参量放大应选用突变结二极管；限幅和倍频应选缓变 结 极管；而对于 调谐则 突变结或 突变结 极管， 结二极管；而对于电调谐则选突变结或超突变结二极管， 其中 =1/2的突变结二极管用得最多，因为这时结电容 与偏压的平方成反比，由此构成的电调谐振回路的谐振 频率与电压成线性关系。
12
表征变容管性能的静态电参数
§5.2
变容二极管及阶跃恢复二极管
•变容二极管是一种结电容随外加偏压非线性变化的 二极管。 极管 •变容二极管的非线性电容可以采用PN结或肖特基结 形成，如无特别说明，变容管一般指PN结型的二极管， 它可用于微波压控振荡器 微波倍频器 微波移相器 它可用于微波压控振荡器、微波倍频器、微波移相器、 微波上变频器及微波限幅器等。
第五章 微波倍频器
林 先 其
电子科技大学电子工程学院 xqlin@, xqlin@ , 科C310
2
主要内容
•引言 •变容二极管及阶跃恢复二极管 •倍频器基本理论 •变容二极管倍频器 •阶跃恢复二极管倍频器 •肖特基势垒二极管倍频器 •微波晶体管倍频器
8
变容二极管
•PN结结电容形成的原理
结电容，也叫做势垒 电容，表示为
dQ Cj A / W dV
空穴 受主 施主 电子 ++ + ++ + ++ + ++ + P N (a) + + + +
+
-
+ P + N + W (c) + + + + + W (d)
倍频器主要技术指标
8) 倍频器的噪声
来自倍频器的外部 来自倍频器的外部——主振器（如有放大，还包括功率放 主振器（如有放大，还包括功率放 大器引入的噪声）； 来自倍频器的内部； 采用倍频链的实现方式，则整个倍频链的噪声将有一定程 度的恶化 即输入频率的n次倍频源的相位噪声比输入基波 度的恶化，即输入频率的n次倍频源的相位噪声比输入基波 信号的相位噪声至少增加n2倍，这等效于n次倍频源的噪声 g(n2 ) 20lg( g(n) )dB 恶化 10lg(
其中，A为结面积；W 为空间电荷层宽度； ε为半导体的介电常 数； dQ、dV分别为 PN结电荷和偏压的变 化量。
P
+
N
P
N
W (b)
9
PN结电荷分布图 （a）初期，扩散运动为主；（b）平衡期 ，扩 散和漂移平衡形成势垒（~0 散和漂移平衡形成势垒（ 0.7V）；（c）正偏， 7V） （c）正偏 W减小，C增大；（d）反偏，W增大，C减小；
微波信号
Æ Åä Íø Âç
匹配网络
c
R RM
M
Cp C p
Ê Æ ·Å´ó Ó
Ls
视频放大
RL R L
Lc RM
Cs
Cj Rs
Rj
A A
4) 温度补偿检波器电路
V j1 匹配 电路 + C Vj2 输入 R
5) 毫米波微带检波器
输出
24
承上
倍频器
•工作原理：把输入频率的正弦波能量通过非线性器件（如 非线性电阻、电容），使其输出波形发生畸变，产生的各次 谐波，再用滤波电路把所需要的谐波能量取出送到负载。 •用途：产生在基频振荡器上无法获得的高频率的本征/信号 用途 产生在基频振荡器上 法获得的高频率的本征 信号 源 •主要指标：工作频率及倍频次数；变频损耗（效率）；输 出功率；带宽；输入、输出驻波比；波形纯度；驱动功率； 噪声系数； •类型：肖特基管非线性电阻倍频；变容二极管非线性电容 倍频；阶跃恢复二极管高次倍频；场效应管有源倍频；振荡
Vout(mV) 0.1 1000 线性 饱和
压缩点 A
平方律
检波器饱和特性 检波器 和特性
60 40 0 20 Pin(dBm) 20 40
23
Байду номын сангаас 承上——
常用的几种检波器电路结构 1）高灵敏度窄带检波器：带宽小于10％，高灵敏度和低驻 波比。 3)多倍频程检波器 ¼ì²¨ ¹Ü 检波管 A 2）宽带检波器A R
ts ln(1 I f / I r ) 式中，If ——正向注入电流；Ir ——反向抽取电流。
•下限频率f下：以少子寿命的倒数来定义，即f下=1/ 16
；
阶跃二极管的等效电路
if
i
dq dt
CD
C0 C0 Rs
Rf Rs 实际情况
理想情况
（ a） 正 向 激 励
实际情况 理想情况 （ b） 反 向 激 励
•阶跃时间tt ：阶跃管的反向电流Ir从0.8Ir降至0.2Ir所需的 时间——阶跃管获得高次倍频的关键参数；tt越小，高次谐 波越丰富，倍频效率越高。 •上限频率f上：阶跃时间的倒数即f上=1/tt ； •少数载流子寿命 ：停止注入后，少数载流子的平均存在 时间，它定义为少数载流子浓度减少到初始值的1/e所经历 的时间 也可采用储存时间ts来等效。储存时间 的时间。也可采用储存时间 来等效 储存时间ts定义为电 压开始反向到反向电流Ir降至0.8 Ir的这一段时间，即反向 电流阶跃开始前的 段持续时间。 电流阶跃开始前的一段持续时间。
