微波電子線路大作業(yè)

微波電子線路大作業(yè)（3）班級(jí):姓名:學(xué)號(hào):一、微波二極管負(fù)阻振蕩器由砷化錢材料制成的體效應(yīng)二極管呈現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)的物理基礎(chǔ)是能帶結(jié)構(gòu)的電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)，而產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)的原理則是由于高場(chǎng)疇的形成。典型的Gunn二極管的結(jié)構(gòu)如圖所示.銅底座(接銅螺紋)提供一條外加散熱器的低阻熱通道，螺紋端擰在散熱器上，它是接到直流電源的負(fù)極，陶瓷圓環(huán)起絕緣作用，它把正負(fù)極隔開(kāi)。若將耿氐二極管裝在諧振腔的適當(dāng)位置上，只要在它的兩端加上適當(dāng)?shù)闹绷麟妷海涂梢栽谥C振腔內(nèi)產(chǎn)生微波振蕩.這就構(gòu)成了微波負(fù)阻振蕩器。由于諧振腔相當(dāng)于集總電路的L。-R0-L0并聯(lián)諧振電路，它與耿氐二極管組合起來(lái)就形成了如圖3-12(a)的等效電路，其中圖(幻的左側(cè)表示Gunn二極管等效電路。q和-Rd是有源區(qū)參數(shù)，Cd是Gunn管電荷區(qū)域的電容參數(shù)，-Rd是在電場(chǎng)超過(guò)閾值后所呈現(xiàn)的負(fù)阻特性，C、L是管殼及引線所呈現(xiàn)的分布參數(shù)；圖(a)右側(cè)表示諧振腔等效電路。二極管具有負(fù)阻-Rd,而負(fù)載則是正電阻R0,由于-Rd與R0并聯(lián)，它的電阻為R，二旦Rd+RoM幅滿新等優(yōu)電路 作)循化的等效也用所以進(jìn)一步簡(jiǎn)化后就變成如圖(b)所示的等效電路。當(dāng)直流電源剛接通時(shí)，如工作點(diǎn)選擇恰當(dāng)且能滿足Rd>R0的條件，則Rt為負(fù)值。在這種情況下，噪聲足以觸發(fā)振蕩，使振幅隨時(shí)間而增長(zhǎng)。但是，管阻-Rd是非線性的，隨著振幅的增大|-Rd|的數(shù)值逐漸減小。當(dāng)|-Rd|=R0時(shí)，從式不難看出，Rt=8。這就相當(dāng)并聯(lián)電阻Rt開(kāi)路，變成Lt與Ct所組成的無(wú)損耗回路，因此產(chǎn)生等幅振蕩。諧振腔的作用是一方面可以調(diào)諧振蕩波形使其接近正弦，另一方面把高頻電磁能量收集在腔內(nèi)，并通過(guò)耦合把高頻能量送到負(fù)載上。X波段波導(dǎo)耿氏振蕩器的結(jié)構(gòu)做熱器如圖耿氏二極管橫裝在矩形波導(dǎo)中，并且由調(diào)節(jié)短路活塞改變腔的大小進(jìn)行頻率調(diào)諧。振蕩頻率與腔體的長(zhǎng)度有關(guān)，它的長(zhǎng)度大體等于半個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)整數(shù)倍，腔體的長(zhǎng)度是指從Gunn管的安裝柱面到可調(diào)短路面之間的距離。目前，國(guó)產(chǎn)X波段耿氏二極管的技術(shù)參數(shù)為：工作頻率為10GHz左右，工作電壓為10V，工作電流為0.2-0.6A，輸出功率為0.03-0.1W，最大耐壓為14V。二、微波晶體管振蕩器產(chǎn)生振蕩電流的電路叫做振蕩電路。振蕩電路主要有正弦波振蕩器和函數(shù)發(fā)生器如脈沖發(fā)生器等.正弦波振蕩電路是用來(lái)產(chǎn)生一定頻率和幅值的正弦交流信號(hào)。它的頻率范圍很廣，可以從一赫芝以下到幾百兆赫芝以上；輸出功率可以從幾毫瓦到幾十千瓦；輸出的交流電能是從電源的直流電能轉(zhuǎn)換而來(lái)的。