)系?？梢钥闯觯祛l器性能與本振功率有最佳值。

表11-1雙平衡混頻器本振與特性關(guān)系(3)線性特性。 1dB壓縮點(diǎn):與第8章的定義相同。在輸入射頻信號(hào)的某個(gè)值上，輸出中頻信號(hào)不再線性增加，而是快速趨于飽和。拐點(diǎn)與線性增加相差1dB的信號(hào)電平。混頻器的1dB壓縮點(diǎn)與本振功率有關(guān)，因?yàn)榛祛l器是本振功率驅(qū)動(dòng)的非線性電阻變頻電路。對(duì)于雙平衡混頻器，1dB壓縮點(diǎn)比本振功率低6dB。 1dB減敏點(diǎn):描述混頻器的靈敏度遲鈍的特性，與1dB壓縮點(diǎn)有關(guān)，也是雷達(dá)近距離盲區(qū)的機(jī)理。對(duì)于雙平衡混頻器，1dB減敏點(diǎn)比1dB壓縮點(diǎn)低2～3dB。

動(dòng)態(tài)范圍:最小靈敏度與1dB壓縮點(diǎn)的距離，用dB表示。通常的動(dòng)態(tài)范圍要大于60dB。動(dòng)態(tài)范圍的提高，意味著系統(tǒng)的成本大幅度增加。 諧波交調(diào)：與本振和信號(hào)有關(guān)的交調(diào)雜波輸出。 三階交調(diào)：輸入兩個(gè)信號(hào)時(shí)的IP3，定義為1dB壓縮點(diǎn)與三階輸出功率線的距離。 (4)本振功率?；祛l器的指標(biāo)受本振功率控制。若本振功率不夠，混頻器就達(dá)不到預(yù)定指標(biāo)。產(chǎn)品混頻器都是按功率dBm值分類的，如7dBm、10dBm、17dBm本振（LO）。(5)端口隔離。三個(gè)端口LO、RF、IF頻率不同，互相隔離指標(biāo)，dB越高越好。端口隔離與電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、器件和信號(hào)電平有關(guān)，一般要大于20dB。(6)端口VSWR。三個(gè)端口的駐波比越小越好。尤其是RF口，它會(huì)影響到整機(jī)靈敏度。(7)直流極性。一般地，射頻和本振同相時(shí)，混頻器的直流成分是負(fù)極性。(8)功率消耗。功耗是所有電池供電設(shè)備的首要設(shè)計(jì)因素。無(wú)源混頻器消耗LO功率，而LO消耗直流功率，LO功率越大，消耗直流功率越多?；祛l器的輸出阻抗對(duì)中放的要求也會(huì)影響中放的直流功耗。 11.2.2混頻器的原理與設(shè)計(jì)

1.混頻器的原理 理想的混頻器是一個(gè)開(kāi)關(guān)或乘法器，如圖11-12所示，本振激勵(lì)信號(hào)（LO，fp）和載有調(diào)制信息的接收信號(hào)（RF，fs）經(jīng)過(guò)乘法器后得到許多頻率成分的組合，經(jīng)過(guò)一個(gè)濾波器后得到中頻信號(hào)（IF，fIF）。圖11-12理想混頻器

通常，RF的功率比LO的小的多，不考慮調(diào)制信號(hào)的影響，乘法器的輸出頻率為

fd=nfp±fs（11-1） 微波工程中，可能的輸出信號(hào)為三個(gè)頻率之一: 差頻或超外差fIF=fp-fs 諧波混頻fIF=nfp-fs 和頻或上變頻fIF=fp+fs 最關(guān)心的是超外差頻率，絕大部分接收機(jī)都是超外差工作，采用中頻濾波器取出差頻，反射和頻，使和頻信號(hào)回到混頻器再次混頻。外差混頻器的頻譜如圖11-13所示，RF的頻率關(guān)于LO的頻率對(duì)稱點(diǎn)為RF的鏡頻。鏡頻的功率和信號(hào)的功率相同，由于鏡頻與信號(hào)的頻率很近，可以進(jìn)入信號(hào)通道而消耗在信號(hào)源內(nèi)阻。恰當(dāng)處理鏡頻，能夠改善混頻器的指標(biāo)。

