《倍频器和上变频器》PPT课件.ppt

第三章倍频器和上变频器 3 1引言Introduction 倍频器的功能是当一个正弦波输入时 输出信号是输入信号的n次谐波 产生微波信号的方法有 1 直接振荡 如磁控管 速调管 雪崩管 体效应 晶体管振荡器等 2 倍频放大链 采用非线性器件产生输入信号的谐波 利用滤波器取出所需要的谐波 直接振荡所产生的微波信号往往信号的频谱纯度及频率稳定度不高 锁相环 本章讨论变容管倍频器和阶跃管倍频器 它们均属于直接倍频的方法 变容管倍频器效率高 主要用于倍频次数较低的场合 单级倍频次数小于8 二次倍频效率50 左右 三次40 左右 但当倍频次数增加后电路复杂 效率降低 输出功率迅速下降 阶跃管倍频器适于高次倍频 单级倍频次数可达20以上 具有结构简单的优点 但输入功率小 效率约为1 N 3 2变容管倍频器 3 2 1基本电路 并联型 串联型 并联型电路流过变容管的电流为输入和输出回路电路之和 因此也称为电路激励型 串联型电路加在变容管两端的电压为输入和输出回路电压的差 因此也叫电压激励型 电流激励型电路中变容管一端接地 因此适合于大功率 电压激励型电路中变容管两端均不接地 因此适合于微带电路 3 2 2基本原理 1 二次倍频器 如果变容管的外加电压满足 为零偏压时的结电容 为势垒电压 在倍频器中 为了提高输出功率 通常采用大信号激励 即 但是当时 且倍频器输出谐波也是大信号 故不能用非线性电容来分析 而需用变容管的电压 电荷关系来分析 下面推导电压 电荷关系 变容管上的电荷为 为时变容管上的电荷 若 即无电荷 当时 所以 令 其中 为归一化电荷 则上式简化为 变容管的电压 电荷关系 由于时 变容管势垒近似消失 势垒电容也趋于零 即 即 为了简单选用突变结变容管 忽略损耗电阻 考虑电流激励型二次倍频器 由于滤波器F1和F2的限制流过变容管的电流只有频率f1和f2的分量 相应变容管两端电荷q1和q2也只有频率f1和f2的分量 归一化 因为 所以 其中 提取和频率的电压分量 直流电压分量为 由可以得到归一化输入和输出电流 由以上归一化电压和电流可以求出归一化平均输入 输出功率 为正 表示向变容管输入功率 为负 表示从变容管输出功率 因为假设 所以输入功率等于输出功率 倍频效率等于100 但实际上变容管总是有损耗电阻 倍频效率不可能达到100 不够由于该电阻很小 效率很高 如果 即回路调谐 此时功率最大 倍频器的归一化输入阻抗 当 的第一个分量与同相 表示输入阻抗的电阻分量 第二个分量滞后90 表示为容抗 因此归一化输入阻抗为 倍频器的归一化输出阻抗 假设变容管两端端接负载阻抗 则 幅相表示 复振幅 归一化负载阻抗为 当负载阻抗与倍频器的输出阻抗共轭相等时 输出功率最大 定义该阻抗为倍频器的输出阻抗 倍频器的效率 实际 但很小对输入 输出阻抗影响不大 但对倍频效率有影响 当存在时 输入电流在上消耗的功率为 为归一化电流 当变容管上电压时 结电容达到最小值 另 所以 另 所以 输出电流在上消耗的功率为 有效输入功率为 有效输出功率为 为非归一化功率 倍频器的效率为 前面的分析中 变容管处于欠激励状态 或 实际中为了增加输出功率 变容管通常处于过激励状态 即在每个激励周期的部分时间 变容管处于正向导通状态 由于这时 将激励信号短路 因此正向电压波型被钳位于 过激励下变容管的电压 电荷关系为 激励状态系数定义为 显然对应 这时为满激励 为欠满激励 为过满激励 过激励下的分析很困难 需要用计算机来分析 D 2时的时变电荷 2 变容管高次倍频器 首先看下面电路能否完成高次倍频 假设变容管中电路波形为 电流为 如果使用突变结变容管 欠激励 则 可见N次谐波电压和电流之间有90 相差 平均功率为零 即 因此 上面电路不能完成高次倍频 这是因为给定的条件 即变容管的电压 电荷关系为平方率 所以只能完成二次倍频 为了完成大于2次的倍频 可以采用以下措施 改用的变容管 如缓变结变容管或其他形式变容管 加大激励信号 使 使变容管的电压电荷关系出现高次非线性项 电压波形被限幅 而出现高次谐波 在电路上想办法 如在电路中加空闲回路 如下图所示 在变容管两端并联一个损耗很低的空闲支路 如果该支路谐振于 代入 可以得到 等频率的电压分量 它们与相应频率的电流的相位相差180 表示三次 四次谐波功率从变容管输出 附加 空闲回路 