《微波溷频器》PPT课件.ppt

第一章 微波混频器 Microwave Mixer,1.1 引言 Introduction,实现频率变换必须有非线性器件，混频器即是通过非线性器件产生输入信号频率和本振信号频率的组合频率分量，通过滤波器获得所需要的频率的信号,注意：线性器件无法完成频率变换,非线性器件有：二极管、三极管、场效应管等,收信混频器：由于信号功率很小，因此要求低噪声。（一般采用二极管混频器，有点接触二极管和肖特基二极管）,发信混频器：由于效率很重要，因此要求低变频损耗。（有时采用变容二极管）,1.2 金属-半导体二极管,1.2.1 结构及工作原理,工作原理,逸出功：使电子的成为核外静止电子所需做的功,不同金属和半导体的逸出功不同，钼的逸出功较N型砷化镓的逸出功大，接触以后电子将从N型砷化镓向金属钼中扩散，造成正负电荷中，形成内建电场，内建电场将阻止扩散,接触势垒：,当内建内建电场与扩散力平衡时，宏观的载流子扩散结束，这时由于电荷堆积而形成一个势垒，该势垒就叫做接触势垒,肖特基二极管的单向导电性,正向导通,反向截止,1.2.2二极管的特性,1.伏安特性,反向饱和电流,波尔兹曼常数,绝对温度,加在二极管两端的电压,电子电荷,理想肖特基势垒,一般情况,室温下,2.等效电路,引线电感,管壳电容,(1)结电容,载流子浓度,半导体介电常数,内建电位差,外加电压,结面积,结电容是寄生参量，过大对非线性电阻 的旁路作用太大，影响混频效率，过小，结面积太小，使串联电阻 增大，对混频器的噪声性能有影响,(2)结电阻,结电阻反映势垒的导电能力，与势垒两边外加电压有密切关系，是一个非线性电阻,结电阻直接与混频性能有关，要求二极管有较显著的非线性，其值相对结电容的容抗小，以减小结电容的旁路作用,(3)串联电阻,串联电阻包括二极管材料的体电阻、欧姆接触电阻、引线的电阻等。该电阻对结电阻有分压作用，而且是噪声源。其值取决于半导体材料的性质，外延层的厚度，结面积的大小和欧姆接触电阻的好坏，一般为几欧姆，接触电阻的存在使混频器性能降低，要近来小。,(4)引线电感,为封装参数，取决于引线的形状，通常为几毫微亨,(5)管壳电容,包括引线的分布电容、两极之间的杂散电容和管壳的杂散电容，通常为零点几皮法。,(6)截止频率,定义为二极管的结电容容抗和串联电阻相等时的频率,为零偏压时的结电容,(7)击穿电压,(8)噪声比,定义：二极管总的噪声功率与其等效电阻 产生的热噪声的资用功率之比,二极管的噪声源包括：热噪声、散弹噪声和闪烁噪声，闪烁噪声又叫1/f噪声，在几十MHz以上可以忽略，故在微波频率仅考虑热噪声和散弹噪声。,散弹噪声：来源于载流子运动的起伏，和二极管电流有关（载流子对原子核的碰撞），温度一定的二极管的散弹噪声可用一个与 并联的电流源来表示，此电流源的均方电流为,产生散弹噪声的电流，包括反向饱和电流和抵消反向饱和电流的正向电流,考虑,热噪声：来源于串联电阻 ，它产生的热噪声资用功率为,热噪声和散弹噪声串联组合起来，依噪声定理，则总的资用噪声功率为,二极管的等效电阻为 ，其所输出的热噪声的资用功率为,则噪声温度比为,若 很小，即,且,则,3.表面势垒二极管的特点,与点接触二极管相比，可靠性高，承受功率大,与PN结二极管相比，是依靠多数载流子（电子）导电工作的器件，故消除了少数载流子复合时间及少数载流子存储所引起的扩散电容，因此它有良好的高频特性及开关速度快的优点。,1.3 微波混频器的原理和特性,1.3.1 原理,忽略寄生参量，只记非线性电阻,通常,取一阶近似,为瞬时电导,当本振电压为周期性余弦信号时，,均为周期函数,周期函数可以展开为傅立叶级数,流过二极管的总电流为,第一项为与信号无关（只与本振有关）的大信号项，它决定了混频器的工作状态，第二项为小信号项（与本振和信号均相关），决定混频器的频率变换和功率变换等，由此可见，在非线性混频过程中，产生了无穷多个新的不同频率的电流。