第五章微波倍频器

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倍频器的类型
•阻性倍频——利用二极管PN结的静态非线性I-V关系，即非 线性电阻产生谐波； •参量（容性）倍频——利用变容二极管的非线性电抗特性 参量（容性）倍频 利用变容 极管的非线性电抗特性 即非线性电量Q-V特性产生谐波； •高次倍频——利用阶跃恢复二极管（SRD）而产生高阶谐波； 高次倍频 利用阶跃恢复 极管（SRD）而产生高阶谐波； •有源倍频——利用有源器件中跨导传输函数的非线性，同 时获得谐波和增益，如砷化镓场效应管，异质结双极管，高 电子迁移率晶体管等； •锁相倍频——利用强迫同步现象，将振荡器注入锁定在基 准频率n次的谐波上； •宽带倍频——利用宽带单片放大器的非线性产生谐波，并 放大谐波； •非调谐倍频 非调谐倍频——利用非线性传输线（NLTL）来实现 利用非线性传输线（NLTL）来实现，传输 传输 线周期加载既可以是非对称也可以是对称的变容管，它能提 供效率和带宽。 7
微波信号
Æ Åä Íø Âç
匹配网络
c
R RM
M
Cp C p
Ê Æ ·Å´ó Ó
Ls
视频放大
RL R L
Lc RM
Cs
Cj Rs
Rj
A A
4) 温度补偿检波器电路
V j1 匹配 电路 + C Vj2 输入 R
5) 毫米波微带检波器
输出
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承上
倍频器
•工作原理：把输入频率的正弦波能量通过非线性器件（如 非线性电阻、电容），使其输出波形发生畸变，产生的各次 谐波，再用滤波电路把所需要的谐波能量取出送到负载。 •用途：产生在基频振荡器上无法获得的高频率的本征/信号 用途 产生在基频振荡器上 法获得的高频率的本征 信号 源 •主要指标：工作频率及倍频次数；变频损耗（效率）；输 出功率；带宽；输入、输出驻波比；波形纯度；驱动功率； 噪声系数； •类型：肖特基管非线性电阻倍频；变容二极管非线性电容 倍频；阶跃恢复二极管高次倍频；场效应管有源倍频；振荡
SRD的等效电路（C0很小 很小——电抗性开关） 电抗性开关）
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§5.3
倍频器基本理论
•非线性电阻倍频理论 •非线性电抗倍频理论 •二极管平衡倍频电路原理 极管平衡倍频电路原理
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非线性电阻倍频理论
•当要求宽带或高功率的倍频器时常采用以单调正非线性电 阻为基础的电阻倍频器。 •优点：能提供较宽的带宽，且比电抗性倍频器工作更加稳 定，不易产生参变振荡。 •缺点：变换效率比电抗倍频器或有源倍频器低，因此应用 不如电抗性倍频器普及。
•阶跃时间tt ：阶跃管的反向电流Ir从0.8Ir降至0.2Ir所需的 时间——阶跃管获得高次倍频的关键参数；tt越小，高次谐 波越丰富，倍频效率越高。 •上限频率f上：阶跃时间的倒数即f上=1/tt ； •少数载流子寿命 ：停止注入后，少数载流子的平均存在 时间，它定义为少数载流子浓度减少到初始值的1/e所经历 的时间 也可采用储存时间ts来等效。储存时间 的时间。也可采用储存时间 来等效 储存时间ts定义为电 压开始反向到反向电流Ir降至0.8 Ir的这一段时间，即反向 电流阶跃开始前的 段持续时间。 电流阶跃开始前的一段持续时间。
1）波形纯度：所需频谱幅度与杂波频谱幅度之比，单位： dB； 2）工作频率及倍频次数：工作频率：输入/输出频率；倍频 次数：输出频率与输入频率的比值。 3）输出功率：倍频器在一定输入功率情况下的输出功率； 4）变频损耗（效率）：输出所需谐波功率与输入基波功率 之比 之比； dB——变频损耗，百分数——效率； 变频损耗 百分数 效率 5）驱动功率：能使倍频器正常工作的最小输入基波信号的 功率； 功率 6）带宽：一般以输出功率下降3dB的频率变化范围表示； 7）输入、输出驻波比：表征倍频器输入、输出端口匹配性 能的技术指标，理想值为1。 5
非线性电抗倍频理论
•按照所使用的器件不同可分为：二极管倍频器和晶体管倍 频器两大类。 •二极管倍频器常采用变容二极管和阶跃恢复二极管。 •变容二极管适用于低次倍频，其效率较高，如果忽略损耗 电阻等寄生参量的影响 由Manley-Rowe功率关系 电阻等寄生参量的影响，由Manley Rowe功率关系 Pn 0 / P 10 1 ，其效率可达100%。 •阶跃管倍频器多用在高次倍频场合，由于它不需要变容管 倍频所需的空闲电路，因而在电路结构上相对简单，其倍 频次数 达 频次数可达100次以上。 次以上
