西電微波電子線路大作業(yè)1

1、微波電子線路大作業(yè)姓名：班級(jí)：021014 學(xué)號(hào)：一 肖特基勢壘二極管與混頻器1 肖特基勢壘二極管利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘構(gòu)成的微波二極管稱為肖特基勢壘二極管。這種器件對(duì)外主要呈現(xiàn)非線性電阻特性，是構(gòu)成微波混頻器、檢波器和微波開關(guān)等器件的核心元件。目前絕大多數(shù)混頻器都采用肖特基勢壘二極管，因?yàn)樾ぬ鼗鶆輭径O管的耗盡電容比PN結(jié)電容小的多，因此肖特基勢壘二極管更適合微波頻率下工作。肖特基勢壘二極管的等效電路如右圖所示：肖特基二極管作為非線性電阻應(yīng)用時(shí)，除結(jié)電容之外，其他都是寄生參量，會(huì)對(duì)電路的性能造成影響，應(yīng)盡量減小它們本身的值，或在微波電路設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮這些寄生參量的影響。一般地，

2、肖特基勢壘二極管的伏安特性可以表示為： 對(duì)于理想的肖特基勢壘，；當(dāng)勢壘不理想時(shí)，,點(diǎn)接觸型二極管,面結(jié)合型二極管。 如下圖是肖特基勢壘二極管的伏安特性曲線：肖特基勢壘二極管特性參量：1） 截止頻率2） 噪聲比（理想情況下）3） 中頻阻抗 4） 變頻損耗 2 混頻器微波混頻器的核心元件是肖特基勢壘二極管?；祛l機(jī)理是基于肖特基勢壘二極管結(jié)電阻的非線性管子在偏壓和本振的激勵(lì)下，跨導(dǎo)隨時(shí)間變化，加上信號(hào)電壓后出現(xiàn)一系列頻率成分的電流，用濾波器取出所需中頻即可。描述二極管混頻器的混頻過程，需要建立一個(gè)等效電路。由于混頻二極管是一個(gè)單向器件，不僅與和差拍產(chǎn)生新的頻率，而其電流在一定的阻抗上所建立起的電壓也

3、會(huì)反過來加到二極管上該電壓與和差拍，也產(chǎn)生新的頻率?；祛l器等效電路如右圖所示：信頻、中頻和鏡頻電流的幅值為：由等效電路可以求出變頻損耗。微波混頻器的作用是將微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信，頻率變換后的能量損耗即為變頻損耗。變頻損耗主要包括三部分：(1) 由寄生頻率產(chǎn)生的凈變頻損耗。(2) 由混頻二極管寄生參量引起的結(jié)損耗。(3) 混頻器輸入/輸出端的失配損耗。結(jié)論；混頻器的變頻損耗載鏡頻開路時(shí)變頻損耗最低，鏡頻匹配時(shí)變頻損耗最高。變頻損耗與本振功率有關(guān)，在最佳本振功率時(shí)，變頻損耗最低。如下圖所示：微波混頻器的基本電路包括單端混頻器、平衡混頻器和雙平衡混頻器。為了保證有效地進(jìn)行混頻，微波混頻器的基本電路都

4、應(yīng)滿足以下幾項(xiàng)主要原則：1、信號(hào)功率和本振功率都應(yīng)能同時(shí)加到二極管上，二極管要有直流通路和中頻輸出回路；2、二極管和信號(hào)回路應(yīng)盡可能做到匹配，以便獲得較大的信號(hào)功率；3、本機(jī)振蕩器與混頻器之間的耦合應(yīng)能調(diào)節(jié)，以便選擇合適的工作狀態(tài)；4、中頻輸出端應(yīng)能濾掉高頻信號(hào)。二 變?nèi)莨芎妥內(nèi)莨苌献冾l器1 變?nèi)莨茏內(nèi)莨?PN結(jié)的結(jié)電容(主要是勢壘電容)隨著外加電壓的改變而改變，利用了這一特性可以構(gòu)成變?nèi)荻O管（簡稱為變?nèi)莨埽?。變?nèi)莨芸梢詷?gòu)成參量放大器、參量變頻器、參量倍頻器(諧波發(fā)生器)、可變衰減或調(diào)制器等。等效電路如右圖：其結(jié)電容與偏壓的關(guān)系圖：結(jié)電容可以表示為以下普遍形式： 式中：m稱為結(jié)電容非線性系數(shù)

5、，取決于半導(dǎo)體中參雜濃度的分布狀態(tài)。變?nèi)莨軈?shù)（1） 品質(zhì)因數(shù)Q （2） 截止頻率 fc （3） 反向擊穿電壓VB 表示反向電壓承受限.規(guī)定VB為反向電流為1uA對(duì)應(yīng)的反偏電壓值.使用時(shí)電壓波動(dòng)范圍為VBVS .（4） 自諧振頻率串聯(lián)自諧振頻率 fsr 并聯(lián)自諧振頻率 fpr2 變?nèi)莨苌献冾l器功率上變頻器的分析方法有電荷分析法和諧波平衡法兩種，電荷分析法是屬于早期采用的方法。假設(shè)二極管上的激勵(lì)電荷為 式中：假定t=0時(shí)初相位均相同。流過二極管的電流為 為求的二極管上的電壓u(t)，應(yīng)先推導(dǎo)出變?nèi)莨苌系碾姾?電壓（q-u）特性。根據(jù)變?nèi)莨茉?，利?關(guān)系求得電容上存儲(chǔ)的電荷為 于是可得 式中：

