第七章微波有源电路1

1、第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室微波工程导论微波工程导论Email:Key:wbgcdl1主讲人：周建明主讲人：周建明4号教学楼号教学楼221房间房间电话：电话机：手机：第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室内容提要内容提要7.1 微波有源器件与网络描述微波有源器件与网络描述7.1.1 微波固态有源器件微波固态有源器件简介简介7.1.2微波单元电路及其微波单元电路及其制造制造7.2微波晶体管放大器的

2、主要技术微波晶体管放大器的主要技术指标指标7.3微波低噪声放大器的设计微波低噪声放大器的设计7.3.1 晶体管放大器的噪声晶体管放大器的噪声特性特性7.3.2 窄带低噪声放大器的设计窄带低噪声放大器的设计7.4微波微波功率放大器功率放大器7.4.1 功率放大器的主要技术指标功率放大器的主要技术指标7.4.2 大信号甲类功率放大器的大信号甲类功率放大器的设计设计7.5微波固态振荡器微波固态振荡器7.5.1简介简介7.5.2基本原理和技术指标基本原理和技术指标7.5.3 晶体管振荡器晶体管振荡器7.5.4 介质谐振器振荡器介质谐振器振荡器7.5.5 YIG调谐宽频带振荡器调谐宽频带振荡器27.6微

3、波调制器与控制电路微波调制器与控制电路7.6.1微波开关微波开关器件器件7.6.2 微波微波移相器移相器7.7微波混频器与微波混频器与倍频器倍频器7.7.1 微波混频器的基本原理微波混频器的基本原理7.7.2 微波混频器的主要技术微波混频器的主要技术指标指标7.7.3 几种典型的微波几种典型的微波混频器混频器7.7.4 微波倍频器的简单微波倍频器的简单介绍介绍7.8射频射频/微波收发前端微波收发前端7.8.1 射频射频/微波微波发射机发射机7.8.2 射频射频/微波微波接收机接收机7.9微波电路的微波电路的CAD7.9.1 常用的微波电路常用的微波电路CAD软件软件7.9.2 微波电路计算辅助

4、设计微波电路计算辅助设计-简介简介7.10微波电路测量微波电路测量技术技术7.10.1常用的微波测试设备常用的微波测试设备7.10.2几种常见的微波参数测量方几种常见的微波参数测量方法法第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.1 微波有源器件与网络描述微波有源器件与网络描述7.1.1 微波固态有源器件简介微波固态有源器件简介1.目前应用最多的器件是硅双极晶体管（简写为BJTs）、砷化镓金属半导体场效应管（GaAs MESFETs，简写为FETs）、GaAs和InP的高电子迁移率晶体管（HEMTs）、SiGe和G

5、aAs两者的异质结双极晶体管（HBTs）等。2.硅双极晶体管有较低的漏电流和低的1/f噪声，只需单个电源供电，而且十分便宜，因此市场占有率高，用于放大器可工作于2-10GHz，用于振荡器可到20GHz。3.FETs和HEMTs有很高的工作频率，低的噪声系数，极好的开关特性，高的功率输出和在较低工作电压上有较高转换效率的能力。因此，作为单个分离的晶体管，FETs广泛用于低噪声放大、宽带放大、中功率和高功率高效率放大器、混频器、倍频器、开关电路和增益控制电路中。4.由于异质结构的应用而改善了电荷的转移特性（如在HEMTs中），或p-n结注入特性（如HBTs）HEMTs和HBTs器件为微波和毫米波的

6、IC应用提供了潜在的优点。应用新颖结构生产的单片微波集成电路（MMICs）较大地改善噪声性能和高频工作（直至200GHz）。7.1微波有源器件与网络描述微波有源器件与网络描述3第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.1 微波有源器件与网络描述微波有源器件与网络描述7.1.2微波单元电路及其制造微波单元电路及其制造微波单元电路微波单元电路1.微波前端应用的 固态器件包括肖特基二极管、PIN管和晶体管。而晶体管包括BJTs、FETs、MOSFETs 、HBTs和HEMTs。在微波和毫米波电路中应用这些器件的电路包括