圖11-13超外差混頻器的頻譜 LO控制的開(kāi)關(guān)特性可以用幾種電子器件構(gòu)成，肖特基二極管在LO的正半周低阻，負(fù)半周高阻近似為開(kāi)關(guān)。在FET中，改變柵源電壓的極性，漏源之間的電阻可以從幾歐姆變到幾千歐姆。在射頻或微波低端，F(xiàn)ET可以不要DC偏置，而工作于無(wú)源狀態(tài)。BJT混頻器與FET類似。 根據(jù)開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量和連接方式，混頻器可以分為三種:單端、單平衡、雙平衡。圖11-14是三種混頻器的原理結(jié)構(gòu)。微波實(shí)現(xiàn)方式就是要用微波傳輸線結(jié)構(gòu)完成各耦合電路和輸出濾波器，耦合電路和輸出濾波器具有各端口的隔離作用。

圖11-14三種混頻器的原理結(jié)構(gòu) 單端混頻器的優(yōu)點(diǎn)如下： (1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，在微波頻率高端，混合電路難于實(shí)現(xiàn)的情況下更有優(yōu)勢(shì)。 (2)變頻損耗小，只有一個(gè)管子消耗功率。 (3)本振功率小，只需驅(qū)動(dòng)一個(gè)開(kāi)關(guān)管。 (4)容易DC偏置，進(jìn)一步降低本振功率。

單端混頻器的缺點(diǎn)如下: (1)對(duì)輸入阻抗敏感。 (2)不能抑制雜波和部分諧波。 (3)不能容忍大功率。 (4)工作頻帶窄。 (5)隔離較差。 單平衡混頻器和雙平衡混頻器的優(yōu)缺點(diǎn)與單端混頻器相反。根據(jù)整機(jī)要求，選擇合適的混頻器結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。 2.單端混頻器設(shè)計(jì) 經(jīng)典的單端混頻器在寬頻帶、大動(dòng)態(tài)的現(xiàn)代微波系統(tǒng)中極少使用，但在毫米波段和應(yīng)用微波系統(tǒng)中還有不少使用場(chǎng)合。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容就是為三個(gè)信號(hào)提供通道，如圖11-15所示。圖11-15單端混頻器原理和微帶結(jié)構(gòu) (a)基本原理；圖11-15單端混頻器原理和微帶結(jié)構(gòu)(b)微帶原理；圖11-15單端混頻器原理和微帶結(jié)構(gòu) (c)微帶實(shí)現(xiàn)

單端混頻器的設(shè)計(jì)困難是輸入端的匹配，二極管的非線性特性使得混頻器的輸入阻抗是時(shí)變的，無(wú)法用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)出靜態(tài)阻抗，只能得到折中的估計(jì)值。3.單平衡混頻器設(shè)計(jì) 單平衡混頻器的優(yōu)點(diǎn)在于抑制本振噪聲，抵消部分諧波。以本振功率的增加來(lái)提高動(dòng)態(tài)范圍，要用到平衡混合網(wǎng)絡(luò)，這會(huì)帶來(lái)一定的損耗。 常用的平衡混合網(wǎng)絡(luò)為180°和90°兩種。微波結(jié)構(gòu)在5GHz以上用分支線或環(huán)行橋，5GHz以下用變壓器網(wǎng)絡(luò)，微封裝結(jié)構(gòu)指標(biāo)好。毫米波段用波導(dǎo)正交場(chǎng)或MMIC。單平衡混頻器的原理如圖11-16所示。 分支線和環(huán)行橋的原理見(jiàn)第8章。圖11-17為兩種常用的微帶混頻器。表11-2歸納出了常用微帶混合電路的特性。表11-2常用微帶混合電路的特性表略圖11-16單平衡混頻器原理圖11-17兩種常用的微帶混頻器 4.雙平衡混頻器設(shè)計(jì) 在微波低端使用最多的是微封裝雙平衡混頻器。這種混頻器隔離度好，雜波抑制好，動(dòng)態(tài)范圍大，尺寸小，性能穩(wěn)定，便于大批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)是本振功率大，變頻損耗比較大。 典型的雙平衡混頻器如圖11-18所示，四只二極管為集成芯片，變壓器耦合網(wǎng)絡(luò)尺寸很小，結(jié)構(gòu)緊湊，匹配良好。對(duì)于LO信號(hào)，端口RF+和RF-為虛地點(diǎn)，不會(huì)有LO進(jìn)入RF回路。同樣，RF信號(hào)不會(huì)進(jìn)入LO回路，隔離可達(dá)到40dB。圖11-18環(huán)形雙平衡混頻器 雙平衡混頻器的開(kāi)關(guān)輸出波形如圖11-19所示，圖（a）是IF抽頭處波形，圖(b)是中頻濾波器后波形，包絡(luò)始終沒(méi)變化。

