毫米波固态电路

1、毫米波理论与技术毫米波理论与技术第二章第二章 毫米波固态源毫米波固态源第六章第六章 毫米波固态电路毫米波固态电路2011年年4月月毫米波真空管分类毫米波真空管分类慢波型慢波型正交场放大器（正交场放大器（CFA）磁控管（磁控管（Magnetron）速调管（速调管（Klystron）行波管（行波管（TWT）返波管（返波管（BWO）快波型快波型回旋管（回旋管（Gyrotron）莱达管（莱达管（Ledatron）潘努管（潘努管（Peniotron）毫米波固态源分类毫米波固态源分类二端器件二端器件IMPATTGunn三端器件三端器件MESFETHEMT FETPHEMT FET倍频器倍频器振荡器振荡器换

2、能器：换能器：DCAC放大器：放大器：G非线性电路非线性电路负阻振荡的基本原理负阻振荡的基本原理直流静态电阻永远为非负值直流静态电阻永远为非负值 R=V/I 0负阻是就动态电阻而言的，即器件负阻是就动态电阻而言的，即器件V-A特性曲线上特性曲线上某处的斜率某处的斜率 r=dv/di Rc()平衡条件平衡条件 Zd(A)+Zc()=0稳定条件稳定条件振荡的三种条件振荡的三种条件振荡器噪声分析振荡器噪声分析注入锁定注入锁定1958年年Read提出模型提出模型1965年年Johnston首次从工作在雪崩区的首次从工作在雪崩区的p+n二极管中观察到了微波振荡二极管中观察到了微波振荡2.2 IMPATT

3、振荡器振荡器单双漂结构对比单双漂结构对比单漂区（单漂区（SDR）双漂区（双漂区（DDR）结构结构p+-n-n+p+-p-n-n+漂移区数量漂移区数量12结面积结面积较小较小较大较大输出功率输出功率较小较小较大较大工艺复杂性和成工艺复杂性和成本本较低较低较高较高毫米波毫米波IMPATT二极管二极管的封装结构和热模型的封装结构和热模型IMPATT二极管二极管CW功率随频率变化功率随频率变化IMPATT二极管脉冲功率随频率变化二极管脉冲功率随频率变化IMPATT二极管封装结构二极管封装结构（100GHz以下）以下）陶瓷环封装陶瓷环封装f50GHz石英环封装石英环封装50GHzf1 超突变结超突变结变

4、容二极管的非线性特性变容二极管的非线性特性01jjrDCdqCdvvV零偏压结电容零偏压结电容PN结的势垒电位差结的势垒电位差反向偏压绝对值反向偏压绝对值并联型（电流激励型）和串联型（电压激励型）并联型（电流激励型）和串联型（电压激励型）二极管倍频电路的基本形式二极管倍频电路的基本形式并联型（电流激励型）并联型（电流激励型）特点：二极管上只有特点：二极管上只有f1和和Nf1频率的电流频率的电流优点：二极管可接地，利于散热，适合大功率倍频优点：二极管可接地，利于散热，适合大功率倍频缺点：二极管与输入输出回路均为并联，使得输入缺点：二极管与输入输出回路均为并联，使得输入输出阻抗都较低输出阻抗都较低

5、串联型（电压激励型）串联型（电压激励型）特点：二极管上只有特点：二极管上只有f1和和Nf1频率的电压频率的电压优点：输入输出阻抗较高，且随谐波次数优点：输入输出阻抗较高，且随谐波次数N的增加，的增加，效率下降程度比并联型小，对效率下降程度比并联型小，对N3的场合较适合的场合较适合缺点：散热不如并联型缺点：散热不如并联型二极管倍频电路两种形式的特点二极管倍频电路两种形式的特点空闲回路（空闲回路（LmCm）匹配电路匹配电路偏置电路偏置电路倍频附加电路倍频附加电路W频段高功率二倍频电路频段高功率二倍频电路输出部分输出部分二倍频器二倍频器HBV三倍频器三倍频器450GHz单管三倍频器和异质结势垒变容二

