《射频有源电路》PPT课件.ppt

第七章射频有源电路 7 1射频系统中的噪声7 2检波器和混频器7 3晶体管放大器设计7 4振荡器的设计7 5PIN二极管控制电路7 6微波集成电路 MIC 迄今为止我们讨论过的器件和电路都是线性和无源的 然而任何实用的微波系统都离不开非线性有源部件 如二极管 晶体管等 用于检波 混频 放大 振荡 倍频 开关等 有源电路的设计是一个范围广而发展迅速的领域 因此这里只讲解一些基本概念和原理 以及典型电路实例 不涉及器件内部的物理过程 只侧重外特性 7 1微波系统中的噪声 7 1 1动态范围和噪声源动态范围对于一个部件或系统而言 当输入电平很低时 输出取决于放大器的噪声 这个电平就叫做部件或系统的噪声门限 典型值在 60dBm到 100dBm之间 随着输入的增加 输出开始饱和 我们把低于理想放大器输出功率1dB时所对应的输入功率定义为1dB压缩点 从噪声门限到1dB压缩点 就是放大器的动态范围 噪声源分类 根据运动机理不同分 由束缚电荷的热运动引起的热噪声电子管或固态元件中电荷载体的随机波动引起的散弹噪声固态元件和真空管中产生的闪烁噪声 随频率变化很大 又叫做1 f噪声电荷在电离气体 如等离子体 电离层或火花放电 中的随机运动引起的等离子噪声量化噪声 由电荷载体和光子的量化特性引起 与其他噪声源密切相关标准噪声源可分为无源标准噪声源 由某一固定温度下的电阻构成 将它放在恒温槽内有源标准噪声源 要用到气体放电管或雪崩二极管 它产生的噪声功率比无源噪声源高得多 7 1 2噪声功率和等效噪声温度 在一个温度为T的电阻中 电子做随机运动 其动能正比于温度T 这种运动在电阻终端产生小的随机电压起伏 如图7 2所示 该电压均值为零 由普朗克黑体辐射定律得出其均方根值为 7 1 在微波频段 由于hf kT 以上结果可以简化为 此公式广泛用于微波领域 然而在很高的频率或很低的温度下并不适用 这时应该用 7 1 式 7 2 白噪声 功率频谱密度对频率而言为一常量的噪声 图7 2噪声电阻产生的随机电压 图7 2中的噪声电阻可用一个无噪声电阻和噪声发生器代替 令其产生相同的噪声电压 如图7 3所示 终端接电阻R 产生最大的功率转移 结果在带宽为B时送到负载R上的功率为 图7 3通过理想带通滤波器使负载电阻得到最大功率的噪声电阻的等效电路 7 3 等效噪声温度 对于任一白噪声源 如果噪声功率与频率关系不大 就可用一个等效热噪声源来代替 它的重要参量就是等效噪声温度 图7 4所示的任意白噪声源 输出端口的阻抗为R 负载R上得到的噪声功率为PS 在保证PS不变的条件下 该噪声源可用一个温度为Te 阻值为R的噪声电阻代替 Te就是等效噪声温度 7 4 图7 4一个任意白噪声源的等效噪声温度 超噪比 excessnoiseratio 其中 PN和TN分别是发生器的噪声功率和等效噪声温度 Po和To分别是与室温下无源噪声源 匹配负载 相关的噪声功率和温度 固态噪声发生器的ENR典型值在20 40dB之间 7 6 7 1 3用Y因子法测噪声温度 图7 6用Y因子法测量放大器的等效噪声温度 如图7 6 待测放大器或其他元件分别与两个不同温度下的匹配电阻相连 测出两种情况下的输出功率 设T1为热电阻温度 T2为冷电阻温度 T1 T2 P1 P2为相应的输出功率 输出功率由放大器本身产生的噪声功率和来自源电阻的噪声功率组成 即P1 GkT1B GkTeBP2 GkT2B GkTeB 7 7a b Y因子定义为 通过测量输出功率可以得到Y 然后利用负载温度和Y因子 可以得到等效噪声温度为 7 8 7 9 7 1 4噪声系数 噪声系数F是元件的另一个特性参数 表示输入信噪比与输出信噪比的比值 7 10 7 1 5级联系统的噪声系数 考虑两个元件的级联 它们分别具有增益G1 G2 噪声系数F1 F2 和噪声温度Te1 Te2 如图所示 图7 9级联系统的噪声系数和噪声温度 级联系统的噪声温度为 级联系统的噪声系数为 推广到任意级数 级联系统的噪声温度和噪声系数分别为 7 23 7 20 7 21 7 22 7 2检波器和混频器 检波器和混频器是利用微波二极管或晶体管等非线性器件完成频率转换功能的 图7 10所示出它们的三种基本功能 整流 检波和混频 图7 10整流 检波和混拼基本工作原理 7 2 1单端混频器 图7 12单端混频器典型电路 7 31 混频器最重要的参数是变频损耗 定义为 7 2 2平衡混频器 平衡混频器具有较好的输入驻波比 SWR 或RF LO隔离度 由两个或多个单端混频器通过3dB混合接头组成 如图7 14所示 略去匹配和直流偏置电路 图7 14平衡混频器电路 7 2 3其他类型混频器有时为了增强或减弱各种调制产物和谐波的影响 需要用到另外几种混频器 如 反向平行二极管混频器双平衡混频器镜频抑制混频器7 2 4交调产物检波器和混频器利用的是二极管的非线性 这种非线性同时也产生了很多不需要的谐波和混频产物 增加了混频器的变频损耗 导致信号畸变 对放大器也有同样的问题 工程实践中经常使用微波频谱分析仪测量交调产物 