第四章微波混频器和检波器

es EFS EFM
肖特基势垒二极管

外加电压作用下的单向导电特性
M + + + V + S I M +++ +++ +++ V+ S I
（a）加正偏置 ——导通 (b) 加反偏置——近似截止 M-S结在外加电压作用下的情况
肖特基势垒二极管的基本物理结构是M-S结，其主要物理过程以多数载流 子的运动为基础，因此被称为“多子器件”。
Cs Cj Ls Rj Rs
检波管等效电路
检波二极管


检波二极管的IV特性为 eV i (V ) I s exp( ) 1 nkT 式中，IS：反向饱和电流，典型值10-16～10-13A，且受 势垒高度、结面积和温度影响；V：结两端电压；e是 电子电荷；k：波尔兹曼常数；T：绝对温度；n：修正 因子，用来计入不可避免的结缺陷和其他热电子发射之 外的次要效应，典型值1~1.2。 检波 极管的结电容也随外加电压而变化 检波二极管的结电容也随外加电压而变化：

则由混频产生的中频电流成分为 ，当 S L iif (t ) g1VS cos if t S L 或
iif (t ) g1VS cos if t L S
，当 L S

而在强信号下（但仍有 vS << vL ），则混频电流i可最终表 示为 j( n m ) j( n m ) t
（1）处于不同能级状态的电子如果获得足够的能量（> EF ,费米能级 费米能级），就会脱离原子核的束缚，逸出并形成热 就会脱离原子核的束缚 逸出并形成热 电子发射； （2） N型半导体的EFs > EFM ， EF统一的结果，使M-S 交界处的能带发生弯曲，意味着电子位能由N区向金属区 逐渐升高，从而形成一个势垒，阻挡电子从半导体流向金 属 该势垒高度就是半导体和金属的相对差值 属。该势垒高度就是半导体和金属的相对差值

其他各项为二极管电流中的信号成分，当VS 很小时，可仅 取第二顶 其中 取第二顶。其中
f (V0 VL cos L t ) di g (t ) dv v V0 VL cos L t

i f (v) I S (e v 1) g (t ) 为二极管电导。由于二极管是非线性元件，
第四章 微波混频器和检波器
主要内容

肖特基势垒二极管和检波二极管 微波混频器工作原理 微波混频器的基本电路 镜像回收混频器 毫米波混频及谐波混频 微波集成检波器
§4.1 引

言
混频器 （1）利用非线性或时变元件来达到频率变换的目的； （2）基本上采用肖特基势垒二极管做变频元件； （3）是微波集成电路接收系统中必不可少的部件； 检波器 检波 （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； （3）是微波指示设备中最常用的部件
（噪声来源与晶体管相同，包括：散粒噪声、热噪声和闪烁噪声）

检波二极管

检波 极管多用PN结 检波二极管多用 结和肖特基势垒二极管。 肖特 势 极管 因微波信号一般比较微弱，所以要求检波二极管的灵 敏度很高，检波二极管的输出电压由视频放大器放大， 这样就构成了晶体视频接收机，其灵敏度虽低于超外 差接收机，但结构简单，也有不少重要用途。
n 1

非线性电阻混频原理
I I g g
t 0 V0 0 V 0
t
V V0 0
V
v
V0 VL cos Lt
v
V0 VL cos Lt
t
t
(a) 正弦本振激励下的二极管大信号电流成分
(b) 时变电导波形
非线性电阻混频原理

因此由上述各式可知二极管电流中的小信号成分近似为:
i (t ) f (V0 VL cos L t )VS cos S t [ g 0 2 g1 cos L t 2 g 2 cos 2 L t ]VS cos S t g 0VS cos S t g nVS cos(n L S )t
则
g (t ) I S e
(V0 VL cos L t )
jn L t
展成傅里叶级数 g (t ) g n e n 1 2 jn L t 其中 g n g t e d L t 0 2

g 0 2 g n cos n L t
i (V ) I s exp(V ) 1 eV ) 1 I s exp( nkT
I M-S 结 PN 结 V
Is与外加偏压有关；导 Is与外加偏压无关； 通电压低 正向电流大 导通电压高；正向电 通电压低；正向电流大； 导通电压高 正向电 流小；线性度较好； 较大的非线性度； 较小——微分电导变化 较大 陡峭，利于混频 仅由势垒电容决定，容 仅由势垒电容决定 容 存在扩散电容；容值 存在扩散电容 容值 值小 大 较小（高导电率金属代 较大 替了P型半导体） 较低——用于混频、检 较大——功率变频/倍 波 频
肖特基势垒二极管的结构、 等效电路与主要参数


M-S结二极管的截止频率较高，定义 f c 为 1 fc 2πRs C j 0 二极管作为混频管使用时主要参数有以下几点： 变频损耗 ：信源资用功率与中频负载吸收功率之比； 噪声温度比（简称噪声比）：二极管的总输出噪声资用功 声 度 简称 声 极管的总输 声资 功 率与其等效电阻在相同温度下热噪声资用功率kTB之比。 Rs nR j / 2 Pn td kTB Rs R j td n / 2 若Rs很小，且Rs << Rj ，则上式简化为： 中频阻抗：加载本振功率后，对中频呈现的阻抗值； 其他：整流电流、反向电流、功率容量等；
i (t )
n m

I n,m e
L
s
e
L
s
n m
I
j( n L m s ) t e n,m
混频器指标 标

变频损耗 混频器噪声系数 动态范围 工作频率 隔离度
变频损耗

定义: 输入微波资用功率和加到中频负载上的功率之比， Lm PS Pif 即 或
C j0 dQ Cj dV (1 V )
：二极管势垒电位； 式中，C j 0：零偏压时的结电容； ：电容非线性系数，一般为0.5左右。

