第五章微波倍频器

接收模块PLL2PLL1PLO频率源×5×2LNA双工发射模块×5PAIFT一中频二中频（IFS）fsfTAGC×4第五章微波倍频器主要内容z引言z变容二极管及阶跃恢复二极管z倍频器基本理论z变容二极管倍频器z阶跃恢复二极管倍频器z肖特基势垒二极管倍频器z微波晶体管倍频器§5.1引言z倍频器的工作原理把输入频率的正弦波能量通过非线性器件（如非线性电阻、电容），使其输出波形发生畸变，产生各次谐波，再用滤波电路把所需要的谐波能量取出送到负载。z倍频器用途多用在微波和毫米波发射机和接收机电路，产生在基频振荡器上无法获得的高频率的本征信号源。1）波形纯度所需频谱幅度与杂波频谱幅度之比，单位：dB；2）工作频率及倍频次数工作频率：输入/输出频率；倍频次数：输出频率与输入频率的比值。3）输出功率倍频器在一定输入功率情况下的输出功率；4）变频损耗（效率）输出所需谐波功率与输入基波功率之比；dB——变频损耗，百分数——效率；5）驱动功率能使倍频器正常工作的最小输入基波信号的功率；6）带宽一般以输出功率下降3dB的频率变化范围表示；7）输入、输出驻波比表征倍频器输入、输出端口匹配性能的技术指标，理想值为1。z倍频器主要技术指标8)倍频器的噪声z来自倍频器的外部——主振器（如有放大，还包括功率放大器引入的噪声）；z来自倍频器的内部；z采用倍频链的实现方式，则整个倍频链的噪声将有一定程度的恶化，即输入频率的n次倍频源的相位噪声比输入基波信号的相位噪声至少增加n2倍，这等效于n次倍频源的噪声恶化210lg()20lg()dBnn=倍频器的类型z阻性倍频——利用二极管PN结的静态非线性I-V关系，即非线性电阻产生谐波；z参量（容性）倍频——利用变容二极管的非线性电抗特性即非线性电量Q-V特性产生谐波；z高次倍频——利用阶跃恢复二极管（SRD）而产生高阶谐波；z有源倍频——利用有源器件中跨导传输函数的非线性，同时获得谐波和增益，如砷化镓场效应管，异质结双极管，高电子迁移率晶体管等；z锁相倍频——利用强迫同步现象，将振荡器注入锁定在基准频率n次的谐波上；z宽带倍频——利用宽带单片放大器的非线性产生谐波，并放大谐波；z非调谐倍频——利用非线性传输线（NLTL）来实现，传输线周期加载既可以是非对称也可以是对称的变容管，它能提供效率和带宽。§5.2变容二极管及阶跃恢复二极管z变容二极管是一种结电容随外加偏压非线性变化的二极管。z变容二极管的非线性电容可以采用PN结或肖特基结形成，如无特别说明，变容管一般指PN结型的二极管，它可用于微波压控振荡器、微波倍频器、微波移相器、微波上变频器及微波限幅器等。变容二极管zPN结结电容形成的原理++++++++++++−−−−−−−−−−−−空穴受主施主电子PNWPNPNPNWW+++−−−+++−−−+−++−−−+−+−(a)(c)(b)(d)+PN结电荷分布图（a）初期，扩散运动为主；（b）平衡期，扩散和漂移平衡形成势垒（~0.7V）；（c）正偏，W减小，C增大；（d）反偏，W增大，C减小；结电容，也叫做势垒电容，表示为其中，A为结面积；W为空间电荷层宽度；为半导体的介电常数；dQ、dV分别为PN结电荷和偏压的变化量。d/djQCAWVε==变容二极管的结构及其等效电路Au-GeSiO2NP+Cr-AuN+-GaAsC欧姆接触N+硅B耗尽层P+AN(a)平面管芯结构(b)台面管芯结构变容二极管管芯结构图CpLsRs(a)管芯等效电路CjRjCpLsRs(b)封装管完整的等效电路CjRsCjRj(c)封装管的简化等效电路变容二极管的等效电路表征变容管性能的静态电参数z损耗电阻：管子的损耗，一般在1Ω左右。z反向击穿电压VB：一般定义为反向电流达1µA时的反偏电压值。它限制了二极管的激励电平，一般适用范围在VB≤v≤之内。z功率容量：为了提高变容管的功率容量，应提高其击穿电压、降低热阻。