第11章 其他常用微波電路-魏峰

主講人：魏峰射頻/微波電路導(dǎo)論

第11章其他常用微波電路

11.1隔離器與環(huán)形器

11.2混頻器與檢波器

11.3倍頻器和分頻器

11.4開關(guān)與相移器11.1隔離器與環(huán)形器

隔離器又稱單向器，它是一種允許電磁波單向傳輸?shù)膬啥丝谄骷?，其示意圖如圖11-1所示。從端口①向端口②傳輸?shù)恼螂姶挪ㄋp很小，而從端口②向端口①傳輸?shù)姆聪虿▌t有很大的衰減。在微波系統(tǒng)中，經(jīng)常把隔離器接在信號發(fā)生器與負(fù)載網(wǎng)絡(luò)之間，以改善源與負(fù)載的匹配。這樣可以使得來自負(fù)載的反射功率不能返回發(fā)生器輸入端，避免負(fù)載阻抗改變而引起的發(fā)生器輸出功率和工作頻率的改變。

常用的環(huán)行器是三端口元件，信號傳輸可以是順時針方向，也可是逆時針方向。環(huán)行器可以用作隔離器，更多場合是與其他電子器件一起構(gòu)成微波電路。 一般地，隔離器和環(huán)行器是在微波結(jié)構(gòu)中放入鐵氧體材料，外加恒定磁場，在這個區(qū)域構(gòu)成各向異性介質(zhì)。電磁波在這種媒體中三個方向的傳輸常數(shù)是不同的，從而可實現(xiàn)單向傳輸。鐵氧體材料是一種電子陶瓷，材料配方和工藝多種多樣，隨鐵氧體的使用場合而定。11.1.1隔離器的技術(shù)指標(biāo) 隔離器和環(huán)行器的技術(shù)指標(biāo)是：工作頻帶、最大正向衰減量α+、最小反向衰減量α-、正反向駐波比、功率容量等。這些指標(biāo)的定義在前述各種電路中都遇到過，在此不再贅述。 好的指標(biāo)是正向衰減盡可能小（0.5dB以下），反向衰減盡可能大(25dB以上)，駐波比盡可能小（1.2以下），頻帶和功率容量滿足整機要求。11.1.2隔離器的原理從原理上講，不論是縱向磁化鐵氧體還是橫向磁化鐵氧體都有可能實現(xiàn)單方向的隔離作用，因此將它填充于各種傳輸線段中，形成不同的隔離器。1.諧振式隔離器1)波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 波導(dǎo)型諧振式隔離器的基本原理是鐵磁諧振效應(yīng)。在鐵磁諧振頻率附近（ω=ω0），橫向磁化的鐵氧體強烈地吸收右旋圓極化波的能量，而使右旋波受到很大的衰減，左旋波損耗很小。如圖11-2所示，鐵氧體片在矩形波導(dǎo)內(nèi)的位置應(yīng)該是電磁波磁場為圓極化的地方，矩形波導(dǎo)中ＴＥ10模的磁場分布，沿正z方向為圖（b），沿負(fù)z方向為圖（c）。理想情況下，正向無衰減，反向無傳輸。

圖11-2波導(dǎo)諧振式隔離器

2)微帶型 微帶結(jié)構(gòu)在微波電路中用途很廣。圖11-3是微帶型鐵氧體諧振式隔離器。由于諧振原理，這種隔離器的頻帶比較窄，一般不超過中心頻率的10％。

圖11-3微帶型諧振式隔離器 橫向偏置的鐵氧體條置于微帶線旁，電磁波磁場圓極化方向與鐵氧體內(nèi)感應(yīng)電流引起的磁場一致，電磁波交給鐵氧體能量，鐵氧體發(fā)熱。 2.場移式隔離器 1)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

如圖11-4所示，矩形波導(dǎo)中TE10模磁場為圓極化，在x1處放置一塊鐵氧體片，并加有垂直于波導(dǎo)寬壁的橫向恒定磁場H0（負(fù)y方向），在鐵氧體片面向?qū)挶谥芯€的一側(cè)再附加一片薄的吸收片。圖11-4波導(dǎo)場移式隔離器(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電場分布

場移式隔離器的工作原理與諧振式的不同，區(qū)別在于它不是工作在ω=ω0的諧振區(qū)，而是工作在ω0/ω＜1的低場區(qū)，即外加磁場H0小于諧振時的磁場。鐵氧體顯示出“抗磁”性質(zhì)，對微波磁場起排斥作用。所以，對右旋波來說，鐵氧體內(nèi)部的電磁場強很弱，電磁能量主要在鐵氧體外邊的波導(dǎo)管內(nèi)傳輸，電場分量Ey在鐵氧體內(nèi)側(cè)與空氣的交界面上為最小值，而對于左旋波，由于鐵氧體的介電常數(shù)較大，電磁場集中于鐵氧體片內(nèi)部及其附近傳輸，在鐵氧體內(nèi)側(cè)與空氣的交界面上，電場強度Ey有最大值，這種場分布的差異稱為場移效應(yīng)，如圖11-4(b)所示。 2)微帶型 如圖11-5所示的鐵氧體表面的微帶線在偏置磁場作用下，電磁場會偏離中心向一邊移動，在微帶線旁放置一塊吸波材料，就會吸收電磁波的能量。如果將偏置磁場改變方向或電磁波從另一方向來，則不會有影響。現(xiàn)有場移式隔離器指標(biāo)為6.0～12GHz，反向衰減20dB，正向衰減1.5dB，比諧振式隔離器頻帶寬。