正弦波振蕩器必須包含這樣幾個(gè)組成部分：1.放大部分，振蕩器的核心，將直流電源提供的能量轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)能量；補(bǔ)充振蕩過(guò)程中的能量損耗，以獲得連續(xù)的等幅正弦波；2.選頻部分，從信號(hào)中選出所需的頻率3.正反饋電路，將選出來(lái)的所需頻率的信號(hào)送回到輸入端放大;4.穩(wěn)幅電路，般靠振蕩管自身的非線性穩(wěn)幅，要求高的振蕩器有專門的穩(wěn)幅電路回路的諧振頻率。常用的正弦波振蕩器有LC振蕩電路,RC振蕩電路以及石英晶體振蕩電路等.LC振蕩電路的輸出功率大、頻率高。它的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩（幾百千赫以上）。LC振蕩器根據(jù)反饋電壓取出的方式不同，分為變壓反饋式、電感和電容三點(diǎn)式三種。下圖是晶體管LC振蕩器的基本電路圖.RC正弦波振蕩電路的輸出功率小、頻率低。它由放大器和具有選頻正反饋特性的RC網(wǎng)絡(luò)所組成的。有三種RC振蕩電路：高低電橋振蕩器，相移式振蕩器，雙T型選頻網(wǎng)振蕩器。石英晶體振蕩電路的頻率穩(wěn)定度高。它是一個(gè)特殊的LC振蕩器，是一種高頻振蕩器。廣泛應(yīng)用在無(wú)線電通訊、廣播電視，工業(yè)上的高頻感應(yīng)爐、超聲波發(fā)生器、正弦波信號(hào)發(fā)生器、半導(dǎo)體接近開(kāi)關(guān)等。微波晶體管振蕩器原理和晶體管振蕩器相同.所不同的是振蕩頻率高，達(dá)到超高頻或微波頻率;其次，由于頻率高,要考慮到元件的分布參數(shù).微波振蕩器是在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗及測(cè)試儀器等各種微波系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的重要部件之一。近年來(lái)，隨著微波半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，微波固態(tài)振蕩器也得到迅速發(fā)展。目前已有晶體管振蕩器（包括雙極晶體管振蕩器和場(chǎng)效應(yīng)管振蕩器）；轉(zhuǎn)移電子振蕩器（體效應(yīng)振蕩器）；雪崩二極管振蕩器和隧道二極管振蕩器等多種形式。微波振蕩器主要用于微波收、發(fā)信機(jī)的本地振蕩、各種調(diào)制器的載頻信號(hào)源及微波測(cè)量系統(tǒng)中的基本信號(hào)源等。其性能好壞將直接影響微波系統(tǒng)的優(yōu)劣和測(cè)量精度。振蕩器的主要性能指標(biāo)有：1、頻率穩(wěn)定度高振蕩器的振蕩頻率會(huì)受偏置電源的不穩(wěn)定、環(huán)境溫度以及負(fù)載阻抗的變化等因素的影響，致使頻率發(fā)生漂移，其漂移的大小可用頻率穩(wěn)定度來(lái)描寫。任何微波系統(tǒng)中對(duì)振蕩器的頻率穩(wěn)定度有一定的要求，例如，在微波和衛(wèi)星通信中的射頻頻率的頻率穩(wěn)定度高于10-5,只有這樣才能保證長(zhǎng)途通信中的頻率漂移限制在允許可靠接收的范圍內(nèi)。為了提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，必須使振蕩器工作在穩(wěn)定的條件下。例如，采用穩(wěn)定的偏置電源、恒溫的環(huán)境、防震措施以及盡力減少負(fù)載與振蕩器之間耦合，等等。具體方法有溫度補(bǔ)償法、外腔移頻法和注入鎖定法。其中溫度補(bǔ)償法是最簡(jiǎn)單、最實(shí)用的方法。2、諧波抑制度高當(dāng)晶體三極管或二極管工作在飽和狀態(tài)時(shí)，振蕩器將會(huì)產(chǎn)生許多不需要的諧波而引起干擾。