微波基础之混频器和检波器讲解

1、微波基础之混频器和检波器混频与检波 ,均是一种频率变换过程 .它在各种微波系统中 ,特别是在微波接收机中是必不可 少的 .和低频无线电接收机一样 ,超外差微波接收机具有较高的灵敏度.它把从天线接收到的已调制的微波信号（调幅、调频或调相 ）与接收机的本振混频 ,变换为中频已调波 ,然后由中频放大器放大 ,再进行解调 ,输出调制信号 ,而直接检波 式微波接收机 ,则将接收到的微波脉冲 （或其它形式的调幅波 ）经检波后直接变换为视频脉冲 （或其它形式的调制信号 ）, 然后经视频放大器放大输出.它结构简单 ,但灵敏度低 . 微波混频器和检波器还经常应用于微波测试系统中.例如 ,利用混频器将微波信号变换

2、为较低的频率信号 ,以便进行相位、衰减和频率参数的测量；在扫频稳幅系统中，均利用检波器进行微波功率的检测， 而在这些应用中 , 由于工作电平较高 , 对灵敏度要求不高；但要求工作频带宽 .为了实现混频和检波， 必须采用非线性电阻元件。 点接触二极管及肖特基势垒二极管由于它 们的伏安特性具有非线性的特性， 均可作为非线性电阻元件， 用于混频和检波。 目前应用最广的是肖特基势垒二 极管。下面将分别讨论肖特基二极管、混频器及检波器的工作原理及其结构、性能等 . 一、金属 半导体结二极管 点接触二极管和肖特基势垒二极管都是由金属和半导体结构构成的二极管.它们的结构如图712 所示。点接触二极管是用一根

3、金属丝 （ 钨丝或磷铜丝 ）压接在半导体表面 （锗、硅或砷化镓 ）而形成的二极管，金属 丝的尖端很小，其直径仅几微米，所以叫做点接触二极管 .这种二极管可用作混频和检波，直到50 年代末，它还是微波领域中常用的半导体器体.60 年代初，随着半导体平面工艺的发展，才出现面接触型的金属 半导体二极管，叫做肖 特基表面势垒二极管 （或简称肖特基势垒二极管 ），如图 7 12（b）所示。这种二极管是在重掺杂的 N 型半导体衬底 （ 层） 上生长一外延层 （N 层)，在外延层表面利用氧化工艺形成保护膜，利用光刻技术开一几微米的小孔，再蒸 发一层金属膜，并在其上制 作电极焊上引线，最后封装而成。1金属 半

4、导体结二极管的工作原理众所周知， 金属中的自由电子不可能自由地跑到金属外面， 如果要自由电子离开金属就要对 它作功，消耗一定的 能量， 不同的金属所需的能量数值不同， 这个能量称为功函数或脱出功。 不同的半导体其功 函数也不同 .考虑金属 (例如钼)与 N 型半导体 (例如硅)接触。接触前，金属的脱出功是体外静止电子能量 与 该金属费米能级 之 差，即(7-48)对于 N 型半导体，其脱出功 为(7-49)如图 7 13(a)所示 .图中是金属的导带底， 是半导体的导带底， 是半导体价带顶。接触前，由于金属钼的脱出功比 N 型半导体的脱出功大，即.N 型硅的费米能级高于钼的费米能级，这种费米能

5、级的差别意味 着电子密度分布的不同。 当金属和半导体接触后， N 型硅中的电子将向钼中扩散， 接触面的 钼侧带负电， 硅侧带正电， 形成宽度为 d 的空间电荷区， 在这个区存在的内部电场构成了高 度为 的表面势垒。在平衡状态下，两 个费米能级处于同一位置，如图 713(b) 所示。如同 PN 结二极管工作时一样， 当金属 半导体接触面被正向偏置时， 外加电场 E 的方向是 由金属指向半导体，与势垒区内部电场 方向相反，因而削弱了势垒区内部电场，使势垒高度和宽度减小，结果是电子 从半导体流向金属，外电 路中便有正向电流流过。 当正向偏压增加时， 正向电流将指数增加。 当金属 半导体接触面 被反向

6、偏置时，外加电场E 的方向与内部电场方向相同， 使势垒高度和宽度增加 ,这时， 半导体中能够越过势垒顶部的电子数目几乎减小到零。上面的讨论可以看出，金属 半导体结的性质类似于 P-N 结的单向导电性，但金属 半导 体结与普通 P-N 结二极管也存在明显的区别，主要在于金属半导体结是多数载流子器件，而 P-N 结中少数载流子也 参与导电，因为少数载流子有一定寿命，迁移率也较低，从而限制了 P-N 结二极管的高频特性。而金属 半导体结不存 在这种限制，因而高频特性好，开关速度快 .当工作频率很高时， P-N 结中少数载流子的复合跟不上高频周期的变化，在 负半周少数载流子将返回原来区域，形成一定的反