圖11-5微帶場移式隔離器 與諧振式隔離器相比較，場移式隔離器的優(yōu)點是所需偏置磁場H0的值較低，減輕了磁鐵的重量，有利于做出更高頻率的隔離器。缺點是損耗發(fā)生在很薄的吸收片中，散熱受到限制，能承受的功率有限。 3.法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器

波導(dǎo)型法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器如圖11-6所示。圖中1和6是矩形波導(dǎo)，它們的橫截面互成45°的角。7和8是吸收薄片，也互成45°的夾角。2和5是矩形波導(dǎo)ＴＥ10模到圓波導(dǎo)TE11模的轉(zhuǎn)換器。4是產(chǎn)生縱向磁場的螺線線圈。3是兩端做成錐形的鐵氧體圓桿。選擇鐵氧體的長度l和縱向恒磁場H0的大小，使得經(jīng)過圓波導(dǎo)后電磁波的極化面有45°的旋轉(zhuǎn)。圖11-6法拉第旋轉(zhuǎn)式隔離器

11.1.3環(huán)行器 環(huán)行器是一個多端口器件，其中電磁波的傳輸只能沿單方向環(huán)行，例如在圖11-7中，信號只能沿①→②→③→④→①方向傳輸，反方向是隔離的。在近代雷達(dá)和微波多路通信系統(tǒng)中都要用單方向環(huán)行特性的器件。在微波多路通信系統(tǒng)中，用環(huán)行器可以把不同頻率的信號分隔開，如圖11-8所示，不同頻率的信號由環(huán)行器Ⅰ的①臂進(jìn)入②臂，接在②臂上的帶通濾波器F1只允許頻率為f1±Δf的信號通過，其余頻率的信號全部被反射進(jìn)入③臂，濾波器F2通過了頻率為f2±Δf的信號并反射其余頻率的信號。這些信號通過④臂進(jìn)入環(huán)行器Ⅱ的①臂……于是可以依次將不同頻率的信號分隔開。圖11-7四端口環(huán)行器示意圖圖11-8用環(huán)行器分隔出不同頻率信號

環(huán)行器的原理依然是磁場偏置鐵氧體材料各向異性特性。微波結(jié)構(gòu)有微帶式、波導(dǎo)式、帶狀線和同軸式，其中以微帶三端環(huán)行器用的最多，微帶環(huán)行器結(jié)構(gòu)如圖11-9所示，用鐵氧體材料作介質(zhì)，上置導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)，加恒定磁場Hdc，就具有環(huán)行特性。如果改變偏置磁場的方向，環(huán)行方向就會改變。圖11-9微帶環(huán)行器結(jié)構(gòu) 下面給出常用結(jié)構(gòu)和用途示例，如圖11-10和圖11-11所示。 圖11-10鐵氧體環(huán)行器（a）三端環(huán)行器示意圖;（b）波導(dǎo)結(jié)構(gòu);（c）微帶結(jié)構(gòu) 圖11-11鐵氧體環(huán)行器應(yīng)用（a）用作隔離器;（b）用作雙工器;（c）用作移相器;（d）用于注入鎖定放大器11.2混頻器與檢波器

混頻器和檢波器是頻率變換電路。混頻器是超外差接收機和測量儀器的前端電路，與本振源結(jié)合，把信號源頻率降為中頻信號，送入中頻處理電路。檢波器直接提取信號包絡(luò)，通常用于功率檢測。11.2.1混頻器的主要技術(shù)指標(biāo) 混頻器是前端電路，其性能指標(biāo)直接關(guān)系到接收機的特性。 (1)變頻損耗。 盡管混頻器的器件工作方式是幅度非線性，但我們希望它是一個線性移頻器。變頻后的輸出信號的幅度變化就是變頻損耗或增益。一般地，無源混頻器都是變頻損耗。二極管混頻器的變頻損耗包括混合網(wǎng)絡(luò)損耗（1.5dB左右）、邊帶損耗（3dB左右）、諧波損耗（1dB左右）和二極管電阻損耗（1.5dB左右），典型值為7dB左右。(2)噪聲系數(shù): 描述信號經(jīng)過混頻器后質(zhì)量變壞的程度，定義為輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值。這個值的大小主要取決于變頻損耗，還與電路的結(jié)構(gòu)有關(guān)。肖特基二極管的導(dǎo)通電流直接影響混頻器的白噪聲，這個白噪聲隨電路的不同而不同，在混頻器的變頻損耗上增加一個小量。如變頻損耗為6dB，白噪聲為0.413dB，則噪聲系數(shù)為6.413dB。 這種增加量隨本振功率的變化不是線性的。表11-1給出雙平衡混頻器的本振功率與噪聲系數(shù)、變頻損耗之間的典型關(guān)系?？梢钥闯?，混頻器性能與本振功率有最佳值。