為此，必須仔細(xì)調(diào)整工作點(diǎn)，盡可能少產(chǎn)生不需要的諧波，然后通過(guò)調(diào)整輸出濾波器，使諧波輸出盡可能小。3、載噪比高由于振蕩電路的非線性，使半導(dǎo)體器件內(nèi)的噪聲對(duì)振蕩器產(chǎn)生的單頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，以致振蕩器的輸出頻譜不是單頻信號(hào)，而存在噪聲邊帶，這會(huì)使接收端的信噪比降低。因此必須盡可能提高載噪比。具體措施有：采用波紋系數(shù)小、性能穩(wěn)定的直流偏置電路；采用外腔穩(wěn)頻法或注入鎖定法既可以提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，又可以降低噪聲；盡可能提高振蕩器諧振回路的品質(zhì)因素，等等。從振蕩原理來(lái)分，微波固態(tài)振蕩器可分為兩種類型：負(fù)阻振蕩器和反饋振蕩器。但無(wú)論哪一種，它們生產(chǎn)振蕩的機(jī)理是相同的，都?xì)w結(jié)為具有非線性的負(fù)阻特性。所不同的是像轉(zhuǎn)移電子器件如雪崩二極管只要在直流偏壓下就具有負(fù)阻特性，由它構(gòu)成的振蕩器稱為負(fù)阻型振蕩器；而像微波晶體管必須將反饋電路聯(lián)系在一起時(shí)，才具有負(fù)阻特性，由它構(gòu)成的振蕩器稱為反饋型振蕩器。二、PIN管微波開(kāi)關(guān)PIN管在正反向偏置下的不同阻抗特性可用來(lái)控制電路的通斷，組成開(kāi)關(guān)電路。PIN管開(kāi)關(guān)電路按功能分為兩種：一種是通斷開(kāi)關(guān)，如蛋刀單擲開(kāi)關(guān)，作用只是簡(jiǎn)單的控制傳輸系統(tǒng)中微波信號(hào)的通斷；另一種是轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，如單刀雙擲、單刀多擲開(kāi)關(guān)，作用是使信號(hào)在兩個(gè)或多個(gè)傳輸系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換。若按PIN管與傳輸線的連接方式，可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型一級(jí)串/并聯(lián)型三種；從開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)形式出發(fā)，可分為反射式開(kāi)關(guān)、諧振式開(kāi)關(guān)、濾波器型開(kāi)關(guān)、陣列式開(kāi)關(guān)等。.單刀單擲開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)的正反衰減比下圖為單管串聯(lián)型和并聯(lián)型開(kāi)關(guān)的原理圖及其微波等效電路圖。圖中分別為PIN管的等效阻抗和等效導(dǎo)納，分別為傳輸線的特性阻抗和特性導(dǎo)納，a、b分別為網(wǎng)絡(luò)的歸一化入射波和反射波。（a）串聯(lián)型原理圖；（b）串聯(lián)型等效電路；（c）并聯(lián)型原理圖；（d）并聯(lián)型等效電路；設(shè)開(kāi)關(guān)輸入端信號(hào)源的資用功率為，輸出端負(fù)載吸收功率為。則定義開(kāi)關(guān)的衰減L為：L=PPL若開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)用散射S參量來(lái)表征，且假設(shè)開(kāi)關(guān)插入在匹配信號(hào)源和匹配負(fù)載之間，則上式化為L(zhǎng)=邛=Ib|2|S|2