7、向电流，使整流作用变坏，更高频率时，甚至起不到整流作用，而金属 半导体结是不存在这些问题的 .2特性、等效电路和参数根据上面的讨论和实际的测量， 可画出点接触二极管及肖特基势垒二极管的伏安特性， 如图 7-14(a)所示。从图中曲线可以看出， 肖特基管和点接触二极管相比， 具有反向击穿电压高及正向电流起始晚的 主要特点。金属 半导体结的伏安特性，可用下式表示 :式中 为反向饱和电流； e 为电子电荷 ;k 为玻尔兹曼常数； T 为绝对温度； V 为外加偏压； n 为斜率因子，它决定于制造工艺，由实验确定 .当金属 半导体结交界面非常纯净且无任何缺陷时，一般 情况下，金属 半导体结二极管的等效电

8、路如图714（b）其中和 分别为势垒电阻和势垒电容，均随偏压而变化。一般正向的 为几欧姆，反向的 为几十千欧； 和结面积有关，其变化范围在百分之几 到 1PF ； 是串联电阻和 分别是，决定于半导体的衬底和外延层的体电阻，其值约在十分之几到几欧姆； 引线电感 （几个 nH） 和管壳电容 （十分之几 PF）.在这些参数中，起混频作用的是，而 和 一般不起好的作用，的分流降低了通过的射频电流，使整流和混频效率降低。截止频率 为的存在使外加射频电压损失一部分。器件的(7-51)决定了由式 75l 可见，乘积越小，截止频率越高，器件的特性越好。截止频率点接触及肖特基管的最高 使用频率，通常要求零偏压截

9、止频率 为使用频率的 20 倍以上。肖特基势垒二极管和点接触二极管相比， 具有如下优点； 即它的伏安特性更接近理想二极管 的伏安特性，击穿电压高，串联电阻低，势垒电阻变化大 （，噪声低、具有更高的混频和整流效率。而且肖特基 管使用了半导体平面工艺，改善了机械强度， 提高了可靠性和稳定性， 且同一性和重复性更好， 从而肖特基势垒二极管 已广泛用于厘米毫米波性能指标及常用的微波混甚至亚毫米波波段。 二、微波混频器 下面用肖特基势垒二极管作混频器件讨论微波混频器的工作原理、频器的结构。1混频原理肖特基管具有优良的正向非线性伏安特性， 已广泛用于构成微波混频器。 但因其正向导电电 压较高 (0 305

10、v)，使用时要加直流偏压，作为外差接收机前端的混频器， 通常是把从天线接收到的微弱信号(功率电平低于 1W)和本机振荡信号(功率电平在 1mW 以上 )，同时加到肖特基管上。这样，加在极管上的电压为假定二极管的伏安特性可用下式表示(7 53)，将式 (752)代入 (753)式，并在工作点处展开为台劳级数，即，(754)上式右边第一项表示直流、 本振及其谐波的电流， 第三项及其以后各项是高次项可以略去不 计，值得注意的是第 二项，在这里令(7-55)g 是肖特基管微分电导，将随本机振荡信号作周期变化，即它是一个随时间作周期变化的函 数，且是偶函数。将 它展开为傅里叶级数，即(7-56)式中(7

11、-57)(7-58)称肖特基管的平均混频电导， 是对应于本振第 n 次谐波的混频电导。将式 (7 55)、 (756)代入式 (7 54)，略去高次项，得到混频电流为(7-59)在上式中 ,令 n=1,2,3, 可以得到无穷多个不同频率的电流 ,图 7-15 表示其中一部分频谱的相 对位置 .在这些频谱中,首先引起我们注意的是基波混频 (n=1) 后的中频 ,即或这是一次混频电导 和信号电压相乘的结果，即( ) 和镜频(7-60)为了提高由信号频率到中频的变换效率，有时在电路设计中，设法将和频() 加以利用，将它们反射回肖特基管处再一次和本振差拍，就会得到新的中频,即只要相位恰当， 它们就会使