表11-1雙平衡混頻器本振與特性關(guān)系(3)線性特性。 1dB壓縮點:與第8章的定義相同。在輸入射頻信號的某個值上，輸出中頻信號不再線性增加，而是快速趨于飽和。拐點與線性增加相差1dB的信號電平?；祛l器的1dB壓縮點與本振功率有關(guān)，因為混頻器是本振功率驅(qū)動的非線性電阻變頻電路。對于雙平衡混頻器，1dB壓縮點比本振功率低6dB。 1dB減敏點:描述混頻器的靈敏度遲鈍的特性，與1dB壓縮點有關(guān)，也是雷達(dá)近距離盲區(qū)的機理。對于雙平衡混頻器，1dB減敏點比1dB壓縮點低2～3dB。

動態(tài)范圍:最小靈敏度與1dB壓縮點的距離，用dB表示。通常的動態(tài)范圍要大于60dB。動態(tài)范圍的提高，意味著系統(tǒng)的成本大幅度增加。 諧波交調(diào)：與本振和信號有關(guān)的交調(diào)雜波輸出。 三階交調(diào)：輸入兩個信號時的IP3，定義為1dB壓縮點與三階輸出功率線的距離。 (4)本振功率。混頻器的指標(biāo)受本振功率控制。若本振功率不夠，混頻器就達(dá)不到預(yù)定指標(biāo)。產(chǎn)品混頻器都是按功率dBm值分類的，如7dBm、10dBm、17dBm本振（LO）。(5)端口隔離。三個端口LO、RF、IF頻率不同，互相隔離指標(biāo)，dB越高越好。端口隔離與電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)、器件和信號電平有關(guān)，一般要大于20dB。(6)端口VSWR。三個端口的駐波比越小越好。尤其是RF口，它會影響到整機靈敏度。(7)直流極性。一般地，射頻和本振同相時，混頻器的直流成分是負(fù)極性。(8)功率消耗。功耗是所有電池供電設(shè)備的首要設(shè)計因素。無源混頻器消耗LO功率，而LO消耗直流功率，LO功率越大，消耗直流功率越多?；祛l器的輸出阻抗對中放的要求也會影響中放的直流功耗。 11.2.2混頻器的原理與設(shè)計

1.混頻器的原理 理想的混頻器是一個開關(guān)或乘法器，如圖11-12所示，本振激勵信號（LO，fp）和載有調(diào)制信息的接收信號（RF，fs）經(jīng)過乘法器后得到許多頻率成分的組合，經(jīng)過一個濾波器后得到中頻信號（IF，fIF）。圖11-12理想混頻器

通常，RF的功率比LO的小的多，不考慮調(diào)制信號的影響，乘法器的輸出頻率為

fd=nfp±fs（11-1） 微波工程中，可能的輸出信號為三個頻率之一: 差頻或超外差fIF=fp-fs 諧波混頻fIF=nfp-fs 和頻或上變頻fIF=fp+fs 最關(guān)心的是超外差頻率，絕大部分接收機都是超外差工作，采用中頻濾波器取出差頻，反射和頻，使和頻信號回到混頻器再次混頻。外差混頻器的頻譜如圖11-13所示，RF的頻率關(guān)于LO的頻率對稱點為RF的鏡頻。鏡頻的功率和信號的功率相同，由于鏡頻與信號的頻率很近，可以進(jìn)入信號通道而消耗在信號源內(nèi)阻。恰當(dāng)處理鏡頻，能夠改善混頻器的指標(biāo)。

圖11-13超外差混頻器的頻譜 LO控制的開關(guān)特性可以用幾種電子器件構(gòu)成，肖特基二極管在LO的正半周低阻，負(fù)半周高阻近似為開關(guān)。在FET中，改變柵源電壓的極性，漏源之間的電阻可以從幾歐姆變到幾千歐姆。在射頻或微波低端，F(xiàn)ET可以不要DC偏置，而工作于無源狀態(tài)。BJT混頻器與FET類似。 根據(jù)開關(guān)器件的數(shù)量和連接方式，混頻器可以分為三種:單端、單平衡、雙平衡。圖11-14是三種混頻器的原理結(jié)構(gòu)。微波實現(xiàn)方式就是要用微波傳輸線結(jié)構(gòu)完成各耦合電路和輸出濾波器，耦合電路和輸出濾波器具有各端口的隔離作用。

