微波電子線路大作業(yè)

微波電子線路大作業(yè)（3）班級:姓名:學號:一、微波二極管負阻振蕩器由砷化錢材料制成的體效應二極管呈現(xiàn)負阻效應的物理基礎是能帶結構的電子轉(zhuǎn)移效應，而產(chǎn)生負阻效應的原理則是由于高場疇的形成。典型的Gunn二極管的結構如圖所示.銅底座(接銅螺紋)提供一條外加散熱器的低阻熱通道，螺紋端擰在散熱器上，它是接到直流電源的負極，陶瓷圓環(huán)起絕緣作用，它把正負極隔開。若將耿氐二極管裝在諧振腔的適當位置上，只要在它的兩端加上適當?shù)闹绷麟妷海涂梢栽谥C振腔內(nèi)產(chǎn)生微波振蕩.這就構成了微波負阻振蕩器。由于諧振腔相當于集總電路的L。-R0-L0并聯(lián)諧振電路，它與耿氐二極管組合起來就形成了如圖3-12(a)的等效電路，其中圖(幻的左側表示Gunn二極管等效電路。q和-Rd是有源區(qū)參數(shù)，Cd是Gunn管電荷區(qū)域的電容參數(shù)，-Rd是在電場超過閾值后所呈現(xiàn)的負阻特性，C、L是管殼及引線所呈現(xiàn)的分布參數(shù)；圖(a)右側表示諧振腔等效電路。二極管具有負阻-Rd,而負載則是正電阻R0,由于-Rd與R0并聯(lián)，它的電阻為R，二旦Rd+RoM幅滿新等優(yōu)電路 作)循化的等效也用所以進一步簡化后就變成如圖(b)所示的等效電路。當直流電源剛接通時，如工作點選擇恰當且能滿足Rd>R0的條件，則Rt為負值。在這種情況下，噪聲足以觸發(fā)振蕩，使振幅隨時間而增長。但是，管阻-Rd是非線性的，隨著振幅的增大|-Rd|的數(shù)值逐漸減小。當|-Rd|=R0時，從式不難看出，Rt=8。這就相當并聯(lián)電阻Rt開路，變成Lt與Ct所組成的無損耗回路，因此產(chǎn)生等幅振蕩。諧振腔的作用是一方面可以調(diào)諧振蕩波形使其接近正弦，另一方面把高頻電磁能量收集在腔內(nèi)，并通過耦合把高頻能量送到負載上。X波段波導耿氏振蕩器的結構做熱器如圖耿氏二極管橫裝在矩形波導中，并且由調(diào)節(jié)短路活塞改變腔的大小進行頻率調(diào)諧。振蕩頻率與腔體的長度有關，它的長度大體等于半個波導波長整數(shù)倍，腔體的長度是指從Gunn管的安裝柱面到可調(diào)短路面之間的距離。目前，國產(chǎn)X波段耿氏二極管的技術參數(shù)為：工作頻率為10GHz左右，工作電壓為10V，工作電流為0.2-0.6A，輸出功率為0.03-0.1W，最大耐壓為14V。二、微波晶體管振蕩器產(chǎn)生振蕩電流的電路叫做振蕩電路。振蕩電路主要有正弦波振蕩器和函數(shù)發(fā)生器如脈沖發(fā)生器等.正弦波振蕩電路是用來產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號。它的頻率范圍很廣，可以從一赫芝以下到幾百兆赫芝以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦；輸出的交流電能是從電源的直流電能轉(zhuǎn)換而來的。正弦波振蕩器必須包含這樣幾個組成部分：1.放大部分，振蕩器的核心，將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換成交流信號能量；補充振蕩過程中的能量損耗，以獲得連續(xù)的等幅正弦波；2.選頻部分，從信號中選出所需的頻率3.正反饋電路，將選出來的所需頻率的信號送回到輸入端放大;4.穩(wěn)幅電路，般靠振蕩管自身的非線性穩(wěn)幅，要求高的振蕩器有專門的穩(wěn)幅電路回路的諧振頻率。常用的正弦波振蕩器有LC振蕩電路,RC振蕩電路以及石英晶體振蕩電路等.LC振蕩電路的輸出功率大、頻率高。它的選頻電路由電感和電容構成，可以產(chǎn)生高頻振蕩（幾百千赫以上）。LC振蕩器根據(jù)反饋電壓取出的方式不同，分為變壓反饋式、電感和電容三點式三種。下圖是晶體管LC振蕩器的基本電路圖.RC正弦波振蕩電路的輸出功率小、頻率低。它由放大器和具有選頻正反饋特性的RC網(wǎng)絡所組成的。有三種RC振蕩電路：高低電橋振蕩器，相移式振蕩器，雙T型選頻網(wǎng)振蕩器。石英晶體振蕩電路的頻率穩(wěn)定度高。它是一個特殊的LC振蕩器，是一種高頻振蕩器。廣泛應用在無線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號發(fā)生器、半導體接近開關等。