,注意：,这个频率由本振的二次谐波产生，有足够的功率分量，另外,即这个频率与信号频率关于本振频率有镜像关系，因此将其叫做镜像频率,这个频率是有非线性产生的与信号频率最近的频率，与信号频率相差二倍的中频，因此很容易落入信号通带内，消耗在信号源内阻上,从信号口输入该频率的信号时，也可以通过混频器混频进入中频通道，造成干扰镜频干扰,对这个频率要引起足够重视,考虑混频后产生的中频电压、镜频电压反作用于混频管上，故这时加上混频管上的电压有：信号电压、本振电压、中频电压和镜频电压,本振,信号,中频,镜频,则流过二极管的电流为,由上式中提取处中频、镜频及信号频率的幅度,如果假设,则,由上式可以画出混频器的等效电路为,如果假设,则,网络参量 可以由二极管的伏安特性求出,表面势垒二极管的VA特性为,设,上式展开为傅立叶级数，展开系数为,为以x为自变量的第一类变态贝塞尔函数,则,所以,归一化时变电导（计算中常用）,1.3.2 混频器的传输特性,包括,变频损耗，输入信号功率经过混频器后，有多少功率转换到中频,变频损耗最小，混频器具有什么样的源电导 和中频输出电导时，混频器的变频损耗最小,定义,混频器信号源输入资用功率与中频输出资用功率之比,变频损耗包括：(1)电路适配损耗，(2)混频管结损耗，(3)混频时的净变频损耗,1. 净变频损耗,将混频二极管看成一个时变电导，可用前面的等效电路来分析，分析是要考虑镜频端口的情况,(1)镜频短路,信号源输出的资用功率为,为了求中频输出资用功率，先求等效信号源（戴维南定理）,中频输出的资用功率为,则镜频短路时的变频损耗为,令：,可以得到：,所以：,(2)镜频匹配,镜频匹配指的是在镜频端口接一个与源内阻 相等的负载，即 。,信号源输出的资用功率为,中频输出的资用功率为,变频损耗为,令：,得：,这时：,由前面的讨论,通常,这时,所以,(3)镜频开路,可以求出变频损耗为,最佳源电导为,最佳输出电导为,当,2. 二极管的结损耗,前面将二极管看成理想的非线性电阻，没有开路其它寄生参量，应用中都应该将这些寄生参量考虑在内，分析时可以将封装产生 补偿到外电路中，因而只考虑管芯参数。,结损耗定义为输入信号功率 和结电阻吸收的功率 之比,吸收的功率为,吸收的功率为,所以,因为 均与本振电压的幅值有关，在使用时，只要调整本振激励功率，使满足 时，就可以得到最小的结损耗,上式推导,3. 混频器的失配损耗,定义：混频器输入和输出不匹配会引起的损耗,为输入驻波比,为输出驻波比,1.3.3 混频器的噪声特性,1. 混频器的等效噪声温度和噪声比,定义：等效噪声温度是将混频器全部输出的噪声功率等效为温度为 的电阻所产生的热噪声，,定义：噪声温度比,为标准噪声温度，即室温,混频器输出噪声功率由两部分组成：输入端(源内阻所产生)，混频二极管所产生的,二极管的噪声来源：热噪声和散弹噪声，其等效噪声温度用 表示。噪声比用 表示。,(1) 镜频开路或短路的混频器,利用温度替代方法求混频器的等效噪声温度和噪声温度比,设信号源内阻的噪声温度和混频器的等效噪声温度 相等，这时混频器输出的噪声资用功率为,混频器输出总的噪声资用功率为,令,则,所以,故等效噪声温度为,等效噪声温度比为,通常,所以,为二极管的等效噪声温度比,(2) 镜频匹配的混频器,此时混频器为双通道，噪声不仅来源于信号端口，而且来源于镜频端口,混频器输出总的噪声资用功率为,其中考虑了,所以,可见：混频器的噪声比及等效噪声温度不仅与混频管有关，而且还与电路结构有关，即混频器的噪声比与混频管的噪声比是不同的。,2. 混频器的噪声系数,同样需要考虑电路结构,噪声系数的定义：,分别为输入信号和噪声的资用功率,分别为输出信号和噪声的资用功率,镜频开路和短路时，输入端阻抗在标准温度290K下产生的输入噪声资用功率为,输出端在等效噪声温度 下产生的输出噪声资用功率为,所以噪声系数为,镜频匹配时，混频器为双通道、三端口网络，这是需要看信号的分布情况,信号仅存在于信号通道（单通道使用），如雷达、通信、电子侦察等的接收机,信号存在两个通道（信号通道和镜频通道），如射电天文望远镜,可见,原因是双通道混频器在单通道使用时，空闲通道不输入信号，单提供噪声，因此噪声系数要增加一倍。为了降低噪声系数，应将镜频通道抑制，故可以在混频器前端加一个滤波器，这个滤波器一方面可以抑制镜频输入的噪声，另一方面与镜频匹配混频器组成镜频抑制混频器，使镜频开路或短路，此时噪声系数可以按单通道来计算,3. 