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1、微波电子线路大作业 姓班级：021014 学号： 一 肖特基势垒二极管与混频器 1 肖特基势垒二极管 利用金属与半导体接触形成肖特基势垒构成的微波二极管称为肖特基势垒二极管。这种器件对外主要呈现非线性电阻特性，是构成微波混频器、检波器和微波开关等器件的核心元件。目前绝大多数混频器都采用肖特基势垒二极管，因为肖特基势垒二极管的耗尽电容比PN结电容小的多，因此肖特基势垒二极管更适合微波频率下工作。 肖特基势垒二极管的等效电路如右图所示： 肖特基二极管作为非线性电阻应用时，除结电容之外， 其他都是寄生参量，会对电路的性能造成影响，应尽量减小 它们本身的值，或在微波电路设计时，充分考虑这些寄生参 量的
2、影响。 一般地，肖特基势垒二极管的伏安特性可以表示为： 对于理想的肖特基势垒，；当势垒不理想时，,点接触型二极管,面结合型二极管。 如下图是肖特基势垒二极管的伏安特性曲线： 肖特基势垒二极管特性参量： 1） 截止频率 2） 噪声比（理想情况下） 3） 中频阻抗 4） 变频损耗 2 混频器 微波混频器的核心元件是肖特基势垒二极管。混频机理是基于肖特基势垒二极管结电阻的非线性管子在偏压和本振的激励下，跨导随时间变化，加上信号电压后出现一系列频率成分的电流，用滤波器取出所需中频即可。 jRSRjCpCSL描述二极管混频器的混频过程，需要建立一个等效电路。由于混频二极管是一个单向器件，不仅与和差拍产生
3、新的频率，而其电流在一定的阻抗上所建立起的电压也会反过来加到二极管上该电压与和差拍，也产生新的频率。 混频器等效电路如右图所示： 信频、中频和镜频电流的幅值为： 由等效电路可以求出变频损耗。微波混频器的作用是将微波信号转换为中频信， 频率变换后的能量损耗即为变频损耗。 变频损耗主要包括三部分： (1) 由寄生频率产生的净变频损耗。 (2) 由混频二极管寄生参量引起的结损耗 。 (3) 混频器输入/输出端的失配损耗。 结论；混频器的变频损耗载镜频开路时变频损耗最低，镜频匹配时变频损耗最高。变频损耗与本振功率有关，在最佳本振功率时，变频损耗最低。如下图所示： 微波混频器的基本电路包括单端混频器、平
4、衡混频器和双平衡混频器。为了保证有效地进行混频，微波混频器的基本电路都应满足以下几项主要原则：1、信号功率和本振功率都应能同时加到二极管上，二极管要有直流通路和中频输出回路；2、二极管和信号回路应尽可能做到匹配，以便获得较大的信号功率；3、本机振荡器与混频器之间的耦合应能调节，以便选择合适的工作状态；4、中频输出端应能滤掉高频信号。 二 变容管和变容管上变频器 1 变容管 变容管:PN结的结电容(主要是势垒电容)随着外加电压的改变而改变，利用了这一特性可以 构成变容二极管（简称为变容管）。变容管可以构成参量放大器、参量变频器、参量倍频器 iG0GA 102gg?210ggg?210ggg?gg
5、Ui本振功率/mW变频损耗/dB镜频开路镜频匹配镜频短路(谐波发生器)、可变衰减或调制器等。 等效电路如右图： 其结电容与偏压的关系图： 结电容可以表示为以下普遍形式： mj jUCUC1)0()(? 式中：m称为结电容非线性系数，取决于半导体中参杂浓度的分布状态。 变容管参数 （1） 品质因数Q （2） 截止频率 fc sjcRcf?21? （3） 反向击穿电压VB 表示反向电压承受限.规定VB为反向电流为1uA对应的反偏电压值.使用时电压波动范围为VBVS . （4） 自谐振频率 串联自谐振频率 fsr 并联自谐振频率 f pr 2 变容管上变频器 功率上变频器的分析方法有电荷分析法和谐波
6、平衡法两种，电荷分析法是属于早期采用的方法。 假设二极管上的激励电荷为 tQtQtQQtqoutoutPpSS?sin2sin2sin2)(0? 式中：假定t=0时初相位均相同。 流过二极管的电流为 tQtQtQdttdqtioutoutoutPPPSSS?cos2cos2cos2)()(? 为求的二极管上的电压u(t)，应先推导出变容管上的电荷-电压（q-u）特性。 根据变容管原理，利用?duuCuqj)()( 关系求得电容上存储的电荷为 ?qnuUCuqnnB?)1(1)()()(1min 于是可得 )1(1)()()(1min?nuUCquqnnB? 式中： ?q为?v 时的结电容上存储
7、的电荷。 当BUu?时，BQuq?)(，则上式可写成 nUCqQBB?1min? 根据上式可得 nBBUuqQquq?1)()(? 一般近似认为?u时，势垒消失，?q趋于零，所以 nBBUuQuq?1)()(? 上式表示q(u)的一般特性。式中：BQ 按积分式本应为负值，但为使q-u特性使用方便，因此在上式中令BQ 为正值，这并不影响q-v特性的物理实质。 对于突变结变电容，21?n ，于是上式可写成 )()(22BBUuQuq? 令 2BBQUA?，故得 )()(222uAqQUuquBB? 由此可画出突变结变电容的q-u特性，如图4-5中实线所示。为分析方便，图中将u的坐标零点移至?处，并
