9微波半导体二极管负阻器件讲解

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变容管调谐
lg / 2
lg / 4
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并联调谐
等效电路
lg / 4
Rs
Cj
lg / 2
RL
串联调谐
D1 D2
lg / 4
等效电路
Rs C j RL
YIG调谐负载振荡器
H0
扫描电源
RL
o
x
y
扫描电路
振荡器的频率稳定问题
频率稳定性
频率稳定度定义：
w 1 M w0 T
单位：1/0C或 ppm/
• 波导腔振荡 器
¨µ ² ¼ ¶ Ë ¿ é ý È Ò ë Æ « Ñ ¹ ø Ô ¾ µ Ä ¤ ÷Ð µ ³ Â Ý ¶ ¤
¦ Â ¹ Ê Ê ä ³ ö
lg/4
¢ ¶ ¹ þ ¼ « ¹ Ü
î º ñ Ï ´ °
• 波导阻抗为高阻抗，Gunn与IMPATT输出阻抗很低，故波导 做成扁状以降低其阻抗实现匹配。 • 波导腔损耗小，使波导腔振荡器有较高的频率稳定度和较 好的噪声性能。
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两个调谐电路
÷Å µ ä Æ ÷ « Ö Æ Ã Ò ý È ë º × ¸ è Æ ÷¼ þ º Ô ¸ Ø ¨µ ² ¼ Ð ³ Õ ñ Ç » Ì Â ¶ ·» î È û
ZL
Z (w )
• 波导腔是一个谐振电路，调 配螺钉又等效于1个电路。
L C
• 逐点可画出Y(w)的变化轨迹。
L' Y(w)
--- 负阻二极管阻抗，I是振荡电流幅度
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一、起振条件 • 刚起振时，振荡处于“小信号”状态，负载电流 I0 若存在自由振荡，回路电流 i 满足
• 能振荡条件: 即要求负阻器件的小信号负阻的绝对值大于外电路的电阻。
3
4
二、平衡条件 随振荡增强，器件阻抗Zd变化，负阻Rd值下降。当器件负阻
Rd(I)等于外电路正阻时，振荡不再增强，达到稳态平衡。
所谓频率调谐就是采取一定的措施改变振荡器的振荡频率。 调 谐 方 式
机械调谐
通过改变谐振腔的尺寸来改变振荡频率
通过改变负阻器件的偏置来改 偏置调谐 变振荡器的振荡频率，体效应 管采用偏压调谐，雪崩管采用 偏流调谐，但是频率变化的同 时输出功率也在发射变化，甚 至出现停振 变容管调谐
电 调 谐
YIG调谐
导纳：
Y (w ) 1 1 r j (wL ) wC
jB
w 0
w ¥
0
Y (w )
1 r
G
P1
P2 w w 0
Yd (V )
• 由w=0 w=w0 w=¥构成圆 • 交点有两个：P1 和P2 • 由Yd 顺时针转向Y(w)的夹角 <180时是稳定点。P1稳定， P2不稳定 • 所谓稳定是指出现小扰动时，频率偏移，电路能牵引回来。
微波半导体二极管振荡器
负阻振荡器的一般理论 负阻振荡器电路 振荡器的频率稳定问题
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负阻振荡器的一般理论
负阻振荡起振与平衡
µ ÷Å ä Æ ÷ « Ö Æ Ã Ò ý È ë
波导型负阻振荡器结构：
º × ¸ è Æ ÷¼ þ º Ô ¸ Ø ¨µ ² ¼ Ð ³ Õ ñ Ç » Ì Â ¶ ·» î È û
-R
2 ZS Z ZW
Z
2 ZS Zd
• Gunn与IMPATT输出阻抗很低，功率输不出来： –采用圆盘形径向腔。由腔四周向波导视去阻抗是 ZW 。 设计腔高 h 使盘半径长度构成相当于 l g/4 阻抗变换器， 使之阻抗匹配。 • 90GHz以上用径向腔较多
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负阻振荡器的频率调谐
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r
C'
-Yd (V)
jB
w ¥ Y jw C ' Y (w )
n
1 r
G
Y (w ) j (wC '
P3 w w 0
Yd (V )
1 ) wL' 1
w 0
P1 m
P2
1 Y -j wL'
1 r j (wL ) wC
• Yd(V)和Y(w)的交点可能有3个， 其中P1 和P2 是稳定的 • 如果调谐由 m( 低频 ) 向高频调，将稳定在 P1 ；如果调谐由 n(高频)向低频调，将稳定在P2 。 • 改变L、C或L、C任意一个调谐电路时，曲线导纳轨迹图 上下移动，交点P1 、P2和P3也在变动，从而形成调谐曲线。
R0
ä ³ Ê ö è ¿ × ¹ ± ä » ¶ Î
A
L0
B
jBd
Z0
C0
Yin
- Gd
GL
A'
l g ± l
B'
27
0C
-Rd Gunn jXd
稳定时 R-Rd=0
R ¸ º jX Ô Ø
一般为M=10-3~10-4/0C 温度变化，频率漂移 • 温度变化 电抗变化 X
( X X d ) 频率变 w ( X X d ) • 频率变化 w 电抗变化 X ' w w
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X+Xd=0