的作用是将变容管产生的低次谐波能够回送到变容管 提高再次变频将低次谐波的能量转换为高次谐波的能量 在实际工程上 为了提高效率 即使能够完成高次倍频的电路 也在其中采用空闲回路 不过若采用过多的空闲回路 会使倍频器结构复杂 引入许多附加损耗 给设计 调试带来困难 所以回路一般不超过三个 空闲回路 电路举例 微带型二倍频器 微带型四倍频器 低通滤波器 高阻线 开路线 空闲 带通滤波器 3 3阶跃 恢复二极管倍频器 阶跃 恢复二极管是一种特殊的P N结器件 在正弦波激励下 能产生持续时间极短的脉冲 该脉冲含有非常丰富的频率分量 利用这种性质 单次倍频次数可以达到10 20次 而且不需要加空闲回路 3 3 1阶跃 恢复二极管的基本特性及参量 变容管的势垒电容和电压的关系为 当线性指数n为1 15到1 30时 成为阶跃 恢复二极管 SRD 可见结电容几乎没有变化 为什么 对PN结采取特殊措施 加大正偏时的电荷存储效应 使二极管正偏时有很大的扩散电容 此时二极管等效为一个很大的电容 呈现低阻 近似短路 反偏时等效为一个小电容 呈现高阻 近似开路 因此在大信号交流电压激励下 这种特殊结构的变容管呈现两种阻抗状态 具有电容开关特性 为了存储大量电荷 增加少子寿命 阶跃管是在P N 之间加了一层低参杂的N层 为了存储大量电荷 增加少子寿命 阶跃管是在P N 之间加了一层低参杂的N层 正偏时 在P 区大量的空穴注入到N区 由于N区掺杂浓度低 空穴与N层中的电子复合机会少 从而降低了复合速度 提高了少子的寿命 在NN 结中 由于载流子浓度差别形成一个内建电场 该电场阻止N区中的空穴扩散到N 区 怎样增加了N层中的电荷量 在N层两边 杂质分布近似于突变 有很强的减速场 能够充分阻止少数载流子 空穴 离开N区 所以N区为少数载流子有效存储的区域 在NN 结中 由于载流子浓度差别形成一个内建电场 该电场阻止N区中的空穴扩散到N 区 怎样增加了N层中的电荷量 在N层两边 杂质分布近似于突变 有很强的减速场 能够充分阻止少数载流子 空穴 离开N区 所以N区为少数载流子有效存储的区域 当少子的寿命大于外加交流电压的周期时 则信号电压从正向转为反向 正向注入存储电荷未复合的剩余少子 在负半周被内电场拉回去 由此形成较大的反向电流 直到某一时刻 正向期间存储电荷被全部拉回后 反相电流陡降为很小的反向饱和电流 形成了电流阶跃 当外加电压由正变为负时 在交流电压负半周很长一段时间内管子处于导通状态 使二极管的整流作用失效 利用阶跃管由导通恢复到截止的电流突变形成窄脉冲输出 其包含丰富的谐波 故可用来做高次谐波倍频器 阶跃二极管的等效电路 正偏时 流经二极管的电流两端电流由两部分组成 一是存储电荷q所形成的电流 为主要部分 另一部分少数载流子复合形成的电流 为少数载流子的寿命 该电流可看成是流过一个损耗电阻的电流 少子寿命愈长 就愈大 在理想阶跃管中 少子的寿命趋于无穷大 近似开路 阶跃管可以等效为一个恒压源 与扩散电容CD 的串联 由于CD很大 容抗很小 且当信号很大时 可以认为 故理想化等效电路可看成 短路 状态 反偏时 存储的少子将返回 由于存储的电荷数量很大 返回需要一定的时间 一旦存储的电荷全部返回 扩散电容消失 这时只存在二极管的势垒电容 故等效电路如右 理想情况下 于是等效电路中只存在势垒电容 其值约为 正向偏置时 阶跃管中存储大量电荷 t 0时突然开关接到负电源上 二极管中电流变为负向电流IR 但由于存在很大的扩散电容 二极管电压不能突变 阶跃管相当于零偏压 只有经过时间ts后 二极管中的电荷才被清除 此时管子上的电压变为负偏压VR 从电流由正向跳变到反向时开始 到电压为零为止的时间称为 存储时间 载流子寿命越长 存储时间越长 反向电流由0 8IR 或0 9IR 下降到0 2IR 或0 1IR 所需的时间为阶跃时间 另外还有击穿电压VB 结电容 结电容越小 阶跃管越接近于理想开关 但功率容量降低 另外结电容对输出频率呈现的容抗也不能太低 否则效率降低 截止频率 一般要求 动态电阻 正向电压的某个稳定值下 二极管上电压的微小变化与电流的微小变化之比 动态电阻越小越好 正向电流 正向流越大越好 大则存储的电荷多 阶跃幅度大 最大耗散功率 二极管上消耗的功率 通过加散热器可以增加该功率 3 3 1阶跃 恢复二极管倍频器组成和工作原理 方框图 各级波形 偏置电路 匹配电路 