西电微波电子线路大作业1

1、微波电子线路大作业姓名：班级：021014学号：肖特基势垒二极管与混频器1肖特基势垒二极管利用金属与半导体接触形成肖特基势垒构成的微波二极管称为肖特基势垒二极管。这种器件对外主要呈现非线性电阻特性，是构成微波混频器、检波器和微波开关等器件的核心元lsrvvyi1片 c也rjrs件。目前绝大多数混频器都采用肖特基势垒二极管，因为肖特基势垒二极管的耗尽电容比 pn结电容小的多，因此肖特基势垒二极管更适合微波频率下工作。 肖特基势垒二极管的等效电路如右图所示：肖特基二极管作为非线性电阻应用时，除结电容之外， 其他都是寄生参量，会对电路的性能造成影响，应尽量减小 它们本身的值，或在微波电路设计时，充分

2、考虑这些寄生参 量的影响。般地，肖特基势垒二极管的伏安特性可以表示为:对于理想的肖特基势垒，；当势垒不理想时，点接触型二极管，面结合型二极管。 如下图是肖特基势垒二极管的伏安特性曲线：1 /肖特基势垒二极管特性参量：1）截止频率2）噪声比（理想情况下）3）中频阻抗4）变频损耗2混频器微波混频器的核心元件是肖特基势垒二极管。混频机理是基于肖特基势垒二极管结电阻的非线性管子在偏压和本振的激励下，跨导随时间变化，加上信号电压后出现一系列频率成分的电流，用滤波器取出所需中频即可。描述二极管混频器的混频过程，需要建立一个等效电路。由于混频二极管是一个单向器 件，不仅与和差拍产生新的频率，而其电流在一定的

3、阻抗上所建立起的电压也会反过来加到 二极管上该电压与和差拍，也产生新的频率。1混频器等效电路如右图所示：信频、中频和镜频电流的幅值为：go由等效电路可以求出变频损耗。微 波混频器的作用是将微波信号转换为中 频信， 频率变换后的能量损耗即为变频损耗。 变频损耗主要包括三部分： (1)由寄生频率产生的净变频损耗。(2)由混频二极管寄生参量引起的结损耗o(3)混频器输入/输出端的失配损耗。结论；混频器的变频损耗载镜频开路时变频损耗最低，镜频匹配时变频损耗 最高。变频损耗与本振功率有关，在最佳本振功率时，变频损耗最低。如下图 所示：簟频损耗/db镜频匹配 镜频短路镜频开路本振功聿/mw微波混频器的基本

4、电路包括单端混频器、平衡混频器和双平衡混频器。为了保证有效地进行混频，微波混频器的基本电路都应满足以下几项主要原则：1、信号功率和本振功率都应能同时加到二极管上，二极管要有直流通路和中频输出回路；2、二极管和信号回路应尽可能做到匹配，以便获得较大的信号功率；3、本机振荡器与混频器之间的耦合应能调节，以便选择合适的工作状态；4、中频输出端应能滤掉高频信号。二变容管和变容管上变频器1变容管变容管：pn结的结电容(主要是势垒电容)随着外加电压的改变而改变， 利用了这一特性可以 构成变容二极管(简称为变容管)。变容管可以构成参量放大器、参量变频器、参量倍频器(谐波发生器)、可变衰减或调制器等。等效电路

5、如右图:其结电容与偏压的关系图:s! 2-2-2 玷心牢马酱小是范cj(0)结电容可以表示为以下普遍形式：cj(u) 十二 式中：m称为结电容非线性系数,u 1m1 i取决于半导体中参杂浓度的分布状态。变容管参数(1)品质因数q截止频率f c f c c(3)反向击穿电压vb表示反向电压承受限.规定vb为反向电流为1ua对应的反偏电压值.使用时电压波动范围为vbw vw(4)自谐振频率串联自谐振频率f sr并联自谐振频率f pr2变容管上变频器功率上变频器的分析方法有电荷分析法和谐波平衡法两种，电荷分析法是属于早期采用的方法。假设二极管上的激励电荷为q(t) qo 2qs sin st 2qp

6、sin pt 2qut sin u式中：假定t=0时初相位均相同。流过二极管的电流为i -2sqsc0sst 2pqp cospt2out qoutc0sout tdt为求的二极管上的电压u(t),应先推导出变容管上的电荷-电压(q-u)特性。根据变容管原理，利用 q(u)cj(u)du关系求得电容上存储的电荷为于是可得q(u) cmin()1 nub) r?( qq(u) q cmin(ub)1 na?( 1)式中：q为v时的结电容上存储的电荷。当u ub时，q(u) qb,则上式可写成 qb qcm.一u1 nq(u) qu、1n根据上式可得()qb qub般近似认为u 时，势垒消失，q趋