7、放大器、振荡器、倍频器、混频器、开关、移相器、衰减器、调制器、限幅器及其它的应用。2.应用混合MIC技术制造的电路尺寸较PCB小，并可工作至毫米波频率。3.在制造单片微波集成电路（MMIC）中，所有有源和无源电路元件及其的互相连接是在一半导体绝缘基片（通常为GaAs）的表面上一起形成的。MMIC特点特点1.目前生产的MMICs多数工作于0.5-40GHz的频段。而覆盖毫米波的从30到200GHz的应用正在增加。单片集成技术特别适用于毫米波应用。2.MMICs的优点是费用低、尺寸小、重量轻、电路设计灵活、频带宽、可大批量生产、封装简单、改善生产中的重复性、抗辐射、改善可靠性、通用性好等。4第七章

8、第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标设计微波放大器时所考虑的主要问题:1. 放大器的功率增益2. 噪声系数3. 放大器的稳定性4. 输出功率5. 输出端的驻波比6. 对功率放大器的效率等。7.2微波微波晶体管晶体管放大器的主要技术指标放大器的主要技术指标5第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.1 微波有源器件与网络描述微波有源器件与网络描述四个反射系数为1. 源的反射

9、系数2. 输入端反射系数3. 输出端反射系数4. 负载反射系数 这四个参数既各自独立又有一定关联。例如，负载改变， 将改变，输入反射系数 也跟着改变，但输出反射系数 和源的反射 系数并不改变。相似地，如源阻抗改变、 将改变， 跟着改变，但 和 并不改变。6第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标图中标出四种类型的功率量：Pa为由信号源给出的可用功率；Pin为实际交付给网络（器件）的功率；Pout为网络输出的可用功率；PL为实际交付给负载的功率。（1）

10、 功率增益功率增益实际应用中有转换功率增益、可用功率增益和工作增益实际应用中有转换功率增益、可用功率增益和工作增益。转换功率增益定义为负载吸收的功率与信号输出的可用功率之比，即可用功率增益定义为网络输出的可用功率与源输出的可用功率之比，即工作功率增益定义为实际交给负载的功率对输入到网络的功率之比，即LTaPGPoutaaPGPLpinPGP7第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标对输入和输出端口，入射波和反射波的关系为联立求解得：同理有：交付给网络

11、的平均功率为：交付给负载的功率为：scsscZZZZ LcLLcZZZZ 111 112211 1122221 122221 1222LLbS aS aS aSbbS aS aS aSb11221111221incLinLincZZbS SSaSZZ12212222111SoutSS SbSaS22222121111281ssinininccsinVPaZZ 22212LLcbPZ 参考图可写出向着源和向着负载看去的反射系数分别为8222222221211222222211128111LLssLccLLsinSSVaPZZSS 第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院

12、 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标源的可用功率 是可交付给网络的最大功率，它是当网络的输入阻抗与源阻抗共轭匹配时出现9222118|sscsinaZVPPsin同理，网络输出的可用功率 是可交付给负载的最大功率222221222211811LoutLoutoutssoutLcoutsinSVPPZS 2211222121118|outsscsLoutSSZVPPoutL可得有关功率增益有关功率增益的计算式1、可用功率增益为22112221111outssaoutaSSPPG第七章第七章 微波有源电路微波有源电

13、路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标102、工作功率增益为222222121111LLininLpsSPPG3、转换功率增益为2222222121111LSinLSaLTSSPPG对转换功率增益还可以导出另外两个等效的公式2211222121111LoutSLSTSSG2221122212111LSLSLSTSSSG式中第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体

14、管放大器的主要技术指标假定网络是单向的，即 =0，因此 S11 和 S22 ，将之代入上式得：可以认为它们是三个独立的增益，这使分析和设计简单化，既可以分别设计，也可综合考虑。其中，GS和GL 分别表示输入输出匹配网络的增益或损耗。1）单向转换功率增益（转换功率增益的特定情形）单向转换功率增益（转换功率增益的特定情形）2222102222111111SLTUsLLSGSG G GSS 11第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标我们可以使输入反射系数