激励电感 谐振电路 输出滤波器 负载 信源 脉冲发生器 原理电路图 高频扼流圈 自给偏压电阻 输入滤波匹配网络 激励电感 谐振电路和滤波电路根据具体情况可以是集中参数或分布参数电路 隔直流电容 1脉冲发生器 电流正向流通时 阶跃管相当于短路 故v近似于零 实际为势垒电压 当电流反向流通时 阶跃管存储的电荷开始放电 这时电压仍为 放电完毕时 电路突然减小 阶跃管进入高阻状态 同时激励电感L产生一个反向感应电压 二极管上有一个反向高压脉冲出现 左图 此后二极管有开始正向流通 电压又回到 在负载上得到重复的 周期为T1的脉冲串 下面分别讨论两种状态 导通期间 设初始条件为 流过激励电感的起始电流 方程的解为 直流项 余弦项 线性增长项 当电流为正时 阶跃管存储电荷 当电流反向时存储的电荷释放 当t达到ta时 横坐标上下 正负电流所包含的面积相等时 表明阶跃管存储的电荷已全部清除 这时进入阶跃期 由于导通期间阶跃管等效为一个电压为 的电源 这时输出电压为 阶跃期间 存储电荷释放完毕 扩散电容消失 阶跃管等效为一个势垒电容Cj 相当于一个高速开关将大电容换为小电容 适当调节偏压V0 使ta正好发生在负电流最大的瞬间 即 此时电感上无电压降 同时阶跃管也无电压降 回路中能力全部转换为电感中的磁能 如果忽略势垒电压 这时激励电压的瞬时值和偏压V0相等 极性相反 阶跃管总的外加电压为零 因此在分析时忽略外加激励电压和直流偏压 回路方程为 整理为 解为 因为 所以 其中 为一衰减振荡 上图中虚线 但由于存在阶跃管 当振荡电压正向达到接触电压时 阶跃管导通 因此衰减振荡只能维持半个周期 脉冲的宽度为 实际脉冲宽度tp不一定等于半个周期 但为了保证倍频效率 脉冲宽度至少小于输出信号的周期 故选择原则为 脉冲的腹点出现在tp 2处 脉冲的幅度为 当负载电阻R较大时 将很小 输出脉冲的平均功率 当 很小时 0 3 偏置电压V0 通过调节偏压可以控制使阶跃发生在负电流最大时 如前 阶跃期间 当忽略势垒电压时 管子上总电压为零 当 电压为零 将带入上式可得 导通结束时 阶跃管上的电流为 联立以上各式可以得到 再由导通结束时阶跃管上上总电荷为零的条件得 偏压自给 阶跃管的直流分量 整流电流 通过偏压电阻Rb产生电压降得到 Rb的值取决于所需的偏压及整流电流的大小 可以依下式选择 该值仅属于估算值 实际中需要进行调整 输入阻抗 输入导纳对电流的匹配很重要 可以将电流分解为与基波电压同相分量IR和正交分量IL 并分别与基波电压幅度相比 即得到输入阻抗 为阻抗倍乘系数 它们与N和 的关系曲线 通常估算输入阻抗时 近似认为 为此一调谐电容将电感分量补偿 则输入阻抗为 脉冲频谱 输出电压脉冲波形为 当 很小 并忽略 后 分解为Fourier级数 其中 频谱的相对值为 n为谐波次数 当n N 0时 Cn C0 1 当n N 3 5 7 时 Cn C0 0 即频谱的第一个零点出现在n N 3 即f 3fN 3 tp处 第一个零点零点以内的谱线数量为n 3 2tp tp越小 第一个零点相应频率越高 极限时tp趋向于零 第一个零点频率趋向于无穷 梳状谱的间隔为输入频率f1 利用这一特性可制作梳状波发生器 在用作倍频时 要求tp满足 2谐振电路 不加谐振电路 加谐振电路 频率较低时谐振电路采用集中参数电路 f 300MHz 500MHz 频率较高时可以采用分布参数电路或谐振腔 Cc为耦合电容 其作用是控制负载对谐振线的影响 即控制有载Q值 Cc为无穷大 耦合过强 有载Q值过大 负载直接接在传输线终端 建立不起衰减振荡 输出波形仍然为脉冲串 只是时延四分之一周期 Cc太小 耦合太弱 负载得到的功率小 效率低 有载Q高 频道窄 如果 则 脉冲 负载 同相反射 延迟 阶跃管 此时阶跃结束 阶跃管正向导通 呈现低阻 反相反射 负载上得到的电压为 衰减常数为 选择合适的Q值 使衰减振荡在一个脉冲周期内基本衰减完 一般选为 一个脉冲周期后衰减为 确定以后 如何确定耦合电容 一般情况下 将串联的电容和负载等效为并联形式 可以用一段传输线等效 实际传输线缩短 l 根据传输线理论 长度为 l的传输线等效的容抗为 根据传输线理论 传输线的有载Q值为 假定选择 则 传输线的特性阻抗选择 当脉冲没有被负载反射回来之前 传输线的特性阻抗即为脉冲发生器的负载 该阻抗影响脉冲发生器的阻尼因子 太大 脉冲宽度太宽