Vout(mV) 0.1 1000 线性 饱和
压缩点 A
平方律
检波器饱和特性 检波器 和特性
60 40 0 20 Pin(dBm) 20 40
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承上——
常用的几种检波器电路结构 1）高灵敏度窄带检波器：带宽小于10％，高灵敏度和低驻 波比。 3)多倍频程检波器 ¼ì²¨ ¹Ü 检波管 A 2）宽带检波器A R
fD2 2π Ls 1 C pC j Cp C j f D1 1 Cj Cp
•电容调制系数 c ：
Cmax Cmin c1 2(Cmax Cmin )
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阶跃恢复二极管
•阶跃恢复二极管简称阶跃管（Step Recovery Diode， 缩写为SRD）
是一种具有很强非线性导电特性的二极管； 电容-电压斜率系数（也称电容非线性系数） =1/15～1/30 的变容二极管 的变容二极管； 多用于高次倍频器，梳状频谱发生器、频率合成器及锁相固 多用于高次倍频器 梳状频谱发生器 频率合成器及锁相固 态源中；另外，还可用来产生极窄的脉冲（脉冲宽度可窄到几 十微微秒）——在毫微秒脉冲发生器、取样示波器等脉冲技术
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变容二极管
•PN结结电容形成的原理
结电容，也叫做势垒 电容，表示为
dQ Cj A / W dV
空穴 受主 施主 电子 ++ + ++ + ++ + ++ + P N (a) + + + +
+
-
+ P + N + W (c) + + + + + W (d)
(c) 封装管的简化等效电路
变容二极管的等效电路 10
表征变容管性能的静态电参数
•损耗电阻 Rs ：管子的损耗，一般在1Ω左右。 •反向击穿电压VB ：一般定义为反向电流达1µA时的反偏电压 值。它限制了二极管的激励电平，一般适用范围在VB ≤v≤ 之内。 •功率容量 ：为了提高变容管的功率容量，应提高其击穿电 为了提高变容管的功率容量 应提高其击穿电 压、降低热阻。 •结电容 Cj ：对任意杂质浓度分布的PN结，其结电容是外加 电压的函数，其关系如下： V m1 V 2 C j C j (0)(1 ) C j (0)(1 )
领域的应用也很广泛。 领域的应用也很广泛
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阶跃恢复二极管特性
v P+ 掺杂浓度 (cm3) 1019 i 普通二极管 t (b) 10
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N
N+ t 约 0.7 0 7m (a)
x 1019
i
tS 阶跃二极管 t tt
(c)
SRD的杂质分布图 15
普通二极管和SRD电流波形比较
阶跃二极管的主要电参数
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Page-Pantell不等式
•电阻性倍频器通常用正向偏置的肖特基势垒二极管提供非 线性I-V特性。Pantell、Page和Clay都指出，对于正非线 性电阻来说，电压v是电流i的单值函数，i v 0 且
Pn P1 ≤
1 n2
其中P1表示输入基波功率，Pn为第n次谐波输出功率； 二次倍频器：Pn≤0.25P1； 实际设计时：采用管对结构，如逆并联（反相并联） ——抑制偶次谐波 20
ts ln(1 I f / I r ) 式中，If ——正向注入电流；Ir ——反向抽取电流。
•下限频率f下：以少子寿命的倒数来定义，即f下=1/ 16
；
阶跃二极管的等效电路
if
i
dq dt
CD
C0 C0 Rs
Rf Rs 实际情况
理想情况
（ a） 正 向 激 励
实际情况 理想情况 （ b） 反 向 激 励
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§5.1
引
言
•倍频器的工作原理 把输入频率的正弦波能量通过非线性器件（如非 线性电阻、电容），使其输出波形发生畸变，产生各 次谐波，再用滤波电路把所需要的谐波能量取出送到 负载。
•倍频器用途
多用在微波和毫米波发射机和接收机电路，产 生在基频振荡器上ห้องสมุดไป่ตู้法获得的高频率的本征信号源。
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倍频器主要技术指标