12、原来的中频增加输出， 从而降低变频损耗， 就比较而言，镜频比 和频具有更重要的意 义，因为镜频距信号频率最近，很容易落在信号通频带内 .如上所述， 在新产生的频率中， 只考虑中频和镜频； 因此加在肖特基管上的电压除直流偏压外，还有本振电压信号电压中频电压镜频电压i 流过中频电阻和镜频电阻产生的电压，反向这里的 及 取负号，是因为它们是电流 加到二极管上，如图716 所示。又因它们是信号电压和本振电压差拍产生的， 根据三角函数相乘的变换关系式， 它们应和信号电压取同样 的函数形式。在这些电压中，信号、中频和直流偏压决定二极管的工作点 .现将它们代入伏 安特性的关系式，可以展开 为台劳级数。略去直

13、流项和展开式中的高次项，可得到部分电流表示式为(7-61) 在上式中， 我们只对信号频率、 中频和镜频电流感兴趣， 为简洁起见， 以下用振幅符号表示，如,于是,它们分别为(7-62)式中 前面取负号，因为它们实际上是流向负载的电流，与假定的流向网络的电流 方向相反，式 (7 62)表示一个三端口网络的线性方程组， 这三个端口分别为信号端、 中频端和镜频端。 按照这个方程 组，可画出混频器的等效 电路，如图 717 所示。我们注意到这个等效电路的串联臂的电导是两个端口之间的转移电导(g1 或 g2)，并联臂的电导则保证任意两端口短路时 (电压为零 )，第三端口的输入电导为方程组 (7-62) 及

14、等效电路表明，虽然混频管是一个非线性电导元件，但在条件下，可以把它看成是一个线性时变电导，即 ,一方面，它的电导受本振控制，随时间而变化，另一方面，当给定时，时变电导各次谐波的幅度 ( , , )是常数，对于幅度很小的信号电压及它所产生的中频电压和镜频电压来说，它是线性的。因此可用线性网络来表示它。下面进一步讨论网络参数 , , 和二极管伏安特性的关系。为此，从(7 50)式中令则肖特基势垒二极管的伏安特性可表示为 size=+0二极管电导为将代入上式 ,得到时变电导为(7-63)按照 (7-57)和(7-58)式(7-64)利用修正贝塞尔函数表示式(7-65)这里, 分别为以 为变量的零阶和

15、 n 阶修正贝塞尔函数 .若已知 可从数学手册中查到其数值,于是可得将上式代入 (7-56) 式,得到时变电导表示式为(7-66)为方便起见 ,常用规一化电导表示 ,即(7-67)1.混频器的特性参数表征混频器的性能指标 ,主要是变频损耗 ,噪声系数 , 此外尚有信号与本振端的隔离比 ,输入端 驻波比 ,频带宽度及动态范围等 .下面就变频损耗和噪声系数进行分析 a.变频损耗混频器变频损耗定义为输入到混频网络的信号功率与输出的中频功率之比,即(7-68) 混频器的变频损耗包含由寄生频率产生的净变频损耗、 二极管寄生参数引起的损耗及输入输 出端的失配损耗等。下面 依次进行分析。由寄生频率产生的变频

16、损耗的计算， 应从混频器的等效电路出发， 计算信号端口和中频端口 的传输特性，但它和镜像端口负载情况有关。 这里分三种情况， 即镜像短路 ()、镜像开路 ()及镜像匹配 ()进行分析。在镜像短路情况下， 即镜像频率不被利用，这是基波混频的情况。 这时，图 717 简化为图718 的二端口网络。由图 7 18，求信号源输给混频网络功率为(7-69)式中， I 是信号电流的幅值，是信号源电导。应用代文宁定理求混频器输出到中频负载 的功率 .为此，把从输出端向左看去的电路等效为恒流源 和由电导 (7-18(b). 是输出端短路电流动幅值 ,可表示为(7-70)是恒流源 开路时由中频端向左看的等效电导

17、(7-71)因此 ,混频器输给中频的功率 (当时)为(7-72)于是，变频损耗 可表示为将上式分子分母均除以 ，并令 ，得到下式 上式是 x 的函数 ,改变 x, 即调节信号源电导,可以使变频损耗最小 .为此 ,令求得 时变频损耗最小。这时，的表示式为(7-73)相应地，可求得镜像最佳源电导为(7-74)将式 (7-74)代入 (7-71)式,得到中频电导为(7-75)类似地，可求得镜像匹配时() 的变频损耗最佳源电导及中频电导分别为size=+0(7-77)采用相同的方法， 求得镜像开路 ()时的变频损耗为 最佳源电导及中频电导分别(图 7-14(b). 除结电(7-79)此外，还要考虑寄生

