第7章有源微波电路.ppt

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1、第第7 7章章 有源微波电路有源微波电路 7.1 7.1 微波混频器微波混频器 微波混频器是将接收机所接收到的微波信号变换成中频信号，以利于进一步对信号进行后续处理的微波有源器件。混频器之所以具有这种功能，关键在于其中使用了具有非线性电导的非线性元件肖特基势垒二极管。7.1.1 7.1.1 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 金属和半导体直接接触构成表面势垒的二极管称为肖特基势垒二极管。金属端加上正电压时，肖特基结耗尽层减薄，二极管处于正向导通状态；金属端加上负电压时，肖特基结耗尽层加厚，二极管反向不导通。一肖特基势垒二极管的结构一肖特基势垒二极管的结构肖特基势垒二极管管芯剖面：小孔中的金属与N

2、+半导体形成肖特基势垒结。窗孔直径愈小，结电容也愈小，工作频率愈高。二肖特基势垒二极管的等效电路和伏安特性二肖特基势垒二极管的等效电路和伏安特性 Rj和Cj分别是肖特基势垒结的结电阻和结电容，它们都随外加电压的变化而变化。Rj是产生混频作用的最主要的非线性参量。结电容Cj由于对结电阻Rj的旁路作用要损失微波能量，它限制了二极管混频的上限工作频率。Cp Rj Cj Rs Ls 肖特基势垒二极管的等效电路图 肖特基势垒二极管的伏-安特性VBIsi V0 肖特基势垒二极管的电压-电流(伏-安)特性:)1(VseIinKTe Gj1/Rj是用该管作混频二极管时的动态变频电导，它也是该管伏安特性曲线的斜

3、率。三混频管的主要参数三混频管的主要参数 jGdVdisIvei 1.截止频率截止频率fc2.变频损耗变频损耗 3.噪声温度比噪声温度比 (等效噪声温度等效噪声温度 TD)4.中频阻抗中频阻抗Zif 0TTtDD7.1.2 7.1.2 微波混频器的混频原理微波混频器的混频原理 微波混频器主要是利用肖特基势垒二极管的非线性电导来混频。在分析二极管微波混频器的混频原理时，我们只需注意管子的伏安特性。如图是单个二极管混频器的原理图，其中：V0是直流偏压，一般微波混频器为使电路简单常不外加直流偏压；vL是本振电压，是功率为毫瓦级的大信号；vS是微波信号电压；是微瓦级甚至功率更小的微弱信号；ZL是混频器

4、输出负载阻抗。设加在混频二极管上的本振电压vL(t)和信号电压vs(t)分别为 二极管混频器原理图ZLvs(t)ivL(t)V0tVtvLLLcos)(tVtvssscos)(式中：L和s分别是本振和信号的角频率，VL和Vs分别是本振和信号的电压幅度。当本振电压和微波信号电压一起加到混频二极管上时，由于VLVs，我们可以认为V0 确定了混频二极管的工作点，显然此工作点是由本振电压vL所控制的，是时变的。设二极管的电压-电流特性为 tVLLcos)(vfi 将if(v)在工作点V0 处作泰勒级数展开，得 tVLLcos220001(cos)(cos)cos(cos)cos.2!LLLLssLLs

5、sif V Vtf V Vt Vtf V Vt Vt上式右边第一项包含了直流、本振频率及本振各次谐波频率的电流，它与所加的微波信号无关；由于Vs很小，可以忽略不计；值得注意的是第二项。这里令tVVvLLLLdvditVVftgcos00)cos()(显然g(t)是随时间周期变化的混频二极管的电导，是偶函数。我们将它展开成付里叶级数，则有10cos2)(nLntnggtg200)()(21tdtggL20)(cos)(21ttdntggLLn式中(n1，2，3，)我们称g0为二极管的平均混频电导，称gn为对应于本振第n次谐波的混频电导。混频电流i可表示成 0010011(cos)(2cos)co

6、s(cos)coscos()cos()(1,2,.)LLnLssnLLssn SLsn sLsnnif VVtggnt Vtf VVtgVtg Vntg Vntn显然混频电流i包含了直流和无穷多个不同频率分量的电流如图 混频器电流的频谱 sL 2Ls2sL L s 3Ls L+s 2L 3L 在混频器各不同频率分量的电流中，频率为if=Ls(当Ls)或if=sL(当sL)的电流是我们所需的中频电流 。tVgiifsifcos1 在混频器电流频谱中，除了我们所需的中频if以外，还有无穷多个我们所不需要到频率分量，我们把不需要的这些频率分量通称寄生频率。由于这些寄生频率分量也是由信号和本振差拍产生

