微波电子线路第三章(下).ppt

微波频率变换器 3 5变容管倍频器 从前面的分析中可知 当用大信号正弦电流或正弦电压激励变容管时 由于变容管的非线性容抗的作用 将会产生各次谐波 提取所需频率的分量即可完成倍频功能 同时变容管的损耗极小 因此倍频效率很高 由于变容管倍频器大多是在大信号条件下工作 因此其分析也必须采用电荷分析法 理论上它适用于任意激励电平和电容变化的变容管 本节将介绍变容管倍频器的电荷分析法及分析结论 讨论其性能 并介绍它的典型电路结构 3 5 1变容管倍频器的等效电路及电路方程 在电流激励型电路中 只有一条有源支路 就可以构成参量倍频器电路 取 即泵浦支路不存在 仅由信号源激励变容二极管 可得 微波频率变换器 在忽略非线性电容损耗电阻的情况下 所有谐波输出功率的总和等于基波输入功率 设输入信号频率 输出信号频率为 为倍频次数 假设两个回路中滤波器理想 则只有和两个正弦电流分量通过二极管 实际电路中 除了这两个回路外 一般还需设置 空闲回路 它是除了第n次谐波以外的其它某次谐波的工作回路 但是不从此回路中直接输出功率 因此称为空闲回路 空闲回路在倍频器中起能量转换站的作用 实际上并不空闲 它可以把中间频率的能量再反射回变容管 通过非线性变频作用获得需要的n次倍频信号 有效地提高倍频器的倍频效率 输入信号 输出信号和空闲频率的滤波器 微波频率变换器 电流激励型变容管倍频器的等效电路 可得电荷分析法要求的电路时域方程为 微波频率变换器 3 5 2变容管倍频器的性能 本节以常用的突变结变容管倍频器为例来进行具体倍频器的分析 对突变结变容管 其电容非线性系数 特性满足平方律关系 1 变容管二次倍频器 对于二次倍频器 显然不存在空闲回路 电路时域方程变为 可求得变容管二次倍频器的信号输入阻抗 倍频输出阻抗 输出功率 效率和偏置电压等电路参数 2 变容管高次倍频器 以三次倍频器为例 需设置一个二次倍频的空闲回路 微波频率变换器 综合上述关于突变结变容管倍频器的讨论 可得到以下结论 变容管倍频器的电路参数是由倍频器的电路方程决定 它们都与变容管非线性系数 电路结构及输入信号电平等有关 利用解析方法对电路方程求解是相当麻烦的 现在一般利用计算机对它们进行数值求解 三次倍频器由于引入了一个二次频率的空闲回路 造成了从电路方程到分析结果的复杂化 如果倍频次数更高 空闲回路可能不止一个 可想而知电路的分析和设计将极端复杂化 输出电压 电流之间存在900相位差 输出平均功率必然为零 而且信号频率的电压与电流之间也存在900相位差 变容管也不吸收基波功率 因此可以得出结论 在没有空闲回路的情况下 这种电路不能完成高次 倍频 其根本原因是突变结变容管的电压 电荷关系为平方律 因此只能产生信号频率的二次谐波 而不能产生高次谐波 微波频率变换器 在三次倍频器中 由于设置了二次谐波的空闲回路 二次谐波电流通过空闲回路流回变容管 在非线性电容的变频作用下与基波电流再次混频产生所需要的三次谐波 从而完成三次倍频 空闲回路起了能量转换站的作用 对高次倍频器也是如此 因此在突变结变容管倍频器中 必须设置空闲回路才能完成高次倍频 而且为提高倍频效率 空闲回路不止一个 但是必须注意 由于加设空闲回路后电路结构及调整复杂 因此只要功率 效率能满足要求 则应尽可能少加空闲回路 对于突变结变容管倍频器 还可以采用另外的办法使它能够完成高次倍频 如果加大激励信号和选择合适的负偏压 