微波技術(shù)與微波電路第7章-微波二極管及其電路

第7章微波二極管及其電路7.1金屬－半導(dǎo)體結(jié)二極管及微波混頻器7.1.1金屬半導(dǎo)體二極管7.1.2微波混頻器的工作原理7.1.3微波混頻器的變頻損耗7.1.4混頻器的噪聲系數(shù)7.1.5微波混頻器電路7.2微波變?nèi)荻O管及微波上變頻器7.2.1微波變?nèi)荻O管7.2.2非線性電容中的能量關(guān)系及其應(yīng)用7.2.3變?nèi)莨苌献冾l器7.3微波體效應(yīng)二極管及負(fù)阻振蕩器7.3.1體效應(yīng)二極管7.3.2微波二極管負(fù)阻振蕩器電路7.4PIN管及微波控制電路7.4.1PIN二極管的基本特性7.4.2PIN管微波開并電路7.4.3PIN管電調(diào)衰減器7.4.4PIN管移相器7.1金屬－半導(dǎo)體結(jié)二極管及微波混頻器7.1.1金屬半導(dǎo)體二極管（如圖7-3）Ｎ型半導(dǎo)體功函數(shù)小于金屬的功函數(shù)。兩者接觸時(shí)形成（a）中的內(nèi)建電場(chǎng)。加正向偏壓時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)被削弱，形成擴(kuò)散電流（b）。加反向偏壓時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)增大，僅存反向飽合電流（c）。１.結(jié)構(gòu)點(diǎn)接觸型二極管，面接觸型二極管（肖特基二極管）。（如圖7-2）２.工作原理圖7-3金屬-半導(dǎo)體結(jié)在外加電壓作用下的情況

圖7-2金屬-半導(dǎo)體結(jié)二極管的管芯結(jié)構(gòu)

（１）肖特基二極管與ＰＵ結(jié)二極管比較 伏安特性（如圖7-4） 結(jié)電容串聯(lián)電阻 擊穿電壓（２）肖特基二極管的等效電路與參數(shù)３.肖特基二極管特性圖7-4金屬-半導(dǎo)體結(jié)二極管與PN結(jié)二極管的伏安特性7.1.2微波混頻器的工作原理微波混頻器方框圖（如圖7-1）混頻器原理圖（如圖7-7）混頻器電流的主要頻譜（如圖7-8）混頻器的等效電路（如圖7-10）信號(hào)電路中頻支路鏡頻支路圖7-1混頻器的原理框圖圖7-7二極管混頻器原理圖圖7-8混頻器電流的主要頻譜圖7-9加在混頻二極管上的電壓１.鏡像匹配（）時(shí)的凈變頻損耗。２.鏡像短路（）時(shí)的凈變頻損耗。３.鏡像開路（）時(shí)的凈變頻損耗。４.三種情況的凈變頻損耗比較（如圖7-15）。7.1.3微波混頻器的變頻損耗圖7-15最佳凈變頻損耗與本振電壓的關(guān)系１.鏡像短路或開路時(shí)混頻器的噪聲系數(shù)。２.鏡像匹配混頻器的噪聲系數(shù)。３.混頻器－中放組件的噪聲系數(shù)。7.1.4混頻器的噪聲系數(shù)（１）單端混頻器（如圖7-19）作為重點(diǎn)，要求搞清楚本電路各部分作用。（２）平衡混頻器等效電路（如圖7-20）平衡電路對(duì)單端電路的改進(jìn)：（a）輸入信號(hào)和本振功率得到充分利用。（b）輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍增加了一倍。（c）能抑制本振引入的調(diào)幅噪聲。7.1.5微波混頻器電路圖7-19微帶型單端混頻器

圖7-20本振反相型平衡混頻器等效電路

１.基本電路（3）平衡混頻器的電路 微帶型（如圖7-23，7-26） 正交場(chǎng)平衡混頻器（如圖7-24）（4）雙平衡混頻器 等效電路（如圖7-27） 結(jié)構(gòu)電路（如圖7-30）圖7-23反相型微帶平衡混頻器圖7-24正交場(chǎng)平衡混頻器結(jié)構(gòu)圖

圖7-27雙平衡混頻器等效電路圖7-26π／2型微帶平衡混頻器

圖7-30微帶型環(huán)形混頻器結(jié)構(gòu)示意圖

（１）鏡像短路混頻器（如圖7-31）（２）鏡像開路混頻器（如圖7-32）２.鏡像回收混頻器圖7-31鏡像短路單端混頻器圖7-32鏡像開路平衡混頻器

（１）懸置微帶混頻器（如圖7-33）（２）鰭線混頻器（如圖7-34）３.毫米波混頻器圖7-33交叉式懸置微帶線平衡混頻器結(jié)構(gòu)

圖7-34鰭線平衡混頻器結(jié)構(gòu)圖

7.2微波變?nèi)荻O管及微波上變頻器結(jié)構(gòu)：ＰＮ結(jié)的結(jié)構(gòu)管芯結(jié)構(gòu)（如圖7-36）ＰＮ結(jié)勢(shì)壘電容與偏壓的關(guān)系：n=1/2突變結(jié)常用于參量放大器及低次倍頻。n=1/3線性緩變結(jié)常用于高次變頻。n=1/15－1/30階躍恢復(fù)結(jié)常用于高次倍頻及振蕩器。n=0.5－6超突變結(jié)，常用于電調(diào)諧，n=2應(yīng)用較多。7.2.1微波變?nèi)荻O管圖7-36變?nèi)荻O管管芯結(jié)構(gòu)圖