z结电容Cj：对任意杂质浓度分布的PN结，其结电容是外加电压的函数，其关系如下：其中γ=1/（m+2）：电容-电压斜率系数；m：参杂分布指数；sRφ12(0)(1)(0)(1)mjjjVVCCCγφφ−−+=−=−表征变容管性能的静态电参数¾根据的不同，常将变容管分为以下四种不同类型：9，称为线性缓变结；9=1/2，称为突变结；9=1/2～6，称为超突变结；9=1/15～1/30，称为阶跃恢复结。¾参量放大应选用突变结二极管，限幅和倍频应选缓变结二极管，而对于电调谐则选突变结或超突变结二极管，其中=2的超突变结二极管用得最多，因为这时结电容与偏压的平方成反比，由此构成的电调谐振回路的谐振频率与电压成线性关系。γ1/3γ=γγγγ表征变容管性能的静态电参数z品质因数Q：变容二极管储存能量与耗散能量的比值，可由下式表示：z截止频率：当Q值降为1时对应的频率，表达式如下：z自谐振频率：变容管的串联自谐振频率和并联自谐振频率分别为z电容调制系数：1/(2π)csjfRCfQ==1Df2Df112πDsjfLC=21112πjDDppjspjCffCCCLCC==++1maxminmaxmin2()cCCCCγ−=+cγ1jsQCRω=阶跃恢复二极管z阶跃恢复二极管简称阶跃管（StepRecoveryDiode，缩写为SRD）¾是一种具有很强非线性导电特性的二极管；¾电容-电压斜率系数（也称电容非线性系数）=1/15～1/30的变容二极管；¾多用于高次倍频器，梳状频谱发生器、频率合成器及锁相固态源中；另外，还可用来产生极窄的脉冲（脉冲宽度可窄到几十微微秒）——在毫微秒脉冲发生器、取样示波器等脉冲技术领域的应用也很广泛。γ阶跃恢复二极管特性P+NN+掺杂浓度约0.7μm(cm−3)101910151019xv(a)(b)(c)tt普通二极管iitt阶跃二极管tStSRD的杂质分布图普通二极管和SRD电流波形比较阶跃二极管的主要电参数z阶跃时间tt：阶跃管的反向电流Ir从0.8Ir降至0.2Ir所需的时间——阶跃管获得高次倍频的关键参数；tt越小，高次谐波越丰富，倍频效率越高。z上限频率f上：阶跃时间的倒数即f上=1/tt；z少数载流子寿命：停止注入后，少数载流子的平均存在时间，它定义为少数载流子浓度减少到初始值的1/e所经历的时间。也可采用储存时间ts来等效。储存时间ts定义为电压开始反向到反向电流Ir降至0.8Ir的这一段时间，即反向电流阶跃开始前的一段持续时间。z下限频率f下：以少子寿命的倒数来定义，即f下=1/；τln(1/)sfrtIIτ=+式中，If——正向注入电流；Ir——反向抽取电流。τ阶跃二极管的等效电路（a）正向激励实际情况ddqtDCfRisRfi0CsR0C理想情况理想情况实际情况（b）反向激励SRD的等效电路（C0很小——电抗性开关）§5.3倍频器基本理论z非线性电阻倍频理论z非线性电抗倍频理论z二极管平衡倍频电路原理非线性电阻倍频理论z当要求宽带或高功率的倍频器时常采用以单调正非线性电阻为基础的电阻倍频器。z优点：能提供较宽的带宽，且比电抗性倍频器工作更加稳定，不易产生参变振荡。z缺点：变换效率比电抗倍频器或有源倍频器低，因此应用不如电抗性倍频器普及。Page-Pantell不等式z电阻性倍频器通常用正向偏置的肖特基势垒二极管提供非线性I-V特性。Pantell、Page和Clay都指出，对于正非线性电阻来说，电压v是电流i的单值函数，且0iv∂∂1nPP≤21n其中P1表示输入基波功率，Pn为第n次谐波输出功率；二次倍频器：Pn≤0.25P1；实际设计时：采用管对结构，如逆并联（反相并联）——抑制偶次谐波非线性电抗倍频理论z按照所使用的器件不同可分为：二极管倍频器和晶体管倍频器两大类。z二极管倍频器常采用变容二极管和阶跃恢复二极管。z变容二极管适用于低次倍频，其效率较高，如果忽略损耗电阻等寄生参量的影响，由Manley-Rowe功率关系，其效率可达100%。z阶跃管倍频器多用在高次倍频场合，由于它不需要变容管倍频所需的空闲电路，因而在电路结构上相对简单，其倍频次数可达100次以上。