微波技术与微波电路第7章-微波二极管及其电路课件.ppt

1、第第7章章 微波二极管及其电路微波二极管及其电路7.1金属半导体结二极管及微金属半导体结二极管及微 波混频器波混频器7.1.1金属半导体二极管金属半导体二极管 7.1.2微波混频器的工作原理微波混频器的工作原理 7.1.3微波混频器的变频损耗微波混频器的变频损耗 7.1.4混频器的噪声系数混频器的噪声系数7.1.5微波混频器电路微波混频器电路7.2 微波变容二极管及微波上微波变容二极管及微波上 变频器变频器7.2.1微波变容二极管微波变容二极管 7.2.2非线性电容中的能量关系非线性电容中的能量关系 及其应用及其应用 7.2.3变容管上变频器变容管上变频器 7.3微波体效应二极管及负阻微波体效

2、应二极管及负阻 振荡器振荡器7.3.1体效应二极管体效应二极管 7.3.2微波二极管负阻振荡微波二极管负阻振荡 器电路器电路 7.4 PIN管及微波控制电路管及微波控制电路 7.4.1PIN二极管的基本特性二极管的基本特性7.4.2PIN管微波开并电路管微波开并电路7.4.3PIN管电调衰减器管电调衰减器7.4.4PIN管移相器管移相器 7.1金属半导体结二极管及微波混频器金属半导体结二极管及微波混频器7.1.1金属半导体二极管金属半导体二极管（如图（如图7-3）型半导体功函数小于金属的功函数。）型半导体功函数小于金属的功函数。两者接触时形成（两者接触时形成（a）中的内建电场。）中的内建电场。

3、加正向偏压时，内建电场被削弱，形成扩散电流（加正向偏压时，内建电场被削弱，形成扩散电流（b）。）。加反向偏压时，内建电场增大，仅存反向饱合电流（加反向偏压时，内建电场增大，仅存反向饱合电流（c）。）。.结构结构点接触型二极管，面接触型二极管（肖特基二极管）。点接触型二极管，面接触型二极管（肖特基二极管）。（如图（如图7-2）.工作原理工作原理图图7-3金属金属-半导体结在外加电压作用下的情况半导体结在外加电压作用下的情况 图图7-2金属金属-半导体结二极管的管芯结构半导体结二极管的管芯结构（）肖特基二极管与（）肖特基二极管与结二极管比较结二极管比较伏安特性（如图伏安特性（如图7-4）结电容结电

4、容 串联电阻串联电阻击穿电压击穿电压（）肖特基二极管的等效电路与参数（）肖特基二极管的等效电路与参数.肖特基二极管特性肖特基二极管特性图图7-4金属金属-半导体结二极管与半导体结二极管与PN结二极管的伏安特性结二极管的伏安特性7.1.2微波混频器的工作原理微波混频器的工作原理 微波混频器方框图（如图微波混频器方框图（如图7-1）混频器原理图（如图混频器原理图（如图7-7）混频器电流的主要频谱（如图混频器电流的主要频谱（如图7-8）混频器的等效电路（如图混频器的等效电路（如图7-10）信号电路中频支路镜频支路信号电路中频支路镜频支路图图7-1混频器的原理框图混频器的原理框图图图7-7二极管混频器

5、原理图二极管混频器原理图图图7-8混频器电流的主要频谱混频器电流的主要频谱图图7-9加在混频二极管上的电压加在混频二极管上的电压.镜像匹配（镜像匹配（）时的净变频损耗。）时的净变频损耗。.镜像短路（镜像短路（）时的净变频损耗。）时的净变频损耗。.镜像开路（镜像开路（）时的净变频损耗。）时的净变频损耗。.三种情况的净变频损耗比较（如图三种情况的净变频损耗比较（如图7-15）。）。7.1.3微波混频器的变频损耗微波混频器的变频损耗图图7-15最佳净变频损耗与最佳净变频损耗与本振电压的关系本振电压的关系.镜像短路或开路时混频器的噪声系数。镜像短路或开路时混频器的噪声系数。.镜像匹配混频器的噪声系数。

6、镜像匹配混频器的噪声系数。.混频器中放组件的噪声系数。混频器中放组件的噪声系数。7.1.4混频器的噪声系数混频器的噪声系数gKGG0KG2KG（）单端混频器（如图（）单端混频器（如图7-19）作为作为重点重点，要求搞清楚本电路各部分作用。，要求搞清楚本电路各部分作用。（）平衡混频器（）平衡混频器等效电路（如图等效电路（如图7-20）平衡电路对单端电路的改进：平衡电路对单端电路的改进：（a）输入信号和本振功率得到充分利用。）输入信号和本振功率得到充分利用。（b）输入信号动态范围增加了一倍。）输入信号动态范围增加了一倍。（c）能抑制本振引入的调幅噪声。）能抑制本振引入的调幅噪声。7.1.5微波混频