18、参量及失配引起的损耗。根据肖特基管的等效电路阻 外，尚有结电容 ，串联电阻 ，串联电感 及管壳电容 等。其中 及 通常包括在外电路中， 而 及 对外加微 波功率起分压及分流作用， 消耗一部分信号功率， 引起变频损耗， 这时二极管等效电路简化为图 7 19.设 为流向结的总电流幅值， 为结电阻 上电压降的幅值， 不难求得由串联电阻 及结电容 产生的变频损耗为(7-80)若调节偏压，可调节 、 等参数。将式 (780)对 取导数，并令其为零，则当时，得到最小变频损耗，其值为(7-81)混频器的总变频损耗是寄生频率和寄生参数引起的变频损耗之和。 频损耗与本振功率的图 7 20 表示二极管总变关系。

19、由图可见，对于不同参数的二极管，总可以找到一个最佳的本振功率，使总的变频损 耗达到最小。此外，当输入输出失配时，还会产生附加的失配损耗 .b混频器的噪声系数一个接收机质量的好坏， 不仅决定于信号的大小， 还决定于噪声的高低。在微波波段， 噪声 的主要来源是系统内部的噪声。 对于微波混频器的输出噪声， 由输入源电阻产生的噪声及混频二极管产生的噪声 两部分组成。噪声系数是指一个线性两端口网络， 输入端接入和网络输入电阻相等的源电阻， 并处于标准温度()时，网络实际输出的总噪声功率和仅由输入端电阻产生的噪声功率之比，称为网络的噪声系数，即(7-82)式中 G 为网络增益 , 为输入端电阻产生的输出噪

20、声功率令为包括输入端噪声放大是网络内部的噪声功率后的输出及网络内部的噪声 ,即网络输出端的总噪声功率 ,即式中,k是玻尔兹曼常数， B 为网络带宽 .则有(7-83)对于混频器，网络的增益 G 就是变频损耗 。因此，混频器的噪声系数 可表示为。混频器的总输出噪声和电路有关，在镜像短路或开路时，混频器等效为图721所示的两端口网络。图中混频二极管等效为衰减为 的无源网络。其温度为 ( 是混频二极 管噪声温度比 ).首先假定整个电路处于标准温度，于是，总输出噪声功率为上式右边第一项是输入源电阻经衰减后的输出，第二二项是二极管等效网络所产生的噪声。但二极管等效网络应处于温度.所以用替代上式第二项的

21、T 。，便可得到混频器的总输出噪声功率为(7-86)将(7 85)式代入 (784)式，便可得到混频器的噪声系数为(7-87)对于镜像匹配混频器 ,可等效为三端口网络 ,如图 7-22 所示 ,两个输入端表示存在信号和镜像 两个通道 .类似于镜像短路 ,当整个电路温度为时 ,输出噪声为总功率为同样地，对于实际的混频器，用 代替第二项的 ，可得(7-88)镜像匹配混频器和使用方式有关，一种是混频器虽有二个通道，但信号只存在于一个通道， 另一通道 (镜像 )是空闲的，如雷达、 通信、 电子侦察等接收系统中的混频器都是如此。另一类是信号同时存在于两个 通道，如射电天文用的接收混频器。单通道时，噪声系

22、数信号存在于两个通道时(7-89),输入端应考虑两个 ,输入噪声功率为因此 ,双通道噪声系数为3微波混频器的基本电路及结构混频器是微波外差接收机的重要部件， 多年来人们为减少变频损耗， 降低噪声系数， 已研制 成多种实用的混频器，如单端混频器、平衡混频器、正交场平衡混频器、镜像回收混频器等.下面只介绍几种常用的微波混频器 .a单端混频器单端混频器是一种最简单的混频器，其中只有一个混频管.图 723 是一工作于 3GHz 单端混频器。接收的信号，通过宽频带 支撑输入，这个支撑同时为中频及直流偏置提供通路。本振信号通过 50 欧 盘形电阻经耦合探头加到混频二极管。转动调节螺帽可改变耦合探头与同轴线