8、令uu?，故得到 )(2uAqu? 式中：2BBQUA?。 若在变容管上加入正弦变化的电荷激励，根据q-u特性，则二极管上的电压为非正弦波，如图4-5所示。图中二极管上的电压限制在 ?BU 的范围内，为满激励（全激励）状态。此时取2/0BQQ? ，可得到最大交变电荷幅度。将这种最佳状态下的工作参数代入式（4-17），可得 )sin2sin2sin221()(tmtmtmQtqoutoutPPSSB? （4-26） 式中：m 为电荷激励系数，BSSQQm? ，BPPQQm? ，BoutoutQQm?。 设PS?，outPS?由式（4-25）求得变容管上的电压为 2222)sin2sin2sin2
9、21()(tmtmtmQQUuAquoutoutPPSSBBB? ?)sinsinsin(2)22241(222tmtmtmmmmUoutoutPPSSoutPSB?)coscoscos(4无用边带分量和谐波?tmmtmmtmmoutPSPoutSsoutP? 将式（4-26）和式（4-27）进行比较，由变容管上的电压和流过电流之间的相位关系可以看出：对S?、P?和out?既有同相分量，也有正交分量，而且对输出频率out?，电路呈现负阻及容抗，对S?和P?均呈现正阻及容抗，这说明有out?频率分量的能量输出。 三 阶跃恢复二极管和阶跃恢复二极管倍频器 1 阶跃恢复二极管 阶跃恢复二极管（SRD
10、）可以看做一种特殊的变容管，简称阶跃管。利用阶跃管由导通恢复到截止的电流突变可以构成窄脉冲输出，也可以利用其丰富的谐波制作梳状频谱发生器或高次倍频器。 阶跃管采用了PNN?结构，其中很薄的N层的载流子浓度很低，几乎接近本征层。 阶跃管特性： 00 )0()1()0()(CCUCUCjjj? 在反偏时结电容近似不变，为一个不变的小电容0C（处于高阻状态，近似开路）。正偏时，形成了较大的扩散电容dC（处于低阻状态，近似短路）。阶跃管相当于一个电容开关。 特点： 加正向电压时导通，但I区载流子寿命长，复合慢，在结区有大量电荷贮存，电压反向时，由于结区的贮存电荷存在，管子仍然导通，但贮存电荷在载流子抽
11、完后突然消失，电流截止。加交变电压对应电流波形如右图，与一般p-n结管子的不同在于导通时载流子寿命长，复合慢，电压反向时不能立即截止。 阶跃管特性参数： （1）贮存时间： 电压由正变负，由于贮存电荷效应，管子上电压不能突变。贮存电荷经过 时间，管子两端电压降为零。 （2）阶跃时间： 反向电流消失时间(0.8iR 0.2 iR 或0.9iR 0.1 iR )， 该时间越短越好。 （3）其他参数： 少子寿命 ，约为信号周期的10倍。还有反向击穿电压VB，截止频率fc、反向偏置结电容Cj和最大耗散功率Pmax等. 2 阶跃恢复二极管倍频器 阶跃管的作用是把每一个周期)(1T输入的信源能量转换为一个谐
12、波丰富的大幅度窄脉冲；再利用它激励一个谐振电路，得到频率为1NffN?的衰减波振荡，最后通过带通滤波器在负载上得到N次谐波的等幅波。 输入信号)sin(1?tUug，通过一个激励电感L激励阶跃管，以便利用电感来储能，使之得到大幅度的阶跃电流，因此gu应为功率信号源。图中0U为负偏压，LR为脉冲发生器的等效负载。 （1）导通期间 由图的等效电路可求出电路中电流的表达式。 电路的微分方程： ?01)sin(UtUdtdiL 假定其实条件为00|Iiii?，0I为电感中起始电流，则解方程得 tLUtLUIti?0110)cos(cos)( 由此可见，电流由三部分组成：直流分量、余弦分量和线性下降项。
13、 (2)阶跃期间。假定在i(t) 达到负的最大值，即attdtdi?|=0，产生阶跃，则可画出节约期间的等效电路和谢过电路方程： ?oaUtUdtdiL)sin(01? 0)sin(01?UtUa? 电路的微分方程为： 0)()(0? LLRdtdiLdtdtdiLdCti 令att?为阶跃期间的阶跃开始时刻0?t时，起始条件为 ?0|0010ttLuIi 解得电流为 )sin(cos)(1tteItiNNNtL? 式中： 20121?NLCR 021LCN? 021CLRL? ?为阻尼因子，由电路参数决定。适当选择激励电感和LR，对一定的阶跃管使?1,则)(tiL的波形为衰减震荡。负载上的电压波形为 tCLtIdtiCtuNNo?sin1/1exp1)(20210? 可见，电压波形也表现为衰减震荡。 脉冲电压波形及其频谱：脉冲发生器输出的电压为周期性窄脉冲串，具有丰富的谐波。pt越小，谐波越丰富，并与激励电感和阶跃管的特性有关。 如果将脉冲发生器用作倍频器，采用滤波器直接从频谱中取出1Nf，则效率太低。因此，多用脉冲直接激励一个谐振回路，取出其所需要的谐波分量。 谐振电路：谐振回路的作用是将原来窄脉冲的宽频谱能量集中到1Nf附近，此及应用谐振回路的特点。