15、和输出反射系数达到最佳，使输入和输出匹配电路达到最大增益。即如果满足 和 的同时满足共轭匹配条件，则转换功率增益达到最大，并称之为最大单向增益 ，其值为2）最大单向增益）最大单向增益22122112211TUmSGSS12第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标13（2）、）、 噪声特性噪声特性对一个微波放大器，无信号输入时还可以测量到小的输出信号，这是放大器的噪声。放大器总的输出噪声功率由输入到放大器的噪声和放大器本身的噪声两部分组成。图中表示一个

16、有噪声的二端口微波放大器的模型。输入到放大器的噪声功率可以用一噪声电阻来模拟。这一噪声是电阻器内电子随机运动而产生的热噪声，由电阻 产生的最大噪声功率为kTBNR式中 ，T是电阻的噪声温度，以K（开尔文）表示；B是噪声带宽。注意有效的噪声功率与电阻值的大小无关。思考：温度T的环境噪声基底为-174dBm，如何得来？第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标输入到放大器的噪声功率可以用一噪声电阻来模拟。这一噪声是电阻器内电子随机运动而产生的热噪声，由电阻

17、产生的最大噪声功率为：对一个微波放大器，无信号输入时还可以测量到小的输出信号，这是放大器的噪声。放大器总的输出噪声功率由输入到放大器的噪声和放大器本身的噪声两部分组成。如果放大器没有噪声，则0N=FGkTB输入端的信噪比输出端的有效噪声功率输出端的信噪比增益 输入端的有效噪声功率RNkTB141）噪声系数噪声系数GkTBNGkTBNGkTBFaa1第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标15321112121111nnFFFFFGGGGG GBTTG

18、kNe00既然热噪声相对于电阻是恒定的并正比于绝对温度，因此以温度为单位表征噪声功率。考虑图示的放大器，对阻抗为任意值（典型情况是源阻抗及负载阻抗为50欧姆）时的输出噪声功率为是室温（一般 ）和 为无噪声 放大器的噪声温度，当源阻抗是在 时01TTFe)1lg(10lg100TTFNFe噪声系数通常以分贝表示第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标一般任何有噪声的二端口网络可以用一噪声电压和一噪声电流源连接于无噪声网络的输入端口来表示。如果电路表现为

19、电压噪声为主，用一高阻抗的源将使噪声信号的传输最小；但是如果是电流噪声为主，用低阻抗源将使噪声信号的传输最小。当两种噪声源都必须考虑时，在特定的源导纳或源阻抗时，电路的噪声系数将最小，这种情况的源导纳称为最佳源导纳。或注意：最大单向增益匹配最大单向增益匹配与最佳噪声匹配不一致。与最佳噪声匹配不一致。2）最佳噪声匹配）最佳噪声匹配2min0nssRFFYYG1622min00nsssRFFGGBBG式中， 为源导纳；为最小噪声系数；为给出最小噪声系数的源导纳，第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放

20、大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标放大器的稳定性可以通过二端口的参数、输入和输出匹配网络及终端阻抗等来检验。放大器的稳定可以是无条件（绝对的）稳定或有条件稳定。在给定的频率下，如果输入和输出阻抗的实部是正的，即 1 和 1或 1（反射波的幅度增大）的振荡状态，则放大器是有条件稳定的。(3)、 放大器的稳定性放大器的稳定性 17第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标绝对稳定条件可以用反射系数表示为： （7.2-26） 现令 =1 和 =

21、1 作为稳定与不稳定的边界条件，为了对边界条件求解，可以把上式中的有关参量表示为复数的形式：1）稳定圆）稳定圆111122111,11111sLLinLsoutsSSSS 11111111222222,RRRIRIRILLLSSSSjSSSjSjjj 和1822将之代入（7.2-26）式的第二和第三式，第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标 在平面上的稳定圆和在平面上的稳定圆19222222RRIILLLLLRRIISSSSsCCrCCr 1122

22、122122222222,LLSSS SrCSS 2211122122222211,SSSSS SrCSS 第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标输出稳定圆的稳定与不稳定区 输入稳定圆的稳定与不稳定区2012212222111SoutSS SbSaS11221111221incLinLincZZbS SSaSZZ第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放