圖11-19雙平衡混頻器的開(kāi)關(guān)輸出波形 四個(gè)二極管也可以星形連接，如圖11-20所示。圖11-20星形雙平衡混頻器 為了提高動(dòng)態(tài)范圍，增加承受功率，加大隔離，每個(gè)臂上的二極管可以用一個(gè)元件組取代，帶來(lái)的缺點(diǎn)是本振功率的增加。圖11-21給出不同結(jié)構(gòu)及其所要求的本振功率。圖11-21幾種臂元件組合所需本振功率 微波頻率提高后，變壓器網(wǎng)絡(luò)可以用傳輸線來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖11-22為用傳輸線實(shí)現(xiàn)變壓器的原理。槽線、鰭線等具有對(duì)稱性的傳輸線都可以做混合網(wǎng)絡(luò)。但是，中間抽頭不好找、中頻輸出濾波不好實(shí)現(xiàn)等困難，使得傳輸線結(jié)構(gòu)的雙平衡混頻器的指標(biāo)比不上變壓器結(jié)構(gòu)。因此，5GHz以上頻率大量使用前述單平衡混頻器。圖11-22用傳輸線實(shí)現(xiàn)變壓器圖11-23晶體管IC型雙平衡混頻器 5.晶體管雙平衡混頻器 晶體管IC型雙平衡混頻器如圖11-23所示。RF加在V1和V2之間，LO加在V3、V4、V5、V6上，起開(kāi)關(guān)作用。這種混頻器在射頻段有10dB以上的增益，靈敏度高，噪聲為5dB左右，到了微波頻段噪聲較大。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)有大量產(chǎn)品可使用。 6.場(chǎng)效應(yīng)管混頻器 FET混頻器的增益和噪聲都比較好?；贔ET的MMIC有源混頻器已經(jīng)有廣泛的使用。前述二極管混頻器有兩個(gè)特點(diǎn):可用一階近似進(jìn)行線性分析;實(shí)際中二極管混頻器與電路設(shè)計(jì)關(guān)系不大。FET有源混頻器不具備上述特點(diǎn)，分析時(shí)除了小信號(hào)條件外，還要用其他非線性設(shè)計(jì)工具，噪聲分析更加復(fù)雜。因?yàn)槎O管的電導(dǎo)是指數(shù)函數(shù)，而FET是平方函數(shù)，后者的頻率成分更多。 圖11-24是FET混頻器的兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)。 11.2.3檢波器的原理與設(shè)計(jì) 一般地，檢波器是實(shí)現(xiàn)峰值包絡(luò)檢波的電路，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的包絡(luò)相同。圖11-27所示是三種信號(hào)的檢波輸出。作檢波時(shí)，肖特基勢(shì)壘二極管伏安特性近似為平方關(guān)系，檢波輸出電流與輸入信號(hào)電壓幅度的平方成正比。因此，常用檢波電流的大小檢示輸入信號(hào)功率的大小。

