第7章有源微波电路.ppt
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1、第7章 有源微波电路,7.1 微波混频器,微波混频器是将接收机所接收到的微波信号变换成中频信号,以利于进一步对信号进行后续处理的微波有源器件。,混频器之所以具有这种功能,关键在于其中使用了具有非线性电导的非线性元件肖特基势垒二极管。,7.1.1 肖特基势垒二极管,金属和半导体直接接触构成表面势垒的二极管称为肖特基势垒二极管。金属端加上正电压时,肖特基结耗尽层减薄,二极管处于正向导通状态;金属端加上负电压时,肖特基结耗尽层加厚,二极管反向不导通。,一肖特基势垒二极管的结构,肖特基势垒二极管管芯剖面:,小孔中的金属与N+半导体形成肖特基势垒结。窗孔直径愈小,结电容也愈小,工作频率愈高。,二肖特基势
2、垒二极管的等效电路和伏安特性,Rj和Cj分别是肖特基势垒结的结电阻和结电容,它们都随外加电压的变化而变化。Rj是产生混频作用的最主要的非线性参量。结电容Cj由于对结电阻Rj的旁路作用要损失微波能量,它限制了二极管混频的上限工作频率。,肖特基势垒二极管的电压-电流(伏-安)特性:,Gj1/Rj是用该管作混频二极管时的动态变频电导,它也是该管伏安特性曲线的斜率。,三混频管的主要参数,i,截止频率fc变频损耗 噪声温度比(等效噪声温度 TD)中频阻抗Zif,7.1.2 微波混频器的混频原理,微波混频器主要是利用肖特基势垒二极管的非线性电导来混频。在分析二极管微波混频器的混频原理时,我们只需注意管子的
3、伏安特性。,如图是单个二极管混频器的原理图,其中:V0是直流偏压,一般微波混频器为使电路简单常不外加直流偏压;vL是本振电压,是功率为毫瓦级的大信号;vS是微波信号电压;是微瓦级甚至功率更小的微弱信号;ZL是混频器输出负载阻抗。设加在混频二极管上的本振电压vL(t)和信号电压vs(t)分别为,式中:L和s分别是本振和信号的角频率,VL和Vs分别是本振和信号的电压幅度。当本振电压和微波信号电压一起加到混频二极管上时,由于VLVs,我们可以认为V0 确定了混频二极管的工作点,显然此工作点是由本振电压vL所控制的,是时变的。设二极管的电压-电流特性为,将if(v)在工作点V0 处作泰勒级数展开,得,
4、上式右边第一项包含了直流、本振频率及本振各次谐波频率的电流,它与所加的微波信号无关;由于Vs很小,可以忽略不计;值得注意的是第二项。这里令,显然g(t)是随时间周期变化的混频二极管的电导,是偶函数。我们将它展开成付里叶级数,则有,式中(n1,2,3,)我们称g0为二极管的平均混频电导,称gn为对应于本振第n次谐波的混频电导。混频电流i可表示成,显然混频电流i包含了直流和无穷多个不同频率分量的电流如图,在混频器各不同频率分量的电流中,频率为if=Ls(当Ls)或if=sL(当sL)的电流是我们所需的中频电流。,在混频器电流频谱中,除了我们所需的中频if以外,还有无穷多个我们所不需要到频率分量,我
5、们把不需要的这些频率分量通称寄生频率。由于这些寄生频率分量也是由信号和本振差拍产生的,都携带有一部分信号功率,如果将它们都滤除掉,必造成信号能量的损失,这种能量损失我们称之为净变频损耗。在设计混频器时应尽可能减少这种损耗,或者应将部分功率“回收”成为有用功率。在寄生频率中,最值的关注的是镜频k=2Ls。相对于本振频率L的位置,镜频处于信号频率s的镜像位置,故称k为镜频。我们之所以关注镜频基于两个理由:镜频是由本振的二次谐波与信号差拍产生的,具有不可忽视的功率;镜频存在回收的可能性。因为镜频和本振再一次差拍会得到新的中频,新中频L(2Ls)=sL=if与原中频相同,如果我们使混频电路对镜频呈现出
