（通信与信息系统专业论文）微波倍频技术的研究.pdf

硕士论文 、 微波倍频技术的研究 ab s t r 8 c t on the b asi s o f th ei n t r o d u ct i o nof b as i cm i c row avem u l t i p i i ert h e o ry， t h i s p a per 加 d 七 erana 1 y zes t h e non l i n e arc h arac t e ri st i c s o f th efr e q u e n c ym u i t i p l i e rs ， e s p e c i al l yt h e b as i c m ee h an1 sm o f st epre c o v e ryd i o de m u i 1 i p l i er， w h 0 sed e s i gn and re al i 滋 n g m e t h o ds are p re s ented. thenwe u sethe soft w are a n s o fttod es i gnand s imul ate t h e m u 1 ti pl i erc h a i n 俩 七 i chc anm ake t h e l 0 0 mh zi n p u t s i gna 】 to5 0()0 mh z . f i nail y，m e as u r e 幻 。 e 以and 九 m i ng w o rk o f the t e nt 1 m e s m u l t i p li e r are und e rt a k en. themul t i p l i erworks s 扭 b i l ity and 留h i e v esthe a l mre q u i r e d . k e y w o r d : 肠c r o w a v e ， 介 e q u e n c y mu l ti p l i 氏 step reco v e ryd i o d e 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人已 经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已 在论文中作了明 确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档，可以 借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内 容， 可以向有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 : 年月日 硕士论文徽波倍频技术的研究 1 引言 倍频器是电子技术领域中常用的一类非线性电路，它遍及空间探测、 卫星、外弹 道的测量、雷达、导航、通信、频率合成、仪器等许多方面。其主要作用为: 1 、 获得高稳定度的高频振荡源。 采用倍频技术，将频率低的石英晶体振荡器所 产生的稳定振荡进行倍频，可以得到稳定度较高的微波振荡源。 2 、能够降低电子设备的主振频率。 这对于那些工作频率较高而对稳定性要求又 较严格的通信机和高频设备极为重要。 3 、 扩展设备的工作频段。在电子对抗中需要宽频带的干扰和反千扰收发设备， 采用倍频方式能做到一个或多个倍频程的工作频带。 4 、对于调相或调频发射机， 利用倍频器可以加深调制度，以获得较大的相移或 频移。 5 、由于倍频器容易产生激励信号的各次谐波频率， 所以倍频器成为频率合成器 中不可缺少的一部分。 近几十年来， 固态微波倍频器发展十分迅速，由早期的非线性变阻二极管倍频器 发展到变容二极管、 阶跃管和雪崩管倍频器， 又山双极晶体管倍频器发展到单栅和双 栅微波场效应管( pet)倍频器。当倍频次数较小时，可以用变容二极管、肖特基二极 管及场效应管等来实现倍频。 其中， 变容二极管属电抗器件， 变容管倍频器是利用其 非线性电容特性实现倍频的， 其电路简单，成本低，容易调整，但倍频效率较低，且 倍频时容易产生较大的自 激噪声， 在低噪声倍频时较少采用它:肖 特基二极管属阻性 器件，肖 特基倍频器是利用其非线性电阻特性实现倍频的， 它具有较低的闪烁噪声和 白噪声，倍频的相位噪声性能较好，但倍频效率低;pet 倍频器电路较复杂，但电路 稳定， 倍频效率高且输入输出电路隔离较好。当倍频次数较高时， 应优先采用阶跃恢 复二极管来倍频， 阶跃二极管亦属电抗器件， 阶跃管倍频器是利用其电子跃迁效应产 生的电流脉冲实现倍频的，因此它具有高次高效率倍频的优点， 但电路复杂，电路稳 定性不高，噪声性能比肖 特基管差，且需功率驱动。 总的来说，变容管和阶跃管倍频器属非线性电抗元件倍频，能使倍频效率提高， 特别有利于高次倍频， 但频带窄; 而宽带倍频通常采用电阻性的肖特基管， 但非线性 电阻元件倍频器会带来能量损耗， 所以倍频效率较低，尤其进行高次倍频时，转换效 率会明显下降。 