西工大-微波电子线路复习课件

第一章微波混频器

MicrowaveMixer引言Introduction非线性器件有：二极管、三极管、场效应管等输入信号非线性器件输出信号滤波器本振二极管内建电场金属N型半导体扩散电流漂移电流微波混频器的原理和特性原理忽略寄生参量，只记非线性电阻通常取一阶近似混频器的传输特性变频损耗包括：(1)电路适配损耗，(2)混频管结损耗，(3)混频时的净变频损耗混频器的噪声特性故等效噪声温度为等效噪声温度比为镜频开路或短路镜频匹配整机噪声系数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2.分支线耦合平衡混频器——90°相移平衡混频器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中频口信号巴伦本振巴伦信号口本振口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微带平衡型镜像回收混频器组成及金属半导体二极管特性工作原理特性传输噪声隔离匹配设计基本电路平衡和双平衡混频器镜像回收与抑制第二章参量放大器

ParametricAmplifier2.2.2非线性电抗中的一般能量关系和参放分类1.门雷——罗威关系并联型非线性电容网络串联型非线性电容网络门雷—罗威关系门雷—罗威关系的应用①和频变频器②差频变频器③负阻反射参量放大器④简并型、准简并型参放特性与原理2.2变容二极管静态特性动态特性变容二极管所加的电压为则第三章倍频器变容管倍频器基本电路并联型串联型3.2.2基本原理1.二次倍频器如果变容管的外加电压满足为零偏压时的结电容为势垒电压当时令其中令为归一化电压为归一化电荷则上式简化为为了简单选用突变结变容管忽略损耗电阻考虑电流激励型二次倍频器由于滤波器F1和F2的限制流过变容管的电流只有频率f1和f2的分量，相应变容管两端电荷q1和q2也只有频率f1和f2的分量归一化因为所以其中提取和频率的电压分量直流电压分量为②微带型四倍频器低通滤波器高阻线开路线(空闲）带通滤波器3.3阶跃-恢复二极管倍频器阶跃-恢复二极管是一种特殊的P-N结器件，在正弦波激励下，能产生持续时间极短的脉冲，该脉冲含有非常丰富的频率分量，利用这种性质，单次倍频次数可以达到10~20次，而且不需要加空闲回路。3.3.1阶跃-恢复二极管的基本特性及参量最大耗散功率二极管上消耗的功率，通过加散热器可以增加该功率3.3.1阶跃-恢复二极管倍频器组成和工作原理方框图各级波形偏置电路匹配电路激励电感谐振电路输出滤波器负载信源脉冲发生器原理电路图高频扼流圈自给偏压电阻输入滤波匹配网络激励电感谐振电路和滤波电路根据具体情况可以是集中参数或分布参数电路隔直流电容1脉冲发生器电流正向流通时，阶跃管相当于短路，故v近似于零，实际为势垒电压

，当电流反向流通时，阶跃管存储的电荷开始放电，这时电压仍为，放电完毕时，电路突然减小，阶跃管进入高阻状态，同时激励电感L产生一个反向感应电压，二极管上有一个反向高压脉冲出现，左图，此后二极管有开始正向流通，电压又回到，在负载上得到重复的，周期为T1的脉冲串。下面分别讨论两种状态①导通期间设初始条件为流过激励电感的起始电流方程的解为直流项余弦项线性增长项当电流为正时，阶跃管存储电荷，当电流反向时存储的电荷释放，当t达到ta时，横坐标上下，正负电流所包含的面积相等时，表明阶跃管存储的电荷已全部清除，这时进入阶跃期，由于导通期间阶跃管等效为一个电压为

的电源，这时输出电压为

。②阶跃期间

存储电荷释放完毕，扩散电容消失，阶跃管等效为一个势垒电容Cj，相当于一个高速开关将大电容换为小电容，适当调节偏压V0，使ta正好发生在负电流最大的瞬间，即

此时电感上无电压降，同时阶跃管也无电压降，回路中能力全部转换为电感中的磁能，如果忽略势垒电压，这时激励电压的瞬时值和偏压V0相等，极性相反，阶跃管总的外加电压为零，因此在分析时忽略外加激励电压和直流偏压回路方程为整理为解为因为所以其中

