毫米波第二六章毫米波固態(tài)電路

毫米波第二六章毫米波固態(tài)電路第1頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月毫米波真空管分類慢波型正交場放大器（CFA）磁控管（Magnetron）速調(diào)管（Klystron）行波管（TWT）返波管（BWO）快波型回旋管（Gyrotron）萊達(dá)管（Ledatron）潘努管（Peniotron）第2頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月毫米波固態(tài)源分類二端器件IMPATTGunn三端器件MESFETHEMTFETPHEMTFET倍頻器第3頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月振蕩器換能器：DC→AC放大器：G→∞非線性電路負(fù)阻振蕩的基本原理直流靜態(tài)電阻永遠(yuǎn)為非負(fù)值R=V/I≥0負(fù)阻是就動(dòng)態(tài)電阻而言的，即器件V-A特性曲線上某處的斜率r=dv/di<0§2.1固態(tài)振蕩器的一般理論第4頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月只考慮穩(wěn)態(tài)振蕩時(shí)器件中的電流基波分量i(t)=Acos(ωt+φ)設(shè)器件的微分阻抗和電路阻抗分別為Zd(A)=-Rd(A)+jXd(A)Zc(ω)=Rc(ω)+jXc(ω)則起振條件Rd(A)>Rc(ω)平衡條件Zd(A)+Zc(ω)=0穩(wěn)定條件振蕩的三種條件第5頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月振蕩器噪聲分析第6頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月注入鎖定第7頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月1958年Read提出模型1965年Johnston首次從工作在雪崩區(qū)的p+n二極管中觀察到了微波振蕩§2.2IMPATT振蕩器第8頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單雙漂結(jié)構(gòu)對(duì)比單漂區(qū)（SDR）雙漂區(qū)（DDR）結(jié)構(gòu)p+-n-n+p+-p-n-n+漂移區(qū)數(shù)量12結(jié)面積較小較大輸出功率較小較大工藝復(fù)雜性和成本較低較高第9頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月毫米波IMPATT二極管

的封裝結(jié)構(gòu)和熱模型第10頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月IMPATT二極管CW功率隨頻率變化第11頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月IMPATT二極管脈沖功率隨頻率變化第12頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月IMPATT二極管封裝結(jié)構(gòu)

（100GHz以下）陶瓷環(huán)封裝f<50GHz石英環(huán)封裝50GHz<f<100GHz第13頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月IMPATT二極管開放結(jié)構(gòu)

（100GHz以上）單石英支撐雙石英支撐直接接觸第14頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月毫米波二極管波導(dǎo)型振蕩電路第15頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月腔穩(wěn)法（不適合毫米波）注入鎖定鎖相環(huán)頻率穩(wěn)定方法第16頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月1963年Gunn發(fā)現(xiàn)在外加電場作用下半導(dǎo)體能級(jí)間電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)RWH（Radley,Watkins,Hilsum）雙谷理論模型1964年Kromer證明了二者是同一種效應(yīng)§2.3Gunn振蕩器第17頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月與IMPATT對(duì)比，Gunn器件不是結(jié)效應(yīng)器件，而是體效應(yīng)器件，也稱電子轉(zhuǎn)移器件優(yōu)點(diǎn)：噪聲低，適合作低噪聲本振缺點(diǎn)：輸出功率較低Gunn與IMPATT對(duì)比第18頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月Gunn與IMPATT二極管CW功率第19頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月Gunn與IMPATT二極管脈沖功率第20頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月鰭線振蕩器=鰭線諧振器+有源器件鰭線諧振器用一段帶有偏置電路和適當(dāng)調(diào)諧電路的鰭線制作有源器件可以是Gunn、IMPATT等二端器件，也可以是FET、HEMTFET等三端器件§6.1鰭線振蕩器第21頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單的鰭線振蕩器第22頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月鰭線壓控振蕩器第23頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月平面柱鰭線振蕩器第24頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月周期柵鰭線振蕩器第25頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單柵鰭線振蕩器第26頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月鰭線FET振蕩器第27頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月P=P1+P2

理論合成效率可達(dá)100%并聯(lián)雙管合成振蕩器第28頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月P=2(P1+P2)理論合成效率可達(dá)200%這是因?yàn)榇?lián)可使Gunn管比單個(gè)時(shí)有更大的負(fù)阻，也更容易與阻抗較高的傳輸線匹配關(guān)鍵：等幅同相合成串聯(lián)雙管合成振蕩器第29頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月鰭線串聯(lián)雙管合成振蕩器第30頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月Gunn二極管和串聯(lián)雙管合成振蕩器的等效電路等效電路第31頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月鰭線串聯(lián)雙Gunn管合成振蕩器

的輸出功率第32頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月鰭線串聯(lián)雙Gunn管合成振蕩器