此三类倍频器的机理及实现方法各不相同， 但从能量转换角度看， 它 们的共同特点是倍频器本身不产生额外能量( 无源的) ， 仅仅是把输入信号能量的一部 份转换为所需频率的能量。 而采用有源的场效应管来实现倍频器， 其突出的优点是在 利用非线性特性实现倍频的同时， 把一部分直流能量转换成信号能量， 从而提高了倍 硕士论文 徽波倍频技术的研究 频效率， 它能在一定的宽频带范围内实现倍频增益， 并且能够在输入电路和输出电路 之间提供良好的隔离，因而越来越受到人们的重视。 同时随着新型器件的不断发展和研制成功，h b v ( h e t e r o s t r u c t u r eb a r r i e r v a r a c t o r ) 二极管倍 频器 ， ， a t l ( r t i r i c i a l t r a n s m i s s i 石 nl i n e ) 倍频器， ， 、 平面肖 特基二极管倍频器la 和h 阴t(高电子迁移晶 体管) 倍频器等又不断涌现. 由 于利用商品 化单片集成放大器加少量外围器件就可以获得满意的效果，且调试简单，更换容易， 因此， 现代微波倍频器多运用微波集成技术， 采用商品 化的小型单片放大器进行功率 放大， 同时综合运用以d 技术， 优化设计微波倍频器的微带带通滤波器。 最后加入微 带隔离器，减少负载效应对微波倍频器的影响。 国内外的研究状况: 目 前， 国内一些从事微波电路与系统的高校与研究所都在致力于利用倍频器来实 现高稳定度的微波、毫米波源。国外对倍频器的研究集中在两个方面: ( 1)亚毫米波段倍频器研究:( 2)电路结构采用阴ic形式。鉴于本文的工作是基 于单管倍频基础上的微波倍频技术的研究， 因此以重点介绍国内 外采用单管结构实现 微波倍频的研究状况为主。 r ainer bit ze r 采用梁式引 线的肖 特基势垒二极管和由 微带线、共面线、 缝线构 成的输出巴伦结构， 在陶瓷基片上实现6 一 18 ghz 的宽带倍频。变频损耗为g db， 此时 输入功率为2 0d助， 这种体积小而且廉价的倍频器， 可用来产生宽带测试仪器的本振 信号。l bob 丫 . huang 等采用phe mt单管设计的输入频率为3 . 巧 g hz的微波有源二倍频器， 变频增益大于i o db， 对基波和奇次谐波的抑制分别大于5 4 d b c ， 5 7 d bc， 这是相关文献 报道中变频增益最大的 j e s s ie. j o h n s o n 4 d 枷、 中心频率为3 g h z 等采用p he解单管设计了一微波有源三倍频器，输入功率为 信号， 在输入频率2 . 9 5 g hz时， 输出 达到最佳变频增益3 . 6 7 d b， 且频率带宽为9 . 5 9%，对基波和2 次谐波的抑制大于2 7 d 8c. 电 子工业部第54研究所的甘新华等采用单栅g aas f et管设计了一个工作1 5ghz 频段的四 倍频器， 通过限制优化电路的结构尺寸， 使电 路工作在稳定区。 其结构简单， 有较低的 损耗， 包 括输出 滤波器约为3 db。 17 空军工程大学导弹学院的朱志勇运用c ad技术成功设计并仿真了一个ku波段的 mesfet微波五倍频器;倍频器的 输入频率为2 . s g hz， 输出fz. s ghz ， 在 12 dbm 的输 入功率时， 输出功率为2 . ld bm， 变频损耗1 0 db， 对基波的抑制大于4 4 d bc。洲 本文的主要工作如下: 一、分析了倍频器的基本理论。 二、倍频器的设计。 硕 卜 论文微波倍频技术的研究 1 、五倍频器 ( 1 0 0 m h z 一 5 0 0 m h z )和十倍频器 ( 5 0 0 m h z 一 s g hz)的设计。 2 、滤波器的设计。 3 、放大器的设计。 三、实验结果的分析。 硕士论文 橄波倍须技术的研究 2 倍频器的基本理论 倍频器是常用的微波部件， 在通信、 雷达、 电子对抗及测试仪器中有着广泛的应 用。目 前常用的微波倍频器大致可分为这几类:二极管 ( 变容管、阶跃管、雪崩管、 肖 特基 管 等) 和三极管( 含场效 应管) 倍频 器。 尽管它 们产生 倍频的机理各不相同， 但 无论是何种倍频器， 都是利用其器件的非线性产生谐波。 倍频电路的作用就是有效提 取其中所需的谐波，而将基波和不需要的谐波加以抑制。 2. 1 倍频器概述 所谓倍频器是指能完成输入信号频率倍增功能的电子设备。 图2 . 1 . 1 是一个理想 倍频器的方框图。 图2 . 11理想倍频器方框图 输 入 信号 是叱 co s 矶 1 ， 其 输 入角 频 率 为衅， 通 过n 次 倍 频后 输出 信号 是 气co sn件 t ， 输出 角频率变为n 山 ， ， n 是倍 频次数(n是不等于1 的正整数 ) 。 倍频器的核心部件是非线性器件， 原则上各种非线性器件都能实现倍频。 为了 说 明倍频器的基本原理， 采用简化倍频过程的处理方法， 即忽略所有高阶混合效应， 考 虑一个二端子非线性元件， 其变换特性由 1 。 = f ( v )( 2 . 1 . 1 ) 给 出 。 式中f 为 器 件的 非 线 性 变 换函 数， 它 把 输出 电 流10 与 所 加 入电 压v ， 联系 起 来.按泰勒级数展开上式得: 10 = f (。 ) + 了 (。 )、 十 喜 f ( 。 )v 尹 + 二 艺 ( 2 . 1 . 2 ) 把vl= k co s 琳 r 代入上式， 并画 简前4 项得 一 f (。 ) + 青 ， (。 ): 2 + ， (“ ): + 告 f (0) : 一 、 + 专 ， “，k co s ， wl ; + 去 厂 (。 ): 3 co g ， wl ， + 一 ( 2 . 1 . 3 ) 由 此可见输出除含有直流分量和基波分量外， 还含有二次、 波分 量。 倍频器的 基本目 标就是使 所要的 输出 频率n wl分量最大 三次等无穷多次的谐 ，其余所有频率的输 4 硕士论文 徽波信频技术的研究 出分量都减至最小。 由于变换函数的导数同时受器件和电路的相互作用所控制， 只有 通过细致的电路设计才可实现倍频的目的; 同时可以看出， 杂散是倍频器的一个重要 指标。 2 . 1 . 1 倍频器的分类 固态倍频器按其倍频次数的高低可分为两类: 1 、低次倍频器。单级倍频次数通常不超过5 次，这类倍频器是通过电容呈非线 性变化的功率变容管作用或晶体三极管c 类放大的非线性阻抗实现的。 它的倍频效率 较高( 二极管二倍频效率在5 既以 上， 三倍频可达4 既) ， 输出 功率较大。 但是随着倍频 次数增加，倍频效率和输出功率将迅速降低。如需高次倍频，必须做成多级倍频链， 其中每一单级仍为低次倍频。 2 、高次倍频器。单级倍频次数可达10 一 2 0 以 上，倍频器使用阶跃管。在高次倍 频时， 其倍频效率约为1/n ，n 为倍频次数。因为倍频次数高，故可由 几十兆赫兹的 石英晶体振荡器一级倍频至微波， 得到很稳定的频率输出， 但这种倍频器输出功率较 ，j 、 。 如果按其工作原理，倍频器又可分为两大类: 1 、 非线性电阻倍频。 这类倍频器是利用双极型晶体管(b jt) 、 场效应晶体管( f et) 或二极管的非线性电阻效应把大幅度正弦波变成电流脉冲， 再用选频回路将它的某次 谐波选出，以完成倍频作用。 2 、 非线性电抗倍频， 亦称为“ 参量倍频” 。 其一是利用pn结( 或金属一 半导体结) 电容的非线性变化得到输入信号的谐波， 经滤波器选出需要的频率。 变容二极管倍频 器、 阶跃二极管倍频器以 及利用集电结非线性效应做成的三极管倍频器都是非线性电 容构成的 倍频器; 其二是利用非线性电 感构成的倍频器。 如利用雪崩二极管雪崩渡越 效应引起的非线性电感实现倍频。 2 . 1 . 2 倍频器的噪声和可能的不稳定性侧 倍频器的噪声来源主要有下列几个方面: 1 、由于倍频器激励功率过大，激励电压的峰值超过二极管的击穿电压引起雪崩 现象而产生的噪声，它随激励功率的 增大而增加， 最后使倍频器变得不稳定. 2 、由 于漏电电流和正向 导电引起的、与频率成反比的起伏性噪声， 通过器件的 非线性特性与倍频的信号发生混频，成为倍频的调幅噪声。 3 、 温度和电压变化引起的相位漂移。倍频器的输入、输出电路为了选择有用的 频率信号， 抑制无用谐波， 都不可避免地要用到选频网络。 而选频网络通常又要用到 硕士论文 微波倍频技术的研究 电感、电容元件，它们容易受到温度、 压力、 湿度的影响。当环境温度变化时， 就会 引起失谐，使通过的信号发生相位漂移，很小的一点变化就会增大原有的相位噪声。 4 、由倍频器电路中的参量振荡和偏置电路的驰张振荡造成的噪声。 5 、近载频相位噪声，当倍频器加上激励功率后，除了产生谐波功率外， 还会产 生直流功率和很低频的噪声， 其大小和频率成反比， 这种噪声主要是闪烁噪声。 所以 在接近直流的低频时( 一般在 i k hz 以下) 其噪声非常大。倍频器把这种闪烁噪声同倍 频的 信号 发 生 混频， 就 可以 在 靠 近 倍 频 信号。 ， 的 两 侧产生 噪声 的 调 制 边带， 并 且这 种低 频噪声还会和刀 码的谐波分 量混 合， 也 产生噪声的调 制边带。 . 6 、调幅一 调相变换噪声。倍频器是一种非线性电路，当他的输入端加有信号a m ， 阳 或川干扰波时， 在输出端信号谱线将增多， 并且a m ， 阳或p m波之间也会发生不 同程度的相互转换， 其后果都会使相位噪声增加。 关于胡一 阴转换效应可以这样来理 解: 当两个( 或两个以上的) 不同频率的正弦电压加在非线性电路上时， 输出的基波( 或 谐波) 分量的幅度和相位会相互影响( 非线性引起的交调) ，这个影响会随输入电压幅 度的改变而变化，这就是幅度改变会引起相位变化的原因。 实用的倍频器电路除了考虑噪声外， 还要注意电路工作的稳定性。 倍频器应能允 许功率电平和阻抗大小在一定范围内变化， 而不致于引起电路工作失常。 倍频器的不 稳定性， 轻者将使倍频器的 相噪变坏， 重者将引起强烈的寄生振荡， 使电 路根本无法 工作。 