圖11-27三種信號(hào)的檢波輸出（a）連續(xù)波輸出為直流;（b）數(shù)字調(diào)幅輸出數(shù)字信號(hào);（c）模擬調(diào)幅輸出模擬信號(hào) 1.關(guān)于靈敏度的幾個(gè)問(wèn)題 1)靈敏度 靈敏度定義為輸出電流與輸入功率之比。一般地，檢波輸出信號(hào)的頻率小于1MHz時(shí)，閃爍噪聲對(duì)檢波靈敏度的影響較大。閃爍噪聲又稱為1/f噪聲，由半導(dǎo)體工藝或表面處理引起，噪聲功率與頻率成反比。為了避免這個(gè)影響，采用混頻器構(gòu)成超外差接收機(jī)，30MHz或70MHz中頻放大后再檢波。這并不影響微波檢波器的使用，大部分情況下，檢波器用于功率檢示，輸入功率較強(qiáng)，檢波靈敏度能滿足設(shè)備要求。 2)標(biāo)稱可檢功率（NDS） 標(biāo)稱可檢功率是輸出信噪比為1時(shí)的輸入信號(hào)功率。它不僅與檢波器的靈敏度有關(guān)，還與后續(xù)視頻放大器的噪聲和頻帶有關(guān)。測(cè)量方法為：不加微波功率，測(cè)出放大器輸出功率（噪聲功率）、輸入微波功率，使輸出功率增加1倍時(shí)的輸入功率為NDS。 3)正切靈敏度（TSS）

輸入脈沖調(diào)幅的微波信號(hào)，檢波后為方波。調(diào)整輸入信號(hào)的幅度，輸出信號(hào)在示波器上顯示為圖11-28所示形狀時(shí)的輸入信號(hào)功率即為T(mén)SS。圖中曲線為沒(méi)有脈沖時(shí)的最高噪聲峰值和有脈沖時(shí)的最低噪聲峰值在同一水平時(shí)的情況。顯然，這個(gè)測(cè)試隨測(cè)量者不同，有偏差，是個(gè)難于嚴(yán)格定量的值。但TSS概念清晰，使用方便，在工程中得到了普遍使用。TSS也常用于接收機(jī)的靈敏度描述。

TSS比NDS高4dB，如NDS＝－90dBm，則TSS＝－86dBm。

圖11-28TSS測(cè)量 2.注意事項(xiàng) 為了提高檢波器的靈敏度，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意： (1)選擇低勢(shì)壘二極管，用于檢波比混頻的肖特基二極管勢(shì)壘要低，小信號(hào)下能產(chǎn)生足夠大的電流。 (2)選用截止頻率高的二極管，寄生參數(shù)的影響小。 (3)加正向偏置電流，打通二極管，這樣可節(jié)省微波功率，提高靈敏度。 (4)用于測(cè)試系統(tǒng)的檢波器或其他場(chǎng)合的寬頻帶檢波器，增加匹配元件或頻帶均衡電阻網(wǎng)絡(luò)，靈敏度會(huì)降低。 3.檢波器電路 圖11-29給出了常見(jiàn)的三種結(jié)構(gòu)檢波器電路。圖（a）為寬頻帶微帶線檢波器，如果是窄帶的，也可用集總參數(shù)電阻和電容，配合平行耦合線用于微帶電路模塊;圖（b）為調(diào)諧式波導(dǎo)檢波器，頻帶窄;圖（c）為寬頻帶同軸檢波器，廣泛用于測(cè)試系統(tǒng)。

圖11-29微波檢波器電路(a)寬頻帶微帶線檢波器；(b)調(diào)諧式波導(dǎo)檢波器；(c)寬頻帶同軸檢波器11.3倍頻器和分頻器

11.3.1倍頻器 倍頻器輸入信號(hào)為f0，輸出信號(hào)為nf0，使用的器件是變?nèi)荻O管。微波電路包括輸入端低通濾波器和匹配電路，輸出端帶通濾波器和匹配電路，如圖11-30所示。圖11-30倍頻器基本結(jié)構(gòu)