圖11-14三種混頻器的原理結(jié)構(gòu) 單端混頻器的優(yōu)點如下： (1)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，在微波頻率高端，混合電路難于實現(xiàn)的情況下更有優(yōu)勢。 (2)變頻損耗小，只有一個管子消耗功率。 (3)本振功率小，只需驅(qū)動一個開關(guān)管。 (4)容易DC偏置，進(jìn)一步降低本振功率。

單端混頻器的缺點如下: (1)對輸入阻抗敏感。 (2)不能抑制雜波和部分諧波。 (3)不能容忍大功率。 (4)工作頻帶窄。 (5)隔離較差。 單平衡混頻器和雙平衡混頻器的優(yōu)缺點與單端混頻器相反。根據(jù)整機要求，選擇合適的混頻器結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。 2.單端混頻器設(shè)計 經(jīng)典的單端混頻器在寬頻帶、大動態(tài)的現(xiàn)代微波系統(tǒng)中極少使用，但在毫米波段和應(yīng)用微波系統(tǒng)中還有不少使用場合。設(shè)計的主要內(nèi)容就是為三個信號提供通道，如圖11-15所示。圖11-15單端混頻器原理和微帶結(jié)構(gòu) (a)基本原理；圖11-15單端混頻器原理和微帶結(jié)構(gòu)(b)微帶原理；圖11-15單端混頻器原理和微帶結(jié)構(gòu) (c)微帶實現(xiàn)

單端混頻器的設(shè)計困難是輸入端的匹配，二極管的非線性特性使得混頻器的輸入阻抗是時變的，無法用網(wǎng)絡(luò)分析儀測出靜態(tài)阻抗，只能得到折中的估計值。3.單平衡混頻器設(shè)計 單平衡混頻器的優(yōu)點在于抑制本振噪聲，抵消部分諧波。以本振功率的增加來提高動態(tài)范圍，要用到平衡混合網(wǎng)絡(luò)，這會帶來一定的損耗。 常用的平衡混合網(wǎng)絡(luò)為180°和90°兩種。微波結(jié)構(gòu)在5GHz以上用分支線或環(huán)行橋，5GHz以下用變壓器網(wǎng)絡(luò)，微封裝結(jié)構(gòu)指標(biāo)好。毫米波段用波導(dǎo)正交場或MMIC。單平衡混頻器的原理如圖11-16所示。 分支線和環(huán)行橋的原理見第8章。圖11-17為兩種常用的微帶混頻器。表11-2歸納出了常用微帶混合電路的特性。表11-2常用微帶混合電路的特性表略圖11-16單平衡混頻器原理圖11-17兩種常用的微帶混頻器 4.雙平衡混頻器設(shè)計 在微波低端使用最多的是微封裝雙平衡混頻器。這種混頻器隔離度好，雜波抑制好，動態(tài)范圍大，尺寸小，性能穩(wěn)定，便于大批量生產(chǎn)。缺點是本振功率大，變頻損耗比較大。 典型的雙平衡混頻器如圖11-18所示，四只二極管為集成芯片，變壓器耦合網(wǎng)絡(luò)尺寸很小，結(jié)構(gòu)緊湊，匹配良好。對于LO信號，端口RF+和RF-為虛地點，不會有LO進(jìn)入RF回路。同樣，RF信號不會進(jìn)入LO回路，隔離可達(dá)到40dB。圖11-18環(huán)形雙平衡混頻器 雙平衡混頻器的開關(guān)輸出波形如圖11-19所示，圖（a）是IF抽頭處波形，圖(b)是中頻濾波器后波形，包絡(luò)始終沒變化。

圖11-19雙平衡混頻器的開關(guān)輸出波形 四個二極管也可以星形連接，如圖11-20所示。圖11-20星形雙平衡混頻器 為了提高動態(tài)范圍，增加承受功率，加大隔離，每個臂上的二極管可以用一個元件組取代，帶來的缺點是本振功率的增加。圖11-21給出不同結(jié)構(gòu)及其所要求的本振功率。圖11-21幾種臂元件組合所需本振功率 微波頻率提高后，變壓器網(wǎng)絡(luò)可以用傳輸線來實現(xiàn)。圖11-22為用傳輸線實現(xiàn)變壓器的原理。槽線、鰭線等具有對稱性的傳輸線都可以做混合網(wǎng)絡(luò)。但是，中間抽頭不好找、中頻輸出濾波不好實現(xiàn)等困難，使得傳輸線結(jié)構(gòu)的雙平衡混頻器的指標(biāo)比不上變壓器結(jié)構(gòu)。因此，5GHz以上頻率大量使用前述單平衡混頻器。圖11-22用傳輸線實現(xiàn)變壓器圖11-23晶體管IC型雙平衡混頻器 5.晶體管雙平衡混頻器 晶體管IC型雙平衡混頻器如圖11-23所示。RF加在V1和V2之間，LO加在V3、V4、V5、V6上，起開關(guān)作用。這種混頻器在射頻段有10dB以上的增益，靈敏度高，噪聲為5dB左右，到了微波頻段噪聲較大。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，將會有大量產(chǎn)品可使用。 6.場效應(yīng)管混頻器 FET混頻器的增益和噪聲都比較好。基于FET的MMIC有源混頻器已經(jīng)有廣泛的使用。前述二極管混頻器有兩個特點:可用一階近似進(jìn)行線性分析;實際中二極管混頻器與電路設(shè)計關(guān)系不大。FET有源混頻器不具備上述特點，分析時除了小信號條件外，還要用其他非線性設(shè)計工具，噪聲分析更加復(fù)雜。因為二極管的電導(dǎo)是指數(shù)函數(shù)，而FET是平方函數(shù)，后者的頻率成分更多。 圖11-24是FET混頻器的兩個基本結(jié)構(gòu)。 11.2.3檢波器的原理與設(shè)計 一般地，檢波器是實現(xiàn)峰值包絡(luò)檢波的電路，輸出信號與輸入信號的包絡(luò)相同。圖11-27所示是三種信號的檢波輸出。作檢波時，肖特基勢壘二極管伏安特性近似為平方關(guān)系，檢波輸出電流與輸入信號電壓幅度的平方成正比。因此，常用檢波電流的大小檢示輸入信號功率的大小。