一、 倍频器其不稳定性的一种表现形式是产生寄生振荡和张驰振荡， 造成虚假信 号输出或相位噪声。 1 、参量振荡。 若 倍频器电 路中 存 在输 入 频 率码， 和 其 它 频 率码， 叭的 谐 振回 路时， 只 要满 足 条 件矶= 口 : + 口 : ， 就 会 发 生 参 量 振 荡， 破 坏 倍 频 器 的 正 常 工 作。 避免 倍 频电 路中 参 量振荡的最有效的方法是: 尽可能消除电 路中的空闲谐振， 特别是直流至输入频率这 段范围内的谐振，因为它能引起很大的负阻，导致严重的不稳定性。 2 、由于闪烁噪声引起的张弛振荡。 寄生通带的频率和变容管的 热时间常数的 倒数接近相等时，就会造成热张弛振 荡。 例如自 偏回路对变容管所呈现的阻抗很高时， 温度敏感的反向 漏电流噪声会引 起 低频张驰振荡。为此，偏置回路阻抗应取的低些。 3 、 偏置回路、匹配和调谐电 路调节不当引 起的寄生振荡。 当 偏置电 路调整不合适时， 可以 发现输出 倍频信号中有寄生振荡产生， 这时二极 管的偏置电压升高时偏置电流反而下降， 也就是偏置电路中出现了负阻现象。 当倍频 器出 现负阻现象时， 可以产生张驰振荡， 用示波器可以观察到偏置电路中的张驰振荡 波形。由 于张驰振荡的存在， 将严重影响倍频器工作， 使信噪比大大变坏。当把激励 6 硕士论文 徽波倍频技术的研究 源断开或适当调整激励功率大小、 或适当调节偏置电阻和调谐电路， 可以消除该寄生 振荡。 当输入低通变阻滤波器的半可调电容调到某些位置时， 电路出现寄生振荡， 输出 频谱变坏、 其原因是由于输入低通变阻滤波器的电抗调节不当， 引起电路失配使输入 总 反 射 系 数 的 模川卜 1 构 成 负 阻 条 件 ， 导 致 电 路 不 稳 定 ， 产 生 寄 生 振 荡 。 当 输 入 电 路 愈复杂，出现这种不稳定的现象机会愈多，调整愈困难. 当输出电路，例如输出滤波 器调整不当时， 会使倍频过程产生谐波干扰， 分谐波干扰以及各种组合干扰不能有效 地滤除，因而造成杂波抑制不良，干扰和噪声显著增大，导致频谱纯度变坏。 二、 另一种表现在输入、 输出特性的回滞现象， 而往往回滞现象严重的时候又伴 随寄生振荡。 倍频器的回滞现象主要表现在三点: 1 、调节偏压过程中，偏压由大变小和由小变大所得的功率曲线不能重叠出现类 似磁滞回线形状，而且随着激励功率加大滞后现象变得更加明显. 2 、调节激励功率的过程中，激励功率由小变大和由大变小过程中，所得的输出 功率( 或效率) 曲线出现滞回曲线形状。 3 、调节输入匹配电 路时，倍频器输出功率( 或效率) 由小增大，当输出功率大到 某种程度后， 再继续调节可变电容， 将使输出功率骤然跳变到零， 这是由于调节输入 电抗所引起的回滞效应. 在滤波器的调节过程中也偶尔出现这种现象， 但以调节输入 电抗的影响比 较严重。 这种功率突变现象对倍频器的稳定性危害很大， 调试时应力求 避免。 2 . 1 . 3 微波倍频器的实现途径tlo ， 【 ， 11 实现倍频是以电路的非线性现象为基础， 电 路的非线性现象可分为电阻非线性和 电抗非线性。电阻非线性则阻抗可变，即直流电流与电压之间具有非线性静态关系。 例如pn结就呈现这种特性，双极晶体管和砷化稼场效应晶体管也可用作非线性电阻 微波倍频器件。 经典的非线性电 抗微波器件是变容二极管和阶跃恢复二极管， 前者的 耗尽层电容与外加电压大小有关， 在负偏压作用下呈现高q 非线性电抗， 后者的非线 性来自 扩散电容。二者的根本机理都是电荷与电压的非线性关系。 原则上， 各种非线性器件如非线性电阻、 电感或电容等， 都可以实现微波倍频器 倍频。一般其倍频实现途径有以下7 种方法: 1 、 用二极管p n 结的静态非线性v 一 1 关系，即非线性电阻产生谐波; 2 、 用 变 容二 极管 的 非 线 性电 抗 实 现参 量倍 频: 3 、用阶跃恢复二极管产生谐波，做高次倍频; 4 、用宽带单片放大器的非线性产生谐波，并放大谐波构成宽带倍频器: 7 硕士论文 微波倍频技术的研究 5 、用砷化镍场效应晶体管得到具有增益的倍频器: 6 、用双极晶体管的非线性，即c 类放大器产生谐波，同时还有增益; 7 、振荡器被注入锁定在基准频率的n 次谐波上，实现倍频. 为了在所需频率上获得最大输出功率，对倍频器的设计必须满足两个条件: 一是非线性展开式中必须包含有产生它所需的分量， 也就是应适当选择所用器件 和偏置电 路; 二是所选电 路必须保证使不需要的谐波分量输出 功率最小， 并保证器件 电路的 相互作用都能把寄生元件的影响予以 消除。 2. 2 阶跃管倍频器 阶跃恢复二极管( s r d)简称为阶跃管。图2 . 2 . 1 示出了 阶跃管的结电容和外加电 压之间的关系。 从图看出， 当外加电压由负值变成正值时其结电容由较小的势垒电容 c m .。 变为 很大的 扩散电 容和势垒电 容之和显 示了电 容突 变的强烈非线性。 这样， 阶跃 管在两种不同的电压的作用下， 可等效为一个电 抗可控开关， 能用导通( 低阻) 和截止 ( 高阻) 两种不同的电路来等效。 土 c mln 图2. 