（１）和頻上變頻器門雷－羅威關(guān)系為7.2.2非線性電容中的能量關(guān)系及其應(yīng)用１.門雷－羅威關(guān)系（如圖7-39）２.門雷－羅威關(guān)系的應(yīng)用功率增益圖7-39說明門雷-羅威關(guān)系式的電路模型

（３）反射型負(fù)阻參量放大器門雷－羅威關(guān)系為（２）差頻變頻門雷－羅威關(guān)系為１.變?nèi)莨苌献冾l的等效電路7.2.3變?nèi)莨苌献冾l器（１）濾波器式（如圖7-42）（2）平衡式（如圖7-43）2.功率上變頻的微帶結(jié)構(gòu)電路（如圖7-41）圖7-41上變頻器等效電路圖7-42Ku波段濾波器式微帶上變頻器圖7-4311GHz平衡式上變頻器

7.3微波體效應(yīng)二極管及負(fù)阻振蕩器7.3.1體效應(yīng)二極管多能谷結(jié)構(gòu)（如圖7-44）負(fù)微分遷移率（如圖7-45）１.砷化鎵的多能谷結(jié)構(gòu)與負(fù)微分遷移率圖7-44GaAs的多能谷結(jié)構(gòu)圖

（300K時(shí)）圖7-45GaAs晶體的速度-電場(chǎng)特性２.微波振蕩的產(chǎn)生過程（1）疇理論高場(chǎng)疇的規(guī)律疇的生成疇的生長疇的成熟疇的消失（2）偶極疇振蕩的電流波形（如圖7-48）圖7-48偶極疇振蕩的電流波形（１）動(dòng)態(tài)伏安特性（如圖7-49）（２）工作模式１）偶極疇渡越時(shí)間模式２）偶極疇延遲模式３）偶極疇猝滅模式３.體效應(yīng)二極管的動(dòng)態(tài)伏安特性及工作模式圖7-49體效應(yīng)二極管的動(dòng)態(tài)伏安特性圖7-53體效應(yīng)管等效電路

４.體效應(yīng)管待效電路（如圖7-53）１.振幅平衡條件，相位平衡條件２.負(fù)阻振蕩器電路（如圖7-56）ＹＩＧ調(diào)諧振蕩器（如圖7-59）7.3.2微波二極管負(fù)阻振蕩器電路圖7-56半波長諧振器調(diào)諧的體效應(yīng)管微帶振蕩器

圖7-59YIG調(diào)諧振蕩器

7.4PIN管及微波控制電路

（1）直流電壓作用下的特性（如圖7-61） Ａ）ＰＩＮ管上無偏壓時(shí)。 Ｂ）ＰＩＮ管上加反向偏壓時(shí)。 Ｃ）ＰＩＮ管加正向偏壓時(shí)。（2）微波信號(hào)電壓作用下的阻抗特性。（如圖7-63）（3）直流偏壓加微波信號(hào)下呈現(xiàn)的阻抗特性。7.4.1PIN二極管的基本特性１.PIN管的結(jié)構(gòu)２.不同偏置下PIN管的阻抗特性（如圖7-60）圖7-61PIN管雜質(zhì)和空間電荷分布圖

圖7-63波信號(hào)作用于PIN管

（1）ＰＩＮ管管芯的兩種結(jié)構(gòu)形式 等效電路（如圖7-66） 臺(tái)式結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)（如圖7-64）（2）ＰＩＮ管的封裝結(jié)構(gòu)（如圖7-65） 封裝ＰＩＮ管的等效電路（如圖7-67）３.PIN管的等效電路圖7-64PIN管的管芯結(jié)構(gòu)

圖7-65PIN管的封裝結(jié)構(gòu)

圖7-66實(shí)際PIN管的正反偏等效電路

圖7-67封裝PIN管的等效電路

7.4.2PIN管微波開并電路（1）電路：（如圖7-68）（2）性能分析（3）改善開關(guān)性能電路1）陣列式開關(guān)（如圖7-70）2）濾波器型開關(guān)（如圖7-71）1.單刀單擲開關(guān)圖7-68單刀單擲開關(guān)

圖7-70陣列式開關(guān)

圖7-71低通濾波器型PIN管開關(guān)

（1）并聯(lián)型單刀多擲開關(guān)原理圖（如圖7-72，圖7-73）微波（微帶）電路圖（如圖7-74）（2）串聯(lián)型單刀多擲開關(guān)原理圖（如圖7-75，圖7-76）2.單刀多擲開關(guān)圖7-72并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)圖7-73刀雙擲開關(guān)用一個(gè)偏壓源控制的并聯(lián)型圖7-76單刀N擲開關(guān)原理圖圖7-74微帶并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)電原理圖

圖7-75串聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)

（1）環(huán)行器單管電調(diào)衰減器（如圖7-78）（2）３dB定向耦合器型電調(diào)衰減器（如圖7-79）（3）吸收型陣列式衰減器（如圖7-80）7.4.3PIN管電調(diào)衰減器1.PIN管正向電阻隨偏流變化特性（如圖7-77）2.PIN管電調(diào)衰減器電路圖7-78環(huán)行器單管電調(diào)衰減示意圖圖7-793dB定向耦合器型電調(diào)衰減器

圖7-80漸變?cè)嚵惺剿p器

（1）開關(guān)線型移相器（如圖7-83）（2）加載線型移相器（如圖7-84）1）加載線型移相器分析2）加載線型移相器舉例：90度移相器（如圖7-85）（3）定向耦合器型移相器