04微波技术第4章微波振荡源课件.ppt

1、第四章第四章 微波振荡源微波振荡源4-1 概述概述 微波电子器件包括：微波电子器件包括：微波半导体微波半导体器件器件和和微波真空器件微波真空器件两大类：两大类：1、微波半导体器件：、微波半导体器件：微波二极管(体效应二极管，雪崩二极管)，微波晶体管a. 微波二极管：能够工作于微波波段的各种半导体二极管EXP：隧道二极管,点接触二极管(低噪声接收器件) 体效应二极管，雪崩二极管(用于微波功率源)b. 微波晶体管：指能工作于微波段的晶体管,微波双极性晶体管和微波单极性晶体管(微波场效应管)2、微波电真空器件：微波电真空器件：分为两大类a. 静态控制微波管:如超高频三、四极管(工作原理与低频类似,仅

2、对低频电子管缩小尺寸.b. 动态控制微波管：如速调管、行波管EXP ：速调管、行波管，其原理与“静态控制”完全不同 微波管与微波半导体器件是两种性质完全不同的微波电子器件，它们各有特长，也有自己的缺点。微波管：微波管：优点是频率高,功率大,效率和增益高,频带宽；缺点是体积大制造工艺复杂,成本高微波半导体器件：微波半导体器件：优点是体积小,重量轻,寿命长,制作工艺简单,成本低.缺点是频率低,功率不易提高.4.2 速调管速调管一、微波管工作的基础电子流的一、微波管工作的基础电子流的能量交换能量交换 对于任何电子管器件和振荡器,从能量的观点看,它所要解决的基本问题,就是借助于运动的电子从直流电源获得

3、一定的能量,使电子加速，转化为电子的动能，然后通过一定的装置将其动能的一部分转换为高频场的能量(需放大或振荡的波)，在这个过程中，电子电子起着中间能量传递着的作用起着中间能量传递着的作用，这一原理是微波管工作的基础。任何微波管放大器或振荡源都必须具有：任何微波管放大器或振荡源都必须具有：1. 供给电子能量的直流电源；2. 能产生电子流的装置；3. 对电子流加速的装置；4. 对电子流的运动规律进行调制的装置；5. 能够将电子流的动能转换给高频场的装置. 由上述可知：微波管工作的基础就是电子流与电场的能量交换。在微波管中电场只有直流电源所建立的直流电场和微波信号源建立的高频交变电场两种。eVmvv

4、VeVVVemvmvaBAAABAB22221, 0, 0)(2121:.设阴极电压直流结论：结论：电子从低电位向高电位运动时，电子获得能量；电子从高电位向低电位运动时，电子失去能量。b. 电子流与交变电场的能量交换. 电子流与交变电场电场之间的能量交换，原则上与直流电场时情况相同。电子流在交变电压的正半周期内，受到加速，获得能量；在交变电压的负半周期内，受到减速，失去能量，电场的能量增加。如果电子流的密度是均匀的,在整个周期内电子流与交变电场没有能量交换。所以两者要进行有效的能量交换，必须使用密度不均匀的电子流。 二、反射速调管二、反射速调管 1、反射速调管的结构和组成、反射速调管的结构和组

5、成 反射速调管主要由：电子枪、加速栅极、环形谐振腔、 反射极、输出耦合装置等几部分组成：a、阴极：；b、加速栅极：c 、谐振腔：上下栅网间有交变电压，这个交变电压改变电子的速度-速度调制；d 、反射极：产生制动空间，作用是产生密度调制。e 、装置-+Ur+ -U0dD反射极加速栅极输出 图1 反射速调管结构图 阴极 聚束极 灯丝 群聚空间G2G1谐振腔 核心问题是通过速度调制、密度调制和能量交换过程，将电子从直流电源获得的能量转换为微波电场的能量。1.电子从直流电场获得能量的过程电子从直流电场获得能量的过程2.速度调制过程速度调制过程u 加速 减速2、工作原理分析、工作原理分析t3.密度调制过