射頻/微波倍頻器分成兩類：低次倍頻器和高次倍頻器。 低次倍頻器的單級(jí)倍數(shù)n不超過(guò)5。使用的器件為變?nèi)荻O管，倍頻次數(shù)增加后，倍頻效率和輸出功率將迅速降低(二倍頻效率為50％以上，三倍頻效率為40％以上)。如需高次倍頻時(shí)，必須做成多級(jí)倍頻鏈，使其中每一單級(jí)仍為低次倍頻。高次倍頻器的單級(jí)倍頻次數(shù)可達(dá)10～20以上，倍頻使用的器件是階躍恢復(fù)二極管(電荷儲(chǔ)存二極管)。在高次倍頻時(shí)，倍頻效率約為1/n。因?yàn)楸额l次數(shù)高，可由幾十兆赫茲的石英晶體振蕩器一次倍頻至微波，得到很穩(wěn)定的頻率輸出。這種倍頻器輸出功率比較小，通常在幾瓦以下，但利用階躍管進(jìn)行低次倍頻時(shí)，輸出功率在L波段也可達(dá)15W以上。 1.變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管的特點(diǎn)是非線性電抗元件，損耗小、噪聲低，可用于諧波倍頻、壓控調(diào)諧、參量放大、混頻或檢波。目前使用最多的只是倍頻和調(diào)諧。 圖11-26（b）所示肖特基勢(shì)壘二極管的反向結(jié)電容隨電壓的變化就是變?nèi)莨芴匦?，變?nèi)莨艿碾娙菖c反向電壓的關(guān)系為（11-2）

式中，Cj0是零偏壓時(shí)結(jié)電容，φ為結(jié)勢(shì)壘電勢(shì)，m為等級(jí)因子。圖11-26（d）所列的不同半導(dǎo)體材料都可用作變?nèi)莨?，只是三個(gè)參量不同。不同用途的變?nèi)莨?，m值不同。 m=1/3時(shí)為線性變?nèi)莨?，?shí)現(xiàn)低次倍頻或調(diào)諧。m=1/2時(shí)為階躍回復(fù)二極管，實(shí)現(xiàn)高次倍頻或低次倍頻。 大多數(shù)情況下，變?nèi)莨艿膍=1/2～1/3。變?nèi)莨艿牡刃щ娐窞橐粋€(gè)電阻與可變電容的串聯(lián)，如圖11-30所示，最大工作頻率與串聯(lián)電阻有關(guān)，電阻越小越好。圖11-31給出變?nèi)莨艿碾娙萸€和泵源（大功率交流信號(hào)）作用下變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容曲線，非線性效果較明顯。

圖11-31泵源作用下的結(jié)電容

2.門(mén)—羅關(guān)系 在輸入信號(hào)激勵(lì)下，變?nèi)莨苌洗嬖谠S多頻率成分，除輸入和輸出有用信號(hào)外，其余頻率稱為空閑頻率。這些空閑頻率對(duì)于器件的工作是必不可少的。為了保證倍頻器工作，必須使一些空閑頻率諧波有電流。這個(gè)回路通常是短路諧振器，在所關(guān)心的頻率上電流最大。 門(mén)-羅（Manley-Rowe）關(guān)系描述理想電抗元件上的諧波成分及其占有的功率。這種關(guān)系便于直觀理解倍頻器、變頻器、分頻器和參放的工作原理。用兩個(gè)信號(hào)fp和fs來(lái)激勵(lì)變?nèi)莨?，則有

倍頻器m=0，輸入為fp，輸出為nfp，P1+Pn=0，理論效率為100％。

參量放大器和變頻器m=1，泵源fp的功率比信號(hào)fs的功率大的多，忽略信號(hào)功率，且只取和頻fp+fs，則轉(zhuǎn)換增益為（11-3）

3.倍頻器設(shè)計(jì) 變?nèi)荻O管倍頻器的常用電路如圖11-32所示，圖(a)為電流激勵(lì)，圖(b)為電壓激勵(lì)。在電流激勵(lì)形式中，濾波器F1對(duì)輸入頻率為短路，對(duì)其他頻率為開(kāi)路，濾波器FN則對(duì)輸出頻率為短路，對(duì)其他頻率為開(kāi)路；在電壓激勵(lì)中，F(xiàn)1對(duì)輸入頻率、FN對(duì)輸出頻率為開(kāi)路，對(duì)其他頻率為短路。圖11-32變?nèi)荻O管倍頻器的電路原理圖