23、大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标211不同情况的稳定与不稳定区 无条件稳定放大器的稳定圆11221111221incLinLincZZbS SSaSZZ12212222111SoutSS SbSaS12212222111SoutSS SbSaS第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.2微波晶体管放大器的主要技术指标微波晶体管放大器的主要技术指标对所有无源负载和源，其绝对稳定条件可以表示为绝对稳定的必要与充足的条件可概括为式中，K称为放大器的稳定系数，也称为Rollet因数，或Rollet条件。如

24、果知道晶体管的S参数，则据此可判断放大器是否稳定。222221122122121112212221221112212211121111SSKS SKSS SSS SS SS S 111LLCrS 对1221SSCrS 对1，选择合适的输入与输出匹配网络，包括偏压电路，并完成其设计。 如果K1，因此简化为对输入与输出匹配网络的设计。358.7,0.55118 ,13.119.126.8 63.9107.6aoptnsLGdBRZjZj第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.3微波微波低噪声低噪声放大器的放大器的设

25、计设计对输入与输出匹配网络，最简单的电路是由两个元件构成的型匹配电路，如下图输入匹配网络，必须把50的源阻抗变换至 。对输出匹配网络，必须将50的负载阻抗变换至 。匹配元件的值或者用分析的方法，或者用圆图的图解法，其值有许多种，这里给出用微带线实现的其中一种，如下图所示。在设计中要避免直 流电路及旁路电容 的影响。对多级低 噪声放大器，前级 按最低噪声系数设 计，而中间级和末 级按最大或平顶响 应增益设计。36第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.4 微波功率放大器微波功率放大器7.3.1 功率放大器的主要技

26、术指标功率放大器的主要技术指标大信号功率放大器主要涉及:1. 功率2. 增益3. 交调产物4. 热效应等问题(1)功率增益功率增益对功率放大器，常用的功率增益定义为交付给负载的功率 对输入功率 之比，即 。7.4 微波功率放大器微波功率放大器37第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.4 微波功率放大器微波功率放大器(2)1dB增益压缩增益压缩点点38dBindBdBPPdBGG1 ,1011)()()(11 ,1dBmGdBmPdBmPdBdBindB第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子

27、学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.4 微波功率放大器微波功率放大器放大器线性范围两个末端的输出功率之差称为功率放大器的动态范围，即 以dB表示的动态范围是功率放大器的一个十分重要的特性，它表示对给定的输入，放大器能很好工作于甲类工作状态的工作范围以及输出的功率。(3)动态范围动态范围dR39第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.4 微波功率放大器微波功率放大器虽然任何放大器存在交调失真（IMD），但对工作于非线性区域的功率放大器，这一问题尤为突出。与谐波失真不同，交调失真是由两

28、个不同频率的未调制的信号加于放大器的输入端而在放大器输出端所产生的新的频率分量的现象。 (4)交调失真（交调失真（IMD）与三阶交叉点（）与三阶交叉点（IP3）40第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.4 微波功率放大器微波功率放大器41221()()()(2)()outoutIMD dBPfdBmPffdBm对低噪声放大器或混频器，其工作区域可用低端的噪声和高端的交调失真变成不可接受时的最大功率电平所限定，对此可以表示其工作范围，称为虚拟自由动态范围。对MESFET的典型值是： 。第七章第七章 微波有源电路

29、微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.4 微波功率放大器微波功率放大器定义功率增加的效率为式中， ，称为耗损效率；G为放大器的增益。对高效率放大器，单级放大器的增益要求10dB数量级或更高。 无绳电话（800900MHz）的硅晶体管放大器，其PAE约为80%数量级。功率放大器常常设计有最佳的效率而不是最大可能的增益。 (5)PAE(Power-added efficiency)功率增加的效率功率增加的效率42PP-=1111outindcoutddcPPPGG输出信号功率 输入信号功率直流功率第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息

30、与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.4 微波功率放大器微波功率放大器(1)、方法、方法1 工作于大信号的甲类放大器，其所有小信号的S参数除 外，其他保持不变。 随功率电平和频率的增加而减小，这是由于放大器输出功率的饱和以及随频率的增加功率减小所致。此时，应用大信号的 代替小信号的进行设计即可。例例：某场效应管在5GHz时具有如下的小信号S参数： ， ， ， 。 现调整其偏置，使其工作于大信号甲类放大，此时测得 。试设计具有最大转换功率增益的大信号甲类放大器，系统的特性阻抗为50。增益的误差范围为 0.5 ，足以满足要求。7.4.2 大信号甲类功率放