6、电抗性负载(例如开路或者短路),把镜频分量反射回二极管再次混频出新的中频,只要新的中频与原中频相位一致,就可使混频器输出中频能量增加而降低变频损耗。,7.1.3 混频器的主要特性,一变频损耗 其定义是输入混频器的微波资用功率Ps与加到中频负载上的功率Pif之比,记为Lm,于是有,混频器的变频损耗由三部分组成,这就是净变频损耗、寄生参量损耗、端口失配损耗及混频器电路中其它元件的损耗。其中,净变频损耗是主要的损耗。1净变频损耗 混频器依靠二极管的非线性电导使信号从微波信号频率s变成中频信号频率if,微波信号功率Ps中只有一部分转化成中频信号频率Pif,其余部分功率分散在其它寄生频率分量中而被滤除,
7、由此造成的功率损耗称为净变频损耗,用L1表示。在寄生频率分量中最值得关注的是镜频分量k,对它采取不同的措施会有不同的混频效果。常采用镜频短路、镜频开路和镜频匹配三种情况(详细分析见课本)。,结论:在给定本振电压的条件下,调整信源电导Gg和中频负载电导Gif,上述三种镜频终端都可以获得最小的净变频损耗。与此对应的信源电导和中频负载电导分别称为最佳信源电导和最佳中频负载电导。无论在那种情况下,最小净变频损耗都随本振电压振幅的增加而减小;当本振电压振幅趋于无限大时,镜频短路和镜频开路的最小变频损耗都趋于零分贝,而镜频匹配的最小变频损耗趋于3分贝;在相同本振电压振幅条件下,镜频开路最小变频损耗最小,镜
8、频短路最小变频损耗稍大一些,而镜频匹配最小变频损耗最大;在相同本振电压振幅条件下,镜频短路时最佳信源电导和最佳中频负载电导最大。,2寄生参量损耗,如图,只需考虑寄生参量中的结电容Cj的分流和串联电阻Rs的分压作用所引起的功率损耗,用Lj表示。,第二项是Rs对Rj的分压作用而引起的损耗,第三项则是Cj对Rj的分流作用而在Rs上增加的损耗。,结论:Lj不随本振功率单调减少,存在一个使变频损耗Lj最小的最佳本振功率。考虑到净变频损耗L1随本振功率增加而单调减小,故净变频损耗与寄生参量损耗之和L1Lj随本振功率的增加也有一个最小值。从这点来考虑,实现混频器要想得到较低的变频损耗,本振功率不能任意,要选
9、择一个最佳值。,3混频器的其它损耗 综上所述,混频器总的变频损耗Lm应取以下三项之和,即。,二混频器的噪声系数,混频器噪声系数定义为:在标准温度下(T290K),输入端信噪比与输出端信噪比之商,用Fm表示 式中Lm是混频器总的变频损耗。1单通道混频器的噪声系数 在镜频短路和镜频开路混频器中,由于采取了镜频短路或镜频开路措施,这种措施不仅使混频产生的镜频被反射回混频二极管再次混频,它也使频率等于镜频的外来信号和噪声被反射出去而不能进入混频器,所以镜频短路或者镜频开路时信号和噪声只能通过信号端口s进入,混频器是单通道混频器,如下左图:,其中,Lms为单通道混频器的变频损耗,tD为混频二极管的噪声温
10、度比,tms为单通道混频器的噪声温度比。实用的肖特基势垒二极管的噪声温度比,其做成的单通道混频器的噪声系数,2双通道混频器的噪声系数 在镜频匹配混频器中,由于没有对镜频采取措施,所以除了信号频道s外,还存在有一个镜频通道k。信号和噪声都可从s、k这两个通道进入混频器混频形成中频输出,故镜频匹配混频器是双通道混频器,如上右图:,双通道混频器的噪声温度比。其中,Lmd为双通道混频器的变频损耗。双通道混频器传输单边带信号(肖特基表面势垒二极管制),双通道混频器传输双边带信号(肖特基表面势垒二极管制),结论:镜频匹配混频器传输单边带信号时的噪声系数是传输双边带信号时的噪声系数的两倍,即通常所说的噪声系