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倍频器的组成
输入滤波 RS VS 信号源 偏置电路
输入 匹配 网络
输出 匹配 网络 空闲电路
输出滤波 RL
二极管倍频器方框图
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承上
谐波混频器：将本振频率降低为基波频率的一半或四分之一 进行混频。 检波器：（1）利用固态器件的非线性来产生直流或低频电 流及电压，用以检测微波功率； （2）采用PN管或肖特基势垒二极管做检波元件； 采用 管或肖特基势垒 极管做检波 件 （3）是微波指示设备中最常用的部件 10000 饱和点 B （4）主要指标： 电流灵敏度；电压灵敏度； 100 视频电阻 优质因数 视频电阻；优质因数； 最小可检测功率； 10 切线灵敏度； 1 输出饱和特性； 动态范围；烧毁能量； 动态 围；烧毁能量；
参量放大应选用突变结二极管；限幅和倍频应选缓变 结 极管；而对于 调谐则 突变结或 突变结 极管， 结二极管；而对于电调谐则选突变结或超突变结二极管， 其中 =1/2的突变结二极管用得最多，因为这时结电容 与偏压的平方成反比，由此构成的电调谐振回路的谐振 频率与电压成线性关系。
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表征变容管性能的静态电参数
其中，A为结面积；W 为空间电荷层宽度； ε为半导体的介电常 数； dQ、dV分别为 PN结电荷和偏压的变 化量。
P
+
N
P
N
W (b)
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PN结电荷分布图 （a）初期，扩散运动为主；（b）平衡期 ，扩 散和漂移平衡形成势垒（~0 散和漂移平衡形成势垒（ 0.7V）；（c）正偏， 7V） （c）正偏 W减小，C增大；（d）反偏，W增大，C减小；
§5.2
变容二极管及阶跃恢复二极管
•变容二极管是一种结电容随外加偏压非线性变化的 二极管。 极管 •变容二极管的非线性电容可以采用PN结或肖特基结 形成，如无特别说明，变容管一般指PN结型的二极管， 它可用于微波压控振荡器 微波倍频器 微波移相器 它可用于微波压控振荡器、微波倍频器、微波移相器、 微波上变频器及微波限幅器等。
倍频器主要技术指标
8) 倍频器的噪声
来自倍频器的外部 来自倍频器的外部——主振器（如有放大，还包括功率放 主振器（如有放大，还包括功率放 大器引入的噪声）； 来自倍频器的内部； 采用倍频链的实现方式，则整个倍频链的噪声将有一定程 度的恶化 即输入频率的n次倍频源的相位噪声比输入基波 度的恶化，即输入频率的n次倍频源的相位噪声比输入基波 信号的相位噪声至少增加n2倍，这等效于n次倍频源的噪声 g(n2 ) 20lg( g(n) )dB 恶化 10lg(
•品质因数 Q：变容二极管储存能量与耗散能量的比值， 可由下式表示： 1
Q
C j R s
•截止频率：当Q值降为1时对应的频率，表达式如下： f c 1/(2 /( πRs C j ) fQ f •自谐振频率 ：变容管的串联自谐振频率 f D1 和并联自谐 振频率 f D 2 分别为
f D1 1 2 π Ls C j
第五章 微波倍频器
林 先 其
电子科技大学电子工程学院 xqlin@uestc.edu.cn, xqlin@uestc.edu.cn , 科C310
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主要内容
•引言 •变容二极管及阶跃恢复二极管 •倍频器基本理论 •变容二极管倍频器 •阶跃恢复二极管倍频器 •肖特基势垒二极管倍频器 •微波晶体管倍频器
变容二极管的结构及其等效电路
SiO2 Cr-Au 欧姆接触 P Au-Ge
+ +
A N N+硅 B
P+ 耗尽层
N N -GaAs C
(a) 平面管芯结构 (b)台面管芯结构 变容二极管管芯结构图
Rj Ls Rj Rs Cj
(a) 管芯等效电路
Rs Cj Cp
Ls
Rs
Cj
Cp
(b) 封装管完整的等效电路


其中γ=1/（m+2）：电容-电压斜率系数；m：参杂分布指 数 数；
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表征变容管性能的静态电参数 根据 的不同，常将变容管分为以下四种不同类型：
1/ 3，称为线性缓变结； =1/2，称为突变结； =1/2～1/6，称为超突变结； =1/15～1/30，称为阶跃恢复结。