圖11-27三種信號的檢波輸出（a）連續(xù)波輸出為直流;（b）數(shù)字調(diào)幅輸出數(shù)字信號;（c）模擬調(diào)幅輸出模擬信號 1.關(guān)于靈敏度的幾個問題 1)靈敏度 靈敏度定義為輸出電流與輸入功率之比。一般地，檢波輸出信號的頻率小于1MHz時，閃爍噪聲對檢波靈敏度的影響較大。閃爍噪聲又稱為1/f噪聲，由半導(dǎo)體工藝或表面處理引起，噪聲功率與頻率成反比。為了避免這個影響，采用混頻器構(gòu)成超外差接收機，30MHz或70MHz中頻放大后再檢波。這并不影響微波檢波器的使用，大部分情況下，檢波器用于功率檢示，輸入功率較強，檢波靈敏度能滿足設(shè)備要求。 2)標(biāo)稱可檢功率（NDS） 標(biāo)稱可檢功率是輸出信噪比為1時的輸入信號功率。它不僅與檢波器的靈敏度有關(guān)，還與后續(xù)視頻放大器的噪聲和頻帶有關(guān)。測量方法為：不加微波功率，測出放大器輸出功率（噪聲功率）、輸入微波功率，使輸出功率增加1倍時的輸入功率為NDS。 3)正切靈敏度（TSS）

輸入脈沖調(diào)幅的微波信號，檢波后為方波。調(diào)整輸入信號的幅度，輸出信號在示波器上顯示為圖11-28所示形狀時的輸入信號功率即為TSS。圖中曲線為沒有脈沖時的最高噪聲峰值和有脈沖時的最低噪聲峰值在同一水平時的情況。顯然，這個測試隨測量者不同，有偏差，是個難于嚴(yán)格定量的值。但TSS概念清晰，使用方便，在工程中得到了普遍使用。TSS也常用于接收機的靈敏度描述。

TSS比NDS高4dB，如NDS＝－90dBm，則TSS＝－86dBm。

圖11-28TSS測量 2.注意事項 為了提高檢波器的靈敏度，設(shè)計時應(yīng)注意： (1)選擇低勢壘二極管，用于檢波比混頻的肖特基二極管勢壘要低，小信號下能產(chǎn)生足夠大的電流。 (2)選用截止頻率高的二極管，寄生參數(shù)的影響小。 (3)加正向偏置電流，打通二極管，這樣可節(jié)省微波功率，提高靈敏度。 (4)用于測試系統(tǒng)的檢波器或其他場合的寬頻帶檢波器，增加匹配元件或頻帶均衡電阻網(wǎng)絡(luò)，靈敏度會降低。 3.檢波器電路 圖11-29給出了常見的三種結(jié)構(gòu)檢波器電路。圖（a）為寬頻帶微帶線檢波器，如果是窄帶的，也可用集總參數(shù)電阻和電容，配合平行耦合線用于微帶電路模塊;圖（b）為調(diào)諧式波導(dǎo)檢波器，頻帶窄;圖（c）為寬頻帶同軸檢波器，廣泛用于測試系統(tǒng)。

圖11-29微波檢波器電路(a)寬頻帶微帶線檢波器；(b)調(diào)諧式波導(dǎo)檢波器；(c)寬頻帶同軸檢波器11.3倍頻器和分頻器

11.3.1倍頻器 倍頻器輸入信號為f0，輸出信號為nf0，使用的器件是變?nèi)荻O管。微波電路包括輸入端低通濾波器和匹配電路，輸出端帶通濾波器和匹配電路，如圖11-30所示。圖11-30倍頻器基本結(jié)構(gòu)

