毫米波第二六章毫米波固态电路

毫米波第二六章毫米波固态电路第1页，课件共90页，创作于2023年2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）第2页，课件共90页，创作于2023年2月毫米波固态源分类二端器件IMPATTGunn三端器件MESFETHEMTFETPHEMTFET倍频器第3页，课件共90页，创作于2023年2月振荡器换能器：DC→AC放大器：G→∞非线性电路负阻振荡的基本原理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V-A特性曲线上某处的斜率r=dv/di<0§2.1固态振荡器的一般理论第4页，课件共90页，创作于2023年2月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第5页，课件共90页，创作于2023年2月振荡器噪声分析第6页，课件共90页，创作于2023年2月注入锁定第7页，课件共90页，创作于2023年2月1958年Read提出模型1965年Johnston首次从工作在雪崩区的p+n二极管中观察到了微波振荡§2.2IMPATT振荡器第8页，课件共90页，创作于2023年2月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第9页，课件共90页，创作于2023年2月毫米波IMPATT二极管

的封装结构和热模型第10页，课件共90页，创作于2023年2月IMPATT二极管CW功率随频率变化第11页，课件共90页，创作于2023年2月IMPATT二极管脉冲功率随频率变化第12页，课件共90页，创作于2023年2月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<100GHz第13页，课件共90页，创作于2023年2月IMPATT二极管开放结构

（100GHz以上）单石英支撑双石英支撑直接接触第14页，课件共90页，创作于2023年2月毫米波二极管波导型振荡电路第15页，课件共90页，创作于2023年2月腔稳法（不适合毫米波）注入锁定锁相环频率稳定方法第16页，课件共90页，创作于2023年2月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振荡器第17页，课件共90页，创作于2023年2月与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对比第18页，课件共90页，创作于2023年2月Gunn与IMPATT二极管CW功率第19页，课件共90页，创作于2023年2月Gunn与IMPATT二极管脉冲功率第20页，课件共90页，创作于2023年2月鳍线振荡器=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鳍线振荡器第21页，课件共90页，创作于2023年2月简单的鳍线振荡器第22页，课件共90页，创作于2023年2月鳍线压控振荡器第23页，课件共90页，创作于2023年2月平面柱鳍线振荡器第24页，课件共90页，创作于2023年2月周期栅鳍线振荡器第25页，课件共90页，创作于2023年2月单栅鳍线振荡器第26页，课件共90页，创作于2023年2月鳍线FET振荡器第27页，课件共90页，创作于2023年2月P=P1+P2

理论合成效率可达100%并联双管合成振荡器第28页，课件共90页，创作于2023年2月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第29页，课件共90页，创作于2023年2月鳍线串联双管合成振荡器第30页，课件共90页，创作于2023年2月Gunn二极管和串联双管合成振荡器的等效电路等效电路第31页，课件共90页，创作于2023年2月鳍线串联双Gunn管合成振荡器

的输出功率第32页，课件共90页，创作于2023年2月鳍线串联双Gunn管合成振荡器

的输出功率稳定度和频率稳定度第33页，课件共90页，创作于2023年2月D-band(110-140GHz)