为一衰减振荡，上图中虚线，但由于存在阶跃管，当振荡电压正向达到接触电压时，阶跃管导通，因此衰减振荡只能维持半个周期。脉冲的宽度为实际脉冲宽度tp不一定等于半个周期，但为了保证倍频效率，脉冲宽度至少小于输出信号的周期，故选择原则为脉冲的腹点出现在tp/2处，脉冲的幅度为当负载电阻R较大时，将很小，③输出脉冲的平均功率当很小时(

<0.3)，④偏置电压V0通过调节偏压可以控制使阶跃发生在负电流最大时，如前，阶跃期间，当忽略势垒电压时，管子上总电压为零当，电压为零，将带入上式可得导通结束时()阶跃管上的电流为联立以上各式可以得到

再由导通结束时阶跃管上上总电荷为零的条件得偏压自给：阶跃管的直流分量(整流电流)通过偏压电阻Rb产生电压降得到，Rb的值取决于所需的偏压及整流电流的大小，可以依下式选择。该值仅属于估算值，实际中需要进行调整⑤输入阻抗输入导纳对电流的匹配很重要，可以将电流分解为与基波电压同相分量IR和正交分量IL，并分别与基波电压幅度相比，即得到输入阻抗

，为阻抗倍乘系数，它们与N和的关系曲线，通常估算输入阻抗时，近似认为，。为此一调谐电容将电感分量补偿，则输入阻抗为⑥脉冲频谱输出电压脉冲波形为（当很小，并忽略后）分解为Fourier级数其中频谱的相对值为2谐振电路不加谐振电路加谐振电路频率较低时谐振电路采用集中参数电路(f<300MHz~500MHz)，频率较高时可以采用分布参数电路或谐振腔Cc为耦合电容，其作用是控制负载对谐振线的影响，即控制有载Q值。Cc为无穷大，耦合过强，有载Q值过大，负载直接接在传输线终端，建立不起衰减振荡，输出波形仍然为脉冲串，只是时延四分之一周期。Cc太小，耦合太弱，负载得到的功率小，效率低，有载Q高，频道窄。如果则脉冲延迟负载同相反射延迟阶跃管(此时阶跃结束，阶跃管正向导通，呈现低阻)反相反射负载上得到的电压为衰减常数为选择合适的Q值，使衰减振荡在一个脉冲周期内基本衰减完，一般选为一个脉冲周期后衰减为确定以后，如何确定耦合电容一般情况下将串联的电容和负载等效为并联形式3输出滤波器输出频率为，在其两边为和的旁频，滤波器的作用是滤去旁频，输出需要频率的信号输入信号的频率范围为输出信号的频率范围为输入输出隔直电容轭流圈偏压电阻匹配电容匹配电感调谐电容激励电感阶跃管谐振线耦合电容防寄生振荡电阻输入输出偏置线谐振线门雷-罗威公式变容二极管特性变容二极管应用低噪声参量放大器阶跃管倍频器基本特性工作原理倍频器工作原理脉冲发生器谐振电路滤波器第四章微波半导体二极管振荡器4.2雪崩渡越时间二极管直流偏压为临界击穿电压，其上叠加一个幅度较小的交流电压雪崩电流滞后与电压90°相位感应电流的基波振幅等于电子流基波振幅乘以相位滞后4.2.5俘获等离子体雪崩触发模式1.基本原理在IMPATT模式中，大信号时，由于前面分析的原因，（雪崩提前结束，相移减小，空间电荷波后面电场降低，前面电场提高，使渡越时间改变），使雪崩管性能下降。而TRAPATT模式正好利用大信号时空间电荷波对电场的影响来提高效率的。在A点给雪崩管施加一个大电流，该电流给势垒电容充电，结电压很快上升到BB点电压很高雪崩很强，过激励很强强雪崩区快速扫过雪崩管，在其后边留下大量的电子和空穴，相当于等离子体，阻抗很低，电压下降到C，载流子被俘获在低电场中CD段电压很低，电流很大，当等离子体被吸收后电压上升到D，等待下一次激励。在CD段电压很低电流很大4.3转移电子振荡器1963年由Gunn在实验室发现的一种现象4.3.1基本工作原理1.N型砷化镓的能带结构和速度—电场特性N型砷化镓的导带分为上下两个能谷—主能谷和子能谷(下能谷和上能谷）