射頻/微波倍頻器分成兩類：低次倍頻器和高次倍頻器。 低次倍頻器的單級倍數(shù)n不超過5。使用的器件為變?nèi)荻O管，倍頻次數(shù)增加后，倍頻效率和輸出功率將迅速降低(二倍頻效率為50％以上，三倍頻效率為40％以上)。如需高次倍頻時，必須做成多級倍頻鏈，使其中每一單級仍為低次倍頻。高次倍頻器的單級倍頻次數(shù)可達(dá)10～20以上，倍頻使用的器件是階躍恢復(fù)二極管(電荷儲存二極管)。在高次倍頻時，倍頻效率約為1/n。因為倍頻次數(shù)高，可由幾十兆赫茲的石英晶體振蕩器一次倍頻至微波，得到很穩(wěn)定的頻率輸出。這種倍頻器輸出功率比較小，通常在幾瓦以下，但利用階躍管進(jìn)行低次倍頻時，輸出功率在L波段也可達(dá)15W以上。 1.變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管的特點是非線性電抗元件，損耗小、噪聲低，可用于諧波倍頻、壓控調(diào)諧、參量放大、混頻或檢波。目前使用最多的只是倍頻和調(diào)諧。 圖11-26（b）所示肖特基勢壘二極管的反向結(jié)電容隨電壓的變化就是變?nèi)莨芴匦?，變?nèi)莨艿碾娙菖c反向電壓的關(guān)系為（11-2）

式中，Cj0是零偏壓時結(jié)電容，φ為結(jié)勢壘電勢，m為等級因子。圖11-26（d）所列的不同半導(dǎo)體材料都可用作變?nèi)莨埽皇侨齻€參量不同。不同用途的變?nèi)莨埽琺值不同。 m=1/3時為線性變?nèi)莨埽瑢崿F(xiàn)低次倍頻或調(diào)諧。m=1/2時為階躍回復(fù)二極管，實現(xiàn)高次倍頻或低次倍頻。 大多數(shù)情況下，變?nèi)莨艿膍=1/2～1/3。變?nèi)莨艿牡刃щ娐窞橐粋€電阻與可變電容的串聯(lián)，如圖11-30所示，最大工作頻率與串聯(lián)電阻有關(guān)，電阻越小越好。圖11-31給出變?nèi)莨艿碾娙萸€和泵源（大功率交流信號）作用下變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容曲線，非線性效果較明顯。

圖11-31泵源作用下的結(jié)電容

2.門—羅關(guān)系 在輸入信號激勵下，變?nèi)莨苌洗嬖谠S多頻率成分，除輸入和輸出有用信號外，其余頻率稱為空閑頻率。這些空閑頻率對于器件的工作是必不可少的。為了保證倍頻器工作，必須使一些空閑頻率諧波有電流。這個回路通常是短路諧振器，在所關(guān)心的頻率上電流最大。 門-羅（Manley-Rowe）關(guān)系描述理想電抗元件上的諧波成分及其占有的功率。這種關(guān)系便于直觀理解倍頻器、變頻器、分頻器和參放的工作原理。用兩個信號fp和fs來激勵變?nèi)莨埽瑒t有

倍頻器m=0，輸入為fp，輸出為nfp，P1+Pn=0，理論效率為100％。

參量放大器和變頻器m=1，泵源fp的功率比信號fs的功率大的多，忽略信號功率，且只取和頻fp+fs，則轉(zhuǎn)換增益為（11-3）

3.倍頻器設(shè)計 變?nèi)荻O管倍頻器的常用電路如圖11-32所示，圖(a)為電流激勵，圖(b)為電壓激勵。在電流激勵形式中，濾波器F1對輸入頻率為短路，對其他頻率為開路，濾波器FN則對輸出頻率為短路，對其他頻率為開路；在電壓激勵中，F(xiàn)1對輸入頻率、FN對輸出頻率為開路，對其他頻率為短路。圖11-32變?nèi)荻O管倍頻器的電路原理圖

電流激勵的倍頻器電路，變?nèi)莨芤欢丝山拥囟谏幔首鞴β嗜萘枯^大的低次倍頻時，宜于采用電流激勵。用階躍管作高次倍頻時，因其處理的功率較小，一般采用電壓激勵形式。 構(gòu)成倍頻器時，應(yīng)注意以下幾個問題： (1)變?nèi)莨艿墓ぷ鳡顟B(tài)要合理選擇，以得到較高的倍頻效率和輸出較大的功率。由于變?nèi)莨鼙额l是利用其電容的非線性變化來得到輸入信號的諧波的，如果使微波信號在一個周期的部分時間中進(jìn)入正向狀態(tài)，甚至超過PN結(jié)的接觸電位，則倍頻效率可大大提高，因為由反向狀態(tài)較小的結(jié)電容至正向狀態(tài)較大的擴散電容，電容量有一個較陡峭的變化，有利于提高變?nèi)莨艿谋额l能力。但是，過激勵太過分時，PN結(jié)的結(jié)電阻產(chǎn)生的損耗也會降低倍頻效率，故對一定的微波輸入功率需調(diào)節(jié)變?nèi)莨艿钠珘菏蛊涔ぷ饔谧罴褷顟B(tài)。