7、器电路微波混频器电路图图7-19微带型单端混频器微带型单端混频器 图图7-20本振反相型平衡混频器等效电路本振反相型平衡混频器等效电路.基本电路基本电路（3）平衡混频器的电路）平衡混频器的电路微带型（如图微带型（如图7-23，7-26）正交场平衡混频器（如图正交场平衡混频器（如图7-24）（4）双平衡混频器）双平衡混频器等效电路（如图等效电路（如图7-27）结构电路（如图结构电路（如图7-30）图图7-23反相型微带反相型微带平衡混频器平衡混频器 图图7-24正交场平衡正交场平衡混频器结构图混频器结构图 图图7-27双平衡混频双平衡混频器等效电路器等效电路 图图7-262型微型微带平衡混频器带

8、平衡混频器 图图7-30微带型环形微带型环形混频器结构示意图混频器结构示意图（）镜像短路混频器（如图（）镜像短路混频器（如图7-31）（）镜像开路混频器（如图（）镜像开路混频器（如图7-32）.镜像回收混频器镜像回收混频器图图7-31镜像短路单端混频器镜像短路单端混频器 图图7-32镜像开路平衡混频器镜像开路平衡混频器（）悬置微带混频器（如图（）悬置微带混频器（如图7-33）（）鳍线混频器（如图（）鳍线混频器（如图7-34）.毫米波混频器毫米波混频器图图7-33交叉式悬置微带交叉式悬置微带线平衡混频器结构线平衡混频器结构 图图7-34鳍线平衡混鳍线平衡混频器结构图频器结构图 7.2 微波变容二

9、极管及微波上变频器微波变容二极管及微波上变频器结构：结的结构结构：结的结构管芯结构（如图管芯结构（如图7-36）结势垒电容与偏压的关系：结势垒电容与偏压的关系：n=1/2突变结常用于参量放大器及低次倍频。突变结常用于参量放大器及低次倍频。n=1/3线性缓变结常用于高次变频。线性缓变结常用于高次变频。n=1/151/30阶跃恢复结常用于高次倍频及振荡器。阶跃恢复结常用于高次倍频及振荡器。n=0.56超突变结，常用于电调谐，超突变结，常用于电调谐，n=2应用较多。应用较多。7.2.1微波变容二极管微波变容二极管图图7-36变容二极管管芯结构图变容二极管管芯结构图（）和频上变频器（）和频上变频器 门

10、雷罗威关系为门雷罗威关系为7.2.2非线性电容中的能量关系及其应用非线性电容中的能量关系及其应用.门雷罗威关系门雷罗威关系（如图（如图7-39）.门雷罗威关系的应用门雷罗威关系的应用功率增益功率增益图图7-39说明门雷说明门雷-罗威关系式的电路模型罗威关系式的电路模型（）反射型负阻参量放大器（）反射型负阻参量放大器门雷罗威关系为门雷罗威关系为（）差频变频（）差频变频门雷罗威关系为门雷罗威关系为.变容管上变频的等效电路变容管上变频的等效电路7.2.3变容管上变频器变容管上变频器（）滤波器式（如图（）滤波器式（如图7-42）（2）平衡式（如图）平衡式（如图7-43）2.功率上变频的微带结构电路功率

11、上变频的微带结构电路（如图（如图7-41）图图7-41上变频器等效电路上变频器等效电路图图7-42Ku波段滤波器式微带上变频器波段滤波器式微带上变频器图图7-4311GHz平衡式上变频器平衡式上变频器 7.3微波体效应二极管及负阻振荡器微波体效应二极管及负阻振荡器7.3.1体效应二极管体效应二极管多能谷结构（如图多能谷结构（如图7-44）负微分迁移率（如图负微分迁移率（如图7-45）.砷化镓的多能谷结构与负微分迁移率砷化镓的多能谷结构与负微分迁移率图图7-44GaAs的多能谷结构图的多能谷结构图（300K时）时）图图7-45GaAs晶体的速晶体的速度度-电场特性电场特性.微波振荡的产生过程微波

12、振荡的产生过程（1）畴理论高场畴的规律）畴理论高场畴的规律畴的生成畴的生成畴的生长畴的生长畴的成熟畴的成熟畴的消失畴的消失（2）偶极畴振荡的电流波形（如图）偶极畴振荡的电流波形（如图7-48）图图7-48偶极畴振荡的电流波形偶极畴振荡的电流波形（）动态伏安特性（如图（）动态伏安特性（如图7-49）（）工作模式（）工作模式 ）偶极畴渡越时间模式）偶极畴渡越时间模式 ）偶极畴延迟模式）偶极畴延迟模式 ）偶极畴猝灭模式）偶极畴猝灭模式.体效应二极管的动态伏安特性及工作模式体效应二极管的动态伏安特性及工作模式图图7-49体效应二极体效应二极管的动态伏安特性管的动态伏安特性图图7-53体效应管等效电路体