010/1nPP=倍频器的组成输入匹配网络信号源VSRSRL输入滤波输出滤波输出匹配网络偏置电路空闲电路二极管倍频器方框图二极管平衡倍频电路原理z电路中两只同样的肖特基二极管相对于输入和输出信号分别以反向并联和串联形式接入。这种电路实际上是一种全波整流电路。其中在输入信号的半个周期一只二极管导通而在另半周期另一只二极管导通。iLRLi2ivi1二极管平衡电路原理图二极管平衡倍频电路原理z流经每个二极管的电流分别为式中，为反向饱和电流；；n是理想因子；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；是二极管的效率常数；是温度的等值电压。z流经反向并联二极管对的总电流就可以写为取并代入上式并将其展成级数形式为式中，是第一类（2n+1）阶Bessel函数。方程意味着流经反向二极管对的总电流不存在直流项，而且只包含基频和奇次谐频分量。12(e1)=(e1)vvssiiiiαα−=−−si11()()TnkTVαη==η16000TTV=212sinh()siiiivα=−=1cosvVtω=21104{()cos[(21)]}snniiIVntαω∞+==×+∑21nI+iLRLi2ivi1二极管平衡倍频电路原理z流经负载电阻RL的电流为同样将关系代入并借助Bessel函数展开上式，就可得到式中，，，2，4，，为第一类n阶修正Bessel函数。210.5()[cosh()1]Lsiiiivα==−+1cosvVtω=0122[cos()]Lsnniiiintω∞==−+∑()nsniiIVα=0n=LnIz平衡倍频器小结——¾适合作偶次倍频器；¾呈现奇、偶次谐波相互隔离的优点，即基频和奇次谐频只在输入端口出现而输出端口只有偶次谐频；¾输入与输出信号之间的隔离程度受两只二极管的平衡度的影响；§5.4变容二极管倍频器z假设变容管所加的电压为将其代入变容管结电容表达式中有式中，，称为激励系数，而。01cosSVVVtω=+0101cos()(0)(1)()(1cos)SjVVtCtCCVptγγωωφ−−+=−=−0/()SpVVφ=−00()(0)(1)VCVCγφ−=−CjC(t)φ1cosSVtωtV0VmaxC12CminC00C0011()2cos()nnCtCCntω∞==+∑2π00101()1d2π(1cos)CVCtptγωω=−∫2π01101()1cosd2π(1cos)nCVCnttptγωωω=−∫余弦电压作用下结电容随时间变化的曲线当激励电压是时间的偶函数时，结电容随时间变化也是时间的偶函数。因此，结电容的傅里叶级数表达式为式中，n=1，2，3…变容二极管倍频器z上式可变换形式为=令，则=式中，称为电容调制系数。z在工程计算中，有时采用简便的方法近似估计基波的调制系数。利用最大和最小瞬时电压的结电容、的平均值可近似估计和，令0110(12cos)nnCCntCω∞=+∑()Ct0/cnnCCγ=()Ct011(12cos)cnnCntγω∞=+∑cnγmaxCminC0C1cγmaxmin122CCC−≈maxmin02CCC+≈于是maxmin110maxmin2()cCCCCCCγ−==+变容二极管倍频器z和都是和的函数，在不同的工作状态下，其电容调制系数也是不同的。一般来讲，电容调制系数随激励电压幅度的增大而增大。z的增大受到两方面的限制：一方面是它与直流偏压叠加后的最大正值不能引起变容管的正向电流，否则噪声性能会严重恶化；另一方面，它与直流偏压叠加后的最大负压值不能超过反向击穿电压，以免损坏管子。因此变容管的电压调制系数存在极限值。0C1C0VSVSV变容管倍频器电路(a)并联电流激励型(b)串联电压激励型变容管倍频器等效电路基本电路有两种：并联电流型和串联电压型。并联型：¾变容管一端接地，便于散热，适用于大功率倍频器；¾若为突变结变容管并工作于全激励或欠激励状态即结电压不超过VB及的范围时，只有2次谐波上有功率输出；¾若要