(2)變?nèi)莨軆蓚?cè)的輸入/輸出回路分別與基波信號源和諧波輸出負(fù)載連接。為了提高倍頻效率，減少不必要的損耗，盡量消除不同頻率之間的相互干擾，要求輸入/輸出電路之間的相互影響盡量小。特別是倍頻器的輸入信號不允許泄漏到輸出負(fù)載，而其倍頻輸出信號也不允許反過來向輸入信號源泄漏。為此，在輸入信號源之后及輸出負(fù)載之前分別接有濾波器F1及FN。此外，在濾波器F1、FＮ和變?nèi)莨苤g，還應(yīng)加接調(diào)諧電抗L1和LN。 因為輸入電路和輸出電路接在一起，彼此總有影響，為使輸出電路對輸入電路呈現(xiàn)的輸入電抗符合輸入電路的需要，故在輸入電路中加接調(diào)節(jié)電抗L1加以控制。同理，在輸出電路中加接LＮ是為了調(diào)節(jié)輸入回路影響到輸出電路的等效電抗。 (3)為了在輸入頻率和輸出頻率上得到最大功率傳輸，以實現(xiàn)較大的倍頻功率輸出，要求對兩個不同頻率都分別做到匹配，即輸入電路在輸入頻率上匹配，輸出電路在輸出頻率上匹配。 (4)當(dāng)倍頻次數(shù)N＞2時，為了進(jìn)一步提高倍頻效率，除調(diào)諧于輸入頻率和輸出頻率的電路以外，最好附加一個到幾個調(diào)諧于其他諧波頻率的電路，但這些頻率皆低于輸出頻率，稱為空閑電路。由于空閑電路的作用，把一個或幾個諧波信號的能量利用起來，再加到變?nèi)莨苓@個非線性元件上，經(jīng)過倍頻或混頻的作用，使輸出頻率的信號的能量加大，這樣就把空閑頻率的能量加以利用而增大了輸出。 (5)變?nèi)莨艿姆庋b參量Ls、Cb對電路的影響也不小，在進(jìn)行電路設(shè)計時，應(yīng)將它們包含進(jìn)去。

4.階躍管高次倍頻器 階躍恢復(fù)二極管(簡稱階躍管，又稱電荷儲存二極管)是利用電荷儲存作用而產(chǎn)生高效率倍頻的特殊變?nèi)莨?。m=1/9~1/16，C≈Cj0，在大功率激勵下，相當(dāng)于一個電抗開關(guān)。工作頻率范圍可從幾十MHz至幾十GHz。這種倍頻器結(jié)構(gòu)簡單，效率高，性能穩(wěn)定，作為小功率微波信號源是比較合適的，并且可以一次直接從幾十MHz的石英晶體振蕩器倍頻到微波頻率，得到很高的頻率穩(wěn)定度。

階躍管還可用于梳狀頻譜發(fā)生器或作為頻率標(biāo)記。因為由階躍管倍頻產(chǎn)生的一系列譜線相隔均勻(均等于基波頻率)，可用來校正接收機的頻率，也可作為鎖相系統(tǒng)中的參考信號。階躍二極管也可用來產(chǎn)生寬度極窄的脈沖(脈沖寬度可窄到幾十微微秒)，在毫微秒脈沖示波器、取樣示波器等脈沖技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。 最簡單的階躍恢復(fù)二極管是一個PN結(jié)，但與檢波管或高速開關(guān)管不同。正弦波電壓對它們進(jìn)行激勵時，得到的電流波形不同，如圖11-33(b)、(c)所示。其中(b)為一般PN結(jié)二極管的電流波形，依循正向?qū)?、反向截止的?guī)律；而(c)為階躍管的電流波形，其特點是電壓進(jìn)入反向時，電流并不立即截止，而是有很大的反向電流繼續(xù)流通，直到時刻ta，才以很陡峭的速度趨于截止?fàn)顟B(tài)。產(chǎn)生這種特性是和階躍管本身特點有關(guān)的。 圖11-33階躍恢復(fù)管的電流波形激勵電壓波形；(b)檢波管或高速開關(guān)管電流波形；(c)階躍管的電流波形 階躍恢復(fù)二極管倍頻器的構(gòu)成框圖及其各級產(chǎn)生的波形如圖11-34所示。圖11-34階躍恢復(fù)二極管倍頻器構(gòu)成框圖及其各級產(chǎn)生的波形