電流激勵(lì)的倍頻器電路，變?nèi)莨芤欢丝山拥囟谏?，故作功率容量較大的低次倍頻時(shí)，宜于采用電流激勵(lì)。用階躍管作高次倍頻時(shí)，因其處理的功率較小，一般采用電壓激勵(lì)形式。 構(gòu)成倍頻器時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題： (1)變?nèi)莨艿墓ぷ鳡顟B(tài)要合理選擇，以得到較高的倍頻效率和輸出較大的功率。由于變?nèi)莨鼙额l是利用其電容的非線性變化來(lái)得到輸入信號(hào)的諧波的，如果使微波信號(hào)在一個(gè)周期的部分時(shí)間中進(jìn)入正向狀態(tài)，甚至超過(guò)PN結(jié)的接觸電位，則倍頻效率可大大提高，因?yàn)橛煞聪驙顟B(tài)較小的結(jié)電容至正向狀態(tài)較大的擴(kuò)散電容，電容量有一個(gè)較陡峭的變化，有利于提高變?nèi)莨艿谋额l能力。但是，過(guò)激勵(lì)太過(guò)分時(shí)，PN結(jié)的結(jié)電阻產(chǎn)生的損耗也會(huì)降低倍頻效率，故對(duì)一定的微波輸入功率需調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿钠珘菏蛊涔ぷ饔谧罴褷顟B(tài)。

(2)變?nèi)莨軆蓚?cè)的輸入/輸出回路分別與基波信號(hào)源和諧波輸出負(fù)載連接。為了提高倍頻效率，減少不必要的損耗，盡量消除不同頻率之間的相互干擾，要求輸入/輸出電路之間的相互影響盡量小。特別是倍頻器的輸入信號(hào)不允許泄漏到輸出負(fù)載，而其倍頻輸出信號(hào)也不允許反過(guò)來(lái)向輸入信號(hào)源泄漏。為此，在輸入信號(hào)源之后及輸出負(fù)載之前分別接有濾波器F1及FN。此外，在濾波器F1、FＮ和變?nèi)莨苤g，還應(yīng)加接調(diào)諧電抗L1和LN。 因?yàn)檩斎腚娐泛洼敵鲭娐方釉谝黄?，彼此總有影響，為使輸出電路?duì)輸入電路呈現(xiàn)的輸入電抗符合輸入電路的需要，故在輸入電路中加接調(diào)節(jié)電抗L1加以控制。同理，在輸出電路中加接LＮ是為了調(diào)節(jié)輸入回路影響到輸出電路的等效電抗。 (3)為了在輸入頻率和輸出頻率上得到最大功率傳輸，以實(shí)現(xiàn)較大的倍頻功率輸出，要求對(duì)兩個(gè)不同頻率都分別做到匹配，即輸入電路在輸入頻率上匹配，輸出電路在輸出頻率上匹配。 (4)當(dāng)倍頻次數(shù)N＞2時(shí)，為了進(jìn)一步提高倍頻效率，除調(diào)諧于輸入頻率和輸出頻率的電路以外，最好附加一個(gè)到幾個(gè)調(diào)諧于其他諧波頻率的電路，但這些頻率皆低于輸出頻率，稱為空閑電路。由于空閑電路的作用，把一個(gè)或幾個(gè)諧波信號(hào)的能量利用起來(lái)，再加到變?nèi)莨苓@個(gè)非線性元件上，經(jīng)過(guò)倍頻或混頻的作用，使輸出頻率的信號(hào)的能量加大，這樣就把空閑頻率的能量加以利用而增大了輸出。 (5)變?nèi)莨艿姆庋b參量Ls、Cb對(duì)電路的影響也不小，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將它們包含進(jìn)去。

4.階躍管高次倍頻器 階躍恢復(fù)二極管(簡(jiǎn)稱階躍管，又稱電荷儲(chǔ)存二極管)是利用電荷儲(chǔ)存作用而產(chǎn)生高效率倍頻的特殊變?nèi)莨?。m=1/9~1/16，C≈Cj0，在大功率激勵(lì)下，相當(dāng)于一個(gè)電抗開(kāi)關(guān)。工作頻率范圍可從幾十MHz至幾十GHz。這種倍頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，性能穩(wěn)定，作為小功率微波信號(hào)源是比較合適的，并且可以一次直接從幾十MHz的石英晶體振蕩器倍頻到微波頻率，得到很高的頻率穩(wěn)定度。

