第八章

微波檢波器

What-控制微波信號通斷、幅度以及相位的電路；微波信號傳輸路徑通斷或轉(zhuǎn)換——微波開關(guān)，脈沖調(diào)制器等控制微波信號的大小——電控衰減器，限幅器，幅度調(diào)制器等?？刂莆⒉ㄐ盘柕南辔弧獢?shù)字移相器，調(diào)相器等。

Why-實現(xiàn)微波信號的特殊處理；

Howaboutit-電性能（響應(yīng)速度）；非電性能。

Howtorealizeit-微波控制電路所用元件PIN管的特性零偏壓及反向偏壓——勢壘電場/電容，呈高阻態(tài)；正向偏壓——低阻導(dǎo)通態(tài)，阻值隨偏置電流增大而減少；承上微波半導(dǎo)體管——PIN管、變?nèi)莨堋⑿ぬ鼗O管、場效應(yīng)管鐵氧體——釔鐵石榴石（YIG）其他：如液晶（壓控調(diào)諧材料特性）啟下§8.3微波檢波器What?--

(Whatisthis?)Why?--

(Whyneedit?)How?--(Howaboutit?Howtorealizeit?Howtoimproveit?)2011,景洪,

《微帶檢波器的研究與設(shè)計》，桂林電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文§8.3微波檢波器

按工作原理和結(jié)構(gòu)分：二極管檢波器：利用二極管的非線性特性將微波信號轉(zhuǎn)換為直流信號；諧振器檢波器：利用諧振器的諧振頻率和帶寬來檢測微波信號。晶體管檢波器：使用晶體管的非線性特性將微波信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號。均衡檢波器：均衡檢波器將輸入信號分成兩路，分別通過不同的電路，然后再將它們合并在一起。

其他類型檢波器:反向器檢波器、斬波器檢波器Whatisthis-微波檢波器的分類

·頻率測量·功率測量·相位測量：

相位檢波器可以將微波信號轉(zhuǎn)換為直流電流信號，

其大小與微波信號的相位差有關(guān)

·調(diào)制和解調(diào)：二極管檢波器可以用來對微波信號進行振幅調(diào)制

晶體檢波器可以用來對微波信號進行頻率調(diào)制·信號檢測總之，微波檢波器是微波系統(tǒng)中重要的測量和調(diào)整工具，它們的功能多種多樣，可以根據(jù)需要選擇不同類型的檢波器來實現(xiàn)不同的功能§8.3微波檢波器Whyneedit-微波檢波器的主要功能·頻率范圍·承受功率·駐波比二極管檢波器通?？梢怨ぷ髟跀?shù)十兆赫（MHz）到幾千兆赫（GHz）的頻率范圍內(nèi)，而晶體管檢波器可以工作在更高的頻率范圍內(nèi)，通常從幾百兆赫（MHz）到幾百千兆赫（GHz）。微波檢波器承受功率是指檢波器能夠安全地處理的微波信號的最大功率。檢波器承受功率是一個非常重要的參數(shù)，因為當微波信號的功率超過檢波器能夠承受的功率時，就可能會導(dǎo)致檢波器損壞。檢波器承受功率的大小取決于多個因素，包括檢波器類型、制造材料、大小和形狀等。微波檢波器的駐波比（VSWR）是指在輸入和輸出端口之間的反射信號與正向傳輸信號之間的比值。它是描述檢波器輸入和輸出匹配程度的一個重要參數(shù)。§8.3微波檢波器Howaboutit-微波檢波器的性能電流靈敏度：式中，是檢波器輸出端為短路時的檢波電流；是加在二極管上的微波信號功率。根據(jù)定義，檢波器電流靈敏度，又稱短路電流靈敏度，其表達式如下式所示，單位為A/W。Howaboutit-微波檢波器的性能電壓靈敏度：

，單位：

式中，是檢波負載電阻上的電壓；是加在二極管上的微波信號功率。開路電壓靈敏度（

）：實際電壓靈敏度：當

時，電壓靈敏度近似為

Howaboutit-微波檢波器的性能視頻電阻：二極管對低頻信號，即檢波器輸出的視頻信號所呈現(xiàn)的阻抗。當把二極管作為檢波器使用時，視頻電阻就是后級放大器輸入阻抗的設(shè)計依據(jù)。在較低的視頻情況下，二極管視頻電阻可以近似