13、效应管等效电路.体效应管待效电路（如图体效应管待效电路（如图7-53）.振幅平衡条件，相位平衡条件振幅平衡条件，相位平衡条件.负阻振荡器电路（如图负阻振荡器电路（如图7-56）调谐振荡器（如图调谐振荡器（如图7-59）7.3.2微波二极管负阻振荡器电路微波二极管负阻振荡器电路图图7-56半波长谐振器调谐半波长谐振器调谐的体效应管微带振荡器的体效应管微带振荡器 图图7-59YIG调谐振荡器调谐振荡器 7.4 PIN管及微波控制电路管及微波控制电路 （1）直流电压作用下的特性（如图）直流电压作用下的特性（如图7-61）管上无偏压时。）管上无偏压时。）管上加反向偏压时。）管上加反向偏压时。）管加正向

14、偏压时。）管加正向偏压时。（2）微波信号电压作用下的阻抗特性。（如图）微波信号电压作用下的阻抗特性。（如图7-63）（3）直流偏压加微波信号下呈现的阻抗特性。）直流偏压加微波信号下呈现的阻抗特性。7.4.1PIN二极管的基本特性二极管的基本特性.PIN管的结构管的结构.不同偏置下不同偏置下PIN管的阻抗特性管的阻抗特性（如图（如图7-60）图图7-61PIN管杂质和空间电荷分布图管杂质和空间电荷分布图 图图7-63波信号作用于波信号作用于PIN管管（1）管管芯的两种结构形式）管管芯的两种结构形式等效电路（如图等效电路（如图7-66）台式结构和平面结构（如图台式结构和平面结构（如图7-64）（2

15、）管的封装结构（如图）管的封装结构（如图7-65）封装管的等效电路（如图封装管的等效电路（如图7-67）.PIN管的等效电路管的等效电路图图7-64PIN管的管芯结构管的管芯结构 图图7-65PIN管的封装结构管的封装结构 图图7-66实际实际PIN管的正反偏等效电路管的正反偏等效电路 图图7-67封装封装PIN管的等效电路管的等效电路 7.4.2PIN管微波开并电路管微波开并电路（1）电路：（如图）电路：（如图7-68）（2）性能分析）性能分析（3）改善开关性能电路）改善开关性能电路 1）阵列式开关（如图）阵列式开关（如图7-70）2）滤波器型开关（如图）滤波器型开关（如图7-71）1.单刀

16、单掷开关单刀单掷开关图图7-68单刀单掷开关单刀单掷开关 图图7-70阵列式开关阵列式开关 图图7-71低通滤波器型低通滤波器型PIN管开关管开关（1）并联型单刀多掷开关）并联型单刀多掷开关原理图（如图原理图（如图7-72，图，图7-73）微波（微带）电路图（如图微波（微带）电路图（如图7-74）（2）串联型单刀多掷开关）串联型单刀多掷开关原理图（如图原理图（如图7-75，图，图7-76）2.单刀多掷开关单刀多掷开关图图7-72并联型单刀双掷开关并联型单刀双掷开关图图7-73刀双掷开关用一刀双掷开关用一个偏压源控制的并联型个偏压源控制的并联型图图7-76单刀单刀N掷开关原理图掷开关原理图图图7

17、-74微带并联型单刀双掷开关电原理图微带并联型单刀双掷开关电原理图 图图7-75串联型单刀双掷开关串联型单刀双掷开关（1）环行器单管电调衰减器（如图）环行器单管电调衰减器（如图7-78）（2）dB定向耦合器型电调衰减器（如图定向耦合器型电调衰减器（如图7-79）（3）吸收型阵列式衰减器（如图）吸收型阵列式衰减器（如图7-80）7.4.3PIN管电调衰减器管电调衰减器1.PIN管正向电阻随偏流变化特性（如图管正向电阻随偏流变化特性（如图7-77）2.PIN管电调衰减器电路管电调衰减器电路图图7-78环行器单管电调衰减示意图环行器单管电调衰减示意图图图7-793dB定向耦合器型电调衰减器定向耦合器

18、型电调衰减器 图图7-80渐变元件阵列式衰减器渐变元件阵列式衰减器（1）开关线型移相器（如图）开关线型移相器（如图7-83）（2）加载线型移相器（如图）加载线型移相器（如图7-84）1）加载线型移相器分析）加载线型移相器分析 2）加载线型移相器）加载线型移相器 举例：举例：90度移相器（如图度移相器（如图7-85）（3）定向耦合器型移相器）定向耦合器型移相器 原理分析原理分析 微带结构（如图微带结构（如图7-88）（4）数字移相器举例四位数字移相器（如图）数字移相器举例四位数字移相器（如图7-89）7.4.4PIN管移相器管移相器1.PIN管数字移相器管数字移相器2.PIN管模拟移相器管模拟移相器图图7-83开关线型开关线型移相器示意图移相器示意图 图图7-84加载线型移相器加载线型移相器 图图7-85 90 移相器示意图移相器示意图 图图7-88微带定向耦合器型移相器微带定向耦合器型移相器 图图7-89C波段微带型四波段微带型四位数字移相器的电路图位数字移相器的电路图