微波电子线路大作业

微波电子线路大作业（3）班级:姓名:学号:一、微波二极管负阻振荡器由砷化钱材料制成的体效应二极管呈现负阻效应的物理基础是能带结构的电子转移效应，而产生负阻效应的原理则是由于高场畴的形成。典型的Gunn二极管的结构如图所示.铜底座(接铜螺纹)提供一条外加散热器的低阻热通道，螺纹端拧在散热器上，它是接到直流电源的负极，陶瓷圆环起绝缘作用，它把正负极隔开。若将耿氐二极管装在谐振腔的适当位置上，只要在它的两端加上适当的直流电压，就可以在谐振腔内产生微波振荡.这就构成了微波负阻振荡器。由于谐振腔相当于集总电路的L。-R0-L0并联谐振电路，它与耿氐二极管组合起来就形成了如图3-12(a)的等效电路，其中图(幻的左侧表示Gunn二极管等效电路。q和-Rd是有源区参数，Cd是Gunn管电荷区域的电容参数，-Rd是在电场超过阈值后所呈现的负阻特性，C、L是管壳及引线所呈现的分布参数；图(a)右侧表示谐振腔等效电路。二极管具有负阻-Rd,而负载则是正电阻R0,由于-Rd与R0并联，它的电阻为R，二旦Rd+RoM幅满新等优电路 作)循化的等效也用所以进一步简化后就变成如图(b)所示的等效电路。当直流电源刚接通时，如工作点选择恰当且能满足Rd>R0的条件，则Rt为负值。在这种情况下，噪声足以触发振荡，使振幅随时间而增长。但是，管阻-Rd是非线性的，随着振幅的增大|-Rd|的数值逐渐减小。当|-Rd|=R0时，从式不难看出，Rt=8。这就相当并联电阻Rt开路，变成Lt与Ct所组成的无损耗回路，因此产生等幅振荡。谐振腔的作用是一方面可以调谐振荡波形使其接近正弦，另一方面把高频电磁能量收集在腔内，并通过耦合把高频能量送到负载上。X波段波导耿氏振荡器的结构做热器如图耿氏二极管横装在矩形波导中，并且由调节短路活塞改变腔的大小进行频率调谐。振荡频率与腔体的长度有关，它的长度大体等于半个波导波长整数倍，腔体的长度是指从Gunn管的安装柱面到可调短路面之间的距离。目前，国产X波段耿氏二极管的技术参数为：工作频率为10GHz左右，工作电压为10V，工作电流为0.2-0.6A，输出功率为0.03-0.1W，最大耐压为14V。二、微波晶体管振荡器产生振荡电流的电路叫做振荡电路。振荡电路主要有正弦波振荡器和函数发生器如脉冲发生器等.正弦波振荡电路是用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。它的频率范围很广，可以从一赫芝以下到几百兆赫芝以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的。正弦波振荡器必须包含这样几个组成部分：1.放大部分，振荡器的核心，将直流电源提供的能量转换成交流信号能量；补充振荡过程中的能量损耗，以获得连续的等幅正弦波；2.选频部分，从信号中选出所需的频率3.正反馈电路，将选出来的所需频率的信号送回到输入端放大;4.稳幅电路，般靠振荡管自身的非线性稳幅，要求高的振荡器有专门的稳幅电路回路的谐振频率。常用的正弦波振荡器有LC振荡电路,RC振荡电路以及石英晶体振荡电路等.LC振荡电路的输出功率大、频率高。它的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡（几百千赫以上）。LC振荡器根据反馈电压取出的方式不同，分为变压反馈式、电感和电容三点式三种。下图是晶体管LC振荡器的基本电路图.RC正弦波振荡电路的输出功率小、频率低。它由放大器和具有选频正反馈特性的RC网络所组成的。有三种RC振荡电路：高低电桥振荡器，相移式振荡器，双T型选频网振荡器。石英晶体振荡电路的频率稳定度高。它是一个特殊的LC振荡器，是一种高频振荡器。广泛应用在无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器、半导体接近开关等。微波晶体管振荡器原理和晶体管振荡器相同.所不同的是振荡频率高，达到超高频或微波频率;其次，由于频率高,要考虑到元件的分布参数.微波振荡器是在通信、雷达、电子对抗及测试仪器等各种微波系统中广泛应用的重要部件之一。近年来，随着微波半导体器件的迅速发展，微波固态振荡器也得到迅速发展。目前已有晶体管振荡器（包括双极晶体管振荡器和场效应管振荡器）；转移电子振荡器（体效应振荡器）；雪崩二极管振荡器和隧道二极管振荡器等多种形式。微波振荡器主要用于微波收、发信机的本地振荡、各种调制器的载频信号源及微波测量系统中的基本信号源等。其性能好坏将直接影响微波系统的优劣和测量精度。振荡器的主要性能指标有：1、频率稳定度高振荡器的振荡频率会受偏置电源的不稳定、环境温度以及负载阻抗的变化等因素的影响，致使频率发生漂移，其漂移的大小可用频率稳定度来描写。任何微波系统中对振荡器的频率稳定度有一定的要求，例如，在微波和卫星通信中的射频频率的频率稳定度高于10-5,只有这样才能保证长途通信中的频率漂移限制在允许可靠接收的范围内。为了提高振荡器的频率稳定度，必须使振荡器工作在稳定的条件下。例如，采用稳定的偏置电源、恒温的环境、防震措施以及尽力减少负载与振荡器之间耦合，等等。具体方法有温度补偿法、外腔移频法和注入锁定法。其中温度补偿法是最简单、最实用的方法。2、谐波抑制度高当晶体三极管或二极管工作在饱和状态时，振荡器将会产生许多不需要的谐波而引起干扰。为此，必须仔细调整工作点，尽可能少产生不需要的谐波，然后通过调整输出滤波器，使谐波输出尽可能小。3、载噪比高由于振荡电路的非线性，使半导体器件内的噪声对振荡器产生的单频信号进行调制，以致振荡器的输出频谱不是单频信号，而存在噪声边带，这会使接收端的信噪比降低。因此必须尽可能提高载噪比。具体措施有：采用波纹系数小、性能稳定的直流偏置电路；采用外腔稳频法或注入锁定法既可以提高振荡器的频率稳定度，又可以降低噪声；尽可能提高振荡器谐振回路的品质因素，等等。从振荡原理来分，微波固态振荡器可分为两种类型：负阻振荡器和反馈振荡器。但无论哪一种，它们生产振荡的机理是相同的，都归结为具有非线性的负阻特性。所不同的是像转移电子器件如雪崩二极管只要在直流偏压下就具有负阻特性，由它构成的振荡器称为负阻型振荡器；而像微波晶体管必须将反馈电路联系在一起时，才具有负阻特性，由它构成的振荡器称为反馈型振荡器。二、PIN管微波开关PIN管在正反向偏置下的不同阻抗特性可用来控制电路的通断，组成开关电路。PIN管开关电路按功能分为两种：一种是通断开关，如蛋刀单掷开关，作用只是简单的控制传输系统中微波信号的通断；另一种是转换开关，如单刀双掷、单刀多掷开关，作用是使信号在两个或多个传输系统中转换。若按PIN管与传输线的连接方式，可分为串联型、并联型一级串/并联型三种；从开关结构形式出发，可分为反射式开关、谐振式开关、滤波器型开关、阵列式开关等。.单刀单掷开关开关的正反衰减比下图为单管串联型和并联型开关的原理图及其微波等效电路图。图中分别为PIN管的等效阻抗和等效导纳，分别为传输线的特性阻抗和特性导纳，a、b分别为网络的归一化入射波和反射波。（a）串联型原理图；（b）串联型等效电路；（c）并联型原理图；（d）并联型等效电路；设开关输入端信号源的资用功率为，输出端负载吸收功率为。则定义开关的衰减L为：L=PPL若开关网络用散射S参量来表征，且假设开关插入在匹配信号源和匹配负载之间，则上式化为L=邛=Ib|2|S|2