2. 1阶跃管v c特性2， 2 2阶跃管等效电 路 阶跃恢复二极管倍频器的 基本原理是: 阶跃管利用这种电 荷开关效应把每一个输 入的信源能量转换为一个谐波丰富的大幅度脉冲，然后再利用它激励一个谐振电路， 得到所需频率的衰减振荡，最后通过带通滤波器在负载上得到所需的谐波。 阶跃管正反向导通的等效电路如图22 . 2 所示，二极管伏安特性的表达式为: q ， 1 = 八e 打一 11 式中:为二极管反向饱和电流 数; t 为绝对温度:n 为理想因子。 v 为外加电压: q 为电子电荷 ;k ( 2 ， 2 . 1 ) 为波尔兹曼常 c，.的 表 达 式 如 下 : 硕士论文 徽波倍频技术的研究 q 式中 : cj 。 为 零 偏 结电 容 ; 几代 表 非 线 性电 容 部 分， = 止丛一(2 . 2 . 2) v _ _ 气 k为 结电 势 : m 为 梯 度系 数。 r ， 为欧姆接触电阻， 线性不变。阶跃恢复二极管作在 实际电 路模拟中，还要结合封装形式考虑引线电感和管壳电容带来的寄生影响。 由 上 述几 ， n， cj 。 ，r ， 及 其 它 一 些 表 征 噪 声 特 性 和 温 度 特 性 的 参 数 ， 组 成 阶 跃 恢 复 二 极 管 的s p i c e 模 型 参 数 。 根 据 这 些s p i o e 模 型 参 数 ， 便 可 获 知了 和 q的 特 性 ， 即时域电 路模型，再利用谐波平衡法对电路特性进行分析。 本文后面章节将会对阶跃恢复二极管的倍频技术作详细介绍. 2 3非线性电路的分析方法 目 前分析非线性微波电路比较流行的方法是频域分析法。 其中， 有两种方法比较 重要， 一种是谐波平衡法，另一种是非线性转移函数法。 谐波平衡法主要用于一个大 信号激励的强非线性电路，诸如晶体管放大器、混频器的本振电路，频率倍频器等. 本文采用的非线性电路分析方法即为谐波平衡法。 所谓 谐波平衡 法tl2 lll 勺月 是在时 域和频 域上交替迭 代求其平衡的 混合方 法， 在其计 算中， 是利用傅立叶变换和逆变换将非线性网络和线性网络时域和频域联系起来。 谐 波平衡法是分析单一频率信号激励强或弱非线性电 路的最为有效的方法. nl安) vs(t) 图 2 . 3 . 1 一般非线性微波部件的等效电路 图2 . 3 . 1 为非线性微波部件的框图。 假设激励仅含有基波分量， 并有直流偏置加 在输入或输出部分。 网络匹配的作用是优化电路性能、 给固体器件加偏置、 滤除各种 谐波。 非线性固体器件方框中， 可以是晶体管的准静态等效电 路， 也可以是二极管的 准静态等效电路。 、 硕士论文 徽波倍预技术的研究 由于图2 . 3 . 1 所示的电路是处于大信号单频激励状态下的非线性电路， 显然， 应 该采用谐波平衡法。 谐波平衡分析法的基本思想: 找一组端口电压波形( 或者谐波电压分量) ， 它应能 使线性子网络方程和非线性子网络方程给出相同的电流。 实质上就是建立谐波平衡方 程， 然后采用恰当的方法求解。 下面具体介绍谐波平衡分析法， 将整个电路分解成线 性子网络和非线性网络两部分，如图2 . 3 . 2 所示。在这两部分的连接处应满足: 1+1=0 ( 2 . 3 . 1 ) 式中 1 = 石 ， 人， ， 入 ， ， 1 ， 1 : 乙= 【 乙 。 ， 乙 : ， ， 几 ， ， 爪卜( 1 = 1 ， 2 ， 3 ， ， n ) 1 = 1 、 ， 1 2 ， ， 1 ， ， ， 、 ; 1 ， = i，. ， 石 2 ， ， 1 。 ， ， ji ;( 1 =1 ， 2 ， 3 ， ， n) 其 中 i(， .j ) ， i(i .j ) 为 第工 个 端口 上 的 第j 阶 电 路 谐 波 分 量 。 输出口 图 2 . 3 . 2一个非线性微波电 路被分成线性和非线性子电路 对于线性子电路进行线性网络分析得到下式: 1 = 15+ 场二 h v( 2 . 3 ， 2 ) 式中: 硕士论文微波倍频技术的研究 v = 比， 屹 ， ， k ， 心r k= 伏 。 ， k : ， ， 气 ， 珠t (i = 1，2，3 ， ， n ) 其 中气 .j ， 为 第 1 个 端口 第j 阶 分 量 谐 波电 压 。 喻喻 不 .， ， ， 苏 一二 十 2 儿 .n + :乙 ， 。 儿 .h + ，乙， + 2 ( 2 . 3 . 3 ) 一.月 一一 is 翻= 陈 k ，0，0 ， 气 2，0，0， r ，.lesesesesesesesesesesesesj nn俐 v们y，丫口 珠几 巧2 称几甄 - 瓶 分别是第n +1 和n +2个端口上的直流偏压:vs是第 n +l个端口上的 激励电压。对于非线性子电路可以根据它的电路一电压间的时域关系: 1 ， (t ) = f ( v ， (t ) ， v z ( t ) ， ， v ， ( t ) ) ( 2 . 3 . 4 ) 通过傅里叶变换得到非线性子电路电流一电压间的频域关系: 1 ， (t ) 一 1 ( v ) ( 2 。 3 。 