EDA第七章詳解PPT課件

1,第七章微波控制電路,2,微波控制電路根據(jù)其用途分類，主要包括以下三種情況：微波信號(hào)傳輸路徑通斷或轉(zhuǎn)換微波開關(guān)控制微波信號(hào)的幅度大小電控衰減器，限幅器等?？刂莆⒉ㄐ盘?hào)的相位數(shù)字移相器。,7.1引言,3,PIN二極管結(jié)構(gòu),7.2PIN二極管的基本特性,4,PIN管的工作機(jī)理是：在零偏壓時(shí)，由于擴(kuò)散作用，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子分別向I區(qū)擴(kuò)散后復(fù)合，這樣在I區(qū)邊界附近建立起一電場(chǎng)。由于這一建立起來的電場(chǎng)阻礙空穴和電子繼續(xù)向I層注入，因此最終會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，因此本征區(qū)處于不導(dǎo)電狀態(tài)，在加反向偏壓時(shí)，不導(dǎo)電的程度更甚。但是在微波頻率的特性卻有很大差別。,正反偏置下微波信號(hào)作用于PIN二極管,PIN結(jié)特性,5,結(jié)論：PIN管在直流電壓作用下，零偏壓呈現(xiàn)高阻，反向偏壓時(shí)阻抗加大，正偏時(shí)呈現(xiàn)低阻，且偏流越大，阻值越低。在微波信號(hào)作用下管子的阻抗主要取決于直流偏置的極性和大小，而與微波信號(hào)幅度幾乎無關(guān)。,6,（a）正向等效電路（b）正向簡(jiǎn)化電路，定性分析時(shí)可等效為短路,（c）反偏（I層未全部耗盡時(shí)）等效電路（d）反偏（I層全部被耗盡）等效電路定性分析時(shí)可等效為開路,PIN二極管管芯等效電路,7,通斷開關(guān)，如單刀單擲（SPST）開關(guān)，其作用是控制傳輸系統(tǒng)中微波信號(hào)的通斷；其典型應(yīng)用為微波信號(hào)源用的脈沖調(diào)制器；轉(zhuǎn)換開關(guān)，如單刀雙擲（SPDT）開關(guān)。其典型應(yīng)用為雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用天線的收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)。從電路形式分有：串聯(lián)型開關(guān)、并聯(lián)型開關(guān)、串/并聯(lián)型開關(guān)；,7.3微波開關(guān),8,（a）串聯(lián)型（b）并聯(lián)型,單刀單擲開關(guān)（SPST）,9,PIN管實(shí)際上存在有一定數(shù)值的電抗及損耗電阻，因此開關(guān)電路在導(dǎo)通時(shí)衰減不為零，稱為正向插入損耗L，定義是開關(guān)導(dǎo)通時(shí)傳到負(fù)載的實(shí)際功率與理想開關(guān)傳到負(fù)載的功率之比：式中，輸入信號(hào)的信源資用功率；輸出功率。開關(guān)在斷開時(shí)衰減也并非無窮大，稱之為隔離度，當(dāng)為開關(guān)斷開時(shí)負(fù)載上的實(shí)際功率時(shí)，上式表示開關(guān)的隔離度。,插入損耗和隔離度,10,串聯(lián)型：,單刀單擲開關(guān)設(shè)計(jì),通：,斷：,插損小,電阻小,器件截面積大,隔離度,電容小,器件截面積小,單刀單擲開關(guān)的設(shè)計(jì)要在隔離度和插損間折衷考慮,11,（a）串聯(lián)型（b）并聯(lián)型,（c）串聯(lián)等效電路（d）并聯(lián)等效電路,插入損耗和隔離度計(jì)算,用二端口網(wǎng)絡(luò)參量表征開關(guān)網(wǎng)絡(luò)特性，則，所以,12,由單元元件S參數(shù)（S21）定義，可得串、并聯(lián)型開關(guān)的插入損耗分別是,式中，,插入損耗和隔離度計(jì)算,13,多管單路開關(guān)：即采用多管單路形式以改善開關(guān)隔離度。