，常用的檢波二極管視頻電阻在零偏置附近時大約是1～3。優(yōu)質(zhì)因數(shù)：反映探測接收機的靈敏度與噪聲特性的參數(shù)。檢波器的優(yōu)質(zhì)因數(shù)或稱Q值定義為

式中，是電壓靈敏度；是電流靈敏度；是檢波管視頻電阻；是檢波器后級放大器的等效噪聲電阻。或者寫成Howaboutit-微波檢波器的性能最小可檢測功率：由于檢波二極管的噪聲（包括電阻熱噪聲、電流散彈噪聲和閃爍噪聲），使檢波器可檢測的最小信號受到限制。當被檢測信號輸出電壓等于二極管噪聲等效電壓時，檢波器輸入端的被測信號功率就是最小可檢測功率。可見最小可檢測功率主要取決于檢波器的優(yōu)質(zhì)因數(shù)

和工作帶寬

。Howaboutit-微波檢波器的性能切線靈敏度TSS

：檢波電壓的負噪聲峰值等于無信號時的正噪聲峰值，如下圖所示。當二極管閃爍噪聲不大時，

中的

就是切線靈敏度所對應(yīng)的功率，簡稱切線靈敏度：Howaboutit-微波檢波器的性能微波檢波器的設(shè)計微波檢波器在實際應(yīng)用中主要分為兩類用途：一類是微波測量設(shè)備中的微波信號檢測器，以同軸和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為主；另一類是微波電路中的專用指示器，通常是微帶電路，和別的電路集成為一個整體。高靈敏度窄帶檢波器：采用匹配電路把二極管阻抗變換至50Ω，這些匹配電路都屬于無損耗電抗網(wǎng)絡(luò)，所以必然是窄帶檢波器（典型帶寬小于10％），在窄帶寬范圍內(nèi)可獲得高靈敏度和低駐波比。Howaboutit-微波檢波器的用途寬帶檢波器：作為通用的微波檢測部件時,需要使用倍頻程以上的寬頻帶檢波器。用大失配的設(shè)計方法可以獲得倍頻程量級的檢波

代價：靈敏度大大降低，輸入駐波比增大，檢波器對信號源阻抗的變化很敏感。一種寬頻帶檢波器采用有損電路，即在檢波管之前并聯(lián)一個阻值為50左右的電阻

，電路原理如圖所示。Howaboutit-寬帶檢波器微波檢波器的設(shè)計溫度補償檢波器：

當溫度增加時，正向?qū)ń档?，反向電流加大。為改善溫度特性，基本措施是采用恒溫，但恒溫電路?fù)雜，只在作為功率指示器要求嚴格的情況下采用。另一種方法是采用溫度補償電路，如圖所示。溫度補償檢波器電路Howaboutit-溫度補償檢波器微波檢波器的設(shè)計毫米波微帶檢波器：可直接檢測毫米波信號功率大小，輸出直流信號。整個電路主要由波導(dǎo)到微帶的過渡、輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和低通濾波器三部分組成，在匹配網(wǎng)絡(luò)和低通濾波器之間加裝檢波二極管。Ka頻段微帶檢波器整體電路結(jié)構(gòu)Ka頻段微帶檢波器實物照片Howaboutit-毫米波微帶檢波器微波檢波器的設(shè)計選擇適當?shù)亩O管對于微波檢波器的性能至關(guān)重要。以下是一些選擇微波檢波器二極管的要點：·高頻響應(yīng)能力（毫米波、亞毫米波）·高功率·低噪聲系數(shù)（精確檢測信號）·反向漏電流?。ㄔ黾臃€(wěn)定性和精度）·反向擊穿電壓高（增加可靠性和耐久性）典型的梁式引線肖特基二極管的切面結(jié)構(gòu)微波檢波器的設(shè)計Howtoimproveit-二極管的選擇·高截止頻率和低噪聲系數(shù)器件·輸入阻抗匹配·電源噪聲的抑制（穩(wěn)壓電源、電源濾波器）·溫度穩(wěn)定性（低溫漂移二極管、溫度補償電路）·信號放大（信號放大器）W波段檢波器實物圖微波檢波器的設(shè)計Howtoimproveit-高靈敏度設(shè)計要設(shè)計寬帶化的微波檢波器，需要注意以下幾個關(guān)鍵因素：·帶寬匹配（寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)）·器件特性（環(huán)形二極管、雙極型傳輸線二極管）·