quasi-opticaloscillator第34页，课件共90页，创作于2023年2月GroovedmirrortypeFabry-Perotquasi-opticaloscillator第35页，课件共90页，创作于2023年2月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第36页，课件共90页，创作于2023年2月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第37页，课件共90页，创作于2023年2月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第38页，课件共90页，创作于2023年2月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第39页，课件共90页，创作于2023年2月并联型（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第40页，课件共90页，创作于2023年2月并联型（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第41页，课件共90页，创作于2023年2月空闲回路（LmCm）匹配电路偏置电路倍频附加电路第42页，课件共90页，创作于2023年2月W频段高功率二倍频电路输出部分第43页，课件共90页，创作于2023年2月二倍频器第44页，课件共90页，创作于2023年2月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]第45页，课件共90页，创作于2023年2月反向并联二极管对平衡倍频器第46页，课件共90页，创作于2023年2月35%bandwidthQ-to-Wbandfrequencydoubler[C.Nguyen1987]鳍线平衡倍频电路第47页，课件共90页，创作于2023年2月75-110GHzfullwaveguidebandMMICtripler[M.Morgan2001]W频段单片集成平衡三倍频器第48页，课件共90页，创作于2023年2月900GHz平衡三倍频器[2004]第49页，课件共90页，创作于2023年2月900GHz平衡三倍频器性能第50页，课件共90页，创作于2023年2月三端器件振荡器和倍频器FET二倍频器（微带结构）第51页，课件共90页，创作于2023年2月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混频器第52页，课件共90页，创作于2023年2月梁式Schottky二极管俯视图第53页，课件共90页，创作于2023年2月二极管混频原理第54页，课件共90页，创作于2023年2月混频器噪声系数和SSB变频损耗第55页，课件共90页，创作于2023年2月亚谐波混频器反向并联二极管对偶次谐波混频电路第56页，课件共90页，创作于2023年2月平衡混频电路第57页，课件共90页，创作于2023年2月230GHzsingleendedmixer[J.W.Archer1981]波导单端混频器第58页，课件共90页，创作于2023年2月SSB变频损耗和噪声温度第59页，课件共90页，创作于2023年2月单端混频器第60页，课件共90页，创作于2023年2月亚谐波混频器第61页，课件共90页，创作于2023年2月亚谐波混频器300-360GHzsub-harmonicmixerusingplanarSchottkydiodes[B.Thomas2005]第62页，课件共90页，创作于2023年2月单脊鳍线亚谐波混频器Wide-bandsubharmonicallypumpedW-bandmixerinsingle-ridgefin-line[P.J.Meier1982]第63页，课件共90页，创作于2023年2月单片亚谐波混频器E-bandmonolithicSchottkydiodepairsubharmonicmixer[E.B.Stoneham2006]第64页，课件共90页，创作于2023年2月单片四次谐波混频器60GHzUniplanarMMIC4SubharmonicMixer[M.W.Chapman2002]有限宽度地共面（FGC）波导第65页，课件共90页，创作于2023年2月鳍线－共面线平衡混频器第66页，课件共90页，创作于2023年2月鳍线－带线平衡混频器第67页，课件共90页，创作于2023年2月鳍线－带线平衡混频器第68页，课件共90页，创作于2023年2月微带平衡混频器第69页，课件共90页，创作于2023年2月V频段单片集成混合环平衡混频器IVbandsinglybalanceddiodemixer[C.Florian2005]第70页，课件共90页，创作于2023年2月W频段单片集成混合环平衡混频器91-99GHzmonolithicHEMTSchottkydiodesinglybalancedmixer[Velocium]第71页，课件共90页，创作于2023年2月单片双平衡混频器70-90GHzmonolithicHBTstarmixer[Velocium]第72页，课件共90页，创作于2023年2月单栅和双栅三端器件混频电路第73页，课件共90页，创作于2023年2月三端器件平衡混频电路第74页，课件共90页，创作于2023年2月单片有源平衡混频器32-46GHzmonolithicGaAsPHEMTbalancedmixer[Mimix]第75页，课件共90页，创作于2023年2月HEMT器件结构及其等效电路第76页，课件共90页，创作于2023年2月实际HEMT器件的典型结构第77页，课件共90页，创作于2023年2月单级、双级低噪声放大器第78页，课件共90页，创作于2023年2月56-70GHzmonolithicPHEMTlownoiseamplifier[TriQuint]单片低噪声放大器第79页，课件共90页，创作于2023年2月平衡式分布式（行波式）反馈式有源匹配式有损匹配式宽带放大器类型第80页，课件共90页，创作于2023年2月平衡式宽带放大器第81页，课件共90页，创作于2023年2月分布式（行波式）宽带放大器第82页，课件共90页，创作于2023年2月反馈式宽带放大器第83页，课件共90页，创作于2023年2月有源匹配式宽带放大器第84页，课件共90页，创作于2023年2月有损匹配式宽带放大器第85页