19
Page-Pantell不等式
•电阻性倍频器通常用正向偏置的肖特基势垒二极管提供非 线性I-V特性。Pantell、Page和Clay都指出，对于正非线 性电阻来说，电压v是电流i的单值函数，i v 0 且
Pn P1 ≤
1 n2
其中P1表示输入基波功率，Pn为第n次谐波输出功率； 二次倍频器：Pn≤0.25P1； 实际设计时：采用管对结构，如逆并联（反相并联） ——抑制偶次谐波 20
fD2 2π Ls 1 C pC j Cp C j f D1 1 Cj Cp
•电容调制系数 c ：
Cmax Cmin c1 2(Cmax Cmin )
13
阶跃恢复二极管
•阶跃恢复二极管简称阶跃管（Step Recovery Diode， 缩写为SRD）
是一种具有很强非线性导电特性的二极管； 电容-电压斜率系数（也称电容非线性系数） =1/15～1/30 的变容二极管 的变容二极管； 多用于高次倍频器，梳状频谱发生器、频率合成器及锁相固 多用于高次倍频器 梳状频谱发生器 频率合成器及锁相固 态源中；另外，还可用来产生极窄的脉冲（脉冲宽度可窄到几 十微微秒）——在毫微秒脉冲发生器、取样示波器等脉冲技术
领域的应用也很广泛。 领域的应用也很广泛
14
阶跃恢复二极管特性
v P+ 掺杂浓度 (cm3) 1019 i 普通二极管 t (b) 10
15
N
N+ t 约 0.7 0 7m (a)
x 1019
i
tS 阶跃二极管 t tt
(c)
SRD的杂质分布图 15
普通二极管和SRD电流波形比较
阶跃二极管的主要电参数
21
倍频器的组成
输入滤波 RS VS 信号源 偏置电路
输入 匹配 网络
输出 匹配 网络 空闲电路
输出滤波 RL
二极管倍频器方框图
22
承上
谐波混频器：将本振频率降低为基波频率的一半或四分之一 进行混频。 检波器：（1）利用固态器件的非线性来产生直流或低频电 流及电压，用以检测微波功率； （2）采用PN管或肖特基势垒二极管做检波元件； 采用 管或肖特基势垒 极管做检波 件 （3）是微波指示设备中最常用的部件 10000 饱和点 B （4）主要指标： 电流灵敏度；电压灵敏度； 100 视频电阻 优质因数 视频电阻；优质因数； 最小可检测功率； 10 切线灵敏度； 1 输出饱和特性； 动态范围；烧毁能量； 动态 围；烧毁能量；
1）波形纯度：所需频谱幅度与杂波频谱幅度之比，单位： dB； 2）工作频率及倍频次数：工作频率：输入/输出频率；倍频 次数：输出频率与输入频率的比值。 3）输出功率：倍频器在一定输入功率情况下的输出功率； 4）变频损耗（效率）：输出所需谐波功率与输入基波功率 之比 之比； dB——变频损耗，百分数——效率； 变频损耗 百分数 效率 5）驱动功率：能使倍频器正常工作的最小输入基波信号的 功率； 功率 6）带宽：一般以输出功率下降3dB的频率变化范围表示； 7）输入、输出驻波比：表征倍频器输入、输出端口匹配性 能的技术指标，理想值为1。 5
•品质因数 Q：变容二极管储存能量与耗散能量的比值， 可由下式表示： 1
Q
C j R s
•截止频率：当Q值降为1时对应的频率，表达式如下： f c 1/(2 /( πRs C j ) fQ f •自谐振频率 ：变容管的串联自谐振频率 f D1 和并联自谐 振频率 f D 2 分别为
f D1 1 2 π Ls C j
3
§5.1
引
言
•倍频器的工作原理 把输入频率的正弦波能量通过非线性器件（如非 线性电阻、电容），使其输出波形发生畸变，产生各 次谐波，再用滤波电路把所需要的谐波能量取出送到 负载。
•倍频器用途
多用在微波和毫米波发射机和接收机电路，产 生在基频振荡器上无法获得的高频率的本征信号源。
4
倍频器主要技术指标
6
倍频器的类型
•阻性倍频——利用二极管PN结的静态非线性I-V关系，即非 线性电阻产生谐波； •参量（容性）倍频——利用变容二极管的非线性电抗特性 参量（容性）倍频 利用变容 极管的非线性电抗特性 即非线性电量Q-V特性产生谐波； •高次倍频——利用阶跃恢复二极管（SRD）而产生高阶谐波； 高次倍频 利用阶跃恢复 极管（SRD）而产生高阶谐波； •有源倍频——利用有源器件中跨导传输函数的非线性，同 时获得谐波和增益，如砷化镓场效应管，异质结双极管，高 电子迁移率晶体管等； •锁相倍频——利用强迫同步现象，将振荡器注入锁定在基 准频率n次的谐波上； •宽带倍频——利用宽带单片放大器的非线性产生谐波，并 放大谐波； •非调谐倍频 非调谐倍频——利用非线性传输线（NLTL）来实现 利用非线性传输线（NLTL）来实现，传输 传输 线周期加载既可以是非对称也可以是对称的变容管，它能提 供效率和带宽。 7