射频微波电路导论课件西电版第11章.ppt

第十一章 其他常用微波电路,隔离器与环形器,在微波系统中，常把隔离器接在信号发生器与负载之间，以改善源与负载的匹配。这样可以使得来自负载的反射功率不能返回发生器输入端，避免负载阻抗改变而引起源的输出功率和频率的改变,隔离器和环形器是在微波结构中放入铁氧体材料，外加恒定磁场，在这个区域构成各向异性介质，电磁波在这种媒体中三个方向的传输常数是不同的，从而实现单向传输,隔离器原理结构,1 谐振式隔离器 利用铁磁谐振效应（吸收右旋 园极化波，衰减右旋极化波，左旋波损耗很小） 优点：功率容量大 缺点：需要较大的偏置磁场,E平面全高片,H平面片,随片位置变化前向和反向传输衰减常数,2 场位移式隔离器,在铁氧体一侧x=c+t处可使前向波电场完全消失掉，而在同一位置上反向电场可以变得很大。在此处放置一薄电阻片，前向波基本上不受影响，而反向波受到衰减，从而实现隔离,3 法拉第旋转式隔离器,输入输出波导1和6横截面互成45，吸收片7和8也互成45，并且吸收片7与输入波导的电场方向垂直，吸收片8与输出波导6的电场方向垂直。利用法拉第旋转使电场极化方向旋转45实现正向衰减较小，反向衰减较大，从而实现隔离功能,环形器,环形器是一个多端口器件，电磁波的传输只能沿单方向环行传输。上图传输方向是123，而反向是隔离的。,波导结果的环形器,微带结构的环形器,微带型环形器实物图,环形器的几种典型应用,混频器与检波器,混频器在微波电路里面的作用是实现频率的变化，与本振信号结合可以把射频信号下变频为中频信号进行处理，也可以把中频信号上边频为射频信号发射出去,混频器的主要指标,1 变频损耗 描述变频后输出信号的幅度变化，二极管混频器变频损耗典型值7dB左右,2 噪声系数 描述经过混频器后信号质量变坏的程度，主要决定于变频损耗的大小，且与本振功率有最佳值,3 线性特性 1dB压缩点、动态范围,4 本振功率 指标受本振功率控制，典型的本振功率有7dBm、10dBm、17dBm,5 端口隔离 三个端口LO、RF、IF频率不同，互相隔离指标越高越好，一般要求大于20dB,6 端口VSWR,混频器原理,理想的混频器是一个开关或乘法器,通常，RF的功率比LO的功率小得多，不考虑调制信号的影响，乘法器输出频率为dnps,差频：IFps,谐波混频：IFnps,和频：IFps,混频器实现频谱搬移,混频器按开关器件的数量和连接方式分类,混频器中LO控制的开关特性可以由肖特基二极管或者FET实现。肖特基二极管在LO的正半周低阻，负半周高阻近似为开关；对于FET，改变栅源电压的极性，漏源之间的电阻可以从几欧姆到几千欧姆变化实现开关特性,分类,1 单端混频器,2 单平衡混频器,3 双平衡混频器,1 单端混频器,单端混频器等效电路,设RF输入电压是为RF的余弦波,设LO输入电压是为LO的余弦波,对于二极管，采用小信号近似式得出总得二极管电流为,其中第一项为DC偏置电流，用隔直电容与IF断开，第二项式RF和LO输入信号的复制，可用低通滤波器虑除，余下的第三项用恒等式可改写为,从所得结果包括了几个新的信号分量，只有一项式所需要的IF信号，直流项直接用隔直电容阻断，而 ， 和 