1 21基本原理如果PIN管正、反偏时分别为理想短路和开路，则对上图（a）的串联型开关来说，PIN管理想短路时，开关电路理想导通；PIN管理想开路时，开关理想

断开。对（c）图的并联型开关来说，情况相反，PIN管短路，对应开关断开；PIN管开路，对应开关导通。由于封装参数的影响，对于单管开关无论是串联型还是并联型，都只能在固定的某几个较窄的频率区间有开关作用，而实际的工作频率常常不在这些区域。为了扩展开关的工作模区，改善开关性能，有的直接把管芯做在微波集成电路上；也有采用改进的开关电路，其中常用的有谐振式开关、阵列式开关和滤波器型开关。.单刀双掷开关最普通但又最常用的单刀多掷开关是单刀双掷开关，它把信号来回换接到两个不同的设备上，形成交替工作的两条微波通路。其典型的例子是雷达天线收发开关，发射机和接收机共用一个天线，用一个单刀双掷开关来控制。右图表示一并联型单刀双掷开关的原理图。管截止，或反之。并借助1/4波长线的阻抗变换作用，使输入信号全部从B或A中的一个端口输出，此端口为导通通道，同时另一端口为断开通道。但是该单刀双掷开关需要两个偏压源，为节省偏压源，实际中常采用一个偏压源控制并联型单刀双掷开关电路（如下图），在此电路中，接在并联的枝节上。当都处于反偏时，B路接通；当都处于正偏时，A路接通。因此可共用一个偏压源。.开关时间和功率容量PIN管用作开关时，其开关时间必须满足系统对开关速度的要求，为提高开关速度，应尽量减薄I层，使储存电荷减少。在这种情况下，开关时间基本上由载流子在I层的渡越时间决定，而与载流子寿命无关。但I层太薄，使二极管反