31、大器的设计大信号甲类功率放大器的设计43110.55 150S 120.0420S 213.5170S220.45 30S 212.8180S， 第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.4 微波功率放大器微波功率放大器在下面的计算中将用大信号的首先检验稳定条件： 和 ，无条件稳定。现检验单向性的假定：由于最大误差是在 ，因此可以利用单向性进行设计最大增益解题思路44第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.4 微波功率放大器微波功

32、率放大器45110.55150sS （图中的A点）得 （圆图中的B点）与源电导并联一电纳j1.4的结果是（1+j1.4）(C点)，并联的电纳由l=0.151的开路线提供。由C点转到B点的电长度为为串联传输线的长度。输出匹配网络的计算： （图中D点）得对应的导纳 （图中E点）。过E点的等圆与G=1的圆相交于F点，并联的电纳输入匹配网络的计算220.4530LS 由F点转到E点的电长度为为串联传输线的长度。第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.4 微波功率放大器微波功率放大器（2）方法）方法246 (a) (b)

33、第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器7.5.1简介简介 微波振荡器是所有微波系统（如雷达、通信、导航、电子战等）的基本的微波能源。随着微波技术的迅速发展，要求有更好性能的振荡器，包括好的功率输出、高的直流射频转换效率、低噪声、良好的稳定度、良好的频率调谐能力、宽的频带、小尺寸与价格低廉等。 微波固态振荡器的关键是有一个负阻固态器件。适合微波振荡器应用的有Gunn（耿氏二极管或称体效应管）器件，IMPACTT(碰撞雪崩渡越时间二极管)，RTDs（谐振调谐二极管）和晶体管。Gun

34、n和 IMPACTT是仅用于微波和毫米波的二端器件。而晶体管有许多不同的类型，适用于从低的RF至微波和毫米波。在微波频段，一般应用双极晶体管、金属半导体场效应管（MESFETs）、高电子迁移率晶体管（HEMTs）和异质结双极晶体管（HBTs）。7.5微波固态振荡器微波固态振荡器47第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器振荡频率由全部电路的谐振频率决定。谐振时总的电抗（或电纳）等于零。另外振荡条件还要求电路的净电阻（或电导）为负。7.5 .2基本原理和技术指标基本原理和技术指标4

35、8ZDZ0ZL阻抗变换网络Im()Im()Re()Re()DLDLZZZZ 000000,0DRFLDRFLRfIITRfXfIITXf第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器目前用于振荡器的晶体管形式很多，但目前设计的程序都是基于晶体管的S参数。一、小信号晶体管振荡器的分析一、小信号晶体管振荡器的分析7.5.3 晶体管振荡器晶体管振荡器4911122122SSSSS第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统

36、实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器稳定系数（与放大器相同）为第一式确保 ，而第二式决定振荡频率。只要在某一电压V时大于RL，则网络就处于振荡状态。换言之，当振荡器接通供电电压后，由于有噪声电平而开始振荡并逐渐加强，输出的幅度（V，I和P）连续增大直至器件因饱和效应而受到限制。50222112211221221122112SSS SS SKS S0000,0outLoutLRV fRfXV fXf第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器振荡条件也可以用反射系数表示为可以证明

37、，如果输出端口振荡，则输入端口也振荡。即如果 ，就说明输出端口振荡，此时，输入端口应满足的条件。51111inToutTK 122111221LinLS SSS122122111ToutTS SSS如果112211TLoutTSS 22111LLLSS T11221LinLSS1Tin L第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器 选择在振荡频率上可能处于不稳定的一个晶体管。如果晶体管不是这样，可以用反馈元件使它处于不稳定状态。 设计输入网络ZT或T，在稳定圆的不稳定区中选择ZT或