1 21基本原理如果PIN管正、反偏時(shí)分別為理想短路和開(kāi)路，則對(duì)上圖（a）的串聯(lián)型開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，PIN管理想短路時(shí)，開(kāi)關(guān)電路理想導(dǎo)通；PIN管理想開(kāi)路時(shí)，開(kāi)關(guān)理想

斷開(kāi)。對(duì)（c）圖的并聯(lián)型開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，情況相反，PIN管短路，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；PIN管開(kāi)路，對(duì)應(yīng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。由于封裝參數(shù)的影響，對(duì)于單管開(kāi)關(guān)無(wú)論是串聯(lián)型還是并聯(lián)型，都只能在固定的某幾個(gè)較窄的頻率區(qū)間有開(kāi)關(guān)作用，而實(shí)際的工作頻率常常不在這些區(qū)域。為了擴(kuò)展開(kāi)關(guān)的工作模區(qū)，改善開(kāi)關(guān)性能，有的直接把管芯做在微波集成電路上；也有采用改進(jìn)的開(kāi)關(guān)電路，其中常用的有諧振式開(kāi)關(guān)、陣列式開(kāi)關(guān)和濾波器型開(kāi)關(guān)。.單刀雙擲開(kāi)關(guān)最普通但又最常用的單刀多擲開(kāi)關(guān)是單刀雙擲開(kāi)關(guān)，它把信號(hào)來(lái)回?fù)Q接到兩個(gè)不同的設(shè)備上，形成交替工作的兩條微波通路。其典型的例子是雷達(dá)天線收發(fā)開(kāi)關(guān)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)天線，用一個(gè)單刀雙擲開(kāi)關(guān)來(lái)控制。右圖表示一并聯(lián)型單刀雙擲開(kāi)關(guān)的原理圖。管截止，或反之。并借助1/4波長(zhǎng)線的阻抗變換作用，使輸入信號(hào)全部從B或A中的一個(gè)端口輸出，此端口為導(dǎo)通通道，同時(shí)另一端口為斷開(kāi)通道。但是該單刀雙擲開(kāi)關(guān)需要兩個(gè)偏壓源，為節(jié)省偏壓源，實(shí)際中常采用一個(gè)偏壓源控制并聯(lián)型單刀雙擲開(kāi)關(guān)電路（如下圖），在此電路中，接在并聯(lián)的枝節(jié)上。當(dāng)都處于反偏時(shí)，B路接通；當(dāng)都處于正偏時(shí)，A路接通。因此可共用一個(gè)偏壓源。.開(kāi)關(guān)時(shí)間和功率容量PIN管用作開(kāi)關(guān)時(shí)，其開(kāi)關(guān)時(shí)間必須滿足系統(tǒng)對(duì)開(kāi)關(guān)速度的要求，為提高開(kāi)關(guān)速度，應(yīng)盡量減薄I層，使儲(chǔ)存電荷減少。在這種情況下，開(kāi)關(guān)時(shí)間基本上由載流子在I層的渡越時(shí)間決定，而與載流子壽命無(wú)關(guān)。但I(xiàn)層太薄，使二極管反

向擊穿電壓減小，承受微波功率也減小，因此提高PIN管開(kāi)關(guān)速度受限于兩項(xiàng)極限參數(shù)，即開(kāi)關(guān)時(shí)間和功率容量。開(kāi)關(guān)時(shí)間右圖表示PIN管從正偏電流突然轉(zhuǎn)向反偏時(shí)的情況。設(shè)正偏時(shí)I層儲(chǔ)存的電荷為，當(dāng)換成反偏時(shí)，I層儲(chǔ)存的電荷一部分被反向電流吸出，另外一部分則繼續(xù)復(fù)合，形成復(fù)合電流。顯然，單位時(shí)間內(nèi)層中電荷減少量等于單位時(shí)間內(nèi)從I層流出的電荷量與復(fù)合電荷之和，即考慮到t=0時(shí)，，可解得Q)=I0TeHR(e〃一1)假設(shè)時(shí)，電荷全部清除，即Q(t)=0，于是Ite-晨片+1t(e-tjq-1)=0假設(shè)時(shí)，電荷全部清除，所以t=tln(1+0))s IRI開(kāi)關(guān)時(shí)間可近似表示為t氏T—0-開(kāi)關(guān)時(shí)間可近似表示為IR由此可見(jiàn)，當(dāng)PIN官給定后（已定），加大反向電流可使開(kāi)關(guān)時(shí)間減少。所以應(yīng)為PIN管開(kāi)關(guān)制作具有內(nèi)阻小而又能輸出大的反向偏壓的專門驅(qū)動(dòng)器。功率容量當(dāng)PIN管導(dǎo)通時(shí)，功率容量的限制因素是最大允許的功耗，當(dāng)PIN管截止時(shí)，功率容量的限制因素是反向擊穿電壓。開(kāi)關(guān)的功率容量是指開(kāi)關(guān)所能承受的最大微波功率，它不僅與管子的功率容量有關(guān)，還與開(kāi)關(guān)電路的類型（串聯(lián)或并聯(lián)）、工作狀態(tài)（連續(xù)波工作或脈沖工作）及具體結(jié)構(gòu)（散熱性能）有關(guān)。三、PIN管電調(diào)衰減器和限幅器用電信號(hào)控制衰減量的衰減器稱為電調(diào)衰減器。利用PIN管正向電阻隨偏置電流連續(xù)變化的特性，可以做成各種類型的電調(diào)衰減器。電調(diào)衰減器可用于振幅調(diào)制和穩(wěn)幅系統(tǒng)。