5 ) 由式1 + 1 = 0 得: 15+ 巧x ， 犷 + 1 ， ( v ) = 0( 2 . 3 . 6 ) 解此非线性方程组即得到vo 谐波数目的选取: 在非线性分析中， 产生的波形含有无穷多个谐波， 因此， 对一个非线性电路工作 状态的完整描述就需要无限维电流和电压向量. 频率分量的幅度随频率明显减小， 而 时间 波形将表现为无限大的功率。因 此总可以略去高于某一最大次数k 的所有谐波。 谐波平衡分析中， k 的选择很关键，k 选的太小，会使精度下降，收敛困难。k 选的 太大时，求解过程变慢，从而使计算时间过长，增加计算机的存储。. 硕士论文徽波倍频技术的研究 选择k 的最简单原则是由 器件等效电 路中电容的大小而定， 高于某个频率， 其容 纳大于电路的电导， 其电压分量的幅度小到可以忽略， 从效果上讲它们是短路的。 在 选择k 的大小时，还要考虑到起支配地位的非线性强弱和激励信号幅度的大小。 硕士论文 微波倍频技术的研究 3微波无源倍频技术研究 本章以阶跃恢复二极管作为倍频管来研究微波无源倍频电路， 设计了一个十次倍 频器。下面从介绍阶跃恢复二极管的特性着手，对阶跃管倍频器进行了应用研究。 1 1 阶跃二极管 阶跃恢复二极管 ( s r d ) 是一种具有很强非线性导电特性的二极管。 虽然原理上， 阶跃恢复二极管可以 从任意二极管制造出来，实际器件通常以p in结构为基础。s rd 也称急返二极管 ( s nap 一 b ackd i o d e) ，是一种电荷储存形式的二极管， 在高效率谐 波产生的倍频器的应用中是有用的。 由于这种二极管具有极强的非线性开关特性， 谐 波效率可以 达到1 /n， 这里n 指谐波系数。 对比变容管倍频器， 后者的效率为l/n 的 平方量级。 阶跃恢复二极管倍频器不需要空闲回路， 因而电路十分简单和紧凑。 为此， s r d 通常用于需要高效率高阶倍频器的场合， 如用于倍频器和梳齿波发生器中。 3 . 1 . 1 阶跃二极管的工作特性 阶跃 二极管州 的 工作特性取决于某 些半 导体的电 荷存储特性。 像硅这样的间 接带 隙材料中少数载流子寿命可以 达到l us至数百ms 的量级，取决于晶体质量和杂质分 布， 因此， 在微波频率， 这类材料中的少数载流子可以在射频周期的时间量级内保持 自由态而无复合。这类材料可以用于制造电荷存储器件。相比起来，像g aas 这样的 化合物半导体具有直接带隙， 且一般其少数载流子寿命较短， 因而在这类应用中是无 用的。 s r d 中的重要考虑因素是电荷提取时间， 它取决于电 荷载流子通过二极管的渡 跃时间. 与少数载流子寿命相比，电荷提取时间较短。 s rd的工作严重依赖于电荷复 合。 如果存储的电 荷在器件内 保持一段比 射频周期长的时间， 则将产生复合， 而且降 低器件的效率。 这一考虑因素决定频率的下限， 在这一频率， 预期给定器件工作于一 个令人满意的模式。 频率下限以电荷寿命的倒数来定义， 二极管能有效地产生谐波的 上限频率是以 渡跃时间的倒数来定义的。 为了 有效的工作， 电 荷应由终端偏转置来消 除， 而不是通过复合丢失。 少数载流子的电 荷复合体现一种损耗机理， 它限制了这种 器件的谐波产生效率。 在高频信号的作用下， 阶跃管与普通的二极管具有不同的特点。 在正向电 压的作 用期间， 阶跃管与普通的二极管一样正向导通; 但在反向电压作用时， 阶跃管内由于 电 荷储存作用，电流并不立即截止，而是有很大的反向电流导通。直到某一时刻( 储 存电荷放完) 才立即截止，形成了电流的 “ 阶跃”。而普通二极管在反向电压的作用 下并不导通， 仅仅只有极微小的反向电流。 图3 . 1 . 1 示出了 阶跃管与普通二极管的电 1 3 硕十论文微波倍频技术的研究 流波形。由于电流的跳变， 在外电路中将产生极窄的脉冲串、 这种脉冲串的高次谐波 含量十分丰富，利用它可以进行高次倍频，而不需要附加空闲电路。 图3 . 1 . 1在正弦电压作用下，阶跃管与普通管的电 流波形 从 上 述不难看出 影响 阶跃管 倍频效 果的 主要因 素 是阶跃管的 阶跃时间t ， 以 及电 荷储存时 间t ， 。 反向电 流由 最大 值的8 既 跃 变到2 既的 时间叫 阶跃时间心 ， 心 愈小 谐波 愈丰 富 . 显 然， 存 储时 间心 与 少 数 载 流 子的 寿命t 有关。: 越大， 复 合 越 慢， 少 数 载 流子 储存 越多。 理想情况下，r = 。 ， t ， = 00 3 . 1 . 2 阶跃恢复二极管的电参数和工作参量 阶 跃 恢 复 二 极 管 的 等 效 电 路 如 图 所 示 ， 其 中 r 、 为 二 极 管 串 联电 阻 ， q为 反 向 结 电 容( 势垒电 容) ， r ， 为正向 注入时的 等效 损耗电阻， 。 为二极管的 势垒电 压， q为 二极管正向注入存储电荷所附加的电容，即扩散电容或储存电容。 马 r . 今c : 图3 . 1 . 2 . 