38、T，使 1。 从ZT和晶体管的小信号S测试计算 ，并确认 1： 选择合适的负载或按照如下的振荡条件选择负载： 设计匹配网络将50负载变换到ZL。 具体电路的实现。对于大信号晶体管振荡器的设计，其设计方法基本上与小信号时相同，主要差别在于应用大信号的S参数。(2)、 小信号晶体管振荡器的设计小信号晶体管振荡器的设计步骤步骤52000010,3LoutLoutRfRfXfXf 122122221ToutTS SSS第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器例例 7.5-153111.4

39、7125S120.327130S212.2 63S221.23 45S122122110.82sS SrS 221122110.2757sSSCS 振荡器设计的输入稳定圆第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器541221221114.67 36.851outSSS SSS 10.06836.85outL 第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器55155.64.5

40、71LLCLZZj串联反馈BJT的振荡电路在BJT管的基极加入正反馈电感L的网络表示第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器对于如雷达、通信发射机、导航等的本振，其振荡频率一般是固定的，且要求振荡频率对温度有低的频率漂移和低的相位噪声。为了实现这样的振荡器，除了有源器件应有在所需频率产生负阻的能力外，还需要有高Q的谐振器。在前面介绍的各种谐振器均可以在固定频率振荡器应用。金属谐振腔的Q值最高，它提供优良的相位噪声和频率稳定特性，但其体积大、费用高和不可集成，因而其应用受到限制。微

41、带线或平面谐振器的体积小、可以集成，但其Q值低。介质谐振器（DRs）既有金属腔的高Q的特点，又有平面谐振器的小体积、可集成的优点，还具有非常高的优于的温度稳定能力。因此，它已广泛应用于低噪声、温度稳定的固定频率振荡器中。7.5.4 介质谐振器振荡器介质谐振器振荡器56第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器57晶体管介质谐振器的三种振荡器电路介质谐振器与微带线间的耦合第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统

42、实验室7.5 微波固态振荡器微波固态振荡器微波单晶YIG(yttrium iron garnet，钇铁石榴石)是一种高Q的铁氧体谐振器，其损耗很小，而且可以用直流磁场的变化来实现宽频带的电调谐。目前已达到500MHz50GHz的调谐范围。如将它应用于MICs中，其高的性能及合适的尺寸使它无论在民用还是在军用上都是极佳的选择，可用于滤波器、振荡器、倍频器、识别器和限幅器中。7.5.5 YIG调谐宽频带振荡器调谐宽频带振荡器58耦合电路及其等效电路第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波

43、调制器与控制电路 在微波毫米波系统中，为了完成某种信号处理功能，需要对微波电路参量进行调制（控制），例如控制电路的通断、衰减和相移量等等。最初的典型微波控制电路是天线收发开关，后来由于多波束雷达、相控阵雷达、电子对抗技术、微波通信和微波测量技术等方面的发展，出现了各种类型的微波控制电路，如微波开关、微波调制器、移相器、衰减器等。它们在微波设备与系统中起着日益重要的作用。 微波控制电路中常用的控制器件有微波半导体管和铁氧体器件。半导体管具有控制功率小、控制速度快以及体积小、重量轻等优点，因而在控制电路中得到广泛的应用。可作为微波半导体控制器件的主要有PIN管、变容管、肖特基二极管和场效应管等。7

44、.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路59第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路 PIN二极管、场效应管及其它一些晶体管广泛地用于微波开关。PIN管有比场效应管较低的损耗和较高的功率容量，但后者在集成子系统的设计中有很大的兼容性，其消耗的功率可以忽略且费用低。7.6.1微波开关微波开关器件器件60(1)、 微波开关器件的主要微波开关器件的主要性能指标性能指标 1）插损和隔离度）插损和隔离度 由于开关器件在低阻抗状态的阻抗并非为零，而在高阻状态的阻值并非为无穷

45、大，所以开关电路不是理想的“通”或“断”。实际开关电路的性能可以用插损和隔离度来表示。插损定义为理想开关在“接通”状态交付给负载的功率与实际开关在“接通”状态交付给负载的功率之比，以分贝表示。第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路式中表示信号源所产生的最大资用功率，即信号源与负载匹配时所产生的功率；是当PIN管存在时负载所得的实际功率。如果是在开关接通状态下求得的负载功率，则上式代表插损，如果是在开关隔离状态下求得的负载功率，则上式代表开关的隔离度。插损与隔离度还可