6、程密度调制过程 (群聚过程群聚过程) 1 2 3 4 5 321t反射极平面u=Umsint栅极4.能量交换过程能量交换过程反射极电压平面T43T431T432栅极G2ttu 由一般的振荡器知识可知，产生振荡须同时满足以下两个条件两个条件:1.振幅平衡条件 2.相位平衡条件5. 相位平衡条件的讨论相位平衡条件的讨论 电子群返回谐振腔的最佳时刻 并非一个,只要群聚中心电子的飞行时间满足如下条件:Tn)43(相位平衡条件意义意义：表示只要群聚中心电子在u任意一个正半周期最大时刻返回谐振腔都可以有效地交给电场能量，产生振荡。上式中，T 为高频场的周期。为了求得电子在群聚空间的飞越时间，由电子的运动方

7、程电子的运动方程有 其中：D为栅网 与反射极之间的距离。设电子离开 时刻 t0，速度为 ，则对上式积分可得 当 v 0 时电子停住，由上式可求得电子运动的相应时间为DUUeeEtvmr0dd2G2G1vtDUUmevvr01)(r01UUeDvmt显然，电子从离开 到返回 所用的总时间总时间为 如上所述，高频场调制的结果使电子离开的速度不同，因而电子的飞越时间也不同，但是它们可同“中心电子”一齐飞回到谐振腔。由于Dd， ( d为两栅网间距离， 为高频电压幅值)，所以可取 近似等于中心电子的速度)(22r01UUeDvmt2Gm0UU mU2G2G1v ，故有0v)(2r00UUeDvmrrrU

8、UDUemfUUDUemfnUUDUemmeUv00000000884382意义意义：电子将它的最大动能交给速调管谐振腔应满足以上相位平衡条件，即速度为 的一族电子正好落在交变电场的最大处。0v讨论讨论:（1）、f, D, U0不变时，改变Ur的值，n取不同的值(n=0,1,2,3)对应不同的振荡区；（2）、只有当反射极电压为某些数值时，群聚电子流才能在合适的时刻返回谐振腔，从而最大限度的交出能量，产生震荡；而在反射极电压为另外一些值时，群聚电子流在不利的时刻返回到谐振腔，因而不能产生振荡。（3）、n越小，飞越时间增大，表明反射极电压Ur的值较小.OP0ff1n2345rUrU图2 反射速调管

9、的功率特性与频率特性Ur06 谐振腔中起始电压是如何产生的谐振腔中起始电压是如何产生的 谐振腔中(G1、G2之间)并没有预先加上一个交变电压。我们知道,电子枪发射的电子流不可能是绝对均匀的.存在散弹噪声(横截面上粒子数的不均匀),这种噪声含有极丰富的频率成分,当这个电子流通过谐振腔时,会在谐振腔上产生感应电流(电子流在腔壁上感应出正电荷,当电子沿轴向运动时,感应正电荷也随之沿腔壁运动,感应电荷的运动形成了感应电流。感应电流中,含有极丰富的频率成分,其中,频率等于谐振腔的谐振频率的感应电流会在谐振腔上建立起感应电压,这个电压和电子流进行速度调制和能量交换的循环过程。感应电荷3、反射速调管的调谐、

10、反射速调管的调谐 反射速调管的调谐有两种办法:电子调谐和机械调谐。(1)、电子调谐：、电子调谐：通过改变反射极电压Ur,从而改变谐振频率。n越大,电子调谐的范围越大, 即频率变化范围越大,所须的Ur的变化范围越小,调谐越敏感。描述电子调谐的范围有两个: A .电子调谐率电子调谐率: 指在振荡区中心附近, Ur改变1v时,所引起的振荡频率的变化量. B. 电子调谐范围电子调谐范围: 振荡功率下降到最大功率的一 半时,两个半功率点之间的频率范围.Pmax21Pmaxf0UrUrf图3 反射速调管的电子调谐原理(2)、机械调谐、机械调谐：机械调谐10cm图5 内腔式反射速调管4 4、反射速调管振荡器

