微波電子線路大作業(yè)

1、 微波電子線路大作業(yè)姓名：袁寧班級：學(xué)號：1、 肖特基勢壘二極管利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘構(gòu)成的微波二極管稱為肖特基勢壘二極管。這種器件對外主要呈現(xiàn)非線性電阻特性，是構(gòu)成微波混頻器、檢波器和微波開關(guān)等的核心元件。 一般地，肖特基勢壘二極管的伏安特性可以表示為 （1） 如圖是肖特基勢壘二極管的伏安特性曲線 假定二極管兩端的電壓由兩部分構(gòu)成：直流偏壓和交流信號(t)=cos，即 （2）代入式（1），求得時變電流為 （3）定義二極管的時變電導(dǎo)g(t)為 根據(jù)式（1）得對式（3）進行傅里葉級數(shù)展開：i(t)=交流偏壓的基波電流幅度I1=IL:In=2ISexp(Udc)J1(UL)根據(jù)貝塞爾函

2、數(shù)的大宗量近似式，當(dāng)UL較大時，有 Idc IL 二極管對交流信號所呈現(xiàn)的電導(dǎo)為 GL= 交流偏壓一定時，GL隨Idc的增大而增大，借助于Udc來調(diào)節(jié)Idc可以改變GL的值，使交流信號得到匹配。2 變?nèi)荻O管 PN結(jié)的結(jié)電容（主要是勢壘電容）隨著外加電壓的改變而改變，利用這一特性可以構(gòu)成變?nèi)荻O管（簡稱為變?nèi)莨埽?。變?nèi)莨茏鳛榉蔷€性可變電抗器件，可以構(gòu)成參量放大器、參量變頻器、參量倍頻器（諧波發(fā)生器）、可變衰減或調(diào)制器等。 結(jié)電容可以表示為以下普遍形式： 式中：m稱為結(jié)電容非線性系數(shù)，取決于半導(dǎo)體中參雜濃度的分布狀態(tài)。 給變?nèi)莨芗由现绷髫撈珘汉徒涣餍盘枺ū闷蛛妷海?，即 由上式得時變電容為式中：

3、，其中：為直流工作點處的結(jié)電容；p為相對泵浦電壓幅度（簡稱相對泵幅），表明泵浦激勵的強度。P=1時，為滿泵工作狀態(tài)；p1時，為過泵工作狀態(tài)。典型的工作狀態(tài)是p1且接近于1的欠泵激勵狀態(tài)，不會出現(xiàn)電流及相應(yīng)的電流散粒噪聲。3 階越恢復(fù)二極管 階躍恢復(fù)二極管（SRD）可以看做一種特殊的變?nèi)莨?，簡稱階躍管。利用階躍管由導(dǎo)通恢復(fù)到截止的電流突變可以構(gòu)成窄脈沖輸出，也可以利用其豐富的諧波制作梳狀頻譜發(fā)生器或高次倍頻器。 1）階躍管特性： 在反偏時結(jié)電容近似不變，為一個不變的小電容（處于高阻狀態(tài)，近似開路）。正偏時，形成了較大的擴散電容（處于低阻狀態(tài)，近似短路）。階躍管相當(dāng)于一個電容開關(guān)。 2）工作原理

4、（1）大信號交流電壓正半周加在階躍管上時，處于正D向?qū)顟B(tài)，階躍管相當(dāng)于一個低阻，階躍管的端壓u位于PN結(jié)接觸電勢差，管子中有電流i留過；階躍管相當(dāng)于一個大擴散電容，交流信號將對其進行充電，由于空穴在N層的復(fù)合率比較低，因而有大量的空穴電荷在N區(qū)堆積起來。 （2）信號電壓進入負半周，使階躍管內(nèi)部產(chǎn)生的勢壘電場把N區(qū)內(nèi)儲存的空穴抽回層，產(chǎn)生很大的反向電流。這時階躍管仍然有很大的電容量，故階躍管上的電壓降不能突變，管子中仍然有較大的電流，呈現(xiàn)出導(dǎo)通和低阻狀態(tài)，因此階躍管端壓仍然正向而且位于，直到正向時存儲的電荷基本清除完。一旦電荷耗盡，反向電流將迅速下降到反向飽和電流，形成電流階躍。調(diào)整直流偏壓

5、，可以使電流階躍發(fā)生在反向電流最大值處，而且是交流電壓負半周即將結(jié)束的時刻。在電流發(fā)生階躍的同時，階躍管兩端將可能發(fā)生很大的脈沖電壓。 （3）大信號交流激勵電壓的下一個周期來臨。上述過程重復(fù)發(fā)生，形成與交流激勵電壓周期相同的一個脈沖串序列波形。4 肖特基勢壘二極管混頻器的分析 1）混頻器大信號參量 當(dāng)混頻器二極管上只加直流偏置E0和本振功率時，混頻二極管呈現(xiàn)的電導(dǎo)為： =f(E0+ULcos(wLt)=aIsae=g(t) 式（3-7）說明當(dāng)本振電壓隨時間作周期性變化時，瞬時電導(dǎo)g(t)也隨時間作周期性變化，故稱為時變電導(dǎo)；同樣g（t）也可以展成傅里葉級數(shù)： g(t)=g0+2ncos(wln