23、内导体距离，控制本振功率的大小.调节螺帽到滑动接头距离为，使它对本振来说相当于金属绝缘子。中频输出头设计为 的低阻抗线，将几百 欧的中频阻抗变换为低阻抗，以防止微波信号向中频泄漏 .图 7 24 是微带单端混频电路。 图中的微带定向耦合器是信号功率和本振功率混合后加到二 极管上进行混频。信号和本振是分别从定向耦合器的两个隔离端输入， 使它们之间有良好的隔离。 阻抗变换段由相移段将相移段和 变换段组成。这是因为二极管的阻抗通常是一复阻抗，为减少失配损耗，先通过极管阻抗变换为纯阻，再 通过 变换段与定向耦合器输出阻抗匹配。低通滤波器由高频短路块及高阻电感线构 成，其作用是使信号 ,本振及镜像短路而

24、让中频通过。 中频接地线是构成中频到地的通路， 但对信号传输没影响， 通常 用一高阻线段，其长度为信号频率的 中频接地线也是直流接地线，可为二极管提供偏置电压 . 单端混频器电路结构简单，但其性能较差，要求本振功率大， 电路的噪声系数也较大， 这主 要是本振噪声未能抑制的结果。为抑制本振噪声，于是产生了平衡混频器 . b平衡混频器平衡混频器用了二个性能相同的肖特基管， 一种带混合环的微带平衡混频器电路如图7 25所示，它由混合环、阻抗变换器、混频二极管、低通滤波器组成.微带混合环有四个端口，如果各端口中心距离选择合适，比如选择 1-3 端口和 1-2 端口的中心距离为，4-2 端口距离为，而4

25、-3 端口 3。则 4 端口输入本振信号将等幅反相加到 2、3端口，从 1端口输入的信号频率将等幅同相加到 2、 3端。这样信号从 l 端输入 时，等幅同相加到两个二极管 上。对于二极管 :对于二极管 ：本振信号从 4 端输入，等幅反相加到两个二极管上假定两个二极管特性完全相同，在本振作用下，其时变电导分别为对于 ：对于 ：流过二极管的电流等于混频电导和信号电压的乘积，即(7-91)中频电流决定于一次混频电导和信号电压乘积,将上式展开 ,可求得两个二极管上的中频电流如图所示 ,由于二极管和 接的方向相反 , 其中流向电流应相反 ,对中频负载来说 , 两只(7-92)二极管是并联 ,于是 ,流为

26、过中频负载电流为显然 ,若两个二极管接向相同 ,则流过负载的中频电流为零 . 下面进一步分析平衡混频器是怎样抑制本振噪声的.因为本振噪声是本振信号无规则起伏产生的 ,它和本振信号同时反相加到两个二极管上 ,即对于对于将它们和二极管时变电导相乘，取出中频噪声电流为由于两只二极管接向相反，中频负载上噪声电流为因此，图 725 的电路具有抑制本振噪声的功能。 显然，上述混合环的功能，也可用魔 T 实现，如图 726 所示。本振信号从 E 面 4 端 输入，信号从 H 面 3 端输入，在2、1 端分别接入方向相反的混频二极管，便构成波导平衡混频器。 平衡混频器不仅能抑制本振噪声，而且全部信号功率及本振

27、功率都可以加在两个二极管上， 消除了单端混频器的 耦合损耗，而且动态范围也增加了一倍 .c正交场平衡混频器在波导系统中，若采用混合环、匹配双 T 等作为平衡混频器的功率分配电路，往往存在结构复杂、体积大、加工 要求高等缺点。 1960 年后，出现了正交场平衡混频器，它具有体积小、重量轻、结构简单、 调整方便、性能稳定等优点，得到了广泛的应用，已成为目前波导混频器中最实用的结构形式 . 正交场平衡混频器结构如图 7-27 所示 .它由信号输入波导、混频腔和本振输入波导三部分构 成，信号和本振输入波导两者正交地连接到混频腔。 混频腔是一段方形波导， 内装两只混频二极管， 并设有管帽 及中频输出端。

28、这种结构怎样实现平衡混频呢 ?让我们观察加在两只二极管上的电场。如图728 所示，两只二极管串联相接，在连接点有一垂直金属棒通过腔壁伸出腔外， 它一方面作为中频输出线， 另方面对本振场起微 扰作用。图中 (a)表示信号场分布，信号输入波导内的 波在混频腔内激励的电场，其方向和金属棒垂直但与二极 管是平行的。因此，它不受金属棒影响，又能等幅同相地加到两只二极管上，即图 7 28(b)表示腔内本振场的分布。由图 727 可见，本振输入波导内 波在腔内激励的电 场方向和二极管垂直，按理，这样的电场应该对二极管不起作用，但它和金属棒平行，根据场的边界条件， 理想金属表面的切向电场应等于零， 因而，金属棒的存在使电场分布发生畸变， 从而产生了和二极管平行的电场分量