两个能谷的能级相差0.36eV

常温(290K)时电子具有的热能为KT0=0.025eV，远小于两个能谷之间的能级差别，因此电子主要处于主能谷中。

下能谷中电子的有效质量为上能谷电子有效质量的6倍，迁移率近似为70倍。流过二极管的电流为器件的工作长度为L，按照均匀电场的设想，则即所以：电压—电流关系与电场—速度关系相同，为阈值电压3.微波振荡的产生过程畴内电场阴极附近电子密度低电子密度低的地方电场强，首先发生电荷转移形成畴，畴内电场高(畴的电场与外加电场方向相同)，电压不变，畴外电场低4.转移电子器件的动态伏安特性电压由小上升，电流沿A—B—C—D变化，但当电压由高降低，电流沿D—C—A变化，原因是所建立的畴的存在，当电压降低到时，不能再维持畴的存在，畴消失，电流回到静态伏安特性上。外电路的电流畴的生长和消失时间较渡越时间小很多，所以渡越时间近似等于电流脉冲的周期，因此振荡频率近似为1.偶极畴的渡越时间模式2.偶极畴的延迟模式3.偶极畴的猝灭模式5.限垒模4.4负阻振荡器的一般理论和电路4.4.1负阻振荡器的工作原理1.起振条件2.平衡条件3.稳定条件4.4.2负阻振荡器电路1.同轴腔由平衡条件可以得到同轴线的长度为2.微带振荡器负载电路二极管电路等效电路3.波导振荡器负阻振荡器的频率调谐所谓频率调谐就是采取一定的措施改变振荡器的振荡频率。调谐方式机械调谐通过改变谐振腔的尺寸来改变振荡频率电调谐偏置调谐通过改变负阻器件的偏置来改变振荡器的振荡频率，体效应管采用偏压调谐，雪崩管采用偏流调谐，但是频率变化的同时输出功率也在发射变化，甚至出现停振变容管调谐YIG调谐(1)温度补偿法(2)锁相稳频法(3)高Q腔稳频法负阻振荡器的稳频方法器件振荡器条件雪崩二极管频率调谐起振工作原理和模式转移电子器件平衡稳定频率稳定5.4微波放大器的增益、稳定性和噪声系数5.4.1端接任意负载时的输入、输出阻抗负载反射系数信源反射系数5.4.2输入、输出功率放大器的输入功率为信号源资用功率为则负载得到的功率为网络输出的资用功率为5.4.3三种功率增益1实际功率增益

定义为负载吸收的功率与放大器输入功率之比2资用功率增益

定义为负载吸收的资用功率与信号源输出资用功率之比3转换功率增益

定义为负载吸收的功率与信号源输出资用功率之比坐标原点处为稳定和不稳定的分界线通常因此原点所在的区域为稳定区域上图中单位圆内阴影部分为稳定区域，其余部分为不稳定区域潜在不稳定稳定判定圆与单位圆的关系5.4.4微波晶体管放大器的稳定性绝对稳定5.4.5微波晶体管放大器的噪声系数①有源两端口网络噪声系数的一般表达式晶体管的可以用一个有噪网络表示，将网络内部的噪声等效到输入端，网络变为无噪声网络讨论噪声时，无噪网络可以去掉不同的F对应于不同的圆，所有圆的圆心都在原点到opt的连线上该图说明：为了得到一定的噪声系数，可以选择不同的源反射系数s,同时根据前面的分析，转换功率增益和资用功率增益GT和Ga也是s的函数，我们还可以在s平面上画出等功率圆，这样就可以选择合适的源反射系数s，使其既满足噪声系数有满足功率增益的要求等噪声系数圆5.5小信号微波晶体管放大器的设计