帶通濾波·技術(shù)細節(jié)（最小化電容和電感的影響、高頻傳輸線損耗）182GHz集成檢波接收機微波檢波器的設(shè)計Howtoimproveit-寬帶化設(shè)計微波檢波器的芯片化設(shè)計是將傳統(tǒng)的離散元件微波檢波器中的電路元件集成到一塊半導(dǎo)體芯片上的過程。通過芯片化設(shè)計，可以減少系統(tǒng)復(fù)雜度，提高可靠性，降低制造成本和占用空間檢波器版圖加工實物圖上圖為一個微波檢波器的版圖和加工實物圖，該檢波器的工作頻率為23-34GHz，電壓靈敏度為6000mV/mW，等效噪聲功率為11.5~36.0pW/Hz1/2微波檢波器的設(shè)計Howtorealizeit-芯片化設(shè)計·選取合適的半導(dǎo)體工藝（GaAs、SiGe）·器件模型設(shè)計（二極管、電容、電感建模）·電路拓撲設(shè)計·工藝流程和制造·封裝和測試（S參數(shù)測試、噪聲系數(shù)測試）W波段BiCMOS單片集成檢波器微波檢波器的設(shè)計Howtorealizeit-芯片化設(shè)計微波檢波器創(chuàng)新探討方向：·高靈敏度·寬帶化·高速化·集成化·新型器件和材料第二課堂訓(xùn)練微波檢波器的設(shè)計Howtoimproveit-創(chuàng)新研討TheEnd！謝謝！請多指正！第九章

微波倍頻器

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What-將微波射頻信號轉(zhuǎn)換為直流或低頻信號；微波信號傳輸路徑通斷或轉(zhuǎn)換——微波開關(guān)，脈沖調(diào)制器等控制微波信號的大小——電控衰減器，限幅器，幅度調(diào)制器等?？刂莆⒉ㄐ盘柕南辔弧獢?shù)字移相器，調(diào)相器等。

Why-實現(xiàn)微波信號的特殊處理；

Howaboutit-電性能（響應(yīng)速度）；非電性能。

Howtorealizeit-微波控制電路所用元件PIN管的特性零偏壓及反向偏壓——勢壘電場/電容，呈高阻態(tài)；正向偏壓——低阻導(dǎo)通態(tài)，阻值隨偏置電流增大而減少；承上微波半導(dǎo)體管——PIN管、變?nèi)莨?、肖特基二極管、場效應(yīng)管鐵氧體——釔鐵石榴石（YIG）其他：如液晶（壓控調(diào)諧材料特性）啟下§9.3微波倍頻器What?--

(Whatisthis?)Why?--

(Whyneedit?)How?--

(Howaboutit?Howtorealizeit?Howtoimproveit?)2025,董亞洲,《新型太赫茲中高功率倍頻模組的研究》電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文§9.3微波倍頻器

按倍頻次數(shù)分：低次倍頻器：一般單級倍頻次數(shù)不超過5次。這類倍頻是通過電容呈非線性變化的功率變?nèi)莨艿淖饔没蚓w管工作在C類狀態(tài)下放大的非線性阻抗實現(xiàn)的。它的倍頻效率較高，輸出功率較大。高次倍頻器：指單級倍頻次數(shù)可達5次以上，倍頻器件一般用階躍管。在高次倍頻時，其倍頻效率約為n分之一，n為倍頻的次數(shù)。因為倍頻次數(shù)高，故可由一個幾十兆赫茲的石英晶體振蕩器經(jīng)一級倍頻至微波頻段，得到很穩(wěn)定的高頻率輸出，但這種倍頻器輸出功率較小。

Whatisthis-微波倍頻器的分類

非線性電阻倍頻理論當要求寬帶或高功率的倍頻器時常采用以單調(diào)正非線性電阻為基礎(chǔ)的電阻倍頻器。優(yōu)點：能提供較寬的帶寬，且比電抗性倍頻器工作更加穩(wěn)定，不易產(chǎn)生參變振蕩。缺點：變換效率比電抗倍頻器或有源倍頻器低，因此應(yīng)用不如電抗性倍頻器普及。§9.3微波倍頻器Howaboutit-按工作原理分類