微波晶體管振蕩器原理和晶體管振蕩器相同.所不同的是振蕩頻率高，達到超高頻或微波頻率;其次，由于頻率高,要考慮到元件的分布參數(shù).微波振蕩器是在通信、雷達、電子對抗及測試儀器等各種微波系統(tǒng)中廣泛應用的重要部件之一。近年來，隨著微波半導體器件的迅速發(fā)展，微波固態(tài)振蕩器也得到迅速發(fā)展。目前已有晶體管振蕩器（包括雙極晶體管振蕩器和場效應管振蕩器）；轉(zhuǎn)移電子振蕩器（體效應振蕩器）；雪崩二極管振蕩器和隧道二極管振蕩器等多種形式。微波振蕩器主要用于微波收、發(fā)信機的本地振蕩、各種調(diào)制器的載頻信號源及微波測量系統(tǒng)中的基本信號源等。其性能好壞將直接影響微波系統(tǒng)的優(yōu)劣和測量精度。振蕩器的主要性能指標有：1、頻率穩(wěn)定度高振蕩器的振蕩頻率會受偏置電源的不穩(wěn)定、環(huán)境溫度以及負載阻抗的變化等因素的影響，致使頻率發(fā)生漂移，其漂移的大小可用頻率穩(wěn)定度來描寫。任何微波系統(tǒng)中對振蕩器的頻率穩(wěn)定度有一定的要求，例如，在微波和衛(wèi)星通信中的射頻頻率的頻率穩(wěn)定度高于10-5,只有這樣才能保證長途通信中的頻率漂移限制在允許可靠接收的范圍內(nèi)。為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，必須使振蕩器工作在穩(wěn)定的條件下。例如，采用穩(wěn)定的偏置電源、恒溫的環(huán)境、防震措施以及盡力減少負載與振蕩器之間耦合，等等。具體方法有溫度補償法、外腔移頻法和注入鎖定法。其中溫度補償法是最簡單、最實用的方法。2、諧波抑制度高當晶體三極管或二極管工作在飽和狀態(tài)時，振蕩器將會產(chǎn)生許多不需要的諧波而引起干擾。為此，必須仔細調(diào)整工作點，盡可能少產(chǎn)生不需要的諧波，然后通過調(diào)整輸出濾波器，使諧波輸出盡可能小。3、載噪比高由于振蕩電路的非線性，使半導體器件內(nèi)的噪聲對振蕩器產(chǎn)生的單頻信號進行調(diào)制，以致振蕩器的輸出頻譜不是單頻信號，而存在噪聲邊帶，這會使接收端的信噪比降低。因此必須盡可能提高載噪比。具體措施有：采用波紋系數(shù)小、性能穩(wěn)定的直流偏置電路；采用外腔穩(wěn)頻法或注入鎖定法既可以提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，又可以降低噪聲；盡可能提高振蕩器諧振回路的品質(zhì)因素，等等。從振蕩原理來分，微波固態(tài)振蕩器可分為兩種類型：負阻振蕩器和反饋振蕩器。但無論哪一種，它們生產(chǎn)振蕩的機理是相同的，都歸結為具有非線性的負阻特性。所不同的是像轉(zhuǎn)移電子器件如雪崩二極管只要在直流偏壓下就具有負阻特性，由它構成的振蕩器稱為負阻型振蕩器；而像微波晶體管必須將反饋電路聯(lián)系在一起時，才具有負阻特性，由它構成的振蕩器稱為反饋型振蕩器。二、PIN管微波開關PIN管在正反向偏置下的不同阻抗特性可用來控制電路的通斷，組成開關電路。PIN管開關電路按功能分為兩種：一種是通斷開關，如蛋刀單擲開關，作用只是簡單的控制傳輸系統(tǒng)中微波信號的通斷；另一種是轉(zhuǎn)換開關，如單刀雙擲、單刀多擲開關，作用是使信號在兩個或多個傳輸系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換。若按PIN管與傳輸線的連接方式，可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型一級串/并聯(lián)型三種；從開關結構形式出發(fā)，可分為反射式開關、諧振式開關、濾波器型開關、陣列式開關等。.單刀單擲開關開關的正反衰減比下圖為單管串聯(lián)型和并聯(lián)型開關的原理圖及其微波等效電路圖。圖中分別為PIN管的等效阻抗和等效導納，分別為傳輸線的特性阻抗和特性導納，a、b分別為網(wǎng)絡的歸一化入射波和反射波。（a）串聯(lián)型原理圖；（b）串聯(lián)型等效電路；（c）并聯(lián)型原理圖；（d）并聯(lián)型等效電路；設開關輸入端信號源的資用功率為，輸出端負載吸收功率為。則定義開關的衰減L為：L=PPL若開關網(wǎng)絡用散射S參量來表征，且假設開關插入在匹配信號源和匹配負載之間，則上式化為L=邛=Ib|2|S|2