7、的，都携带有一部分信号功率，如果将它们都滤除掉，必造成信号能量的损失，这种能量损失我们称之为净变频损耗。在设计混频器时应尽可能减少这种损耗，或者应将部分功率“回收”成为有用功率。在寄生频率中，最值的关注的是镜频k=2Ls。相对于本振频率L的位置，镜频处于信号频率s的镜像位置，故称k为镜频。我们之所以关注镜频基于两个理由：镜频是由本振的二次谐波与信号差拍产生的，具有不可忽视的功率；镜频存在回收的可能性。因为镜频和本振再一次差拍会得到新的中频，新中频L(2Ls)=sL=if与原中频相同，如果我们使混频电路对镜频呈现出电抗性负载(例如开路或者短路)，把镜频分量反射回二极管再次混频出新的中频，只要新的

8、中频与原中频相位一致，就可使混频器输出中频能量增加而降低变频损耗。7.1.3 7.1.3 混频器的主要特性混频器的主要特性一变频损耗一变频损耗 其定义是输入混频器的微波资用功率Ps与加到中频负载上的功率Pif之比，记为Lm，于是有 ifsmPPL 混频器的变频损耗由三部分组成，这就是净变频损耗、寄生参量损耗、端口失配损耗及混频器电路中其它元件的损耗。其中，净变频损耗是主要的损耗。1净变频损耗净变频损耗 混频器依靠二极管的非线性电导使信号从微波信号频率s变成中频信号频率if，微波信号功率Ps中只有一部分转化成中频信号频率Pif，其余部分功率分散在其它寄生频率分量中而被滤除，由此造成的功率损耗称为

9、净变频损耗，用L1表示。在寄生频率分量中最值得关注的是镜频分量k，对它采取不同的措施会有不同的混频效果。常采用镜频短路、镜频开路和镜频匹配三种情况（详细分析见课本）。结论：在给定本振电压的条件下，调整信源电导Gg和中频负载电导Gif，上述三种镜频终端都可以获得最小的净变频损耗。与此对应的信源电导和中频负载电导分别称为最佳信源电导和最佳中频负载电导。无论在那种情况下，最小净变频损耗都随本振电压振幅的增加而减小；当本振电压振幅趋于无限大时，镜频短路和镜频开路的最小变频损耗都趋于零分贝，而镜频匹配的最小变频损耗趋于3分贝；在相同本振电压振幅条件下，镜频开路最小变频损耗最小，镜频短路最小变频损耗稍大一

10、些，而镜频匹配最小变频损耗最大；在相同本振电压振幅条件下，镜频短路时最佳信源电导和最佳中频负载电导最大。2寄生参量损耗寄生参量损耗 如图，只需考虑寄生参量中的结电容Cj的分流和串联电阻Rs的分压作用所引起的功率损耗，用Lj表示。Rj 二极管芯等效电路 Rs Cj Vj21()sjsjsjjRLCR RR210lg1()(dB)sjsjsjjRLCR RR第二项是Rs对Rj的分压作用而引起的损耗，第三项则是Cj对Rj的分流作用而在Rs上增加的损耗。变频器变频损耗与本振功率的关系曲线 Lj L1 L=L1+Lj 本振功率变 频损 耗(dB)结论：Lj不随本振功率单调减少，存在一个使变频损耗Lj最小

11、的最佳本振功率。考虑到净变频损耗L1随本振功率增加而单调减小，故净变频损耗与寄生参量损耗之和L1Lj随本振功率的增加也有一个最小值。从这点来考虑，实现混频器要想得到较低的变频损耗，本振功率不能任意，要选择一个最佳值。3 3混频器的其它损耗混频器的其它损耗 综上所述，混频器总的变频损耗Lm应取以下三项之和，即 。1 (dB)mjrLLLL二混频器的噪声系数二混频器的噪声系数 混频器噪声系数定义为：在标准温度下(T290K)，输入端信噪比与输出端信噪比之商，用Fm表示 式中Lm是混频器总的变频损耗。1 1单通道混频器的噪声系数单通道混频器的噪声系数 在镜频短路和镜频开路混频器中，由于采取了镜频短路