6、t) 式中：g0稱為二極管的平均混頻電導(dǎo)，gn是對應(yīng)本振n次諧波的混頻電導(dǎo)。 2）混頻原理二極管混頻器的原理等效電路如圖3-3所示，在肖特基勢壘二極管上加有較小的直流偏壓（或零偏壓）、大信號本振功率（1mW以上）及接收到的微弱信號（微瓦(uW)量級以下）。假設(shè)本振與信號分別表示為： uL(t)=ULcos(wLt) us(t)=Uscos(wst)由于UlUs，可以認為二極管的工作點隨本振電壓變化，認為接收到的信號是一個微小電壓增量，因此將回路電流在各個工作點展開為泰勒級數(shù)。為了討論方便，將Z、Z、Z短路，這時流過二極管的瞬時電流值為：i=f(u)=f(E0+ULcos(wLt)+Uscos(

7、wst)=f(E0+Ulcos(wlt)+f(E0+ULcos(wLt)Uscos(wst) +f(E0+ULcos(wLt)(Uscos(wst) +. (3-9)展開式中的第一項為本振激勵下的流過二極管的大信號電流，它包含直流和本振基波及其諧波項。展開式中的其他各項為二極管中的小信號成分，當(dāng)us很小時，可僅取第二項。由式（3-9）可知，f（E0+ULcos(wLt)）是在本振激勵下二極管所呈現(xiàn)的時變電導(dǎo)g（t）。由式（3-7）式（3-9）可知，二極管中的小信號成分近似為：i(t)=f(E0+ULcos(wLt)Uscos(wst) =(g0+2g1cos(wlt)+2g2cos2wLt+)

8、Uscos(wst) =g0Uscos(wst)+gnUscos(nwL+ws)t+gnuscos(nwL-ws)t (3-10)混頻器電路的主要頻譜如圖3-4所示，并用虛線畫出了混頻電路中的大信號成分，即直流、本振基波及本振各次諧波。5、 變?nèi)莨苌献冾l器本文將采用電荷分析法來進行分析：假設(shè)二極管上的激勵電荷為 式中：假定t=0時初相位均相同。流過二極管的電流為 為求的二極管上的電壓u(t)，應(yīng)先推導(dǎo)出變?nèi)莨苌系碾姾?電壓（q-u）特性。根據(jù)變?nèi)莨茉恚?關(guān)系求得電容上存儲的電荷為 于是可得 式中： 為 時的結(jié)電容上存儲的電荷。當(dāng)時，則上式可寫成 根據(jù)上式可得 一般近似認為時，勢壘消失，趨

9、于零，所以 上式表示q(u)的一般特性。式中： 按積分式本應(yīng)為負值，但為使q-u特性使用方便，因此在上式中令 為正值，這并不影響q-v特性的物理實質(zhì)。對于突變結(jié)變電容， ，于是上式可寫成 令 ，故得 由此可畫出突變結(jié)變電容的q-u特性，如圖4-5中實線所示。為分析方便，圖中將u的坐標零點移至處，并令，故得到 式中：。若在變?nèi)莨苌霞尤胝易兓碾姾杉睿鶕?jù)q-u特性，則二極管上的電壓為非正弦波，如圖4-5所示。圖中二極管上的電壓限制在 的范圍內(nèi)，為滿激勵（全激勵）狀態(tài)。此時取 ，可得到最大交變電荷幅度。將這種最佳狀態(tài)下的工作參數(shù)代入式（4-17），可得 （4-26）式中：m為電荷激勵系數(shù)，。

10、設(shè)，由式（4-25）求得變?nèi)莨苌系碾妷簽?將式（4-26）和式（4-27）進行比較，由變?nèi)莨苌系碾妷汉土鬟^電流之間的相位關(guān)系可以看出：對、和既有同相分量，也有正交分量，而且對輸出頻率，電路呈現(xiàn)負阻及容抗，對和均呈現(xiàn)正阻及容抗，這說明有頻率分量的能量輸出。6、 階躍恢復(fù)二極管倍頻器分析 階躍管的作用是把每一個周期輸入的信源能量轉(zhuǎn)換為一個諧波豐富的大幅度窄脈沖；再利用它激勵一個諧振電路，得到頻率為的衰減波振蕩，最后通過帶通濾波器在負載上得到N次諧波的等幅波。 輸入信號，通過一個激勵電感激勵階躍管，以便利用電感來儲能，使之得到大幅度的階躍電流，因此應(yīng)為功率信號源。圖中為負偏壓，為脈沖發(fā)生器的等效負載。（1）導(dǎo)通期間由圖的等效電路可求出電路中電流的表達式。電路的微分方程：假定其實條件為，為電感中起始電流，則解方程得由此可見，電流由三部分組成