階躍管還可用于梳狀頻譜發(fā)生器或作為頻率標(biāo)記。因?yàn)橛呻A躍管倍頻產(chǎn)生的一系列譜線相隔均勻(均等于基波頻率)，可用來(lái)校正接收機(jī)的頻率，也可作為鎖相系統(tǒng)中的參考信號(hào)。階躍二極管也可用來(lái)產(chǎn)生寬度極窄的脈沖(脈沖寬度可窄到幾十微微秒)，在毫微秒脈沖示波器、取樣示波器等脈沖技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。 最簡(jiǎn)單的階躍恢復(fù)二極管是一個(gè)PN結(jié)，但與檢波管或高速開(kāi)關(guān)管不同。正弦波電壓對(duì)它們進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，得到的電流波形不同，如圖11-33(b)、(c)所示。其中(b)為一般PN結(jié)二極管的電流波形，依循正向?qū)?、反向截止的?guī)律；而(c)為階躍管的電流波形，其特點(diǎn)是電壓進(jìn)入反向時(shí)，電流并不立即截止，而是有很大的反向電流繼續(xù)流通，直到時(shí)刻ta，才以很陡峭的速度趨于截止?fàn)顟B(tài)。產(chǎn)生這種特性是和階躍管本身特點(diǎn)有關(guān)的。 圖11-33階躍恢復(fù)管的電流波形激勵(lì)電壓波形；(b)檢波管或高速開(kāi)關(guān)管電流波形；(c)階躍管的電流波形 階躍恢復(fù)二極管倍頻器的構(gòu)成框圖及其各級(jí)產(chǎn)生的波形如圖11-34所示。圖11-34階躍恢復(fù)二極管倍頻器構(gòu)成框圖及其各級(jí)產(chǎn)生的波形

頻率為f0的輸入信號(hào)把能量送到階躍管的脈沖發(fā)生器電路。該電路將每一輸入周期的能量變換為一個(gè)狹窄的大幅度的脈沖。此脈沖能量激發(fā)線性諧振電路。該電路把脈沖再變換為輸出頻率fN=Nf0的衰減振蕩波形。最后，此衰減振蕩經(jīng)帶通濾波器濾去不必要的諧波，即可在負(fù)載上得到基本上純的輸出頻率等幅波。 5.倍頻器電路 低次倍頻n=2～4，已有商業(yè)化集成產(chǎn)品選擇，尺寸很小，使用方便。 下面給出幾種微波倍頻器的電路結(jié)構(gòu)，供參考。圖11-35是微帶線六倍頻器，1、2、3為輸入端匹配和低通，4為變?nèi)莨埽?、6、7、8為輸出端匹配帶通，9、10為直流偏置。倍頻次數(shù)和電路拓?fù)潢P(guān)系不大，只是圖中輸出帶通濾波器7的中心頻率不同。工作頻率變化，電路拓?fù)湟膊蛔?，只調(diào)整輸入和輸出回路即可。圖11-35微帶線六倍頻器11.3.2分頻器 分頻器主要用于鎖相環(huán)和頻率合成器中。圖11-36是基本頻率變換關(guān)系，輸入為f0，輸出為f0/N，設(shè)法實(shí)現(xiàn)圖中的頻率變換關(guān)系是設(shè)計(jì)分頻器的基本思路。