46、以用散射参量表示为：开关插损和隔离度的具体数值决定于具体开关器件及电路类型与结构。61LadBPPLlg10221110lg10lgadBLPLPS第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路2）开关时间）开关时间开关时间是指开关从断开到闭合状态以及从闭合到断开状态所需的时间，它是电控开关尤其是微波开关的重要指标。3）功率容量）功率容量开关的功率容量与PIN管的功率容量和开关电路的结构有关，PIN管的功率容量受限制的主要因素有两方面：管子导通时所允许的最大功耗及管子截止时

47、反向击穿电压。62第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路1） 单刀单掷开关（单刀单掷开关（SPST）有两种基本的电路形式可以用作单刀单掷开关以控制微波信号流的通断。(2)、 开关的型式及设计开关的型式及设计63串联型单刀单掷开关及其简化等效电路 并联型单刀单掷开关及其等效电路第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路两种电路是互补的。对串联电

48、路，器件的低阻抗状态允许信号传输；而对并联电路，器件的高阻抗状态信号才交给负载。这两种型式的开关均是在“关断”状况（无信号交给负载）时，入射至开关的微波功率几乎都被反射回去。但是由于器件及电路的不理想，有少部分功率损耗在器件的电阻和电路上，有少部分由于非理想的隔离而传输至负载。6422200002111244ZZRRXILZZZ对于串联连接的情形对并联电路222000002111244YYGGBILYYYY第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路例子65管子型号管子型

49、号MA47892-10910.40.50.320.085350GHzMA47899-0300.1140.30.180.5800GHz表7.6-1 两个PIN管的等效电路参数第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路66第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路单刀双掷开关（SPDT）要求至少有两个开关器件。称为串联型和并联型的两种基本开关电路如下

50、图所示。当开关器件SD1是低阻状态时而器件SD2为高阻状态时，输入信号传送至1端口。并联型电路，当器件SD1呈高阻状态而SD2为低阻状态时，输入信号传送至端口1。2）单刀双掷）单刀双掷开关开关67单刀双掷开关（SPDT）第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路当串联器件呈低阻抗且并联器件 呈高阻抗状态时，这个开关是 “接通”的。（3）串）串-并联型并联型开关开关682000122shseshZZZZILZ Z20001=22shseseZZZZZ Z隔离度 是串联器件

51、的阻抗， 是并联器件的阻抗。“接通”时， 为低阻抗而 为高阻抗。SPDT开关的设计概念也可以扩展到单刀多掷开关。用三个串并联型构成的单刀三掷微带开关第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路移相器是一个二端口网络，它使输出信号与输入信号间的相位差连续地改变或步进式地改变。相位连续改变的称为模拟式移相器；步进式（如11.25，22.5，45，90，180）改变的称为数字式移相器。数字式移相器广泛地应用于相控天线阵系统中，用以控制天线阵各个单元馈电信号的相位以实现波束由计算

52、机控制的快速扫描。7.6.2 微波移相器微波移相器69第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路单个相移的移相器如下图所示。它有两个单刀单掷的开关以改变信号的传输路径长度为 或为 ，当信号经较长的时，其相位延迟为：其插损与两个单刀单掷开关的相同。（1）开关线型移相器）开关线型移相器7021212pfllllv两个单刀单掷开关线型移相器pdll12第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6

53、 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路对22.5和45相位十分普遍的设计是加载线型移相器，其移相的机理是在均匀传输线上加载一个小电抗jB。设其归一化电纳为 ，则由b引起的反射为：V+和V-分别表示在接入点的入 射波和反射波电压，因此合成 的传输波电压为VT=V+V-，传 输系数T表示为（2）加载线型移相器）加载线型移相器7111112jbjbjbjb 1/212212241exptan242TTVVVTVVjbVTVVVjbjbb b21tan1第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电

54、路微波调制器与控制电路另一重要性能参数是插损，它由VT与V+的比值给出：目前这个插损虽小，但随着频率升高，该值会逐渐增大到不能容忍。这个缺点可以用分开/4长度的两个相同的电纳来克服。由两个电纳产生的反射波，其量值几乎相同，但相位相差180，因此互相抵消。72加载线型移相器第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.6 微波调制器与控制电路微波调制器与控制电路（3）分支定向耦合器型移相器）分支定向耦合器型移相器73第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波

