微波技术与微波电路第7章-微波二极管及其电路

第7章微波二极管及其电路7.1金属－半导体结二极管及微波混频器7.1.1金属半导体二极管7.1.2微波混频器的工作原理7.1.3微波混频器的变频损耗7.1.4混频器的噪声系数7.1.5微波混频器电路7.2微波变容二极管及微波上变频器7.2.1微波变容二极管7.2.2非线性电容中的能量关系及其应用7.2.3变容管上变频器7.3微波体效应二极管及负阻振荡器7.3.1体效应二极管7.3.2微波二极管负阻振荡器电路7.4PIN管及微波控制电路7.4.1PIN二极管的基本特性7.4.2PIN管微波开并电路7.4.3PIN管电调衰减器7.4.4PIN管移相器7.1金属－半导体结二极管及微波混频器7.1.1金属半导体二极管（如图7-3）Ｎ型半导体功函数小于金属的功函数。两者接触时形成（a）中的内建电场。加正向偏压时，内建电场被削弱，形成扩散电流（b）。加反向偏压时，内建电场增大，仅存反向饱合电流（c）。１.结构点接触型二极管，面接触型二极管（肖特基二极管）。（如图7-2）２.工作原理图7-3金属-半导体结在外加电压作用下的情况

图7-2金属-半导体结二极管的管芯结构

（１）肖特基二极管与ＰＵ结二极管比较 伏安特性（如图7-4） 结电容串联电阻 击穿电压（２）肖特基二极管的等效电路与参数３.肖特基二极管特性图7-4金属-半导体结二极管与PN结二极管的伏安特性7.1.2微波混频器的工作原理微波混频器方框图（如图7-1）混频器原理图（如图7-7）混频器电流的主要频谱（如图7-8）混频器的等效电路（如图7-10）信号电路中频支路镜频支路图7-1混频器的原理框图图7-7二极管混频器原理图图7-8混频器电流的主要频谱图7-9加在混频二极管上的电压１.镜像匹配（）时的净变频损耗。２.镜像短路（）时的净变频损耗。３.镜像开路（）时的净变频损耗。４.三种情况的净变频损耗比较（如图7-15）。7.1.3微波混频器的变频损耗图7-15最佳净变频损耗与本振电压的关系１.镜像短路或开路时混频器的噪声系数。２.镜像匹配混频器的噪声系数。３.混频器－中放组件的噪声系数。7.1.4混频器的噪声系数（１）单端混频器（如图7-19）作为重点，要求搞清楚本电路各部分作用。（２）平衡混频器等效电路（如图7-20）平衡电路对单端电路的改进：（a）输入信号和本振功率得到充分利用。（b）输入信号动态范围增加了一倍。（c）能抑制本振引入的调幅噪声。7.1.5微波混频器电路图7-19微带型单端混频器

图7-20本振反相型平衡混频器等效电路

１.基本电路（3）平衡混频器的电路 微带型（如图7-23，7-26） 正交场平衡混频器（如图7-24）（4）双平衡混频器 等效电路（如图7-27） 结构电路（如图7-30）图7-23反相型微带平衡混频器图7-24正交场平衡混频器结构图

图7-27双平衡混频器等效电路图7-26π／2型微带平衡混频器

图7-30微带型环形混频器结构示意图

（１）镜像短路混频器（如图7-31）（２）镜像开路混频器（如图7-32）２.镜像回收混频器图7-31镜像短路单端混频器图7-32镜像开路平衡混频器

（１）悬置微带混频器（如图7-33）（２）鳍线混频器（如图7-34）３.毫米波混频器图7-33交叉式悬置微带线平衡混频器结构

图7-34鳍线平衡混频器结构图

7.2微波变容二极管及微波上变频器结构：ＰＮ结的结构管芯结构（如图7-36）ＰＮ结势垒电容与偏压的关系：n=1/2突变结常用于参量放大器及低次倍频。n=1/3线性缓变结常用于高次变频。n=1/15－1/30阶跃恢复结常用于高次倍频及振荡器。n=0.5－6超突变结，常用于电调谐，n=2应用较多。7.2.1微波变容二极管图7-36变容二极管管芯结构图