的輸出功率穩(wěn)定度和頻率穩(wěn)定度第33頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月D-band(110-140GHz)

quasi-opticaloscillator第34頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月GroovedmirrortypeFabry-Perotquasi-opticaloscillator第35頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月倍頻器將交流能量轉(zhuǎn)換為其諧波頻率的交流能量，與振蕩器將直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量不同。倍頻器與其說是信號(hào)源，不如說是頻率變換電路?！?.5二端器件倍頻源第36頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月按功能信號(hào)倍頻功率倍頻按器件二端電抗性二極管變?nèi)荻O管階躍二極管電阻性二極管三端倍頻器分類第37頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月平面管芯結(jié)構(gòu)和臺(tái)面管芯結(jié)構(gòu)等效電路變?nèi)荻O管的管芯結(jié)構(gòu)和等效電路第38頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)電容結(jié)電容變化系數(shù)γ=1/3緩變結(jié)γ=1/2突變結(jié)γ>1超突變結(jié)變?nèi)荻O管的非線性特性零偏壓結(jié)電容PN結(jié)的勢(shì)壘電位差反向偏壓絕對(duì)值第39頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月并聯(lián)型（電流激勵(lì)型）和串聯(lián)型（電壓激勵(lì)型）二極管倍頻電路的基本形式第40頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月并聯(lián)型（電流激勵(lì)型）特點(diǎn)：二極管上只有f1和Nf1頻率的電流優(yōu)點(diǎn)：二極管可接地，利于散熱，適合大功率倍頻缺點(diǎn)：二極管與輸入輸出回路均為并聯(lián)，使得輸入輸出阻抗都較低串聯(lián)型（電壓激勵(lì)型）特點(diǎn)：二極管上只有f1和Nf1頻率的電壓優(yōu)點(diǎn)：輸入輸出阻抗較高，且隨諧波次數(shù)N的增加，效率下降程度比并聯(lián)型小，對(duì)N>3的場合較適合缺點(diǎn)：散熱不如并聯(lián)型二極管倍頻電路兩種形式的特點(diǎn)第41頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月空閑回路（LmCm）匹配電路偏置電路倍頻附加電路第42頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月W頻段高功率二倍頻電路輸出部分第43頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二倍頻器第44頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月HBV三倍頻器450GHz單管三倍頻器和異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘變?nèi)荻O管（HBV）器件[M.Saglam2002]第45頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月反向并聯(lián)二極管對(duì)平衡倍頻器第46頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月35%bandwidthQ-to-Wbandfrequencydoubler[C.Nguyen1987]鰭線平衡倍頻電路第47頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月75-110GHzfullwaveguidebandMMICtripler[M.Morgan2001]W頻段單片集成平衡三倍頻器第48頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月900GHz平衡三倍頻器[2004]第49頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月900GHz平衡三倍頻器性能第50頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月三端器件振蕩器和倍頻器FET二倍頻器（微帶結(jié)構(gòu)）第51頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二端器件混頻器單二極管混頻器（單端混頻器）反向并聯(lián)二極管對(duì)偶次諧波混頻器二極管平衡混頻器二極管雙平衡混頻器三端器件混頻器§6.3混頻器第52頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月梁式Schottky二極管俯視圖第53頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月二極管混頻原理第54頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月混頻器噪聲系數(shù)和SSB變頻損耗第55頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月亞諧波混頻器反向并聯(lián)二極管對(duì)偶次諧波混頻電路第56頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月平衡混頻電路第57頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月230GHzsingleendedmixer[J.W.Archer1981]波導(dǎo)單端混頻器第58頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月SSB變頻損耗和噪聲溫度第59頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單端混頻器第60頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月亞諧波混頻器第61頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月亞諧波混頻器300-360GHzsub-harmonicmixerusingplanarSchottkydiodes[B.Thomas2005]第62頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單脊鰭線亞諧波混頻器Wide-bandsubharmonicallypumpedW-bandmixerinsingle-ridgefin-line[P.J.Meier1982]第63頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單片亞諧波混頻器E-bandmonolithicSchottkydiodepairsubharmonicmixer[E.B.Stoneham2006]第64頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單片四次諧波混頻器60GHzUniplanarMMIC4SubharmonicMixer[M.W.Chapman2002]有限寬度地共面（FGC）波導(dǎo)第65頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月鰭線－共面線平衡混頻器第66頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月鰭線－帶線平衡混頻器第67頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月鰭線－帶線平衡混頻器第68頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月微帶平衡混頻器第69頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月V頻段單片集成混合環(huán)平衡混頻器IVbandsinglybalanceddiodemixer[C.Florian2005]第70頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月W頻段單片集成混合環(huán)平衡混頻器91-99GHzmonolithicHEMTSchottkydiodesinglybalancedmixer[Velocium]第71頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單片雙平衡混頻器70-90GHzmonolithicHBTstarmixer[Velocium]第72頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單柵和雙柵三端器件混頻電路第73頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月三端器件平衡混頻電路第74頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單片有源平衡混頻器32-46GHzmonolithicGaAsPHEMTbalancedmixer[Mimix]第75頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月HEMT器件結(jié)構(gòu)及其等效電路第76頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)際HEMT器件的典型結(jié)構(gòu)第77頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月單級(jí)、雙級(jí)低噪聲放大器第78頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月56-70GHzmonolithicPHEMTlownoiseamplifier[TriQuint]單片低噪聲放大器第79頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月平衡式分布式（行波式）反饋式有源匹配式有損匹配式寬帶放大器類型第80頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月平衡式寬帶放大器第81頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月分布式（行波式）寬帶放大器第82頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月反饋式寬帶放大器第83頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月有源匹配式寬帶放大器第84頁，課件共90頁，創(chuàng)作于2023年2月有損匹配式寬帶放大器第85頁