6、為 時(shí)的結(jié)電容上存儲(chǔ)的電荷。當(dāng)時(shí)，則上式可寫成 根據(jù)上式可得 一般近似認(rèn)為時(shí)，勢壘消失，趨于零，所以 上式表示q(u)的一般特性。式中： 按積分式本應(yīng)為負(fù)值，但為使q-u特性使用方便，因此在上式中令 為正值，這并不影響q-v特性的物理實(shí)質(zhì)。對(duì)于突變結(jié)變電容， ，于是上式可寫成 令 ，故得 由此可畫出突變結(jié)變電容的q-u特性，如圖4-5中實(shí)線所示。為分析方便，圖中將u的坐標(biāo)零點(diǎn)移至處，并令，故得到 式中：。若在變?nèi)莨苌霞尤胝易兓碾姾杉?lì)，根據(jù)q-u特性，則二極管上的電壓為非正弦波，如圖4-5所示。圖中二極管上的電壓限制在 的范圍內(nèi)，為滿激勵(lì)（全激勵(lì)）狀態(tài)。此時(shí)取 ，可得到最大交變電荷幅度。將

7、這種最佳狀態(tài)下的工作參數(shù)代入式（4-17），可得 （4-26）式中：m為電荷激勵(lì)系數(shù)，。 設(shè)，由式（4-25）求得變?nèi)莨苌系碾妷簽閷⑹剑?-26）和式（4-27）進(jìn)行比較，由變?nèi)莨苌系碾妷汉土鬟^電流之間的相位關(guān)系可以看出：對(duì)、和既有同相分量，也有正交分量，而且對(duì)輸出頻率，電路呈現(xiàn)負(fù)阻及容抗，對(duì)和均呈現(xiàn)正阻及容抗，這說明有頻率分量的能量輸出。三 階躍恢復(fù)二極管和階躍恢復(fù)二極管倍頻器1 階躍恢復(fù)二極管階躍恢復(fù)二極管（SRD）可以看做一種特殊的變?nèi)莨埽喎Q階躍管。利用階躍管由導(dǎo)通恢復(fù)到截止的電流突變可以構(gòu)成窄脈沖輸出，也可以利用其豐富的諧波制作梳狀頻譜發(fā)生器或高次倍頻器。階躍管采用了結(jié)構(gòu)，其中很薄的

8、N層的載流子濃度很低，幾乎接近本征層。階躍管特性：在反偏時(shí)結(jié)電容近似不變，為一個(gè)不變的小電容（處于高阻狀態(tài)，近似開路）。正偏時(shí)，形成了較大的擴(kuò)散電容（處于低阻狀態(tài)，近似短路）。階躍管相當(dāng)于一個(gè)電容開關(guān)。特點(diǎn)： 加正向電壓時(shí)導(dǎo)通，但I(xiàn)區(qū)載流子壽命長，復(fù)合慢，在結(jié)區(qū)有大量電荷貯存，電壓反向時(shí)，由于結(jié)區(qū)的貯存電荷存在，管子仍然導(dǎo)通，但貯存電荷在載流子抽完后突然消失，電流截止。加交變電壓對(duì)應(yīng)電流波形如右圖，與一般p-n結(jié)管子的不同在于導(dǎo)通時(shí)載流子壽命長，復(fù)合慢，電壓反向時(shí)不能立即截止。 階躍管特性參數(shù)：（1）貯存時(shí)間： 電壓由正變負(fù)，由于貯存電荷效應(yīng)，管子上電壓不能突變。貯存電荷經(jīng)過 時(shí)間，管子兩端電

9、壓降為零。（2）階躍時(shí)間： 反向電流消失時(shí)間(0.8iR 0.2 iR 或0.9iR 0.1 iR )， 該時(shí)間越短越好。（3）其他參數(shù)： 少子壽命 ，約為信號(hào)周期的10倍。還有反向擊穿電壓VB，截止頻率fc、反向偏置結(jié)電容Cj和最大耗散功率Pmax等.2 階躍恢復(fù)二極管倍頻器階躍管的作用是把每一個(gè)周期輸入的信源能量轉(zhuǎn)換為一個(gè)諧波豐富的大幅度窄脈沖；再利用它激勵(lì)一個(gè)諧振電路，得到頻率為的衰減波振蕩，最后通過帶通濾波器在負(fù)載上得到N次諧波的等幅波。 輸入信號(hào)，通過一個(gè)激勵(lì)電感激勵(lì)階躍管，以便利用電感來儲(chǔ)能，使之得到大幅度的階躍電流，因此應(yīng)為功率信號(hào)源。圖中為負(fù)偏壓，為脈沖發(fā)生器的等效負(fù)載。（1）導(dǎo)通期間由圖的等效電路可求出電路中電流的表達(dá)式。電路的微分方程：假定其實(shí)條件為，為電感中起始電流，則解方程得由此可見，電流由三部分組成：直流分量、余弦分量和線性下降項(xiàng)。(2) 階躍期間。假定在i(t)達(dá)到負(fù)的最大值，即=0，產(chǎn)生階躍，則可畫出節(jié)約期間的等效電路和謝過電路方程：電路的微分方程為：令為階躍期間的階躍開始時(shí)刻時(shí)，起始條件為解得電流為式中：為阻尼因子，由電路參數(shù)決定。適當(dāng)選擇激勵(lì)電感和，對(duì)一定的階躍管使<1,則的波形為衰減震蕩。負(fù)載上的電壓波形為可見，電壓波形也表現(xiàn)為衰減震蕩。脈沖電壓波形及其頻譜：脈沖發(fā)生