毫米波第二六章毫米波固态电路课件

毫米波理论与技术

第二章毫米波固态源

第六章毫米波固态电路2011年4月毫米波真空管分类慢波型正交场放大器（CFA）磁控管（Magnetron）速调管（Klystron）行波管（TWT）返波管（BWO）快波型回旋管（Gyrotron）莱达管（Ledatron）潘努管（Peniotron）毫米波固态源分类二端器件IMPATTGunn三端器件MESFETHEMTFETPHEMTFET倍频器只考虑稳态振荡时器件中的电流基波分量i(t)=Acos(ωt+φ)设器件的微分阻抗和电路阻抗分别为Zd(A)=-Rd(A)+jXd(A)Zc(ω)=Rc(ω)+jXc(ω)则起振条件Rd(A)>Rc(ω)平衡条件Zd(A)+Zc(ω)=0稳定条件振荡的三种条件振荡器噪声分析注入锁定单双漂结构对比单漂区（SDR）双漂区（DDR）结构p+-n-n+p+-p-n-n+漂移区数量12结面积较小较大输出功率较小较大工艺复杂性和成本较低较高毫米波IMPATT二极管

的封装结构和热模型IMPATT二极管CW功率随频率变化IMPATT二极管封装结构

（100GHz以下）陶瓷环封装f<50GHz石英环封装50GHz<f<100GHzIMPATT二极管开放结构

（100GHz以上）单石英支撑双石英支撑直接接触毫米波二极管波导型振荡电路1963年Gunn发现在外加电场作用下半导体能级间电子转移产生负阻效应RWH（Radley,Watkins,Hilsum）双谷理论模型1964年Kromer证明了二者是同一种效应§2.3Gunn振荡器与IMPATT对比，Gunn器件不是结效应器件，而是体效应器件，也称电子转移器件优点：噪声低，适合作低噪声本振缺点：输出功率较低Gunn与IMPATT对比Gunn与IMPATT二极管CW功率鳍线振荡器=鳍线谐振器+有源器件鳍线谐振器用一段带有偏置电路和适当调谐电路的鳍线制作有源器件可以是Gunn、IMPATT等二端器件，也可以是FET、HEMTFET等三端器件§6.1鳍线振荡器简单的鳍线振荡器鳍线压控振荡器周期栅鳍线振荡器单栅鳍线振荡器鳍线FET振荡器P=2(P1+P2)理论合成效率可达200%这是因为串联可使Gunn管比单个时有更大的负阻，也更容易与阻抗较高的传输线匹配关键：等幅同相合成串联双管合成振荡器鳍线串联双管合成振荡器Gunn二极管和串联双管合成振荡器的等效电路等效电路鳍线串联双Gunn管合成振荡器

的输出功率鳍线串联双Gunn管合成振荡器

的输出功率稳定度和频率稳定度D-band(110-140GHz)

quasi-opticaloscillatorGroovedmirrortypeFabry-Perotquasi-opticaloscillator倍频器将交流能量转换为其谐波频率的交流能量，与振荡器将直流能量转换为交流能量不同。倍频器与其说是信号源，不如说是频率变换电路。§2.5二端器件倍频源按功能信号倍频功率倍频按器件二端电抗性二极管变容二极管阶跃二极管电阻性二极管三端倍频器分类平面管芯结构和台面管芯结构等效电路变容二极管的管芯结构和等效电路结电容结电容变化系数γ=1/3缓变结γ=1/2突变结γ>1超突变结变容二极管的非线性特性零偏压结电容PN结的势垒电位差反向偏压绝对值并联型（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并联型（电流激励型）特点：二极管上只有f1和Nf1频率的电流优点：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，使得输入输出阻抗都较低串联型（电压激励型）特点：二极管上只有f1和Nf1频率的电压优点：输入输出阻抗较高，且随谐波次数N的增加，效率下降程度比并联型小，对N>3的场合较适合缺点：散热不如并联型二极管倍频电路两种形式的特点空闲回路（LmCm）匹配电路偏置电路倍频附加电路W频段高功率二倍频电路输出部分二倍频器HBV三倍频器450GHz单管三倍频器和异质结势垒变容二极管（HBV）器件[M.Saglam2002]反向并联二极管对平衡倍频器35%bandwidthQ-to-Wbandfrequencydoubler[C.Nguyen1987]鳍线平衡倍频电路75-110GHzfullwaveguidebandMMICtripler[M.Morgan2001]W频段单片集成平衡三倍频器900GHz平衡三倍频器[2004]900GHz平衡三倍频器性能三端器件振荡器和倍频器FET二倍频器（微带结构）二端器件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二极管平衡混频器二极管双平衡混频器三端器件混频器§6.3混频器梁式Schottky二极管俯视图二极管混频原理混频器噪声系数和SSB变频损耗亚谐波混频器反向并联二极管对偶次谐波混频电路平衡混频电路230GHzsingleendedmixer[J.W.Archer1981]波导单端混频器SSB变频损耗和噪声温度单端混频器亚谐波混频器亚谐波混频器300-360GHzsub-harmonicmixerusingplanarSchottkydiodes[B.Thomas2005]单脊鳍线亚谐波混频器Wide-bandsubharmonicallypumpedW-bandmixerinsingle-ridgefin-line[P.J.Meier1982]单片亚谐波混频器E-bandmonolithicSchottkydiodepairsubharmonicmixer[E.B.Stoneham2006]单片四次谐波混频器60GHzUniplanarMMIC4SubharmonicMixer[M.W.Chapman2002]有限宽度地共面（FGC）波导鳍线－共面线平衡混频器鳍线－带线平衡混频器鳍线－带线平衡混频器微带平衡混频器V频段单片集成混合环平衡混频器IVbandsinglybalanceddiodemixer[C.Florian2005]W频段单片集成混合环平衡混频器91-99GHzmonolithicHEMTSchottkydiodesinglybalancedmixer[Velocium]单片双平衡混频器70-90GHzmonolithicHBTstarmixer[Velocium]单栅和双栅三端器件混频电路三端器件平衡混频电路单片有源平衡混频器32-46GHzmonolithicGaAsPHEMTbalancedmixer[Mimix]HEMT器件结构及其等效电路实际HEMT器件的典型结构单级、双级低噪声放大器56-70GHzmonolithicPHEMTlownoiseamplifier[TriQuint]单片低噪声放大器平衡式分布式（行波式）反馈式有源匹配式有损匹配式宽带放大器类型平衡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有源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80-100GHzmonolithicHEMTbalanced,3-stage,lownoiseamplifier[TriQuint]平衡式放大器DC-60GHzmonolithicMMHEMTlownoisea