微波晶体管放大器的性能取决于晶体管的性能、晶体管S参数测量的精度和设计方法

小信号放大器的指标(1)工作频率和频带(2)增益(3)噪声系数(4)动态范围(5)输入、输出电压驻波比VSWR(6)稳定性

微波晶体管放大器的框图设计步骤(1)选择合适的晶体管和电路形式

通常采用共发射极(源)极电路形式，结构可选用同轴线或微带线形式，工作频率在6GHz以下多选用双极晶体管，6GHz以上多选用场效应管，并尽可能选用fT高的晶体管，若设计低噪声放大器，则应选低噪声晶体管(2)测量晶体管的S参数

确定晶体管的工作状态，测出频带内的S参数(3)判别稳定性

根据所测得的S参数，判别晶体管的稳定性，如果绝对稳定则负载阻抗和源阻抗可以任意选择，如果潜在不稳定，则需画出稳定圆，在稳定区内选择合适的源阻抗和负载阻抗(4)设计输入、输出匹配网络

对高增益放大器应根据对增益和平坦度的要求设计输入、输出匹配网络

对低噪声放大器还应测出工作频带内的噪声参数，然后在根据对噪声和增益的要求设计输入、输出匹配网络

在晶体管放大器的设计中，通常根据S12的大小及稳定程度来区分不同的设计方法，它们是单向化设计、绝对稳定条件下设计和潜在不稳定条件下的设计5.5.1单向化设计GT与GTu之间的误差范围为当u=0.12时即5.5.2非单向化双共轭匹配的设计其中其中式中K为稳定系数，上式中当，时取减号，当，取加好当例：已知某晶体管在1GHz，6V，集电极电流1.5mA时，S参数为按最大转换功率增益设计一级放大器解：(1)计算K及单向化优质比u的值由于，，，，因此该晶体管网络满足绝对稳定条件，并按双共轭方法设计。(2)计算双共轭匹配时的源反射系数和负载反射系数(3)计算最大转换功率增益或10.8dB(4)输入输出匹配网络设计5.8微波晶体管振荡器

微波晶体管振荡器在实际工程中用广泛应用，它具有低的调频噪声，良好的频率稳定性，宽动态范围，能够电调与锁相，输出功率从毫瓦级到瓦级，效率也比较高。

在L波段和S波段主要用双极晶体管，而在较高的频率上主要使用场效应管。

与高频晶体管振荡器一样，微波晶体管振荡器也可以看成是再生反馈的放大器。一般用共基极电路，具体的反馈可以通过外电路、内部、或内外结合来完成。考尔毕兹式哈特莱式克拉泼式常用的三种基本电路形式5.8.1以输入输出阻抗为基础的设计①谐振电路置于发射极—基极之间的设计②谐振电路置于发射极—集电极之间的设计5.8.2利用S参数的设计方法

利用S参数设计小信号振荡器，首先将晶体管的S参数转换为Z参数，如下图所示，图中包含负载阻抗ZL和电抗元件X1、X2，回路方程为由上两式可以得到已知X1、X2，就可以求出ZD，但是该计算非常麻烦，通常需要借助计算机。当求出最大负阻时，即可进行振荡器设计实际应用中，为了获得最大最大功率，在负载串联的电路中，应选取下列值。栅极偏置RFC高频旁路交指电容漏极偏置器件基本概念结型晶体管设计功率场效应管增益稳定性和单向化设计判定最大增益和固定增益设计噪声设计第六章微波电真空器件