其中P1表示輸入基波功率，Pn為第n次諧波輸出功率；二次倍頻器：Pn≤0.25P1；實際設(shè)計時：采用管對結(jié)構(gòu)，如逆并聯(lián)（反相并聯(lián)）

——抑制偶次諧波電阻性倍頻器通常用正向偏置的肖特基勢壘二極管提供非線性I-V特性。Pantell、Page和Clay都指出，對于正非線性電阻來說，電壓v是電流i的單值函數(shù)，且≤Pantell不等式§9.3微波倍頻器Howaboutit-按工作原理分類

二極管倍頻器和晶體管倍頻器兩大類。二極管倍頻器常采用變?nèi)荻O管和階躍恢復(fù)二極管。變?nèi)荻O管適用于低次倍頻，其效率較高，如果忽略損耗電阻等寄生參量的影響，由Manley-Rowe功率關(guān)系，其效率可達100%。階躍管倍頻器多用在高次倍頻場合，由于它不需要變?nèi)莨鼙额l所需的空閑電路，因而在電路結(jié)構(gòu)上相對簡單，其倍頻次數(shù)可達100次以上?！?.3微波倍頻器Howaboutit-按不同器件分類

無源倍頻方式即不需要外加直流電源，可通過自偏壓等方式自己建立工作點。這類倍頻器一般采用二極管等無源器件實現(xiàn)，倍頻過程中只有倍頻損耗而沒有額外的增益。

有源倍頻方式一般采用晶體三極管等有源器件的非線性來實現(xiàn)。其工作時需要外加電源來建立直流工作點，因而在倍頻過程中還可以將部分直流能量轉(zhuǎn)化為射頻能量輸出，從而實現(xiàn)有增益的倍頻。但其工作電路較無源方式復(fù)雜?！?.3微波倍頻器Howaboutit-按是否外加電源分類1）頻率倍增：倍頻器將輸入信號的頻率增加到原始頻率的倍數(shù)2）信號生成：倍頻器可以生成高頻信號3）時鐘分頻：倍頻器可以將輸入的時鐘信號分頻，生成更高頻率的時鐘信號4）音頻處理：倍頻器可以應(yīng)用于音頻領(lǐng)域，將低頻音頻信號倍頻到更高的頻率范圍，以實現(xiàn)音頻處理和音效增強5）頻率合成：倍頻器可以與其他電路結(jié)合使用，用于頻率合成。通過選擇適當?shù)谋额l器倍數(shù)和輸入信號頻率，可以合成需要的輸出頻率§9.3微波倍頻器Whyneedit-微波倍頻器的主要功能微波倍頻器的性能1）波形純度：所需頻譜幅度與雜波頻譜幅度之比，單位：dB；2）工作頻率及倍頻次數(shù)：工作頻率：輸入/輸出頻率；倍頻次數(shù)：輸出頻率與輸入頻率的比值。3）輸出功率：倍頻器在一定輸入功率情況下的輸出功率；4）變頻損耗（效率）：輸出所需諧波功率與輸入基波功率之比；dB——變頻損耗，百分數(shù)——效率；5）驅(qū)動功率：能使倍頻器正常工作的最小輸入基波信號的功率；Howaboutit-微波倍頻器的性能指標把輸入頻率的正弦波能量通過非線性器件（如非線性電阻、電容），使其輸出波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生各次諧波，再用濾波電路把所需要的諧波能量取出送到負載。倍頻器的組成二極管倍頻器方框圖Howaboutit-微波倍頻器的工作原理變?nèi)荻O管（VaractorDiode），也被稱為容量調(diào)諧二極管（VaricapDiode）或電容二極管（VariableCapacitanceDiode），是一種特殊類型的二極管，其電容值可以通過調(diào)節(jié)電壓而變化。平面管芯結(jié)構(gòu)常用封裝的變?nèi)荻O管由兩部分組成，即管芯和封裝結(jié)構(gòu)。管芯的結(jié)構(gòu)又包括臺面和平面兩種方式臺面管芯結(jié)構(gòu)Howaboutit-變?nèi)荻O管管芯等效電路封裝管完整的等效電路封裝管的簡化等效電路