,改善開關(guān)隔離度,（a）并聯(lián)型開關(guān)電路（b）串聯(lián)型開關(guān)電路,兩只PIN二極管組成的開關(guān)電路,14,兩管并聯(lián)組成的并聯(lián)開關(guān)可視為兩只級(jí)聯(lián)的PIN管并聯(lián)開關(guān)，其A參數(shù)歸一化矩陣可寫為根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)A矩陣與S矩陣的換算關(guān)系可得,（dB）,多管單路開關(guān)插入損耗和隔離度,15,單刀雙擲開關(guān)（SPDT）,技術(shù)指標(biāo)：插損、隔離度。,發(fā)射電路,低頻信號(hào),天線,接收電路,低頻信號(hào),開關(guān),16,SPDT開關(guān)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)目標(biāo)：插損小、隔離度大。,并聯(lián)型：,插損小,電容小,器件截面積小,隔離度大,電阻小,器件截面積大,SPDT開關(guān)的設(shè)計(jì)要在隔離度和插損間折衷考慮,17,單刀雙擲開關(guān)（SPDT）,18,吸收式開關(guān)（SPDT）,反射式開關(guān)：斷開時(shí)能量反射回去吸收式開關(guān)：斷開時(shí)能量被吸收掉,吸收負(fù)載,輸入,開關(guān),輸出,19,開關(guān)的其他技術(shù)指標(biāo),開關(guān)時(shí)間：微波開關(guān)的開關(guān)時(shí)間大約在幾十ns量級(jí)。功率容量：定義了開關(guān)所能通過的最大微波功率，超過這一功率開關(guān)可能會(huì)被燒掉。,20,MESFET開關(guān)是三端器件，由柵壓控制開關(guān)狀態(tài)，典型開關(guān)特性是負(fù)偏壓時(shí)（），柵偏壓大于截止電壓，對(duì)應(yīng)高阻抗?fàn)顟B(tài)；零柵壓時(shí)對(duì)應(yīng)低阻抗?fàn)顟B(tài)，都處于器件的線性工作區(qū)。不論器件處于導(dǎo)通和截止的哪種狀態(tài)，均不需直流偏置功率，因此可歸入無源部件類。,MESFET微波開關(guān),21,MESFET開關(guān)電路原理圖,22,（a）10W發(fā)射-接收開關(guān)原理圖,23,（a）SPST電路（b）SPDT電路,毫米波開關(guān)電路,毫米波開關(guān)電路,24,25,26,微波集成移相器分類,7.4微波電壓控制移相器,27,要有一定的相移量，且移相精度高；相移變化時(shí)要求開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間短，驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率??；在工作頻帶內(nèi)，輸入駐波比低，插入衰減小；結(jié)構(gòu)小型化，電控性能好。,微波電壓控制移相器的基本要求,28,工作頻帶：指移相器的技術(shù)指標(biāo)下降到允許邊值時(shí)的頻率范圍。相移量：指輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位差。相移精度：對(duì)于一個(gè)固定頻率點(diǎn)，相移量各步進(jìn)值圍繞各中心值有一定偏差；在頻帶內(nèi)不同頻率時(shí)，相移量又有不同數(shù)值。相移精度指標(biāo)有時(shí)采用最大相移偏差來表示，也就是各頻率點(diǎn)的實(shí)際相移和各步進(jìn)值的最大偏差值；有時(shí)給出的是均方根誤差，則是指各步進(jìn)值相位偏差的均方根值。移相器開關(guān)時(shí)間：移相器是由微波開關(guān)構(gòu)成，所以移相器的開關(guān)時(shí)間基本上取決于開關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。