（１）和频上变频器门雷－罗威关系为7.2.2非线性电容中的能量关系及其应用１.门雷－罗威关系（如图7-39）２.门雷－罗威关系的应用功率增益图7-39说明门雷-罗威关系式的电路模型

（３）反射型负阻参量放大器门雷－罗威关系为（２）差频变频门雷－罗威关系为１.变容管上变频的等效电路7.2.3变容管上变频器（１）滤波器式（如图7-42）（2）平衡式（如图7-43）2.功率上变频的微带结构电路（如图7-41）图7-41上变频器等效电路图7-42Ku波段滤波器式微带上变频器图7-4311GHz平衡式上变频器

7.3微波体效应二极管及负阻振荡器7.3.1体效应二极管多能谷结构（如图7-44）负微分迁移率（如图7-45）１.砷化镓的多能谷结构与负微分迁移率图7-44GaAs的多能谷结构图

（300K时）图7-45GaAs晶体的速度-电场特性２.微波振荡的产生过程（1）畴理论高场畴的规律畴的生成畴的生长畴的成熟畴的消失（2）偶极畴振荡的电流波形（如图7-48）图7-48偶极畴振荡的电流波形（１）动态伏安特性（如图7-49）（２）工作模式１）偶极畴渡越时间模式２）偶极畴延迟模式３）偶极畴猝灭模式３.体效应二极管的动态伏安特性及工作模式图7-49体效应二极管的动态伏安特性图7-53体效应管等效电路

４.体效应管待效电路（如图7-53）１.振幅平衡条件，相位平衡条件２.负阻振荡器电路（如图7-56）ＹＩＧ调谐振荡器（如图7-59）7.3.2微波二极管负阻振荡器电路图7-56半波长谐振器调谐的体效应管微带振荡器

图7-59YIG调谐振荡器

7.4PIN管及微波控制电路

（1）直流电压作用下的特性（如图7-61） Ａ）ＰＩＮ管上无偏压时。 Ｂ）ＰＩＮ管上加反向偏压时。 Ｃ）ＰＩＮ管加正向偏压时。（2）微波信号电压作用下的阻抗特性。（如图7-63）（3）直流偏压加微波信号下呈现的阻抗特性。7.4.1PIN二极管的基本特性１.PIN管的结构２.不同偏置下PIN管的阻抗特性（如图7-60）图7-61PIN管杂质和空间电荷分布图

图7-63波信号作用于PIN管

（1）ＰＩＮ管管芯的两种结构形式 等效电路（如图7-66） 台式结构和平面结构（如图7-64）（2）ＰＩＮ管的封装结构（如图7-65） 封装ＰＩＮ管的等效电路（如图7-67）３.PIN管的等效电路图7-64PIN管的管芯结构

图7-65PIN管的封装结构

图7-66实际PIN管的正反偏等效电路

图7-67封装PIN管的等效电路

7.4.2PIN管微波开并电路（1）电路：（如图7-68）（2）性能分析（3）改善开关性能电路1）阵列式开关（如图7-70）2）滤波器型开关（如图7-71）1.单刀单掷开关图7-68单刀单掷开关

图7-70阵列式开关

图7-71低通滤波器型PIN管开关

（1）并联型单刀多掷开关原理图（如图7-72，图7-73）微波（微带）电路图（如图7-74）（2）串联型单刀多掷开关原理图（如图7-75，图7-76）2.单刀多掷开关图7-72并联型单刀双掷开关图7-73刀双掷开关用一个偏压源控制的并联型图7-76单刀N掷开关原理图图7-74微带并联型单刀双掷开关电原理图

图7-75串联型单刀双掷开关

（1）环行器单管电调衰减器（如图7-78）（2）３dB定向耦合器型电调衰减器（如图7-79）（3）吸收型阵列式衰减器（如图7-80）7.4.3PIN管电调衰减器1.PIN管正向电阻随偏流变化特性（如图7-77）2.PIN管电调衰减器电路图7-78环行器单管电调衰减示意图图7-793dB定向耦合器型电调衰减器

图7-80渐变元件阵列式衰减器

（1）开关线型移相器（如图7-83）（2）加载线型移相器（如图7-84）1）加载线型移相器分析2）加载线型移相器举例：90度移相器（如图7-85）（3）定向耦合器型移相器