• 稳定时有：
( X X d ) ( X X d ) w 0 w
• 电路：
w ( X X d ) m 2 w Q
R R

-- R 为负载阻抗 -- m为电抗变化斜率
( X X d ) 2 RQ w w
1 X 1 L 对于LC电路： X wL 2 w C w wc ìw 1 w Q í L R L L / R wL R 2 Cw 2 î2
¤× ¹ ÷Ç ø ÷Ð µ ³ · ½ Ï ò
• 当调谐元件在某一范围内沿某方向调节和沿相反方向调节时， 振荡器的工作频率沿不同曲线跳变，这种现象叫调谐的滞后 特性。
• 在 fa < f < fc 范围内得不到稳定振荡。
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• 频率跳变伴随有功率跳变
P
c
a
d
b
÷³ µ Ð · ½ Ï ò
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负阻振荡器电路
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• 频率相对变化：
X d X w w 2QR
• R不变情况下提高频率稳定度措施： 1. 减小 ：恒温、稳压 2. 减小 X/：低膨胀材料、温度补偿 3. 提高腔体Q值：抛光，镀银或金(导电性不好，稳定性好) 4. 注入锁定(已很少用) 5. 锁相环
• 18GHz以上广泛使用。
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• 径向腔(实际使用时常用结构)
« Ö Æ Ã Ò ý È ë Í Í µ ¨Ë  ² ¨÷ Æ
Lp
ZW
lg d 2 4
ZS
ì ï Zd í ï î
÷³ µ Ð Ã ± ÷³ µ Ð » î È û º × ¸ è Æ ÷þ ¼ d ð Ê ½ ô ¸ Ë ä ³ ö h Ê
ZL
Z (w )
负阻器件，谐振腔，调配器 (波导、微带、鳍线)
Z (w ) R(w ) jX (w )
i(t)
ZL
Í ø Â ç
vL (t )
vd (t )
Z (w )
- Zd (I )
--- 外电路阻抗(包括活塞腔， 调配螺钉，外负载)
- Z d ( I ) -Rd ( I ) jX d ( I )
1 RL Rd (0) 3
Ropt Rd (0) 3
Pout
R(w)
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负阻振荡器的调谐特性
• 负阻振荡器频率取决于外电路谐振频率。具有一个外电路 时，振荡频率是固定的。如果外电路有两个相互耦合，就 可能有两个振荡频率。调节频率过程中有时振荡在某一个， 有时振荡在另一个。 • 振荡特性用阻抗轨迹图或导纳轨迹图。导纳轨迹图优点是 概括了全部导纳点。 * 阻抗(导纳) 轨迹图是指从器件端口向外电路看去总的 阻抗 ( 导纳 ) 随振荡频率而变化的曲线。阻抗 ( 导纳 ) 轨 迹图因谐振回路情况而异，进行调谐时会变化。
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• 单个谐振电路：
jX
C L r
Z(w)
w ¥
Z(w)
-Zd (I)
Zd (I )
Pw w r
0
0
R
w 0
1 ) 阻抗： Z (w ) r j (wL wC
Z(w) --- 垂直线，外电路阻抗线
Zd(I) --- 器件阻抗线 Z(w)- Zd(I) =0，交点P 是振荡频率点。
9
5
6
三、最佳负载
• Zd的虚部变化相对小些，实部变化大些。随着I的变化， 实部下降。 • 用物理概念判断输出功率： * R(w)---负载阻抗很大，I 很小，获得振荡稳定功率也 很小。(勉强刚起振，不易给出功率)。 * R(w)~Rd(I)~0---负载接近短路，显然获得功率也小。 * 中间必有一个最佳负载值，可获得最大输出功率。 最佳负载：
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外电路几种调谐状态
jB
Y (w ) 1 r
jB G
w w0
Y (w )
G
Yd (V )
c' d' (b)
G
Yd (V )
d
c
(a)
G
jB b a
jB
Yd (V )
Yd (V )
Y (w )
Y (w )
(c)
(d)
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• 实际振荡器调谐曲线(两个回路谐振频率同时变化)
f
fc
c c'
b
fa
a d d'
6. 外腔稳频
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外腔稳频振荡器
一、直接耦合式 结构
÷Ð µ ³
等效电路
Q0Q1
Q0
¸ ß Q È Æ Î µ Ç » º Ô ¸ Ø ÷Ç Ö » Ì å
Q1
f0
f1
GL
- Gd
jBd
Gunn
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二、频带反射式
¸ ß Q È Æ Î µ Ç » Æ Å ¥ ä Õ ¶ Ö Ë
l l g ± l