圖11-36分頻器功能 完成這個(gè)功能的常用方法是反饋混頻法或使用再生分頻器，電路結(jié)構(gòu)如圖11-37所示，分頻器的分頻比取決于兩個(gè)帶通濾波器的選擇性。混頻器RF端功率大，LO端功率小，相當(dāng)于接收機(jī)的本振與信號(hào)對(duì)調(diào)，輸出頻率與分頻比的關(guān)系為(11-4)圖11-37頻率再生式分頻器11.4開(kāi)關(guān)與相移器 11.4.1開(kāi)關(guān) 構(gòu)成開(kāi)關(guān)的器件有鐵氧體、PIN管、FET或BJT。鐵氧體和PIN是經(jīng)典的開(kāi)關(guān)器件，表11-3給出了兩種器件的性能比較，鐵氧體的特點(diǎn)是功率大、插損小，PIN的特點(diǎn)是快速，成本低。FET或BJT有增益，已經(jīng)成為中、小功率開(kāi)關(guān)的主要器件。各種器件的開(kāi)關(guān)都有自己的使用場(chǎng)合。表11-3開(kāi)關(guān)器件的性能比較 開(kāi)關(guān)在射頻/微波系統(tǒng)中有著廣泛的用途，如時(shí)分多工器、時(shí)分通道選擇、脈沖調(diào)制、收發(fā)開(kāi)關(guān)、波束調(diào)整等。開(kāi)關(guān)的指標(biāo)比較簡(jiǎn)單，接通損耗盡可能小，關(guān)斷損耗盡可能大，頻帶和功率滿足系統(tǒng)要求。

1.開(kāi)關(guān)的基本原理 1)開(kāi)關(guān)器件原理 鐵氧體開(kāi)關(guān)的原理是改變偏置磁場(chǎng)方向，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)磁率的改變，改變了信號(hào)的傳輸常數(shù)，以達(dá)到開(kāi)關(guān)目的。PIN管在正反向低頻信號(hào)作用下，對(duì)微波信號(hào)有開(kāi)關(guān)作用。正向偏置時(shí)對(duì)微波信號(hào)的衰減很?。?.5dB），反向偏置時(shí)對(duì)微波信號(hào)的衰減很大（25dB）。 BJT和FET開(kāi)關(guān)的原理與低頻三極管開(kāi)關(guān)的原理相同，基極（柵極）的控制信號(hào)決定集電極（漏極）和發(fā)射極（源極）的通斷。放大器有增益，反向隔離大，特別適合于MMIC開(kāi)關(guān)。 MEMS微機(jī)械電路是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型器件，在濾波器中有簡(jiǎn)單介紹，也可以用作開(kāi)關(guān)器件。 2)微波開(kāi)關(guān)電路 開(kāi)關(guān)器件與微波傳輸線的結(jié)合就構(gòu)成微波開(kāi)關(guān)組件。各種開(kāi)關(guān)器件與微波電路的連接形式的等效電路相同。下面以PIN管為例介紹常用開(kāi)關(guān)電路。開(kāi)關(guān)按照接口數(shù)量定義，代號(hào)為PT，如單刀單擲(SPST)、單刀雙擲（SPDT）、雙刀雙擲（DPDT）、單刀六擲（SP6T）等。 圖11-38是SPDT的兩種形式。每個(gè)電路中的兩個(gè)PIN管的偏置始終是相反的。圖11-38（a）中，若VD1通VD2斷，VD1經(jīng)過(guò)四分之一波長(zhǎng)，在輸入節(jié)點(diǎn)等效為開(kāi)路，VD2無(wú)影響，輸入信號(hào)進(jìn)入2，反之，開(kāi)關(guān)撥向1。圖(b)中，若VD1通VD2斷，輸入信號(hào)進(jìn)入1，反之，開(kāi)關(guān)撥向2。圖11-38單刀雙擲（SPDT）開(kāi)關(guān)(a)并聯(lián)型;(b)串聯(lián)型

圖11-39、圖11-40、圖11-41是幾種常用開(kāi)關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 這些電路的微波設(shè)計(jì)要考慮開(kāi)關(guān)的寄生參數(shù)設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)，還要考慮器件的安裝尺寸。

圖11-39串并聯(lián)復(fù)合開(kāi)關(guān)（a）SPST;（b）SP3T圖11-40多擲開(kāi)關(guān)

(a)雙刀雙擲（DPDT）開(kāi)關(guān); 圖11-40多擲開(kāi)關(guān)

(b)單刀四擲（SP4T）開(kāi)關(guān); 圖11-40多擲開(kāi)關(guān)（c）單刀六擲（SP6T）開(kāi)關(guān)圖11-41大功率寬帶開(kāi)關(guān) 2.開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng) 任何一種開(kāi)關(guān)都有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上是一個(gè)脈沖放大器，把控制信號(hào)(通常為T(mén)