頻率為f0的輸入信號把能量送到階躍管的脈沖發(fā)生器電路。該電路將每一輸入周期的能量變換為一個狹窄的大幅度的脈沖。此脈沖能量激發(fā)線性諧振電路。該電路把脈沖再變換為輸出頻率fN=Nf0的衰減振蕩波形。最后，此衰減振蕩經(jīng)帶通濾波器濾去不必要的諧波，即可在負(fù)載上得到基本上純的輸出頻率等幅波。 5.倍頻器電路 低次倍頻n=2～4，已有商業(yè)化集成產(chǎn)品選擇，尺寸很小，使用方便。 下面給出幾種微波倍頻器的電路結(jié)構(gòu)，供參考。圖11-35是微帶線六倍頻器，1、2、3為輸入端匹配和低通，4為變?nèi)莨埽?、6、7、8為輸出端匹配帶通，9、10為直流偏置。倍頻次數(shù)和電路拓?fù)潢P(guān)系不大，只是圖中輸出帶通濾波器7的中心頻率不同。工作頻率變化，電路拓?fù)湟膊蛔?，只調(diào)整輸入和輸出回路即可。圖11-35微帶線六倍頻器11.3.2分頻器 分頻器主要用于鎖相環(huán)和頻率合成器中。圖11-36是基本頻率變換關(guān)系，輸入為f0，輸出為f0/N，設(shè)法實現(xiàn)圖中的頻率變換關(guān)系是設(shè)計分頻器的基本思路。

圖11-36分頻器功能 完成這個功能的常用方法是反饋混頻法或使用再生分頻器，電路結(jié)構(gòu)如圖11-37所示，分頻器的分頻比取決于兩個帶通濾波器的選擇性?；祛l器RF端功率大，LO端功率小，相當(dāng)于接收機的本振與信號對調(diào)，輸出頻率與分頻比的關(guān)系為(11-4)圖11-37頻率再生式分頻器11.4開關(guān)與相移器 11.4.1開關(guān) 構(gòu)成開關(guān)的器件有鐵氧體、PIN管、FET或BJT。鐵氧體和PIN是經(jīng)典的開關(guān)器件，表11-3給出了兩種器件的性能比較，鐵氧體的特點是功率大、插損小，PIN的特點是快速，成本低。FET或BJT有增益，已經(jīng)成為中、小功率開關(guān)的主要器件。各種器件的開關(guān)都有自己的使用場合。表11-3開關(guān)器件的性能比較 開關(guān)在射頻/微波系統(tǒng)中有著廣泛的用途，如時分多工器、時分通道選擇、脈沖調(diào)制、收發(fā)開關(guān)、波束調(diào)整等。開關(guān)的指標(biāo)比較簡單，接通損耗盡可能小，關(guān)斷損耗盡可能大，頻帶和功率滿足系統(tǒng)要求。

1.開關(guān)的基本原理 1)開關(guān)器件原理 鐵氧體開關(guān)的原理是改變偏置磁場方向，實現(xiàn)導(dǎo)磁率的改變，改變了信號的傳輸常數(shù)，以達(dá)到開關(guān)目的。PIN管在正反向低頻信號作用下，對微波信號有開關(guān)作用。正向偏置時對微波信號的衰減很?。?.5dB），反向偏置時對微波信號的衰減很大（25dB）。 BJT和FET開關(guān)的原理與低頻三極管開關(guān)的原理相同，基極（柵極）的控制信號決定集電極（漏極）和發(fā)射極（源極）的通斷。放大器有增益，反向隔離大，特別適合于MMIC開關(guān)。 MEMS微機械電路是近年發(fā)展起來的一種新型器件，在濾波器中有簡單介紹，也可以用作開關(guān)器件。 2)微波開關(guān)電路 開關(guān)器件與微波傳輸線的結(jié)合就構(gòu)成微波開關(guān)組件。各種開關(guān)器件與微波電路的連接形式的等效電路相同。下面以PIN管為例介紹常用開關(guān)電路。開關(guān)按照接口數(shù)量定義，代號為PT，如單刀單擲(SPST)、單刀雙擲（SPDT）、雙刀雙擲（DPDT）、單刀六擲（SP6T）等。 圖11-38是SPDT的兩種形式。每個電路中的兩個PIN管的偏置始終是相反的。圖11-38（a）中，若VD1通VD2斷，VD1經(jīng)過四分之一波長，在輸入節(jié)點等效為開路，VD2無影響，輸入信號進(jìn)入2，反之，開關(guān)撥向1。圖(b)中，若VD1通VD2斷，輸入信號進(jìn)入1，反之，開關(guān)撥向2。圖11-38單刀雙擲（SPDT）開關(guān)(a)并聯(lián)型;(b)串聯(lián)型

圖11-39、圖11-40、圖11-41是幾種常用開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 這些電路的微波設(shè)計要考慮開關(guān)的寄生參數(shù)設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，還要考慮器件的安裝尺寸。

圖11-39串并聯(lián)復(fù)合開關(guān)（a）SPST;（b）SP3T圖11-40多擲開關(guān)

(a)雙刀雙擲（DPDT）開關(guān); 圖11-40多擲開關(guān)

(b)單刀四擲（SP4T）開關(guān); 圖11-40多擲開關(guān)（c）單刀六擲（SP6T）開關(guān)圖11-41大功率寬帶開關(guān) 2.開關(guān)驅(qū)動 任何一種開關(guān)都有相應(yīng)的驅(qū)動電路。驅(qū)動電路實際上是一個脈沖放大器，把控制信號(通常為T