11、数大3dB。其原因在于这两种情况输入噪声比相同,混频器总输出噪声功率也相同,但单通道使用时输出信号功率只有双通道使用时的一半,输出信噪比降低一半,噪声系数增加一倍。或者说,在单通道使用时,镜频通道没有信号输入,但照样提供噪声,因而使噪声系数变坏。,三混频器的其他特性,1信号和本振端口的输入驻波比 一般要求信号端口输入驻波比要更小一些。2信号与本振两端口之间的隔离度 如果输入信号功率泄漏到本振端,就会造成信号的损失;如果本振功率泄漏到信号端向外辐射,就会干扰其它部件的工作。因此,应对混频器信号与本振两个端口提出隔离度的要求。3输入信号的动态范围 对于微弱的输入信号,混频器中频输出功率与微波信号功
12、率近似为线性关系,变频损耗为常数。当输入信号功率增加到一定电平时,信号的高次谐波不能忽略,混频出来的高次寄生频量增多,变频损耗增加。我们把变频损耗增加到比常数值大1dB的输入信号功率叫做1dB压缩点,由于输入功率信号高于1dB压缩点时变频损耗会迅速增加,故规定1dB压缩点为混频器输入功率的上限。混频器的下限输入功率是可以接收并检测到信号时所对应的最小输入信号功率,它取决于噪声电平。,7.1.4 典型的微波混频电路,一单端混频器 单端混频器是最简单的一种混频器,它只用了一个肖特基势垒二极管作混频管。下图是一个微带型单端混频器电路及原理框图。,混频二极管。常用肖特基势垒二极管,它应具有足够高的截止
13、频率fc,一般要求fc10f。本振与信号的混合电路。这里使用的是平行耦合线定向耦合器,信号和本振分别从定向耦合器的两个隔离端口输入,可以保证信号和本振有良好的隔离,同时将本振功率耦合到主线上与信号功率混合,再加到二极管上。由定向耦合器的工作原理可知,输入信号功率一部分送到混频二极管上,另一部分功率耦合到副线并消耗在匹配负载上;同样本振功率也只有一部分耦合到主线再加在混频二极管上,余下部分本振功率也消耗在匹配负载上。因此,定向耦合器的耦合度要适当,若耦合强,需要本振功率虽然可以小一些,但信号功率漏失也大,变频损耗大;若耦合弱,信号漏失虽小,但所需本振功率大。为兼顾信号漏失功率和本振功率,通常将定
14、向耦合器的耦合度设计为10dB,这时信号功率漏失小,所需本振功率也不至于过大。,阻抗变换器。即图中所示 阻抗变换段和相移段。因为定向耦合器输出阻抗通常为50的纯电阻,二极管的输入阻抗为复阻抗;为使两者匹配,先通过长度为 的相移段将二极管的复阻抗变换为纯电阻,再利用 阻抗变换段将该纯电阻变换成50纯电阻。低通滤波电路。其作用是从混频器中取出中频功率同时还要使信号、本振短路防止它们漏出。滤波器采用信号频带内 低阻开路线,它相当于对信号中心频率的一个L-C串联振荡器,所以其输入端对信号和本振呈现短路,对中频则呈现为一个大的容抗;为使 开路线在信号频带下边频上有低的输入阻抗,即使信号下边频有较好的短路
15、,开路线应为低阻抗线,此时微带线的 应比较大。,中频通路与直流通路。为了构成中频信号回路并防止中频信号泄漏到高频输入电路中,在二极管输入端接 高阻短路线。它相当于一个对信号中心频率的L-C并联谐振电路。所以其输入端对信号和本振呈现开路而不影响信号和本振加到二极管上,而该输入端对于比本振和信号频率低的多中频信号则呈现出短路,构成中频接地。同时该高阻短路线也兼作直流接地。,二单平衡混频器,单端混频器电路比较简单,但性能也较差,只能用于一些要求不高的场合。其主要缺点有两个:1)要求本振功率较大。2)噪声系数大。,单平衡混频器使用两只混频管和分功率电桥组成单平衡电路如下图所示。电路中同样包含了五个部分
