第一课微波电子线路第三章上

1固态电路中，采用的非线性元件一般是半导体二极管:非线性电阻二极管肖特基势垒二极管非线性电容二极管变容管、阶跃恢复二极管等频谱搬移过程主要由非线性电阻完成、即核心元件是非线性电阻的频率变换器称为“阻性变频器”频谱搬移过程主要由非线性电抗完成、即核心元件是非线性电容的频率变换器称为“参量变频器”。频率变换器按照功能还可进一步划分为：下变频器、上变频器和倍频器微波频率变换器3.1概述2包含一个或多个非线性元件的网络微波下变频器的组成微波频率变换器SLO本地振荡信号LSif中频信号微波下变频一般采用阻性变频器工作频带可作得很宽，可达几个甚至几十个倍频程，而且动态范围比较大，总噪声系数可以作得相当低包含一个或多个非线性元件的网络微波上变频器的组成SOP泵浦信号PSuSuSPuSu和频信号微波上变频一般采用参量变频器它变频效率高、绝对稳定。3微波频率变换器包含一个或多个非线性元件的网络微波倍频器的组成SSn微波倍频器也是微波毫米波系统中常用的部件，在一些微波设备中，例如频率合成器和微波倍频链中，它更是不可缺少的关键部件之一。称为倍频次数n原则上，各种半导体元件只要具有非线性，都可以用来构成倍频器。实际上，最常用的是变容管倍频器和阶跃管倍频器。变容管倍频器适用于低次倍频，其效率较高，如果忽略损耗电阻等寄生参量的影响，效率甚至可以达到100％；而阶跃管倍频器多用在高次倍频场合，其结构相对简单，倍频次数可达100以上。本章将讨论变容管倍频器和阶跃管倍频器的性能及电路结构。4微波频率变换器3.2非线性电阻微波混频器非线性电阻微波混频器的核心元件是肖特基势垒二极管。常见的非线性电阻微波混频器的基本电路有三种类型：单端混频器采用一个混频二极管，是最简单的微波混频器；单平衡混频器采用两个混频二极管；双平衡混频器采用四个二极管。本节将以元件的特性为基础，分析非线性电阻微波混频器的工作原理及性能指标，包括电路时频域关系、功率关系、变频损耗、噪声特性，并给出各种非线性电阻微波混频器的电路实现（微带电路结构）等。5微波频率变换器3.2.1电路工作原理与时频域关系微波混频器只采用一个肖特基势垒混频二极管，称为单端混频器是信号源内阻抗，是本振源内阻抗，表示输出负载阻抗，为直流偏压SZLZOZdcVtVtvSSScostVtvLLLcos6微波频率变换器1.输出电流频谱（设）PS先假设、和均被短路;负载电压（输出电压）SZLZOZ0tvO加于二极管两端的电压为信号电压、本振电压及直流偏压（或零偏压）之和1expnkTqVIVfIs肖特基势垒二极管的特性可以表示为:二极管电流为:SLdcvvVfvfti（1）小信号情况信号电压幅度远小于本振电压幅度,按台劳级数在处展开为:LdcvVlSLdclSLdcSLdcLdcvvVflvvVfvvVfvVfti!1!212217微波频率变换器LdcvVvllLdclvivVf,3,2,1l由于信号电压的幅度很小，可将以上的各高次项忽略不计2SvSLdcSLdcLdcvtgvVfvvVfvVfti1二极管的时变电导假设混频二极管对所有本振谐波电压都是短路的，仅由正弦本振电压决定是仅加直流及本振电压时的二极管电流LdcvVf和都是本振频率的周期函数,利用傅立叶级数展开tgLdcvVfL10cos2nLnntnggtg8微波频率变换器1cos2nLndcLdcntnIIvVf根据第二章第二节混频二极管的交流激励特性可知（忽略反向饱和电流）：LdcsaVJaVaIg00expLndcsnaVJaVaIgexpLdcsdcVJVII0expLndcsnVJVIIexpSLdcvtgvVfti1cos2nLndcntnIItVgSScos0tVgLSScos1（本振电流）（信号基波电流）（输出中频电流）9微波频率变换器2cosnLSSnntnVg1cosnLSSnntnVg（高次差频电流）（各次和频电流）混频电流的主要频谱频率称为和频，除称为中频外还称为差频，称为镜像频率。LSuLSififLSLi210微波频率变换器得出以下基本结论:在非线性电阻混频过程中产生了无数的组合分量，其中包含有中频分量，能够实现混频功能。可用中频带通滤波器取出所需的中频分量而将其它组合频率滤掉。中频电流的振幅为.它与输入信号振幅成正比例。混频器输入端与输出端分量振幅之间具有线性关系,这一点对信号接收时的保真无疑是非常有意义的。SifVgI1由于本振信号是强信号，在混频过程中它通过二极管的非线性作用而产生了无数的谐波，每一个谐波都包含了部分有用的信号功率，是对信号功率的浪费，应该采取措施加以回收利用，以提高从信号变换为中频的变换效率。但各谐波功率大约随变化，因此混频产物电路的组合分量强度随增加而很快减小。通常只有本振基波和二次谐波等分量才足够强，对混频变换效率产生较大影响。21n11微波频率变换器（2）大信号情况如果混频器的输入信号是强信号（但可认为信号电压幅度仍远小于本振电压幅度），不能忽略以上的各高次项。