向击穿电压减小，承受微波功率也减小，因此提高PIN管开关速度受限于两项极限参数，即开关时间和功率容量。开关时间右图表示PIN管从正偏电流突然转向反偏时的情况。设正偏时I层储存的电荷为，当换成反偏时，I层储存的电荷一部分被反向电流吸出，另外一部分则继续复合，形成复合电流。显然，单位时间内层中电荷减少量等于单位时间内从I层流出的电荷量与复合电荷之和，即考虑到t=0时，，可解得Q)=I0TeHR(e〃一1)假设时，电荷全部清除，即Q(t)=0，于是Ite-晨片+1t(e-tjq-1)=0假设时，电荷全部清除，所以t=tln(1+0))s IRI开关时间可近似表示为t氏T—0-开关时间可近似表示为IR由此可见，当PIN官给定后（已定），加大反向电流可使开关时间减少。所以应为PIN管开关制作具有内阻小而又能输出大的反向偏压的专门驱动器。功率容量当PIN管导通时，功率容量的限制因素是最大允许的功耗，当PIN管截止时，功率容量的限制因素是反向击穿电压。开关的功率容量是指开关所能承受的最大微波功率，它不仅与管子的功率容量有关，还与开关电路的类型（串联或并联）、工作状态（连续波工作或脉冲工作）及具体结构（散热性能）有关。三、PIN管电调衰减器和限幅器用电信号控制衰减量的衰减器称为电调衰减器。利用PIN管正向电阻随偏置电流连续变化的特性，可以做成各种类型的电调衰减器。电调衰减器可用于振幅调制和稳幅系统。

1、环行器单管点调衰减器此电调衰减器的衰减由偏置电流来控制。偏置电流经过直流偏置电路加到二极管上。环行器的作用是使得输入电路能得到较好的匹配。这种单管电调衰减器P 1的衰减量为L=10lgn=20lg—apIriR—Z式中：iri=f_1R+Z2、3dB定向耦合器型电调衰减器下图为微带型3dB定向耦合器型电调衰减器的结构示意图和等效电路图。输出接陟偏金线50a电阻VD,高频

短路块VDa\输出接陟偏金线50a电阻VD,高频

短路块VDa\当R10，④端输出的功率为0，由此便构成电调衰减器。这种衰减器由于r—f—

r+2有r—f—

r+22+r衰减器衰减量为：L=20lg-frf。小 R式中：r=—ffZ03、吸收阵列式衰减器为了使系统频带展宽、衰减量的动态范围增大及能承受较大的功率，可采用多个并接在传输线上的PIN管，管间相互间隔为1/4波长的阵列衰减器。加正向偏置的PIN管等效为正向电阻，随着管子正向偏电流的改变，各电阻阻值发生变化，故为一个电调衰减器。工程中通常采用多节级联。由于输入驻波比主要取决于前面几个单节，因此在实际应用中，一般仅把三个管子的正向电阻形成渐变分布，而后面的管子则按等元件阵排列。4、PIN管限幅器电调衰减器是利用外加偏置电流来控制其衰减量的，所以有时称之为控衰减器。某些情况下，要求微波信号通过控制电流时能自动控制电路的衰减。利用PIN管在零偏加微波信号时的阻抗特性，可实现此目的。因此零偏PIN管常作为雷达接收机高放、混频前的限幅器。当微波信号超过某一电平时，由于PIN管阻抗显著变小而使通过PIN管的衰减量显著增大，从而限制输出功率在一定电平以下。四、PIN管熟悉移相器（调相器）1、开关线型移相器利用PIN管的单刀双掷开关，使微波信号从两条电长度不同的传输线通过后，可以得到两种不同的相移量，根据这个原理做成的移相器成为开关线型移相器。实际上它是一段可开关的传输线。2、加载线型移相器加载线型移相器通常作为数字式移相器的小移相位，例如作为22.5、45移相位。若要用于较大的移相位时，例如作90移相器，则可以用两个45移相器级联起来。为缩小体积，常把两个中间的并联传输线合并为一，成为三个