為非線性電阻，是外加電壓的函數(shù)；

為結(jié)電容，其值隨外加偏壓而變化；是電阻，它包括PN結(jié)兩邊半導(dǎo)體的擴散電阻以及歐姆接觸電阻；

是引線電感；

為封裝電容變?nèi)荻O管等效電路Howaboutit-變?nèi)荻O管表征變?nèi)荻O管性能的靜態(tài)參數(shù)1）反向擊穿電壓：對變?nèi)莨?/p>

有特定要求，一般定義

為反向電流達1μA時的反偏電壓值。它限制了二極管的激勵電平，為了避免出現(xiàn)正向電流以及隨之而產(chǎn)生的電流散粒噪聲，一般適用范圍在

之內(nèi)。2）結(jié)電容

：對任意雜質(zhì)濃度分布的PN結(jié)，其結(jié)電容是外加電壓V的函數(shù)，其關(guān)系如下：變?nèi)莨?/p>

特性Howaboutit-變?nèi)荻O管3）品質(zhì)因數(shù)Q品質(zhì)因數(shù)的物理意義是變?nèi)荻O管儲存能量與耗散能量的比值，可用下式表示：

4）截止頻率:

它定義為當Q值降為1時對應(yīng)的頻率，表達式為Q的大小表示變?nèi)莨軆Υ娼涣髂芰坑谙哪芰恐?，Q越高說明管子損耗越小，這樣倍頻器可得到較高的頻率。一般以零偏壓時的Q值作為管子的參數(shù)指標，用

表示。Howaboutit-變?nèi)荻O管假設(shè)變?nèi)莨芩拥碾妷簽閷⑵浯胱內(nèi)莨芙Y(jié)電容表達式中有

式中，

為激勵系數(shù)，

。當激勵電壓是時間的偶函數(shù)時，結(jié)電容隨時間變化也是時間的偶函數(shù)。因此，結(jié)電容的傅里葉級數(shù)表達式為余弦電壓作用下結(jié)電容隨時間變化的曲線Howtorealizeit-變?nèi)莨鼙额l器設(shè)計上式可變換形式為令

，則式中，

稱為電容調(diào)制系數(shù)。在工程計算中，有時采用簡便的方法近似估計基波的調(diào)制系數(shù)。利用最大和最小瞬時電壓的結(jié)電容

、的平均值可近似估計

和.令

于是

和

都是和的函數(shù)，在不同的工作狀態(tài)下，其電容調(diào)制系數(shù)也是不同的。一般來講，電容調(diào)制系數(shù)隨激勵電壓幅度的增大而增大。Howtorealizeit-變?nèi)莨鼙额l器設(shè)計

的增大受到兩方面的限制：一方面是它與直流偏壓疊加后的最大正值不能引起變?nèi)莨艿恼螂娏?，否則噪聲性能會嚴重惡化；另一方面，它與直流偏壓疊加后的最大負壓值不能超過反向擊穿電壓，以免損壞管子。因此變?nèi)莨艿碾妷赫{(diào)制系數(shù)存在極限值。定義D來表示激勵狀態(tài)，其定義為式中，

分別為變?nèi)莨苁芗顣r的最大和最小電荷，qB和qΦ為變?nèi)莨芴幱诜聪驌舸┮约傲闫珘簳r的電荷。

D<1，稱為欠激勵；D=1，稱為全激勵；D>1，稱為過激勵。Howtorealizeit-變?nèi)莨鼙额l器設(shè)計變?nèi)莨芏伪额l器工作在不同激勵狀態(tài)下的電荷-電壓波形Howtorealizeit-變?nèi)莨鼙额l器設(shè)計基本電路有兩種：電流激勵型和電壓激勵型。電流激勵型：變?nèi)莨芤欢私拥?，便于大功率散熱；若為突變結(jié)變?nèi)莨懿⒐ぷ饔谌罨蚯芳顮顟B(tài)，只有2次諧波上有功率輸出；若要實現(xiàn)高次倍頻，必須在電路中設(shè)置空閑電路變?nèi)荻壒鼙额l器等效電路電流激勵型Howtorealizeit-變?nèi)莨鼙额l器設(shè)計電壓激勵型：變?nèi)莨懿唤拥?，適用于平面電路；損耗小，效率高；易實現(xiàn)高次倍頻變?nèi)莨鼙额l器等效電路電壓激勵型基本電路有兩種：電流激勵型和電壓激勵型。Howtorealizeit-變?nèi)莨鼙额l器設(shè)計電流激勵型倍頻電路分析式中，、、由串聯(lián)電路兩端的瞬時電壓確定；