检 检波二极管的重要电参数 管

电流灵敏度 i ：短路整流电流和输入射频功率之比， 常以 μA / μW 表示。 q 1 i 2nkT 1 2 C 2 j Rs Rvf 表征缺点：与负载关系较大，而且不能反映检波管的 噪声性能，近来已较少采用。 电压灵敏度 ：检波器输入信号功率前后，检波器负 载上电压的变化值与输入的信号功率之比，常以 mV / μW 表 表示；有时也可在测试条件中给定输入功率，而仅给 有时也 在 试条件中给定输 功率 仅给 出负载上的检波电压值，并以mV表示。
结电 阻 结电 容 串联 电阻 击穿 电压
M-S结与PN结I-V 特性比较
点接触二极管与肖特基势垒二极管的比较



百度文库
点接触管:不完善的肖特基势垒; 面接触管:形成的是完 善的肖特基势垒。 点接触管：压接力度不同导致肖特基结的直径不同， 因此性能一致性差，可靠性也差；面接触管：结直径、 金属膜厚度等均能严格控制，因而性能一致性好，便 于设计使用。 以上两个优点表现为I-V特性中的工艺修正系数n有所 不同 点接触型n>1.4，而面接触型 不同。点接触型 而面接触型n=1.05~1.1，因此 因此 非线性特性较陡。此外，面接触型管的噪声性能也有 改善。 改善

检波二极管的重要电参数

正切灵敏度 TSS :在脉冲测试中，没有信号时，检波管噪声 输出的上限与有信号时噪声输出的下限在同一水平线上， 这时对应的信号电平就是正切灵敏度，以dBm表示。 表征优点 能反映出在噪声条件下的检波能力 所以得到 表征优点：能反映出在噪声条件下的检波能力，所以得到 越来越多的应用。 优质系数M：用于比较不同二极管的质量，它包含电流灵 敏度 Rvf 和视频电阻 i ， M i Rvf / Rvf Rn 式中，Rn 为第一级视放输入端的等效噪声电阻。对于不同 1 2k 。 视放 Rn 的数值有所变化，一般可取 视放， 的数值有所变化 般可取 Rn 1.2k 视频电阻 Rvf ：指检波二极管对视频信号所呈现的电阻， 它对于检波器与视频放大器的匹配设计很有用 它对于检波器与视频放大器的匹配设计很有用。

§4.2 4 2 肖特基势垒二极管和检波二级管

肖特基势垒二极管——金属-半导体结
金属电极 金属触丝 N 外延层 点接触结 N+衬底 N 外延层 N+衬底 肖特基结 势垒金属 SiO2
欧姆接触金属
欧姆接触金属
(a)点接触型
(b)面接触型（面结合型） 肖特基势垒二极管管芯结构
肖特基势垒二极管

基本工作原理：
n 1

若负载采用谐振回路，选出所需中频成分（决定于一次混 频电导与信号电压的乘积）： 信 乘积 iif (t ) g1VS cos if t S L if S L 当 其中 或
if L S
当
L S
非线性电阻混频原理
直流
中频滤波
0
if
2LS L =i


§4.3 微波混频器工作原理 作

非线性电阻混频原理 二极管混频器的原理等效电路如图所示。在肖特基势垒二 极管上加较小的直流偏压（或零偏压）、大信号本振功率 （1mW以上）及接收的微弱信号（μW级以下）。
v S (t ) v L (t )
ZL
V0
二极管混频器的原理等效电路图
非线性电阻混频原理

1 2!
f (V0 VL cos L t )Vs2 cos 2 s t ）
非线性电阻混频原理

第一项是二极管电流中的大信号成分可用傅里叶级数表示为 第 项是二极管电流中的大信号成分可用傅里叶级数表示为
f V0 VL cos L t
n


I n e jn L t
S
3LS 2L L+S=+
3L 2L+S

if S L ) 混频电流的主要频谱（设 频电流的 频谱
非线性电阻混频原理

假设本振和信号电压分别为
vL (t ) VL cos( L t L ) vS (t ) VS cos( S t S )
1 P107 (4.2) : n R j g 变陡 Rj
肖特基势垒二极管的结构、 等效电路与主要参数

微波混频二极管的典型封装结构及其等效电路如图所示
保护胶 瓷片 引线 管芯 内引线 Cp Cj
Ls
Rj Rs
(a) 面接触型微带式封装结构 (b) 等效电路 混频二极管的封装结构及等效电路
多子器件——MOSFET，肖特基二极管，多数载流子其作用，电流能力小，开关速度快； 少子器件——双极型器件，如BJT，PiN二极管，电流能力大，开关速度相对较低； p型半导体中空穴是多数载流子，电子是少数载流子。
M-S M S结与PN结的特性比较
特性 工作 机理 伏安 特性 肖特基结 多数载流子的运动 PN结 少数载流子的扩散

假设本振与信号分别表示为
vL (t ) VL cos L t vS (t ) VS cos S t
v S (t ) v L (t )
ZL
V0
由于VL VS ，因此可以认为二极管工作点随本振电压而变 化，而在各工作点展开为泰勒级数。设二极管伏安特性用 i f (v) 表示 表示，则求得二极管电流的瞬时值为 则求得 极管 流的瞬时值为 i f (v) f (V0 VL cos L t Vs cos s t ) f (V0 VL cos L t ) f (V0 VL cos L t )Vs cos s t