1 21基本原理如果PIN管正、反偏時分別為理想短路和開路，則對上圖（a）的串聯(lián)型開關來說，PIN管理想短路時，開關電路理想導通；PIN管理想開路時，開關理想

斷開。對（c）圖的并聯(lián)型開關來說，情況相反，PIN管短路，對應開關斷開；PIN管開路，對應開關導通。由于封裝參數(shù)的影響，對于單管開關無論是串聯(lián)型還是并聯(lián)型，都只能在固定的某幾個較窄的頻率區(qū)間有開關作用，而實際的工作頻率常常不在這些區(qū)域。為了擴展開關的工作模區(qū)，改善開關性能，有的直接把管芯做在微波集成電路上；也有采用改進的開關電路，其中常用的有諧振式開關、陣列式開關和濾波器型開關。.單刀雙擲開關最普通但又最常用的單刀多擲開關是單刀雙擲開關，它把信號來回換接到兩個不同的設備上，形成交替工作的兩條微波通路。其典型的例子是雷達天線收發(fā)開關，發(fā)射機和接收機共用一個天線，用一個單刀雙擲開關來控制。右圖表示一并聯(lián)型單刀雙擲開關的原理圖。管截止，或反之。并借助1/4波長線的阻抗變換作用，使輸入信號全部從B或A中的一個端口輸出，此端口為導通通道，同時另一端口為斷開通道。但是該單刀雙擲開關需要兩個偏壓源，為節(jié)省偏壓源，實際中常采用一個偏壓源控制并聯(lián)型單刀雙擲開關電路（如下圖），在此電路中，接在并聯(lián)的枝節(jié)上。當都處于反偏時，B路接通；當都處于正偏時，A路接通。因此可共用一個偏壓源。.開關時間和功率容量PIN管用作開關時，其開關時間必須滿足系統(tǒng)對開關速度的要求，為提高開關速度，應盡量減薄I層，使儲存電荷減少。在這種情況下，開關時間基本上由載流子在I層的渡越時間決定，而與載流子壽命無關。但I層太薄，使二極管反