6、极单管三倍频器和异质结势垒变容二极管（管（HBV）器件）器件 M. Saglam 2002反向并联二极管对反向并联二极管对平衡倍频器平衡倍频器35% bandwidth Q-to-W band frequency doubler C. Nguyen 1987鳍线平衡倍频电路鳍线平衡倍频电路75-110GHz full waveguide band MMIC tripler M. Morgan 2001W频段单片集成平衡三倍频器频段单片集成平衡三倍频器900GHz平衡三倍频器平衡三倍频器 2004900GHz平衡三倍频器性能平衡三倍频器性能三端器件振荡器和倍频器三端器件振荡器和倍频器FET二倍频

7、器（微带结构）二倍频器（微带结构）二端器件混频器二端器件混频器单二极管混频器（单端混频器）单二极管混频器（单端混频器）反向并联二极管对偶次谐波混频器反向并联二极管对偶次谐波混频器二极管平衡混频器二极管平衡混频器二极管双平衡混频器二极管双平衡混频器三端器件混频器三端器件混频器6.3 混频器混频器梁式梁式Schottky二极管俯视图二极管俯视图二极管混频原理二极管混频原理混频器噪声系数和混频器噪声系数和SSB变频损耗变频损耗亚谐波混频器亚谐波混频器反向并联二极管对偶次谐波混频电路反向并联二极管对偶次谐波混频电路平衡混频电路平衡混频电路230GHz single ended mixer J.W. A

8、rcher 1981波导单端混频器波导单端混频器SSB变频损耗和噪声温度变频损耗和噪声温度单端混频器单端混频器亚谐波混频器亚谐波混频器亚谐波混频器亚谐波混频器300-360GHz sub-harmonic mixer using planar Schottky diodes B. Thomas 2005单脊鳍线亚谐波混频器单脊鳍线亚谐波混频器Wide-band subharmonically pumped W-band mixer in single-ridge fin-line P.J. Meier 1982单片亚谐波混频器单片亚谐波混频器E-band monolithic Schottky

9、 diode pair subharmonic mixer E.B. Stoneham 2006单片四次谐波混频器单片四次谐波混频器60GHz Uniplanar MMIC 4 Subharmonic Mixer M.W. Chapman 2002有限宽度地共面（有限宽度地共面（FGC）波导）波导鳍线共面线平衡混频器鳍线共面线平衡混频器鳍线带线平衡混频器鳍线带线平衡混频器鳍线带线平衡混频器鳍线带线平衡混频器微带平衡混频器微带平衡混频器V频段单片集成混合环平衡混频器频段单片集成混合环平衡混频器IV band singly balanced diode mixer C. Florian 2005W

10、频段单片集成混合环平衡混频器频段单片集成混合环平衡混频器91-99GHz monolithic HEMT Schottky diode singly balanced mixer Velocium单片双平衡混频器单片双平衡混频器70-90GHz monolithic HBT star mixer Velocium单栅和双栅三端器件混频电路单栅和双栅三端器件混频电路三端器件平衡混频电路三端器件平衡混频电路单片有源平衡混频器单片有源平衡混频器32-46GHz monolithic GaAs PHEMT balanced mixer MimixHEMT器件结构及其等效电路器件结构及其等效电路实际实际

11、HEMT器件的典型结构器件的典型结构单级、双级单级、双级低噪声放大器低噪声放大器56-70GHz monolithic PHEMT low noise amplifier TriQuint单片低噪声放大器单片低噪声放大器平衡式平衡式分布式（行波式）分布式（行波式）反馈式反馈式有源匹配式有源匹配式有损匹配式有损匹配式宽带放大器类型宽带放大器类型 G MN MN 反馈型 D S 平衡式宽带放大器平衡式宽带放大器分布式（行波式）宽带放大器分布式（行波式）宽带放大器反馈式宽带放大器反馈式宽带放大器 G MN MN 反馈型 D S 有源匹配式宽带放大器有源匹配式宽带放大器有损匹配式宽带放大器有损匹配式宽带放大器宽带放大器性能比较宽带放大器性能比较平衡式分布式（行波式）负反馈有源匹配有损匹配应用频段范围1个倍频程多个倍频程（最宽）几个倍频程几个倍频程几个倍频程阻抗匹配效果优良优良良好良好较差噪声系数低中等较高较高高输出功率线性度好一般较好较好一般电路尺寸较大较小中等较小小制造允许公差大中等中等中等大80-100GHz monolithic HEMT balanced, 3-stage, low noise amplifier TriQuint平衡式放大器平衡式放大器DC-60GHz monolithic MMHEMT low noise amplifier TriQuint单片分布式（行