1阶跃恢复二极管的等效电 路 阶跃二极管的主要工作参量为: 1 阶跃时间汽 为获得高 效 率倍频的关 键参数， 一般认为右 小于 所需频率输出 频率人周期 的一 半， 至少小于 周期兀。 贮存时间t ，和寿命r 有一定关系， 可用下列关系式表示: r一 ， 会 ) ( 3 . 1 . 2 . 1 ) 为 保证贮存电 荷不复合， 应选择r 至少大于输入信号周期的3 倍。 2击穿电 压u : 硕士论文 徽波倍频技术的研究 当反向偏压较大时，阶跃恢复二极管的反向电流迅速增大而导致击穿，为 了 提高 功率承受能 力， 应提高 击穿电 压u ， 。 3 结 电 容q 结电容为表面势垒空间电荷形成的电容， 它与半导体的性质、 金属一 半导体 的 接 触 面 积 以 及 所 加电 压 有 关 。 为了 减 少 和 串 联电 阻 的 放电 时 间 ， q应 小， 但c，太 小又限制了功率容量。 4 动 态电 阻 凡 动态电阻是指正向的某个稳定状态下二极管上电压的微小增量之比。实际 上 它 包 括了 串 联电 阻rs和 势 垒 正向 电 阻r ， 所 表 示 的 损 耗，r 了 应 越 小 越 好。 3. 2 阶跃二极管倍频电 路原理及分析 阶跃恢复二极管是利用电荷储存作用而产生高效率的特殊变容管。 阶跃管可以作 为高次的倍频器，其工作频率范围可从几十阳2 至几十g hz。这种倍频器结构简单， 效率高， 性能稳定，同时得到很高的频率稳定度。 为了把阶跃管用于高次倍频， 希望 电流跳变的幅度越大越好， 跳变时间越短越好。 这样的管子作为倍频器时， 其高次谐 波的分量非常丰富， 高次倍频的效率当然也会高。 为了 达到这些要求， 要求我们在选 择管子要注意以下两个方面: 1 、加大载流子寿命， 这样可使载流子复合部分损失减少， 使大部分正向 存储电 荷转化为反向电 流。 2 、尽量减少阶跃时间以 提高反向电 流跳变速度。 阶跃管倍频器的电 路构成和各级波形如图3 . 2 . 1 所示。 阶跃管的作用是把每一个 周 期( 不 ) 输 入的 信源能 量转换为一 个谐波 丰富的 大幅度脉冲: 再利用它激励一个谐振 电 路， 得到 频 率为几= 袱的 衰 减 振荡， 最后 通 过 带 通滤 波 器 在负 载上 得到n 次 谐波 的等幅波。 硕士论文 微波倍频技术的研究 图3 .2 . ， 倍频器原理框图与各级波形 3 . 2 . 1 脉冲发生器 图3 ， 2 . 1 . 1 为 阶 跃 脉 冲 发 生 器 电 路 图 ， 其 中 v 、 = 犷 s in( 叭 1 + 的为 输 入 正 弦 信 号 ， l 为 激 励 电 感，气 为 负 偏 压，r : 为 脉 冲 发 生 器 的 等 效电 路。 下面就阶跃管的导通和截止两种不同的工作状态对脉冲发生器进行分析。 ( 1) 导通期间 当 v : 十 卜 气 ) 之 。 时 ， 二 极 管 上 的 压 降 嵌 位 于 巾 ， 同 时 阶 跃 管 相 当 于 一 个 大 电 容 c ( 扩散电 容) ，由 激励对其充电，等效电 路如图3 . 2 . 1 . 2 所示。 电路微分方程为: “ f sj n(畔 t + 仍一 凡一 中 ( 3 . 2 . 1 . 1 ) 设 初 始 条 件 魂 。 = 1 。 ， 1 。 为 电 感 中 的 起 始 电 流 ， 则 解 方 程 得 : i(t ) 一 了 。 、 共cos。 一 。 。 5 佃 :， 十 期 - a，l vo+ 巾 l ( 321 . 2 ) 硕士论文 微波倍频技术的研究 图3 . 2 . 11阶跃脉冲发生器电路图3 . 2 ， 12导通期的 等效电路 由此可见，电流由 三部分组成:直流分量，余弦分量和线性下降项，其波形如图 3 . 2 . 1 . 3 所示。 图32 . 13阶跃管上电爪、 (2 )脉冲期间 为了说明阶跃期间阶跃管上的电 流、电压波形， 电流波形 假定i(l) 达到负的最大值，即: 引 、 。 。 ( 32 . 1 . 3 ) 产生阶跃，则有: v s i n ( 口 ，t + 0 ) 一 vo一 。= 0 ( 3 . 2 . 1 . 4) 即: 犷 s in(码 t + 的一 凡一 中= 0 ( 3 . 2 . 1 5 ) 相对于二极管反向 激励电 压，中 很小，由 此可以画出 阶跃期间的等效电 路如图 3 . 2 . 1 . 4 所示。 由图32 . 1 ， 4 可得: 硕士论文 徽波倍频技术的研究 1 : ( t ) + co _ di l di dtdt =o( 3 . 2 . 1 . 6) 图 3 . 2 ， 1 . 4阶跃管等效电 路 令t = t 。 时 刻为阶跃期的 起始时 刻t = 0 ， 起始条 件为: 一 1 1 =o ( 3 2. 1 . 7 ) 肠 比vo 解得: 几 ( t ) = 一 几 e 一 ， (c o s 。 、 t 一 上s in 。 ， t ) ( 3 . 2 . 1 . 8 ) 口刀 式中: 1_ 和n ，二.万二丈尸 = ， 下=于 式 : 七 。 寸 1 一 咨 名 咨 一 舟二厚 式 *v 0 、 一 厚 毛 为阻 尼因 子， 有电 路 参 数决 定。 