——輸入信號激勵電壓；

——變?nèi)莨芏穗妷海?/p>

——輸入信號源內(nèi)阻；

——輸出負載電阻；

——結(jié)電容電荷；

。Howtorealizeit-變?nèi)莨鼙额l器設(shè)計以常用的突變結(jié)變?nèi)莨鼙额l器為例來說明對具體的倍頻器的分析過程。對突變結(jié)變?nèi)莨?，其電容非線性系數(shù)=1/2。變?nèi)莨芏伪额l器：對于二次倍頻器，不存在空閑電路，這時i=1，2，qm=0，時域方程簡化為當輸入、輸出回路諧振時，經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)后可得變?nèi)荻O管倍頻器電路參數(shù)的計算Howtorealizeit-變?nèi)莨鼙额l器設(shè)計由二次倍頻器電路方程（5.67）即可計算得二次倍頻器的各性能參量。

Howtorealizeit-變?nèi)莨鼙额l器設(shè)計在變?nèi)莨芊蔷€性系數(shù)（γ）、信號激勵狀態(tài)（D）以及電路結(jié)構(gòu)確定后，利用計算機對電路方程進行數(shù)值計算，選擇滿足效率最大的那組可能的

、

和

組合，然后由這組組合計算出輸入阻抗、輸出阻抗等其他電路參數(shù)。計算出電路參數(shù)后，可采用圓圖來設(shè)計實際的匹配電路或選擇電路拓撲后直接用計算機優(yōu)化設(shè)計匹配電路。如果倍頻器的帶寬較寬，以上述設(shè)計數(shù)據(jù)來作為計算機輔助設(shè)計的初值，在此基礎(chǔ)上，還需要用相應(yīng)的微波仿真軟件對倍頻器的各個參數(shù)進行整體優(yōu)化。同樣的方法在變?nèi)莨芨叽伪额l器中也適用。二倍頻器設(shè)計過程Howtorealizeit-變?nèi)莨鼙额l器設(shè)計(a)MMIC照片(b)電路原理圖94GHzMMIC單個二極管二倍頻器毫米波肖特基二極管二倍頻器MMICHowtorealizeit-肖特基勢壘二極管倍頻器設(shè)計94GHzMMIC倍頻器設(shè)計與測試結(jié)果比較毫米波肖特基二極管二倍頻器MMICHowtorealizeit-肖特基勢壘二極管倍頻器設(shè)計FET倍頻原理場效應(yīng)晶體管中，產(chǎn)生諧波的非線性作用主要有以下幾種：1）柵-源和柵-漏的非線性電容

和

；2）漏極電流

被限幅引起的非線性；3）-的非線性變換特性；4）輸出電導(dǎo)的非線性。雙極型晶體管：集電極-基極的結(jié)電容微波晶體管倍頻器Howtorealizeit-肖特基勢壘二極管倍頻器設(shè)計以單柵場效應(yīng)管利用其漏極電流的限幅作用為例分析實現(xiàn)其高次倍頻的機理。單柵FET倍頻器原理電路微波晶體管倍頻器Howtorealizeit-肖特基勢壘二極管倍頻器設(shè)計2）