整机噪声系数,有时采用直接混频的接收机，这时混频器与中放组合起来的噪声系数为整机噪声系数,设中放的噪声系数为,则,镜频匹配,单通道,双通道,镜频开路或短路,可见：为了降低整机噪声系数，必须降低变频损耗、二极管的噪声温度及中放的噪声系数，在二极管给定的条件下，降低变频损耗是关键,1.3.4 混频器的其它电气指标,1. 隔离度,度量混频器个端口之间相互影响的程度,一个端口输入功率为 ，在另外一个端口测得的泄露功率为 ，则隔离度为,混频器存在信号、本振及中频三个端口，个端口的隔离度应分开测量，由于信号电平远小于本振，故一般只考虑本振对中频端口及本振对信号端口的隔离。,2. 混频器各端口的电压驻波比,驻波比是对混频器个端口匹配情况的度量，失配会造成信号相位失真、时延变差以及本振不稳定等问题。一般要求驻波比小于2.,3. 动态范围,动态范围是混频器有效输入信号电平的范围,当输入小信号在很大范围变化时，混频器的变频损耗基本不变，但是当输入信号大到一定程度后变频损耗会增加很快，将变频损耗增加1dB时所对应的输入功率称作1dB压缩点，这时的功率为输入功率的上限。,1.4 混频器基本电路,1.4.1 单端混频器,1.4.2 平衡混频器,1.环行线耦合平衡混频器反相型平衡混频器,等效电路,环行线耦合器的散射参数,各端口的本振及信号电压为,两个混频管的时变电导为,流过两个混频管的电流为,流过两个混频管的中频电流为,流过两个混频管的中频电流幅度相同，方向相反，在中频变压器初级方向相同，次级叠加输出。,前面电路是双端输出，其实也可以单端输出（将两个二极管输出的中频电流和在一起输出），这时其中一个二极管应反接。,平衡混频器能够抵消部分本振噪声,本振噪声谱,本振噪声等效电路,本振噪声(落入通带中那部分）经过两个二极管变为中频电流，由于中频信号和中频噪声，它们的幅度相同，方向相同，经过中频变压器相互抵消。,2.分支线耦合平衡混频器90相移平衡混频器,分支线耦合器的散射参数,分支线耦合平衡混频器等效电路,各端口的本振及信号电压为,两个混频管的时变电导为,流过两个混频管的电流为,流过两个混频管的中频电流为,可见两个混频管产生的中频电流幅度相同，符号相反，但是由于两个二极管接向相反，D1管电流由正极流向负极，D2管电流由负极流向正极，因此输出中频电流为,平衡混频器抵消部分本振噪声?,抵消本振噪声的等效电路,混频管上的本振噪声,中频本振噪声,两管中频本振噪声电流相反，相互抵消,平衡混频器除了能够抑制本振噪声，还可以抑制部分寄生频率，在强信号时，产生的组合干扰也较小,另外由于平衡混频器使用了两个二极管，在强度相同的输入信号情况下，分到每个二极管上的信号功率要较单管混频器小3dB，因此其动态范围也大3dB，所需要的本振信号也要增加3dB。,当混频管和负载匹配，电桥理想时，本振和信号间理想隔离,3.正交场平衡混频器,隔板,谐振窗,混频腔,本振输入,信号输入,至中放,接晶体电流表,波导式平衡混频器,正交场混频器等效电路,信号电场,本振电场,信号和本振是依特定的空间电场分布实现，因此它是一种宽带混频器，但由于使用了谐振窗，带宽受到一定的限制，不能在很大的带宽内工作,信号和本振电场相互垂直，因此叫正交场混频器,这种混频器具有良好的本振、信号隔离度（因为正交场）。,1.4.3 双平衡混频器,二极管桥,信号巴伦,本振巴伦,中频输出,双平衡混频器等效电路,双平衡混频器等各混频管电流,信号输入,本振输入,与二极管接向相同,与二极管接向相反,与二极管接向相同,与二极管接向相同,与二极管接向相反,与二极管接向相同,与二极管接向相反,可见：四个二极管的中频电流相同，总的中频电流为,一种二极管桥方案,微带巴伦(不平衡平衡变换器）,正面,背面,微带巴伦的正面和背面,正面,背面,微带双平衡混频器,中频口,信号巴伦,本振巴伦,信号口,本振口,1.5镜像回收和镜像抑制,镜像回收：使混频器产生的镜频功率重新利用，使其变为中频功率，从而使在中频端口的中频信号得到加强，降低变频损耗。,镜像抑制：抑制外来的镜频干扰，使其不能进入混频器。,镜像回收和镜像抑制在概念上是不同的，但是在改善接收机灵敏度上是一致的。,1.5.1 滤波型镜像回收混频器,1.5.2 平衡型镜像回收混频器