向擊穿電壓減小，承受微波功率也減小，因此提高PIN管開關速度受限于兩項極限參數(shù)，即開關時間和功率容量。開關時間右圖表示PIN管從正偏電流突然轉(zhuǎn)向反偏時的情況。設正偏時I層儲存的電荷為，當換成反偏時，I層儲存的電荷一部分被反向電流吸出，另外一部分則繼續(xù)復合，形成復合電流。顯然，單位時間內(nèi)層中電荷減少量等于單位時間內(nèi)從I層流出的電荷量與復合電荷之和，即考慮到t=0時，，可解得Q)=I0TeHR(e〃一1)假設時，電荷全部清除，即Q(t)=0，于是Ite-晨片+1t(e-tjq-1)=0假設時，電荷全部清除，所以t=tln(1+0))s IRI開關時間可近似表示為t氏T—0-開關時間可近似表示為IR由此可見，當PIN官給定后（已定），加大反向電流可使開關時間減少。所以應為PIN管開關制作具有內(nèi)阻小而又能輸出大的反向偏壓的專門驅(qū)動器。功率容量當PIN管導通時，功率容量的限制因素是最大允許的功耗，當PIN管截止時，功率容量的限制因素是反向擊穿電壓。開關的功率容量是指開關所能承受的最大微波功率，它不僅與管子的功率容量有關，還與開關電路的類型（串聯(lián)或并聯(lián)）、工作狀態(tài)（連續(xù)波工作或脈沖工作）及具體結構（散熱性能）有關。三、PIN管電調(diào)衰減器和限幅器用電信號控制衰減量的衰減器稱為電調(diào)衰減器。利用PIN管正向電阻隨偏置電流連續(xù)變化的特性，可以做成各種類型的電調(diào)衰減器。電調(diào)衰減器可用于振幅調(diào)制和穩(wěn)幅系統(tǒng)。

1、環(huán)行器單管點調(diào)衰減器此電調(diào)衰減器的衰減由偏置電流來控制。偏置電流經(jīng)過直流偏置電路加到二極管上。環(huán)行器的作用是使得輸入電路能得到較好的匹配。這種單管電調(diào)衰減器P 1的衰減量為L=10lgn=20lg—apIriR—Z式中：iri=f_1R+Z2、3dB定向耦合器型電調(diào)衰減器下圖為微帶型3dB定向耦合器型電調(diào)衰減器的結構示意圖和等效電路圖。輸出接陟偏金線50a電阻VD,高頻

短路塊VDa\輸出接陟偏金線50a電阻VD,高頻

短路塊VDa\當R10，④端輸出的功率為0，由此便構成電調(diào)衰減器。這種衰減器由于r—f—

r+2有r—f—

r+22+r衰減器衰減量為：L=20lg-frf。小 R式中：r=—ffZ03、吸收陣列式衰減器為了使系統(tǒng)頻帶展寬、衰減量的動態(tài)范圍增大及能承受較大的功率，可采用多個并接在傳輸線上的PIN管，管間相互間隔為1/4波長的陣列衰減器。加正向偏置的PIN管等效為正向電阻，隨著管子正向偏電流的改變，各電阻阻值發(fā)生變化，故為一個電調(diào)衰減器。工程中通常采用多節(jié)級聯(lián)。由于輸入駐波比主要取決于前面幾個單節(jié)，因此在實際應用中，一般僅把三個管子的正向電阻形成漸變分布，而后面的管子則按等元件陣排列。4、PIN管限幅器電調(diào)衰減器是利用外加偏置電流來控制其衰減量的，所以有時稱之為控衰減器。某些情況下，要求微波信號通過控制電流時能自動控制電路的衰減。利用PIN管在零偏加微波信號時的阻抗特性，可實現(xiàn)此目的。因此零偏PIN管常作為雷達接收機高放、混頻前的限幅器。當微波信號超過某一電平時，由于PIN管阻抗顯著變小而使通過PIN管的衰減量顯著增大，從而限制輸出功率在一定電平以下。四、PIN管熟悉移相器（調(diào)相器）1、開關線型移相器利用PIN管的單刀雙擲開關，使微波信號從兩條電長度不同的傳輸線通過后，可以得到兩種不同的相移量，根據(jù)這個原理做成的移相器成為開關線型移相器。實際上它是一段可開關的傳輸線。2、加載線型移相器加載線型移相器通常作為數(shù)字式移相器的小移相位，例如作為22.5、45移相位。若要用于較大的移相位時，例如作90移相器，則可以用兩個45移相器級聯(lián)起來。為縮小體積，常把兩個中間的并聯(lián)傳輸線合并為一，成為三個