11、、反射速调管振荡器 微安表检波器波长计电子稳压器调制器衰减器输出反射速调管定向耦合器 图 6 所示是一个 3 cm波段的反射速调管振荡器的方框图。 图中，电子稳压器供给反射速调管各极所需的稳定的直流电压，速调管产生的微波振荡经衰减器（用以控制能量、去耦）输出。部分功率经定向耦合器至波长计以测量波长，再经检波器至微安表以作指示。5、反射速调管的调制工作状态反射速调管的调制工作状态 反射速调管的调制工作状态是在反射极直流电压的基础上加调制电压，常用的调制方式有和。前者采用方波调制，后者采用锯齿波调制。 幅度调制和频率调制的特性如图7和 图8 所示。理想的工作状态不希望同时发生多种调制。例如，方波的

12、前沿要足够陡才能得到单一的幅度调制。1 幅度调制幅度调制ttPPfff0-Ur图7 反射速调管的幅度调制特性t tf2 频率调制频率调制伴随小的幅度调制PPff0-UrPf1f01f2图8 反射速调管的频率调制特性三、多腔速调管简介三、多腔速调管简介U0 输入信号产生速度调制输出(能量交换)漂移空间 (密度调制)图9 多腔速调管加速栅极4-3 体效应二极管振荡器体效应二极管振荡器1、体效应：、体效应：指在砷化镓(GaAs)等一类导带结构中有多能谷的半导体,当其中的外加电场大于某一临界值时,低能谷中迁移率较大的电子转移到迁移率较小高能谷中,从而出现微分负阻现象-体效应.根据体效应制成的电子器件,

13、称为转移电子转移电子器件器件.2、 基本工作原理基本工作原理禁带 导带砷化镓砷化镓(GaAs) 能带结构和负的微分迁移率能带结构和负的微分迁移率 有些半导体的导带有高低不同的几个能谷,能量最低的能谷叫主能谷,其余叫子能谷.1.49eV1.49eV0.36eV0.36eV100000100上导带下导带EEk波数子能谷主能谷子能谷价带图 10 n 型砷化镓的能带结构 这种多能谷结构多能谷结构，如图 10 所示，在中间主能谷（低能谷）周围对称地分布着六个子能谷（高能谷，图中只画了两个子能谷表示）。主能谷对应于下导带，子能谷对应于上导带，上、下导带的能量差是0.36eV，处于子能谷的电子有慢电子重电子

14、负的微分迁移率负的微分迁移率伏安特性出现了负阻区伏安特性出现了负阻区thE图 12 n 型砷化镓的 伏安特性IUthIthUO 电子总体平均速度v Eth EbE(kv/cm)图11 电子的平均速度 与外加电场的关系 在Eb E Eth区域内，电子速度随E的增加而下降，导致负的微分迁移率负的微分迁移率：0Eddvn+nGaAs5.214.1M32.4AB阴极阳极偶极子畴(a)偶极子畴l畴漂移B ABAEthExO(b) 电场AAAABBBBOAABtpiOAABC饱和漂移速度 s/cm107 l周期周期频率频率lvfspspvlTsv路两部分组成，其等效电路如图16 所示。图中 是电场超过阈值

15、后管子所呈现的负阻， 是管子有源区电容, 是管壳分布电容， 是引线电感， 、 C 和 L 是外电路的等效参量。RkCcCsL0RsLkCcCCL0RR体效应二极管外电路(1)(1). 同轴腔振荡器同轴腔振荡器 一种同轴腔振荡器的结构如图 17 所示。 二极管安装在同轴腔底部的散热块上，散热块和腔体其他部分之间用高频旁路电容隔断，以便直流偏压从这里引入。调节同轴腔短路活塞可以改变振荡频率。振荡功率通过耦合环耦合输出。同轴腔振调谐活塞旁路电容输出散热块19线，直流偏压通过低通滤波器引入。微带振荡器结构简单，制作方便，但因损耗大，只适合在较低的微波频率下工作，而且一般只作为小功率源。这种振荡器的另一个缺点是不便于调谐。l12345输出偏置引入1开路线；2二极管；3阻抗变换器；4隔直电容； 550 输出线二、雪崩二极管振荡器的基本特性及工作原理二、雪崩二极管振荡器的基本特性及工作原理N+ P I P+ 漂移区雪崩区