适当 地 选择 激 励电 感 和r : ， 对一定的 阶 跃管 使 省 代 1 ， 则1 : (t)为衰减振荡。 负 载上电 压波形为: v。)=、 、 =一石 exp (一、 )翼n。， ov i 一 一 v i 一 9 - ( 3 . 2 . 1 . 9 ) 电压波也是一衰减振荡。 实际上振荡不可能维持下去， 因为一旦进入正半周， 降被嵌位于护 ， 脉冲发生器又将恢复到导通期的等效电 路 阶跃二极管又将导通， 管压 。 因 此上述衰减振荡只在口 ， 硕士论文 微波倍频技术的研究 的第一个负半周期有效， 如图3 . 2 . 1 ， 5 的实线部分， 可见形成大幅度窄脉冲电压只是 半 个 正 弦 波。 由 此 产 生 的 脉 冲宽 度t ， 为 : t . = 互= 二 2。 万= n 竺鱼( 3 . 2 . 1 . 1 0 ) 1 一 咨 111 几 与 图3 :21 .5阶跃管电 压、电流波形 ! 与 图3 .2 . 1 6脉冲发生器的基波等效电 路 (3)偏置电压的选择 在 分 析 阶 跃 管 导 通 期 间 ， 当 外 加 激 励 电 压 v : 和 负 偏 压 一 v 。 叠 加 之 值 大 于 护 时 ， 二 极管导通。 当输入电压幅度v 及倍频次数n 确定后， 必须选择并调整合适的偏压， 使 满足每个周期电流阶跃发生在电流最大值瞬间。 偏压可以外给， 也可以自 给。 本文使用的是自 给偏压。自 给偏压通常由二极管的 直流 分 量经偏压电 阻r ， 产生压降而得。 r * 的大小影响 偏压气的 大小， 代不仅影响 倍 频 器的 输出 功率、 倍频 效率， 而且还影响 倍频器的 稳定性。凡可用下面的公式近似 估算: r 。 n刀 ( 3 . 2 . 1 . 1 1 ) q 2 公 侧下不了 只 尸 式中 r 为 少 数 载流 子寿 命，q为 输 入 调 协电 容， n 为 倍 频次 数。 (4 )输入导纳 为了使激励源功率能有效地送入阶跃管， 必须要求激励源与阶跃管脉冲发生器之 间很好地匹配，因此脉冲发生器的输入导纳的计算对电路的匹配很重要。在图 3 . 2 . 1 . 6 中 ， 我们 把 输入 导 纳rlx定 义 全 基 波电 流的 复 振 幅 与 基 波电 压复 振幅 之比 。 而 输 入 基 波电 流的 复 振 幅可以 分 解 成与 输 入电 压同 相的 分 量( 实数 项1 ， ) 和正 交的 分 量 两 部 分( 虚 数 项几) 两 部 分 : ， 产 告 工 、 5n( 。 + 0 ，dt + 告 厂 ， 5n( ， + 的 dt ( 3 . 2 . 1 . 1 2 ) 硕士论文微波倍频技术的研究 钻 = 苦 工 导 co s(。 ， + ” ，dt + 告 厂 二 co s、 + “ ，dt ( 1 . 2 . 1 . 1 3 ) 其中: _， _ _n ，l=1 ， 一t . =( i j 一 一 ) n 1 。 = 二肠 5 。 一 co s ( 。 ， + 。 、 1 - 哟 儿 声 罕， + 。 ， 摆_ ; . 1 l 小一 夕” 因 此， 利 用上式的 关系可以 求出 输入电 导叹和输入电 纳尽: g ， =口工 尺 。 ( 3 . 2 . 1 . 1 4) b ， = ( 3 . 2 . 1 . 1 5) 叭乙 万 。 式 中r 。 ， x 。 为 阻 抗 倍 乘 系 数， 通 常 估 算 输入 阻 抗 时， 可 以 近 似 认为ro司， xo司， 为 此 可以 用 一 调 谐电 容 将电 感 分 量 补 偿， 则 输 入 阻 抗为2 ， = 口 . l 。 伍 )脉冲电压波形及其频谱 正弦电压激励阶跃管脉冲发生器， 输入电压、 流过阶跃管电流及管子的端电压波 形如图3 . 2 . 1 . 7 所示。 脉冲发生器输出的电压为周期性窄脉冲串，具有丰富的谐波. 当 t ， 愈 小 ， 谐 波 愈 丰 富 ， 与 激 励电 感 和 阶 跃 二 极 管 的 特 性 有 关 。 如果脉冲发生器输出端接一电阻性负载， 则可在相当宽的频率范围内得到间隔为 厂的 均匀频 谱， 故可用作 梳状谱发生 器。 如 果 用作 倍 频器， 直 接 从 频谱中 采用 滤波 器 取出鱿， 效 率 太低， 多 用 脉冲 激 励一 个谐振回路，取出所需要的谐波分量。 硕士论文徽波倍频技术的研究 图3. 2 . 1 . 7正弦电压激励阶跃管脉冲发生器输入电压、管子电流和端电压波形 3 . 2 . 2 谐振电路 效 图3 2 :21阶跃管倍频器谐振电 路对输出波形的影响 由图3 . 2 . 2 . 1 的脉冲频谱可以 看出: 其各次谐波的能量分布是比 较分散的， 对于 这 样 的 频 谱 信 号 ， 直 接 采 用 滤 波 器 取 出 某 一 频 率 信 号 、 但 是 大 部 分 能 量 损 失 掉 ， 倍 频 效 率 不高 . 因 此， 在 脉 冲 发生 器后， 还 应设 法 是 信号能 量 集中 到输出 频率八= 袱 附 近， 以 提高 效 率。 通过 在 脉冲 发生 器 后 接一 个调 谐 于 输出 频率袱 的 谐振回 路， 即 能 满足