第四章微波混频器和检波器[1]

∑ge
n
∞
jnω L t
= g 0 + 2∑ g n cos nω L t
n =1
∞
非线性电阻混频原理
I I g g
t 0
t 0
V0 0
V
V0 V0
V
v
V0 + VL cos ω Lt
v
V0 + VL cos ω Lt
t
t
(a) 正弦本振激励下的二极管大信号电流成分
(b) 时变电导波形
非线性电阻混频原理
n0 m 0 m 0
大多数情况下，tm≈1，所以 FSSB ≈ Lm 。 双边带噪声系数：此时上下两个边带都有噪声输入，因此 PnS = 2kT0 Δf / Lm ，按其定义有 Pn 0 1 FDSB = = Lm tm 2kT0 Δf Lm 2
混频器噪声系数
单边带噪声系数 F = Pn 0 = kTm Δf = L t SSB m m
PnS
PnS
其中，Pn0：输出端总噪声功率；PnS：信号单边带热噪 声，PnS=kT0Δf/Lm ；Tm ：混频器等效噪声温度，Δf ：中 P T t = = 频放大器频带宽度，tm ：混频器噪声温度比 ， kT Δf T
Cs Cj Ls Rj Rs
检波管等效电路
检波二极管
检波二极管的I−V特性为 式中，IS：反向饱和电流，典型值10-16～10-13A，且受 势垒高度、结面积和温度影响；V：结两端电压；e是 电子电荷；k：波尔兹曼常数；T：绝对温度；n：修正 因子，用来计入不可避免的结缺陷和其他热电子发射之 外的次要效应，典型值1~1.2。 检波二极管的结电容也随外加电压而变化：
Cj = C j0 dQ = dV (1 − V ) γ
eV ⎡ ⎤ i (V ) = I s ⎢ exp( ) − 1⎥ nkT ⎣ ⎦
φ 式中，C j 0 ：零偏压时的结电容； ：二极管势垒电位； γ ：电容非线性系数，一般为0.5左右。
φ
检波二极管的重要电参数
电流灵敏度 β i ：短路整流电流和输入射频功率之比， 常以 μA / μW 表示。
n,m
n =−∞ m =−∞
∑ ∑ I&
e j( nω L + mωs ) t
混频器指标
变频损耗 混频器噪声系数 动态范围 工作频率 隔离度
变频损耗
定义: 输入微波资用功率和加到中频负载上的功率之比， Lm = PS Pif 即 或
Lm (dB) = 10lg( PS Pif )
组成： (1)由于频率变换作用产生的损耗； (2)由寄生参量产生的损耗； (3)混频器输入端由于阻抗不匹配产生的微波功率反射损 耗。
n =1 ∞
若负载采用谐振回路，选出所需中频成分（决定于一次混 频电导与信号电压的乘积）：
iif (t ) = g1VS cos ωif t
其中 或
ωif = ωS − ωL
ωif = ωL − ωS
当 当
ωS > ωL
ωL > ωS
非线性电阻混频原理
直流
中频滤波
0
ωif
2ωL−ωS ωL =ωi
g (t ) 为二极管电导。由于二极管是非线性元件，= i
f (v) = I S (eα v − 1)
则
g (t ) = α I S eα (V0 +VL cos ωLt )
g (t ) =
展成傅里叶级数 其中
1 2π gn = g ( t ) e − jnω L t dω L t 2π ∫0
n =−∞
iif (t ) = g1VS cos ⎡ωif t + (ϕ L − ϕS ) ⎤ ⎣ ⎦
，当 ω L > ω S
而在强信号下（但仍有 vS << vL ），则混频电流i可最终表 示为 ∞ ∞
i (t ) = =
n =−∞ m =−∞ ∞ ∞
∑∑
& I n , m e j( nϕ L + mϕ s ) e j( nω L + mω频器 （1）利用非线性或时变元件来达到频率变换的目的； （2）基本上采用肖特基势垒二极管做变频元件； （3）是微波集成电路接收系统中必不可少的部件； 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； （3）是微波指示设备中最常用的部件
v S (t ) v L (t )
ZL
V0
二极管混频器的原理等效电路图
非线性电阻混频原理
假设本振与信号分别表示为
vL (t ) = VL cos ω L t vS (t ) = VS cos ω S t
v S (t ) v L (t )
ZL
V0
由于VL >> VS ，因此可以认为二极管工作点随本振电压而变 化，而在各工作点展开为泰勒级数。设二极管伏安特性用 i = f (v) 表示，则求得二极管电流的瞬时值为
ωS