真空二极管是用金属、玻璃、陶瓷等材料密封在真空管壳中的电子器件。抽真空的目的是保护管子的灯丝和阴极，并防止发生电击穿。6.1.1静态控制真空管1.真空二极管

真空二极管具有一个阴极和一个阳极阴极是用来产生电子的。大多数情况是采用将阴极加热的方法产生电子(因而电子管系统一般都有一个加热过程)。阳极是用来接收电子的，通常加有一定的正电压。3.真空三极管在真空二极管的阴极和阳极之间再加一个栅网状的栅极即构成真空三极管。如图所示在真空二极管通过阳极电压控制阳极电流，而在三极管中，阳极电流除了受到阳极电压的控制以外，还受到阴极和阳极之间的栅极电压的控制。如果栅极和阳极之间的电场为加速场时，电子可以穿过栅极打到阳极形成阳极电流。6.2速调管放大器阴极阳极灯丝输入腔输出腔收集极双腔速调管放大器1.结构电子枪漂移空间五部分组成：电子枪、输入腔、漂移空间、输出腔和收集极电子枪：产生具有一定速度和密度的电子注输入腔：输入信号通过耦合装置进入输入谐振腔，在高频隙缝处激励起高频电场，对电子速度进行调制漂移空间：此空间不存在任何外加电场，是一个等位空间，电子在该空间速度不变，作惯性运动。受过速度调制的电子在此空间形成群聚。输出腔：密度不均匀的电子流与高频场在隙缝处进行能量交换，放大后的微波信号经耦合装置输出收集极：收集交换能量后的电子构成直流通路2.放大原理①电子从直流电场获得能量②速度调制③密度调制④能量交换①②③④①’③’④’①号电子在高频场为零的瞬间离开输入腔，速度不变②号电子在高频减速场最大的瞬间离开输入腔，速度最小③号电子在高频加速场最大的瞬间离开输入腔，速度最大②、③号电子之间的电子会以①号电子为中心群聚④号电子在高频为零的瞬间离开输入腔，速度不变②、③’号电子之间的电子不发生群聚电子的群聚中心分别为T/2，3T/2，5T/2电子电流感应电流基波感应电流基波感应电压6.2.2多腔速调管放大器①②③④⑤中间腔感性调谐，电压超前于电流输入腔中，处于1号和3号电子之间的电子发生群聚，另外半周的电子不参加群聚该电子流进入中间腔后，在中间腔上产生的感应电流与电子电流同相，但中间腔为感性失谐，电压相位超前于电流，这时不仅1号和3号电子之间的电子参加群聚，而且4号和5号电子也参加群聚。使群聚进一步加强。6.2.4反射速调管振荡器

在双腔或多腔速调管放大器中，如果加一个反馈支路将输出信号反馈到输入端，如果反馈合适就有可能激励起微波振荡。但这样太麻烦，不实用。有更加简单的方法是只用一个谐振腔，该谐振腔既担负速度调制，又担负能量交换任务。1.结构

反射速调管由电子枪、谐振腔和反射极组成，有的时候没有加速极，而直接由谐振腔栅网兼作电子注加速极，相对阴极腔体上加的是正电压V0，反射极加的是负电压Vr，这样在阴极和栅网之间构成一个加速场，而栅网与反射极之间构成一个直流减速场工作原理

电子注在直流加速场中加速到一定的速度进入栅网，若这时栅网间已经存在高频电压V1sint,则电子流在该高频场作用下发生速度调制，受到速度调制的电子进入直流拒斥场中，速度逐渐减小，直到为零，然后返回来加速进入栅网，将能量交给高频场，从而可以维持振荡。2.反射速调管中电子的群聚过程2号电子离开栅网的速度最快，在拒斥场中运动的距离最远，时间最长3号电子离开栅网的速度最慢，在拒斥场中运动距离的最近，时间最短1号电子离开栅网的速度不变，2号电子和3号电子围绕1号电子群聚6.3行波管放大器