B類倍頻：

管子夾斷效應(yīng)得尖峰脈沖電流，

；平均直流分量為（損耗小，效率較高，不易自激，高次倍頻）1）

A類倍頻：

限幅效應(yīng)得到半波，導(dǎo)通角

；平均直流分量為

根據(jù)柵偏壓的不同，可分為A、B和AB類倍頻工作狀態(tài)。微波晶體管倍頻器Howtorealizeit-肖特基勢壘二極管倍頻器設(shè)計3）

AB類倍頻

：

限幅+夾斷效應(yīng)得近似對稱方波，

（放大區(qū)，效率高，易自激）

根據(jù)柵偏壓的不同，可分為A、B和AB類倍頻工作狀態(tài)。微波晶體管倍頻器Howtorealizeit-肖特基勢壘二極管倍頻器設(shè)計65-nmCMOS工藝金屬層65-nmCMOS工藝，65-nm是工藝制程，一般指晶體管在該工藝下可以實現(xiàn)的最小柵長，最小柵長越小表示工藝越精細，晶體管的截止頻率越高，通過晶體管搭建的電路容易實現(xiàn)更高的性能。65-nmCMOS工藝共9層可以使用的金屬層，從下到上分別為M1~M6層、過渡層M7層、次頂層M8層、頂層M9層。其中M1~M6的厚度均為0.22μm，M7層厚度為0.9μm，次頂層的厚度為3.3μm，頂層金屬M9層厚度為1.325μm，底層金屬到襯底的氧化物介質(zhì)厚度為0.58μm，如圖9.15所示。一般使用M1層作地，厚度最厚的次頂層金屬M8層作信號層，而M2~M7作中間層。除此之外，工藝庫中還提供了常用器件模型，如場效應(yīng)管、電容、電阻等。Howtoimproveit-芯片化設(shè)計芬蘭埃斯波阿爾托大學(xué)75~110GHz二倍頻器2011年，芬蘭埃斯波阿爾托大學(xué)的Mikko

Varonen等人設(shè)計了一款基于65nmCMOS工藝的二倍頻器，輸出信號頻率在75~110GHz之間，相對帶寬為37.8%。該二倍頻器的結(jié)構(gòu)圖如圖所示，輸入端使用一個螺旋傳輸線變壓器當做一個寬帶的巴倫，它可以用來將輸入阻抗匹配到基波頻率下場效應(yīng)管的負載阻抗。使用螺旋傳輸線既能達到產(chǎn)生差分信號的效果，又能減少芯片的面積。輸出頻率為100GHz時，二倍頻器在5dBm的輸入信號驅(qū)動下倍頻損耗為16dB，直流功耗為13.8mW，基波抑制大于25dBc，芯片面積為0.27mm2Howtoimproveit-芯片化設(shè)計基于push-push結(jié)構(gòu)的實際電路如圖所示。該電路是2014年東南大學(xué)劉洋等采用65nmCMOS工藝實現(xiàn)的輸出頻率為38～56GHz的寬帶二倍頻器。電路由三部分組成。第1部分中三極管MP1和MP2構(gòu)成一個共模push-push結(jié)構(gòu)，而另一對三極管MN1和MN2為另一個push-push結(jié)構(gòu)。兩對電路并聯(lián)工作，通過選擇合適的直流偏置，可以獲得平衡的差分輸出信號。電感L1和L2用于輸入匹配。第2部分電路為直流偏置電路，傳輸線TL1和TL2其電長度在二次諧頻上為四分之一波長，高阻抗，從而阻止二倍頻器輸出信號傳輸至直流偏置端或接地端。而對于在輸出端輸出幅度相對較大的四次諧波信號，其電長度為二分之一波長，為低阻，因而可大大降低四次諧波信號到輸出端信號的幅度（理想情況為0）。電路的第3部分中四個互補交叉耦合對MP3、MP4、MN3、MN4和電感L3構(gòu)成負阻，達到提高輸出信號功率的目的?；诟倪M型push-push結(jié)構(gòu)并用負阻提高輸出的二倍頻器push-push二倍頻器電路版圖Howtoimproveit-芯片化設(shè)計Howtoimproveit-芯片化設(shè)計美國加州大學(xué)62~90GHz二倍頻器2016年，美國加州大學(xué)的YuYe，BoYu，AdrianTang等人研究設(shè)計了一款基于65nmCMOS工藝的二倍頻器，輸出信號3dB帶寬在62~90GHz之間。該二倍頻器的結(jié)構(gòu)圖如圖所示，輸入端采用了一個具有良好平衡性能的巴倫，并采用一個新型的中心補償電容將巴倫用于輸入端匹配。二倍頻器在3dB帶寬頻率范圍內(nèi)，倍頻增益在-5.5~-2.5dB之間，二次諧波輸出信號功率在-1~2dBm之間，直流功耗在9~14mW之間，諧波抑制大于20dBc，芯片面積為0.27mm2。微波倍頻器創(chuàng)新探討方向：·高效率·寬帶化·小型化·高頻化·太赫茲固態(tài)源第二課堂訓(xùn)練Howtoimproveit-微波檢波器-創(chuàng)新研討目前微波倍頻器發(fā)展的技術(shù)瓶頸有哪些?1.能效2.相位噪聲3.溫度穩(wěn)定性4.集成度針對技術(shù)瓶頸是否有相應(yīng)的解決方案或思路?Howtoimproveit-微波檢波器-創(chuàng)新研討目前微波倍頻器發(fā)展的發(fā)展趨勢有哪些?1.寬帶化2.低相位噪聲3.高能效設(shè)計4.集成和微型化5.新型材料和器件TheEnd！謝謝！請多指正！第十章