7 3晶体管放大器设计 7 3 1转移增益和稳定性 单级微波晶体管放大器的电路框图如下所示 转移功率增益 Gr 定义为传递到负载上的功率与从信号源得到的功率之比 7 47 图7 16一般晶体管放大器电路 放大器的稳定性可以分为两类 无条件稳定 对所有无源的源和负载阻抗 和 即和 都成立 那么网络为无条件稳定 有条件稳定 只对一定范围内无源的源和负载阻抗 和成立 那么网络为有条件稳定 这种情况也称作潜在不稳定 图7 17有条件稳定器件的输出稳定圆 7 3 2最大增益 共轭匹配 设计 放大器的转移功率增益为Gr GSGOGL 对于一个给定的晶体管 GO是固定的 所以Gr主要由匹配段的增益GS和G 决定 要实现最大增益 源 负载阻抗和晶体管之间必须要共扼匹配 在图7 16中 已知从输入匹配网络到晶体管之间发生最大功率转移的条件是 从晶体管到输出匹配网络最大功率转移的条件是 假设匹配段无损 这些条件将使总得转移增益最大 最大增益为 7 56 7 55a 7 55b 7 3 3固定增益圆和特殊增益设计 很多情况下往往需要牺牲增益来改善带宽 或者要求放大器增益为一特定值 这就需要另行设计匹配段 引进失配以减小总增益 设计过程中要用到阻抗圆图上的固定增益圆 为了简化讨论 我们只考虑单向化情况 实际中如果 S12 很小可被忽略时 就可以认为器件是单向的 S12 0 由此引入的转移增益误差由GT GTU给出 7 61 7 61 其中 U定义为单向化品质因子 7 62 GS和GL在单向化情况下的表达式为 当 时 增益最大 得 7 63a b 定义gS和gL为归一化增益因子 即 7 64a b 且 对于gS和gL的固定值 上式分别表示 和 平面上的固定增益圆 由以上两式可以推出两个圆的中心和半径分别 输入端CS RS 输出端CL RL 为 7 65a b 7 66a b 7 3 4固定噪声系数圆和低噪声设计除了稳定性和增益 设计微波放大器需要考虑的另一个重要因素是噪声系数 尤其是用于接收时 要求前置放大器的噪声系数要尽可能低 对于一个放大器 一般不可能同时具有最小的噪声系数和最大增益 所以必须作出某种折衷 下面我们首先给出固定噪声系数圆的公式 一个确定的噪声系数F 对应于平面上的一个圆 先定义噪声系数参量N 7 67 其中 是噪声系数最小时的最佳发射系数 F是噪声系数 Fmin是晶体管最小噪声系数 RN是晶体管等效噪声电阻 Z0是特性阻抗 可以推出固定噪声系数圆的圆心和半径为 7 68a b 7 3 5偏置 图7 22 7 4振荡器的设计 7 4 1单端口负阻振荡器 图7 23 7 4 2晶体管振荡器 图7 24二端口晶体管振荡器电路 7 5PIN二极管控制电路 图7 26PIN二极管开关状态的等效电路 7 5 1单刀单掷开关 图7 27单刀单掷PIN二极管开关 图7 27是两种单刀单掷开关及其偏置电路 图 a 中的二极管处于串联配置 正向偏置时开关为闭合 ON 状态 图 b 中的二极管处于并联配置 反向配置时开关为闭合 ON 状态 这两种情况下 当开关处于打开 OFF 状态时 输入功率将被反射 理想的开关在 ON 状态下 插入损耗为零 在 OFF 下为无穷大 实际中的开关并非如此 先利用图7 28的简化等效电路定义插损为 图7 28串 并联配置单刀单掷PIN二极管开关的简化等效电路 其中VL为实际的负载电压 V0是开关 Zd 不存在时的负载电压 两种电路的结果如下 串联 并联 7 76a b 7 75 Zd为反偏或正偏下的二极管阻抗 即 反偏时 正偏时 7 77 开关的插损可通过加入与二极管串联或并联的外部电抗来改善 以补偿二极管本身的电抗 但这样做的代价是带宽将减少 几个单掷开关可以组合起来 以构成各种多刀和 或多掷开关 图7 29所示的是一个单刀双掷开关的串联和并联电路 这样的开关至少需要两个开关元件 工作时 一个二极管为第阻状态 另一个为高阻状态 改变二极管的偏置状态 输入信号就从一个端口改到另一端口输出 并联电路中的四分之一波长线限制了这种电路的带宽 图7 29单刀双掷PIN二极管开关电路 7 5 2PIN二极管移相器 开关型移相器用两个单刀双掷开关 在两个不同长度的传输线之间选择信号路由 如图7 30 两条线的相移差为 7 78 图7 30开关型移相器 负载型移相器适于要求相移比较小的情况 一般为45 或更小 它的基本工作原理可用图7 31 a 来说明 图7 31负载型移相器 反射型移相器 它使用单刀单掷开关控制发射信号的路长来实现的 图7 32是由90 混合接头构成的反射型移相器 输入信号在混合接头右侧被等分 由于两个二极管处于相同的偏置状态 所以反射波在指定的输出端口同相叠加 调节二极管的开关状态就能改变两路反射波的线长 于是在输出端产生一个 的相移 图7 32用90 混合接头构成的反射型移相器 7 6微波集成电路 MIC 微波集成电路 MIC 能把传输线 分立电阻 电容 电感及有源器件等结合在一起 甚至全部的接收机子系统 如接收机前端和雷达发送 接收模块等 都可以集成在几平方毫米的芯片上 微