7、于零，所以q(u) qb(u 1 nub上式表示q(u)的一般特性。式中：qb按积分式本应为负值，但为使 q-u特性使用方便，因22 uq (u) qb()u b，故得qb2u bu q (u)2 qbaq2(u)由此可画出突变结变电容的q-u特性，如图4-5中实线所示。为分析方便，图中将 u的坐标零点移至 处，并令u u ,故得到-2，、u aq (u)式中：aub_ 2 qb此在上式中令 qb为正值，这并不影响 q-v特性的物理实质。1对于突变结变电容， n ,于是上式可写成2若在变容管上加入正弦变化的电荷激励，根据q-u特性，则二极管上的电压为非正弦波,如图4-5所示。图中二极管上的电压

8、限制在ub 的范围内，为满激励(全激励)状态。此时取qo qb/2,可得到最大交变电荷幅度。将这种最佳状态下的工作参数代入式(4-17),可得q(t) qb(一 2mssinst2mpsin pt2mut sin outt)(4-26)2式中：m为电荷激励系数，msqs, mpqp, moutqo匹。qbqbqb设s p , s p out由式(4-25)求得变容管上的电压为a 2 , 、 u b - 2 , 12u aq (u)qb(一 2ms sin st 2mpsinpt2mut sin outt)qb 21222u b(2ms 2mp2m0ut) 2(mssin stmpsin ptm

9、out sin outt)44(mpmout cos st msmut cos ptm$mpcos outt)无用边带分量和谐波将式(4-26)和式(4-27)进行比较，由变容管上的电压和流过电流之间的相位关系可以看出：对 s、 p和out既有同相分量，也有正交分量，而且对输出频率out,电路呈现负阻及容抗，对 s和p均呈现正阻及容抗，这说明有out频率分量的能量输出。三阶跃恢复二极管和阶跃恢复二极管倍频器1阶跃恢复二极管阶跃恢复二极管(srd可以看做一种特殊的变容管，简称阶跃管。利用阶跃管由导通 恢复到截止的电流突变可以构成窄脉冲输出，也可以利用其丰富的谐波制作梳状频谱发生器或高次倍频器。阶

10、跃管采用了 p nn结构，其中很薄的 n层的载流子浓度很低，几乎接近本征层。阶跃管特性：cj(0)cj(u) cj(0) c0(1-u)0在反偏时结电容近似不变，为一个不变的小电容 c0 (处于高阻状态， 近似开路)。正偏时，形成了较大的扩散电容 cd (处于低阻状态，近似短路)。阶跃管相当于一个电容开关。特点：加正向电压时导通，但i区载流子寿命长，复合慢，在结区有大量电荷贮存， 电压反向时，由于结区的贮存电荷存在， 管子仍然导通，但贮存电荷在载流子抽完后突然消 失，电流截止。加交变电压对应电流波形如右图， 与一般p-n结管子的不同在于导通时载流 子寿命长，复合慢，电压反向时不能立即截止。阶跃

11、管特性参数:(1)贮存时间：电压由正变负，由于贮存电荷效应，管子上电压不能突变。贮存电荷经过时间，管子两端电压降为零。(2)阶跃时间：反向电流消失时间(0.8i r 0.2 ir或0.9i r 0.1 ir),该时间越短越好。(3)其他参数：少子寿命r ,约为信号周期的io倍。还有反向击穿电压 乂，截止频率 fc、反向偏置结电容 cj和最大耗散功率 pmax等.2阶跃恢复二极管倍频器阶跃管的作用是把每一个周期(t1)输入的信源能量转换为一个谐波丰富的大幅度窄脉冲；再利用它激励一个谐振电路，得到频率为fn nf1的衰减波振荡，最后通过带通滤波器在负载上得到 n次谐波的等幅波。输入信号ug u s

12、in( 1t ) ,通过一个激励电感 l激励阶跃管，以便利用电感来储能，使之得到大幅度的阶跃电流，因此 ug应为功率信号源。图中 u0为负偏压，rl为脉冲 发生器的等效负载。(1)导通期间由图的等效电路可求出电路中电流的表达式。电路的微分方程：dil usin( it) uodt假定其实条件为i |i io i0 , i0为电感中起始电流，则解方程得i(t) iolcosilcos( 1t)匕由此可见，电流由三部分组成：直流分量、余弦分量和线性下降项。d- 1tt(2)阶跃期间。假定在 4)达到负的最大值，即 dt t =o,产生阶跃，则可画出节约期间 的等效电路和谢过电路方程：dil 0 u sin( ita) uodtusin( ita) uo 0电路的微分方程为：d(ldi-) li冒0令t ta为阶跃期间的阶跃开始时刻t0时，起始条件为il |t 0 i1u0 |t 00解得电流为il(t) iet(cos nt一 sin nt)n1 l2rl c。为阻尼因子，由电路参数决定。适当选择激励电感和 rl,对一定的阶跃管使1,则il(t)的波形为衰减震荡。负载上的电压波形为1 nt . l / c0uo(t) idt iiexp 99 sin ntc0.