12、或镜频开路措施，这种措施不仅使混频产生的镜频被反射回混频二极管再次混频，它也使频率等于镜频的外来信号和噪声被反射出去而不能进入混频器，所以镜频短路或者镜频开路时信号和噪声只能通过信号端口s进入，混频器是单通道混频器,如下左图：ififssmNPNPF()mifsLNN11(1),1(1)msms msmsDmsmsDmsFL tLttLtL 其中，Lms为单通道混频器的变频损耗，tD为混频二极管的噪声温度比，tms为单通道混频器的噪声温度比。实用的肖特基势垒二极管的噪声温度比 ，其做成的单通道混频器的噪声系数1DtmsmsLF道混频器的噪声等效电路 负 载 Rg s Nifd Rk=Rg k

13、Lmd单通道混频器的噪声等效电路 Rg s Lms Nifs 负 载2 2双通道混频器的噪声系数双通道混频器的噪声系数 在镜频匹配混频器中，由于没有对镜频采取措施，所以除了信号频道s外，还存在有一个镜频通道k。信号和噪声都可从s、k这两个通道进入混频器混频形成中频输出，故镜频匹配混频器是双通道混频器，如上右图：双通道混频器的噪声温度比 。其中，Lmd为双通道混频器的变频损耗。双通道混频器传输单边带信号双通道混频器传输单边带信号 （肖特基表面势垒二极管制）)12(1 2DmdmdmdtLLt,21(1)2mdmd smd mdDmdLFLttL双通道混频器传输双边带信号双通道混频器传输双边带信号

14、 （肖特基表面势垒二极管制）,111(1)222mdmd dmd mdDmdLFL ttL 结论：镜频匹配混频器传输单边带信号时的噪声系数是传输双边带信号时的噪声系数的两倍，即通常所说的噪声系数大3dB。其原因在于这两种情况输入噪声比相同，混频器总输出噪声功率也相同，但单通道使用时输出信号功率只有双通道使用时的一半，输出信噪比降低一半，噪声系数增加一倍。或者说，在单通道使用时，镜频通道没有信号输入，但照样提供噪声，因而使噪声系数变坏。三混频器的其他特性三混频器的其他特性1 1信号和本振端口的输入驻波比信号和本振端口的输入驻波比 一般要求信号端口输入驻波比要更小一些。2 2信号与本振两端口之间的

15、隔离度信号与本振两端口之间的隔离度 如果输入信号功率泄漏到本振端，就会造成信号的损失；如果本振功率泄漏到信号端向外辐射，就会干扰其它部件的工作。因此，应对混频器信号与本振两个端口提出隔离度的要求。3 3输入信号的动态范围输入信号的动态范围 对于微弱的输入信号，混频器中频输出功率与微波信号功率近似为线性关系，变频损耗为常数。当输入信号功率增加到一定电平时，信号的高次谐波不能忽略，混频出来的高次寄生频量增多，变频损耗增加。我们把变频损耗增加到比常数值大1dB的输入信号功率叫做1dB压缩点，由于输入功率信号高于1dB压缩点时变频损耗会迅速增加，故规定1dB压缩点为混频器输入功率的上限。混频器的下限输

16、入功率是可以接收并检测到信号时所对应的最小输入信号功率，它取决于噪声电平。7.1.4 7.1.4 典型的微波混频电路典型的微波混频电路一单端混频器一单端混频器 单端混频器是最简单的一种混频器，它只用了一个肖特基势垒二极管作混频管。下图是一个微带型单端混频器电路及原理框图。混频二极管。混频二极管。常用肖特基势垒二极管，它应具有足够高的截止频率fc,一般要求fc10f。本振与信号的混合电路。本振与信号的混合电路。这里使用的是平行耦合线定向耦合器，信号和本振分别从定向耦合器的两个隔离端口输入，可以保证信号和本振有良好的隔离，同时将本振功率耦合到主线上与信号功率混合，再加到二极管上。由定向耦合器的工作原理可知，输入信号功率一部分送到混频二极管上，另一部分功率耦合到副线并消耗在匹配负载上；同样本振功率也只有一部分耦合到主线再加在混频二极管上，余下部分本振功率也消耗在匹配负载上。因此，定向耦合器的耦合度要适当，若耦合强，需要本振功率虽然可以小一些，但信号功率漏失也大，变频损耗大；若耦合弱，信号漏失虽小，但所需本振功率大。为兼顾信号漏失功率和本振功率，通常将定向耦合器的耦合度设计为10dB，这时信号