1、環(huán)行器單管點(diǎn)調(diào)衰減器此電調(diào)衰減器的衰減由偏置電流來(lái)控制。偏置電流經(jīng)過(guò)直流偏置電路加到二極管上。環(huán)行器的作用是使得輸入電路能得到較好的匹配。這種單管電調(diào)衰減器P 1的衰減量為L(zhǎng)=10lgn=20lg—apIriR—Z式中：iri=f_1R+Z2、3dB定向耦合器型電調(diào)衰減器下圖為微帶型3dB定向耦合器型電調(diào)衰減器的結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路圖。輸出接陟偏金線50a電阻VD,高頻

短路塊VDa\輸出接陟偏金線50a電阻VD,高頻

短路塊VDa\當(dāng)R10，④端輸出的功率為0，由此便構(gòu)成電調(diào)衰減器。這種衰減器由于r—f—

r+2有r—f—

r+22+r衰減器衰減量為：L=20lg-frf。小 R式中：r=—ffZ03、吸收陣列式衰減器為了使系統(tǒng)頻帶展寬、衰減量的動(dòng)態(tài)范圍增大及能承受較大的功率，可采用多個(gè)并接在傳輸線上的PIN管，管間相互間隔為1/4波長(zhǎng)的陣列衰減器。加正向偏置的PIN管等效為正向電阻，隨著管子正向偏電流的改變，各電阻阻值發(fā)生變化，故為一個(gè)電調(diào)衰減器。工程中通常采用多節(jié)級(jí)聯(lián)。由于輸入駐波比主要取決于前面幾個(gè)單節(jié)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，一般僅把三個(gè)管子的正向電阻形成漸變分布，而后面的管子則按等元件陣排列。4、PIN管限幅器電調(diào)衰減器是利用外加偏置電流來(lái)控制其衰減量的，所以有時(shí)稱之為控衰減器。某些情況下，要求微波信號(hào)通過(guò)控制電流時(shí)能自動(dòng)控制電路的衰減。利用PIN管在零偏加微波信號(hào)時(shí)的阻抗特性，可實(shí)現(xiàn)此目的。因此零偏PIN管常作為雷達(dá)接收機(jī)高放、混頻前的限幅器。當(dāng)微波信號(hào)超過(guò)某一電平時(shí)，由于PIN管阻抗顯著變小而使通過(guò)PIN管的衰減量顯著增大，從而限制輸出功率在一定電平以下。四、PIN管熟悉移相器（調(diào)相器）1、開(kāi)關(guān)線型移相器利用PIN管的單刀雙擲開(kāi)關(guān)，使微波信號(hào)從兩條電長(zhǎng)度不同的傳輸線通過(guò)后，可以得到兩種不同的相移量，根據(jù)這個(gè)原理做成的移相器成為開(kāi)關(guān)線型移相器。實(shí)際上它是一段可開(kāi)關(guān)的傳輸線。2、加載線型移相器加載線型移相器通常作為數(shù)字式移相器的小移相位，例如作為22.5、45移相位。若要用于較大的移相位時(shí)，例如作90移相器，則可以用兩個(gè)45移相器級(jí)聯(lián)起來(lái)。為縮小體積，常把兩個(gè)中間的并聯(lián)傳輸線合并為一，成為三個(gè)