使得变容管在信号周期的部分时间内呈现导通状态 这时变容管端电压将会因限幅而出现高次谐波 引起变容管的电压 电荷特性高次非线性项的出现 在没有空闲回路的情况下也可以完成高次倍频 微波频率变换器 定义变容管的激励状态参数D为 称为欠激励 称为满激励 称为过激励 变容管二次倍频器工作在不同激励状态下的电荷 电压波形 采用非突变结变容管 原则上不设置空闲回路也可以完成高次倍频 但实际上 为了充分利用中间谐波能量 提高倍频效率 往往都加有空闲回路 微波频率变换器 3 5 3变容管倍频器的电路结构 微带型四次倍频器 典型的并联型倍频器混合集成电路 HMIC 整个电路集成在一块50mm 40mm的氧化铝陶瓷 基片上 微波频率变换器 3 6阶跃管倍频器 阶跃恢复二极管 SRD 是一种特殊的变容管或称电容开关 在外加交流电压的激励下 它相当于一个窄脉冲串发生器 产生丰富的谐波 利用它可以完成高次倍频 本节将介绍阶跃管倍频器的基本组成和性能分析 并介绍它的典型电路结构 3 6 1阶跃管倍频器的工作原理及分析 输入匹配网络完成输入信号源内阻和有载的SRD 包括激励电感 的输入阻抗间的匹配 使输入电压有效地加在SRD上 SRD的作用是把每一个周期的输入信号能量转换为一个谐波丰富的大幅度窄脉冲 激励电感的作用是在SRD导通时存储能量 而在截止瞬间将该能量转换为脉冲能量 微波频率变换器 输出信号谐振电路调谐在第n次谐波上 其作用是将脉冲变换为衰减振荡 以把能量集中在要求输出的第次频率上 并联型SRD倍频器原理图及各级电压 频谱图 微波频率变换器 1 SRD脉冲发生器 SRD脉冲发生器原理图 微波频率变换器 1 导通期间的分析 当信号源电压和偏压叠加 使加到SRD的电压超过势垒电位差时 SRD上压降箝位于 同时SRD相当于一个大扩散电容 由激励源对其充电 由于大扩散电容的容抗很小 近似短路 但管上电压值为 因此等效电路中以一个等效电压源来表示 注意其方向与势垒电位方向相反 负载电阻相对很大 在等效电路中忽略 电路的微分方程为 包括正的直流分量 负的余弦分量和线性下降项 微波频率变换器 导通期间阶跃管上电流 电压波形 当后SRD转为出现大的反向电流 也就是将正向导通时注入的少子电荷清除掉 到时 时间轴上下方正 负电流波形包围的面积近似相等 表明储存的电荷基本清除 反向电流陡降 因此时进入阶跃期间 可见由于激励电压摆动到负半周期以及负偏压的作用 在反向导通期间 二极管等效于大扩散电容放电 管压降仍箝位于 因此整个导通区间内负载上输出电压为 微波频率变换器 2 脉冲期间 阶跃期间 的分析 为了使电流阶跃幅度大 要求发生在达到负的最大值的时刻 这时SRD反偏等效电容中电荷为零 电感的端压为零 则有 当时 各电压之间关系为 相对于二极管反向激励电压而言 脉冲期间阶跃管上电流 电压波形 偏压源正好被抵消 由等效电路可写出这时的电路微分方程 微波频率变换器 根据可求得负载上输出电压为 这是一个衰减振荡波形 但是由于二极管的存在 当振荡电压转入正向 达到接触电位差时 阶跃管又开始导通 端压又将箝位于 因此上述衰减振荡有效的只是第一个负半周期 可见形成的大幅度窄脉冲是半个正弦波形 在外加激励电压的下一个周期 上述过程又将重复发生 因此负载上将获得一个脉冲串的电压波形 这一脉冲串的重复频率即是外加激励电压的频率 周期即是外加激励电压的周期 微波频率变换器 3 脉冲串的频谱 脉冲期间产生的周期性窄脉冲具有丰富的谐波分量 