16、。单平衡混频器中所用的两只混频二极管特性应一致。在单平衡混频器中,采用分支线3dB定向耦合器作信号和本振的混合与隔离电路,这是单平衡混频器中的一个关键部件。,分析其特性:流过D1、D2两二极管的中频电流等幅反相,由于两二极管在电路中接法是方向相反的,所以输出到中频负载上的中频电流相减,于是流过中频负载的中频电流:,流过D1、D2两二极管的中频噪声电流等幅同相,由于两二极管在电路中接法是方向相反的,所以中频负载上由本振引入的中频噪声电流相减,于是本振产生的流过中频负载的总中频噪声电流:,可见,单平衡混频器除了能消除本振噪声这个突出的优点外,与单端混频器相比还具有以下三个优点:1)由于信号功率均分
17、到两个混频二极管上,输入混频器的上限信号功率可增加一倍,故混频器动态范围扩大一倍;,2)由于混合电路采用分支线定向耦合器而不是10dB支节定向耦合器,本振输入功率几乎全部等分加到两个混频二极管上,故单平衡混频器所需本振输入功率远小于单端混频器所需要的本振输入功率;3)单平衡混频器输入信号功率通过分支定向耦合器几乎全加到两混频管上,信号功率得到了充分利用,改善了变频损耗。,上面所述单平衡混频器所用混合电路是分支定向耦合器,到达4、3两端口的本振功率有90相位差,故称这种单平衡混频器为90相移型单平衡混频器。此外,单平衡混频器的混合电路也可采用微带环型电桥,构成如图微带环形电桥单平衡混频器。由于到
18、达两二极管的本振功率有180相位差,故微带环形电桥单平衡混频器是180相移型单平衡混频器。,三正交场平衡混频器,如下图是正交场平衡混频器的结构示意图,它由信号输入波导、混频腔和本振输入波导三部分组成。波导工作模式是TE10模。由于信号和本振的极化方向互相垂直,故称为正交场。由于本振电场与信号电场相互正交,所以信号与本振之间有很高的隔离度。两个混频二极管性能完全相同,安装在平行于信号电场的的横杆上,两混频二极管的安装极性如图所示。在安装混频二极管横杆中央下方放置了一个与横杆垂直的金属扰动杆。信号功率从信号波导输入,由于信号电场的极化方向与两混频二极管轴线平行,两二极管性能完全相同,故加到两混频二
19、极管上的信号电压等幅同相;扰动杆由于与信号电场垂直,对信号扰动小。本振功率从本振输入波导输入,本振电场极化方向与扰动杆平行,受扰动杆影响本振电场畸变,出现了管轴方向的电场分量,使加到混频二极管的本振电压等幅反相。经二极管混频形成的中频电流并联从扰动杆引出。可见,正交场平衡混频器是本振180相移型单平衡混频器。这种正交场平衡混频器巧妙地利用了空间的正交场分布,保证了信号与本振隔离,实现了信号功率和本振功率各自等分加到两个混频管上,同时又能满足所需的相位关系;所以这种混频器工作频较宽,且结构紧凑。,正交场平衡混频器结构示意图,四双平衡混频器 双平衡混频器又称为桥式混频器,它由4只特性完全相同的混频
20、二极管构成环路,其等效电路如右图。输入和输出电路采用“不平衡-平横”变换器即所谓巴伦,在频率较低的(例如4GHz以下)时不平衡-平横变换器可采用初级一端接地、次级有中心抽头的高频磁芯线圈,在频率较高时采用微带线结构的巴伦。,信号加在信号巴伦的不平衡端,其平衡端加在二极管环形桥的对角线上,中心抽头为中频输出的一端,信号功率等分加到四个二极管上。由于二极管环形桥和两个巴伦都是对称结构,所以信号、本振、中频之间具有很好的相互隔离。考虑到各二极管的极性,以二极管D1上的电压为基准,可写出各二极管上信号电压 和本振电压的表示式:D1管上:D2管上:D3管上:D4管上:分别写出D1、D2、D3、D4混频出