此时信号也将产生各次谐波，混频产物电流的频谱分量将大为增加。2Sv为使问题分析及表达简洁，可以借助欧拉公式把上述各三角函数表示为指数形式:tjnytjnytjnjngtjnjngntngLnLnLnLnLnexpexpexpexpexpexpcos2如果定义，则有：nnggnnnnyjngjngyexpexp00gy从而，傅立叶展开的g(t)可以写为：12微波频率变换器nLnnLnLnnLnLnnLntjnytjnytjnyytjnytjnyyntnggtgexpexpexpexpexpcos2101010nLnnLnnLnnLndcLdctjnItjnjnIntnjIntnIIvVfexpexpexpexpcos21nLlnvVvllLdcltjnyvivVfLdcexp,信号电压及其各次幂同样可以写成：lSSlSllSSlStjtjVtVtvexpexp21cos表示为：tinmSLmntmnjItiexp,混频输出电流的一般表达式13微波频率变换器大信号下混频的基本结论：在非线性电阻混频过程中产生了信号和本振所有可能的各次谐波组合分量，比小信号时丰富得多。其中包含有中频分量，能够实现混频功能。可用中频带通滤波器取出所需的中频分量而将其它组合频率滤掉。二极管电流中包含中频分量为：tItjItjItiLSLSLSifcos2expexp1,11,11,1其振幅可计算出为：33,11,11,1812SSVgVgI中频电流振幅不再与输入信号振幅成线性关系，将产生非线性失真。由于信号也产生各次谐波，将有可能在输出端产生组合干扰。ifLSnm14微波频率变换器3.2.2电路功率关系与变频损耗混频器的变频损耗一般可定义为：LanammnPPL它表示混频器中任意边带频率到另一边带频率之间的变频损耗，和分别表示这两个频率上的资用功率。mfnfamPanP由于一般只关注输出中频的情况，可把混频器的变频损耗定义限定为：01PPPPLaifaS和分别为从信号源和中频输出端得到的资用功率。aSPaifP1．混频器的功率关系二极管这一非线性电阻中的瞬时功率可表示为：titvtrtititrtitp215微波频率变换器平均功率一般可表示为：titvtpPReRekmLtmkjmktdeIVPL21Re当时，积分项为1，当时，积分项为0mkmkmmmmmPIVPRe对于阻性二极管来说，是时间的实函数，而且对所有的时间来说，则可见为实数，而且恒有。tr0trtp0tp0RemmPtptpP考虑到只有信号源对时变电阻馈给功率，故（信号频率上进入的功率）是正的，而在其它频率（）上均吸收功率，因而它们的功率均为负值。tr1Pm1mmP16微波频率变换器01,001mmmmmPPPP1,001mmmPPP可得出结论：对于非负的时变电阻和时变电导来说，混频器中所有混频产物所得到的总功率不大于信号源所供给的信号功率。trtg变频损耗不可能小于1，即不可能有变频增益，因而我们所讨论的线性周期时变电阻网络是无源的。由于其无源性，因而它是绝对稳定的，即在任何终端负载和本振条件下都不会产生自激振荡。在无穷多个混频产物频率中，我们一般仅需要输出一种频率成分，即中频。那些不需要输出的混频产物（称为带外闲频）在相应频率的端口阻抗上造成功率损耗，如果能使混频器对这些无用边带频率造成特殊的终端条件，则可减少有用功率的浪费，减小变频损耗。相当于在频率为的端口上分别具有短路、开路和电抗终端m17微波频率变换器2．Y混频器及其变频损耗在各种减小变频损耗的措施中，如果采取的是对所有带外闲频（）提供短路终端，构成的混频器称为Y混频器。m1mY混频器电路原理图SSCLLLCLififCLSLif所有带外闲频（）都是严重失谐而呈现近似短路的终端阻抗。m1m相当于前面线性分析中加在混频二极管上的电压只有三个：信号电压、镜频电压和中频电压，因此混频器是三端口网络。18微波频率变换器Y混频器的电路方程表示为：101012101210101VVVyyyyyyyyyIII或iifSiifSVVVyyyyyyyyyIII012101210由于表示时变电导各分量的复振幅，表示导纳，因而矩阵是Y矩阵（导纳矩阵），故把这种混频器称为Y混频器。nytgy以Y混频器为例来具体分析变频损耗。假设本振电压的初相00nngynnggY混频器的矩阵方程式为：iifSiifSVVVgggggggggIII01210121019微波频率变换器由于Y混频器除信号端口和中频端口之外，还有一个镜频端口。混频产生的镜像频率同样包含有信号的有用功率，也会造成变频损耗的降低，因此必须对镜频端口进一步施加特殊的终端条件，以利于回收镜像频率混频产物中包含的有用信号功率，进一步降低变频损耗。Y混频器按照对于镜频端口采取措施与否及采取措施的不同，又可以分为三种类型：镜像匹配、镜像短路和镜像开路，这三种镜像终端由于终端条件不同会有不同的变频损耗性能，为获得最佳变频损耗，对信号源电阻和负载电阻的要求也不同。（1）镜像匹配情况S