寄生調(diào)幅：,移相器的技術(shù)指標(biāo),29,（a）移相器電路（b）、（c）等效電路微帶加載線型移相器,加載線型移相器,30,從網(wǎng)絡(luò)的A矩陣出發(fā)有圖（b）電路應(yīng)與圖（c）電路等效，而圖（c）電路的A矩陣可寫為,31,比較兩式矩陣元素應(yīng)相等，可得由此可求相移量,32,反射型移相器電原理圖,反射型移相器,33,兩種典型反射型移相器原理圖,34,設(shè)D1和D2正偏時(shí)呈現(xiàn)電阻，反偏時(shí)呈現(xiàn)電抗（結(jié)電容，忽略電阻）。計(jì)算器件在兩種狀態(tài)下的反射系數(shù)為和，兩者的相移為,35,開關(guān)網(wǎng)絡(luò)移相器,36,由型網(wǎng)絡(luò)組成的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)移相器,37,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的歸一化A矩陣，有式中，和分別為電抗和電納的歸一化值。網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)S21用歸一化A矩陣參數(shù)表示為傳輸線相位為,38,當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)，低通濾波網(wǎng)絡(luò)變?yōu)楦咄V波網(wǎng)絡(luò)，和同時(shí)改變符號(hào)，相移的大小不變，但符號(hào)改變。,39,用電信號(hào)控制衰減量的衰減器稱為電調(diào)衰減器。在電調(diào)衰減器中，電控信號(hào)大多是連續(xù)可調(diào)的，以實(shí)現(xiàn)衰減量的連續(xù)可調(diào)。電調(diào)衰減器主要用于電路系統(tǒng)的自動(dòng)增益控制、放大器增益變化的溫度補(bǔ)償?shù)取ｋ娬{(diào)衰減器既可以是連續(xù)可調(diào)的，也可以是數(shù)字式的。電調(diào)衰減器可以采用PIN二極管或各種三極管來實(shí)現(xiàn)。,7.5微波電調(diào)衰減器,40,衰減動(dòng)態(tài)范圍：指最大衰減量（用dB表示）和最小衰減量（用dB表示）之差。衰減線性度：衰減與外加偏壓呈線性關(guān)系。駐波比：反射型衰減器駐波比很差，需外加隔離器使用。吸收型衰減器駐波比好，性能優(yōu)越，應(yīng)用廣泛。衰減頻帶與平坦度：電調(diào)衰減器的衰減頻帶是指在頻帶內(nèi)各頻率點(diǎn)處的衰減量一致，在衰減量改變時(shí)，仍能保持均勻衰減。平坦度是指工作頻帶內(nèi)衰減量的起伏，經(jīng)常用最大起伏來表示平坦度的優(yōu)劣。功率范圍：電調(diào)衰減器承受功率的范圍。,衰減器的主要技術(shù)指標(biāo),41,電控衰減器按照產(chǎn)生衰減的物理原因可分成反射型和吸收型。在反射型衰減器中，衰減主要由PIN管的反射形成，在吸收型衰減器中，衰減則主要由PIN管的損耗形成。圖中網(wǎng)絡(luò)的衰減為,衰減器原理圖,PIN二極管衰減器,42,型衰減器圖中電阻R1和R2分別代表三個(gè)PIN管，從AA截面向右看的阻抗為ZA，為了實(shí)現(xiàn)輸入端匹配，則應(yīng)有,PIN管連成的形衰減器等效電路,式中，,典型的電調(diào)衰減器電路,43,令型電阻網(wǎng)絡(luò)的輸入電壓與輸出電壓之比為K，其化簡(jiǎn)后的結(jié)果為電阻R1和R2的值可以用特性阻抗Z0和K值表示為,44,由相同的PIN管組成的如圖所示的衰減器電路，在中心頻率上，正偏時(shí)其反射為零，即不論Rf為何值，輸入端始終匹配，因此這種電路稱為匹配型衰減電路。,窄頻帶匹配型衰減器,45,3dB定向分支線耦合器型電調(diào)衰減器,46,三路混合式電控衰減器,47,（a）并聯(lián)PIN管陣列（b）衰