项可以用低通滤波器阻断，剩下的IF输出电流为,一个实际的微带实现的12GHz单端混频器,定向环滤波器苛刻的选择在L频率上，提供一些LO和RF的隔离，并且降低来自LO源的调幅噪声对整个混频器噪声系数的影响,低通和频率滤波器同时阻止信号向RF输入端传输并且将其反射会二极管再利用,电路还包括二极管直流元件的电流回路，IF旁路网络，独立的RF和LO频率的/4调节短截线，相加滤波器，用于IF输出的几种元件低通滤波器,单端混频器缺点：,需要特殊滤波器，防止LO功率从RF端口出去，更有可能从天线辐射出去 如果定向耦合器或定向环路滤波器用来产生LO信号，那么噪声系数和转换损耗将会恶化 如果和LO信号有关的调幅噪声的带宽与RF带宽重叠，混频器的噪声系数也会变坏,解决办法就是采用两个单端混频器组合成一个90或180的混合平衡结构,2 单平衡混频器,平衡混频器采用两只混频管，使信号和本振都以等分的功率及一定的相位关系加到两只性能一致的二极管上进行混频,按相位分配关系有180单平衡混频器和90单平衡混频器两种,180单平衡混频器,“经典”的6/4波长跑鼠耦合器（180）,90单平衡混频器,采用3dB变阻定向耦合器,单平衡混频器主要优点：,单平衡混频器的输入匹配和RFLO的隔离度得到改善 充分利用信号及本振功率，并使两管混频电流的中频成分叠加，因此可增大信号动态范围 抵消了本振引入的噪声，改善实际混频器的噪声系数 抑制部分由谐波混频产生的组合频率成分，减少干扰和失真的可能性,单端和单平衡混频器的主要问题：,LO到RF的隔离度常常不够 需要大的LO功率 对LO的调幅噪声敏感 带宽窄,上述问题都可以通过用180或90混合接头（巴伦）将两个单平衡混频器联在一起得到解决,双平衡混频器,把两个单平衡混频器180反向并联,根据上述原理图构成的典型双平衡混频器,变形后的双平衡混频器,几种混频器各种性能对比,逆并联二极管混频器,经常用于次谐波毫米波频率转换。背对背二极管的功能像像一个频率倍增器，所以需要一个正规值一半的LO频率,这对二极管有一个对称的IV特性，该特性可以抑制RF和LO输入信号的基本混合产物，导致较好的变频损耗,检波器,检波器是实现峰值包络检波的电路，输出信号于输入信号的包络相同，或者随输入RF信号的幅度调制，产生直流或低频“视频”电压,简化的检波器电路,频率为R的入射RF功率Pinc通过一个匹配网络，这样Pinc被在二极管阻抗的电阻部分吸收。旁路电容CL短路RF输出电路，并且阻止Pinc进入视频电阻负载RL。一个外部偏置Idc可以加到二极管，RF扼流圈（RFC）提供直流回路，在视频频率m上可以忽略电抗的大隔直电容CB，将Idc与视频放大器隔离,一种宽带微带线检波器,开关与移相器,开关、移相器和衰减器都称为微波控制电路。开关在时分多工器、时分通道选择、脉冲调制、收发开关、波束调整等方面都有广泛的应用,开关的指标：插损尽可能小，关断损耗尽可能大（隔离度高），开关时间要快等,微波开关原理,铁氧体开关的原理是改变偏置磁场的方向（一般用电磁体以方便、快速实现磁场的改变），从而改变信号的传输常数，以达到开关的目的,PIN管在正反向低频信号作用下，对微波信号有开关作用。正偏时对微波信号的衰减很小（0.5dB），反向偏置时对微波信号的衰减很大（大于25dB）,微波开关电路,按接口数量有：单刀单掷（SPST）、单刀双掷（SPDT）、双刀双掷（DPDT）、单刀六掷（SP6T）等,并联型SPDT开关,串联型SPDT开关,串并联复合开关,SPST,SP3T,大功率宽带开关,采用大功率高反向击穿电压的PIN管作为开关管,PIN管的驱动电路,移相器,在通信系统中，调相就是对微波信号相位的控制，在雷达系统中，相控阵天线就是控制送入天线每