21、来的中频电流:考虑到各二极管的极性,混频器总的中频电流:,由双平衡混频器的电路结构和工作原理可以看出这种混频器具有以下优点:1)能消除本振噪声,这是平衡混频器固有的优点;2)工作频带很宽,可达几个倍频程。其理由在于:用巴伦取代了定向耦合器,巴伦有很宽的工作频带;二极管电桥本身是信号、本振、中频和直流的通路,不需要另外设计与工作频带有关的中频接地线和高频旁路线;3)隔离度好,由于四个二极管管芯制造在同一个芯片上,使得四个二极管的特性一致性好,只要巴伦制造对称,信号、本振、中频之间的隔离度可达20dB30dB;4)谐波干扰少,由于电路和管芯的结构对称,信号和本振的全部偶次谐波分量均被抵消;5)动态
22、范围大,因为输入信号功率由四个二极管分担,总输入信号功率上限可比单端混频器大4倍,故动态范围也比单端混频器大4倍。,7.2 微波场效应晶体管放大器,用于微波晶体管放大器的微波晶体管从结构与机理上可分为两大类,一类是双极晶体管(Bipolar Junction Transistor,BJT),另一类是场效应晶体管(Field Effect Transistor,FET)。双极晶体管BJT采用硅(Si)材料制成,适用于较低频段。在场效应晶体管中,用于较低频率的是金属氧化物场效应管(Metal Oxide Semiconductor FET,MOSFET),用于大功率放大器件。金属半导体场效应管(M
23、etal Semiconductor FET,MESFET),它采用GaAs制成,用于微波波段的小信号放大器和功率放大器。高电子迁移率场效应晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)用GaAs和AlGaAs材料制成,用作微波波段的低噪声放大器。,7.2.1 微波场效应晶体三极管,一金属半导体晶体场效应三极管的结构、等效电路及工作原理,MESFET结构示意图及符号,1.结构上图(左)是金属半导体场效应晶体三极管结构示意图,其制造工艺大致是:用半绝缘材料GaAs作衬底,在它上面生长出非常薄的N型外延层(称为有源层沟道);在N型外延层上做三个电极,这就是源
24、极(用S表示)、栅极(用G表示)和漏极(用D表示),其中源极、漏极与N型外延层之间为欧姆接触,而栅极下方形成耗尽层、使栅极与N型外延层之间为肖特基势垒结。上图(右)是场效应管在电路中的表示符号。,2等效电路(详见书)注:等效电路各参量取决于MESFET的材料和物理尺寸。3工作原理场效应晶体三极管的工作方式是通过改变栅源之间的电压VGS来改变栅极肖特基势垒的宽度,进而改变漏极电流IDS和电压VDS的大小。一般栅源之间加负偏压,即栅极电压为负,源极电压为正;漏源之间加正偏压,即漏极电压为正,源极电压为负。,场效应晶体三极管特性曲线,如右图:我们称使为IDS零的VGS为夹断电压VP。VDS不能无限增
25、加,有一个极限值成为击穿电压。由右图可知,只要VGS有很小的变化,都会使IDS有较大的变化,用较小的栅极交流信号电压来控制较大的漏源电流,这就是场效应晶体三极管功率放大的基本原理。,为了提高金属半导体场效应晶体三极管的工作频率,需要缩短栅长(即减小沟道耗尽层长度)来减小载流子的渡越时间。当栅长缩短到大约1m时,将会出现短沟道效应,使工作频率升高受到限制(短沟道效应的分析详见书)。二高电子迁移率场效应晶体三极管(HEMT)的结构及工作原理,由于短沟道效应限制了金属半导体场效应管工作频率的提高,因而需要有新的工作频率更高的场效应晶体三极管。高电子迁移率场效应晶体三极管利用了异质结(不同半导体材料构
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