3ωL−ωS 2ωL ωL+ωS=ω+
3ωL 2ωL+ωS
ω
混频电流的主要频谱（设 ωif = ωS − ωL )
非线性电阻混频原理
假设本振和信号电压分别为
vL (t ) = VL cos(ω L t + ϕ L ) vS (t ) = VS cos(ω S t + ϕ S )
则由混频产生的中频电流成分为 iif (t ) = g1VS cos ⎡ωif t + (ϕS − ϕ L ) ⎤ ，当 ω S > ω L ⎣ ⎦ 或
M-S结与PN结的特性比较
特性 工作 机理 伏安 特性 肖特基结 多数载流子的运动 PN结 少数载流子的扩散
i (V ) = I s [ exp(αV ) − 1] eV ⎡ ⎤ ) − 1⎥ = I s ⎢exp( nkT ⎣ ⎦
I M-S 结 PN 结 V
Is与外加偏压有关；导 Is与外加偏压无关； 通电压低；正向电流 导通电压高；正向电 大；较大的非线性度； 流小；线性度较好； 较小——微分电导变化 较大 陡峭，利于混频 仅由势垒电容决定，容 存在扩散电容；容值 值小 大 较小（高导电率金属代 较大 替了P型半导体） 较低——用于混频、检 较大——功率变频/倍 波 频
检波二极管的重要电参数
正切灵敏度 TSS :在脉冲测试中，没有信号时，检波管噪声 输出的上限与有信号时噪声输出的下限在同一水平线上， 这时对应的信号电平就是正切灵敏度，以dBm表示。 表征优点：能反映出在噪声条件下的检波能力，所以得到 越来越多的应用。 优质系数M：用于比较不同二极管的质量，它包含电流灵 敏度 Rvf 和视频电阻 β i ，
M = βi Rvf / Rvf + Rn
式中，Rn 为第一级视放输入端的等效噪声电阻。对于不同 视放，Rn 的数值有所变化，一般可取 Rn = 1.2kΩ 。 视频电阻 Rvf ：指检波二极管对视频信号所呈现的电阻， 它对于检波器与视频放大器的匹配设计很有用。
§4.3 微波混频器工作原理
非线性电阻混频原理 二极管混频器的原理等效电路如图所示。在肖特基势垒二 极管上加较小的直流偏压（或零偏压）、大信号本振功率 （1mW以上）及接收的微弱信号（μW级以下）。
n td ≈ 若Rs很小，且Rs << Rj ，则上式简化为： 2 （噪声来源与晶体管相同，包括：散粒噪声、热噪声和闪烁噪声） 中频阻抗：加载本振功率后，对中频呈现的阻抗值； 其他：整流电流、反向电流、功率容量等；
n Rj Pn 2 = td = kTB Rs + R j Rs +
检波二极管
检波二极管多用PN结和肖特基势垒二极管。 因微波信号一般比较微弱，所以要求检波二极管的灵 敏度很高，检波二极管的输出电压由视频放大器放 大，这样就构成了晶体视频接收机，其灵敏度虽低于 超外差接收机，但结构简单，也有不少重要用途。
1 P107 − (4.2) : n ↓=> α ↑=> R j ↓=> g = 变陡 Rj
肖特基势垒二极管的结构、 等效电路与主要参数
微波混频二极管的典型封装结构及其等效电路如图所示
保护胶 瓷片 引线 管芯 内引线 Cp Cj
Ls
Rj Rs
(a) 面接触型微带式封装结构 (b) 等效电路 混频二极管的封装结构及等效电路
§4.2 肖特基势垒二极管和检波二级管
肖特基势垒二极管——金属-半导体结
金属电极 金属触丝 N 外延层 点接触结 N+衬底 N 外延层 N+衬底 肖特基结 势垒金属 SiO2
欧姆接触金属
欧姆接触金属
(a)点接触型
(b)面接触型（面结合型） 肖特基势垒二极管管芯结构
肖特基势垒二极管
基本工作原理：
（1）处于不同能级状态的电子如果获得足够的能量（> EF ,费米能级），就会脱离原子核的束缚，逸出并形成热 电子发射； （2） N型半导体的EFs > EFM ， EF统一的结果，使M-S 交界处的能带发生弯曲，意味着电子位能由N区向金属区 逐渐升高，从而形成一个势垒，阻挡电子从半导体流向金 属。该势垒高度就是半导体和金属的相对差值
结电 阻 结电 容 串联 电阻 击穿 电压
M-S结与PN结I-V 特性比较
点接触二极管与肖特基势垒二极管的比较
点接触管:不完善的肖特基势垒; 面接触管:形成的是完 善的肖特基势垒。 点接触管：压接力度不同导致肖特基结的直径不同， 因此性能一致性差，可靠性也差；面接触管：结直 径、金属膜厚度等均能严格控制，因而性能一致性 好，便于设计使用。 以上两个优点表现为I-V特性中的工艺修正系数n有所 不同。点接触型n>1.4，而面接触型n=1.05~1.1，因此 非线性特性较陡。此外，面接触型管的噪声性能也有 改善。