做傅立叶变换 可得频谱分布 脉冲发生器输出脉冲及其频谱 第一个零值点发生在处 所以若脉冲宽度越窄 则第一个零值点的频率越高 频谱特性越平坦 如果用滤波器取出某次谐波成分 就可完成倍频功能 微波频率变换器 对于的成分 其幅度还比较大 所以在的情况下 倍频次数不限于次 而可以取到次倍频输出 换言之 若要求次倍频输出 则脉冲发生器的脉冲宽度允许放宽为 如果脉冲发生器端接一电阻性负载 则可在相当宽的频率范围内得到间隔为的均匀谱线 故这种电路也可用作梳状频谱发生器 4 偏压值的选择 激励电压的初始相位将会影响每周期中电流阶跃的时刻和所形成脉冲串的周期 而输入激励电压的初始相位与偏压值的选择有关 因此必须选择并调整合适的偏压 使相应的最佳 也就是使每个周期的电流阶跃发生在最大值处 而且是在二极管由反偏转到正偏 大于 的时刻 微波频率变换器 正弦电压与偏置共同激励下阶跃管的电流 电压波形 当输入电压幅度及倍频次数确定后 可以通过调整直流偏压值来达到调整的目的 5 输入阻抗 为了使信号源有效地把功率传给SRD 在输入频率上 信号源内阻和二极管的输入阻抗应该匹配 为此 必须求得SRD和推动电感在脉冲工作时的基波总输入阻抗 这就需要将输入电流分解成和输入电压同相的分量和正交分量 与电压相除 就可得到输入电阻和输入电抗 微波频率变换器 2 谐振电路 如果直接在输出端接上合适的滤波器 就可以获得次倍频信号 但其效率总是较低的 应该采取措施使能量向处集中 解决办法是让SRD产生的周期为的窄脉冲串去激励一个谐振回路 产生一个频率为的衰减振荡 谐振电路的具体形式视倍频器输出频率不同而异 在低频段可采用集总参数电路 而在较高频率 一般都采用分布参数的传输线或谐振腔 最简单的一种谐振回路形式是一段特性阻抗为 长度接近的传输线 接在阶跃管和终端负载之间 若将传输线直接接负载电阻 则脉冲将延迟无畸变地传输给负载 现在在传输线与负载之间再接一适当的耦合电容 容抗与的串联阻抗为 它构成传输线终端等效负载 调整的值可以使 因此传输线与终端等效负载失配 微波频率变换器 输出谐振电路及负载上衰减振荡原理图 微波频率变换器 负载衰减振荡频谱 谐振回路的作用是将原来窄脉冲的宽频谱能量集中到附近 SRD倍频器的倍频原理本质上虽然也是利用电容的非线性变化 但它并不是向变容管倍频器那样 直接取出电容非线性变频作用产生的高次谐波 而是设法将阶跃管产生的脉冲能量集中在所需要的高次谐波上 因此它可以不需要空闲回路而达到高效率高次倍频的目的 微波频率变换器 3 输出带通滤波器 经过谐振电路 频谱能量已大部分集中到输出频率附近 为了得到纯净的单一输出频率 滤去不需要的旁频 需要采用输出带通滤波器 因为输入信号频率通常在一定范围内变动 所以输出带通滤波器也相应地具有一定的频带 为输出单一频率 必须有 倍频器的最大带宽必须小于输入频率的最低值 由于实际滤波器没有理想的截止性能 需要把极限带宽缩减为 微波频率变换器 3 6 2阶跃管倍频器的电路 微带型阶跃管五倍频器 其输入信号为1000MHz 输入功率为1W 输出功率100mW 微波频率变换器 输入基波信号通过阻抗变换低通滤波器2 调谐电容和激励电感3 加到阶跃管4上 为得到最大激励 阶跃管的位置应选在输入频率电压波腹上 这一点可以通过选择合适的连接线5的长度来做到 6为传输线 起谐振回路的作用 7为倍频带通滤波器 8为倍频器输出端 9为偏置电路引线 长度应为的奇数倍 其特性阻抗为100