55、电路与系统实验室7.7 微波混频器与倍频器微波混频器与倍频器 在雷达、通信及其它微波毫米波系统中要广泛采用频率变换器，它们是微波毫米波发射机和接收机的重要组成部分。频率变换器是一个广义的称呼，其作用是对信号的频谱进行“搬移”，针对特定的输入信号按需要产生频谱变化了的输出信号，以利于实现无线电发射，或者进行进一步的放大、解调等信号处理。 频率变换器按照功能还可进一步划分为：下变频器、上变频器和倍频器。7.7微波混频器与倍频器微波混频器与倍频器74包含一个或多个非线性元件的网络微波变频器的组成微波变频器除应用于微波低噪声接收机中外，主要应用于微波发射机，完成载频调制和功率上变频。第七章第七章 微波

56、有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.7 微波混频器与倍频器微波混频器与倍频器微波倍频器也是微波毫米波系统中常用的部件，在一些微波设备中，例如频率合成器和微波倍频链中，它更是不可缺少的关键部件之一。近年来，在毫米波超外差接收机的本振源中，也常常用到倍频器。原则上，各种半导体元件只要具有非线性，都可以用来构成倍频器。但实际上，最常用的是变容管倍频器和阶跃管倍频器。变容管倍频器适用于低次倍频，其效率较高，如果忽略损耗电阻等寄生参量的影响，效率甚至可以达到100；而阶跃管倍频器多用在高次倍频场合，其结构相对简单，倍频次数可达100以

57、上。75包含一个或多个非线性元件的网络微波倍频器的组成第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.7 微波混频器与倍频器微波混频器与倍频器混频器的功能是把输入的信号（振幅、相位等）从一个频率如实地变换至另一个频率上。因此，作为混频器的器件，必须具有强的非线性、低的噪声、低失真和良好的频率响应特性。可用作混频器的器件有肖特基势垒二极管（Schottky Barrier Diode）和场效应晶体管。普通的p-n结二极管，由于其高频频率响应特性不好很少用于微波混频器。肖特基势垒二极管有低的结电容和小的串联电阻。场效应管由

58、于具有极好的频率响应、低的噪声和容易在MMIC中应用，广泛地应用于混频器的设计中。混频器传统上分为二极管无源混频器和场效应管有源混频器两种，前者产生变频损耗，后者有变频增益。7.7.1 微波混频器的基本原理微波混频器的基本原理76第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.7 微波混频器与倍频器微波混频器与倍频器混频器的频谱混频器的频谱 混频管的特性可用多项式表示为：令输入的射频信号和本振信号分别为 和 有：第二阶项 是主要的混频产物：其混频产物为：77230123.+nNiaa va va va v( )sinR

59、RRvtVt( )sinLLLv tVt201233sinsinsinsinsinsin.+sinsinRRLLRRLLnRRLLNRRLLiaa VtVtaVtVta VtVtaVtVt22211cos(2)cos()cos()211cos(2)2RRRLRLRLLLVtV VttaVt,M NLRMN式中，M、N是正整数第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.7 微波混频器与倍频器微波混频器与倍频器78有限带宽混频器的频谱图第七章第七章 微波有源电路微波有源电路信息与电子信息与电子学院学院 微波毫米波电路与

60、系统实验室微波毫米波电路与系统实验室7.7 微波混频器与倍频器微波混频器与倍频器（1）变频损耗）变频损耗Lc或变频增益或变频增益Gc表征混频器频率变换能力的参数是变频损耗Lc（或变频增益Gc），它定义为射频（RF）信号资用功率PRF与交付给中频负载的中频信号资用功率PIF之比（或相反），即 或 变频增益随本振（LO）功率的增加而增加，直至混频器饱和。（2）噪声系数）噪声系数在肖特基二极管中，主要的噪声源是由串联电阻产生的热噪声和载流子发射的散弹噪声。在二极管混频器中，由于时变结电容的影响，最小的变频损耗和最小的噪声系数并不同时出现。式中，Nin和Nout分别是输入和输出的噪声功率；G是系统的增