微波控制器件

內(nèi)容提綱–“2W3H”What?(Whatisthis?)微波開關(guān)的定義

Why?(Whyneedit?)微波開關(guān)的功能Howtorealizeit?實現(xiàn)微波開關(guān)的元件Howaboutit?微波開關(guān)的性能指標Howtoimproveit?2021,AymanEltaliawy;JohnR.Long,TMTT，

ABroadband,mm-WaveSPSTSwitchWithMinimum50-dBIsolationin45-nmSOI-CMOS10.1微波開關(guān)WhatandWhy——按功能分通斷開關(guān)，如單刀單擲（SPST）開關(guān)，其作用是控制傳輸系統(tǒng)中微波信號的通斷；

典型應(yīng)用：微波信號源用的脈沖調(diào)制器轉(zhuǎn)換開關(guān)，如單刀雙擲（SPDT）開關(guān)。

典型應(yīng)用：雷達發(fā)射機和接收機共用天線的收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)（T/R），以及雷達多波束的轉(zhuǎn)換控制按電路形式分串聯(lián)型開關(guān)、并聯(lián)型開關(guān)、串/并聯(lián)型開關(guān)；按電路性能分反射式開關(guān)、諧振式開關(guān)、濾波器式開關(guān)、陣列式開關(guān)。10.1微波開關(guān)PIN二極管

Howtorealizeit-實現(xiàn)微波開關(guān)的元件圖10-1(c)PIN管正向?qū)ǖ刃щ娐?0.1微波開關(guān)場效應(yīng)管工作原理：利用場效應(yīng)管的特性，即電場效應(yīng)，控制其漏極電流的大小。以金屬-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MESFET）為例，MESFET具有源極、漏極和柵極，柵極與溝道之間通過金屬-半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘。調(diào)控其柵極電壓，可以控制溝道中載流子的流動。當柵極電壓反偏，柵極-溝道間的勢壘增加，減少溝道中的電流流動直至阻斷，開關(guān)斷開。柵極電壓正偏，越過閾值電壓時，溝道中有電流通過，開關(guān)導(dǎo)通。圖10-4MESFET等效電路Howtorealizeit-實現(xiàn)微波開關(guān)的元件10.1微波開關(guān)承上

What——控制微波信號通斷或轉(zhuǎn)換的電路；

Why——實現(xiàn)微波信號的特殊處理；

Howaboutit——

電性能（響應(yīng)速度）；非電性能。

Howtorealizeit——微波控制電路所用元件PIN管、FET管的特性：零偏壓及反向偏壓——勢壘電場/電容，呈高阻態(tài)；正向偏壓——低阻導(dǎo)通態(tài)，阻值隨偏置電流增大而減少10.1微波開關(guān)啟下What?(Whatisthis?)Why?(Whyneedit?)微波開關(guān)的定義與分類Howtorealizeit?實現(xiàn)微波開關(guān)的元件Howaboutit?微波開關(guān)的性能指標Howtoimproveit?如何改進微波開關(guān)2021,GuangxuShen,etal.,TMTT，

AnalyticalDesignofMillimeter-Wave100-nmGaN-on-SiMMICSwitchesUsingFET-BasedResonatorsandCouplingMatrixMethod.10.1微波開關(guān)主要技術(shù)指標：工作頻率承載功率插入損耗（InsertionLoss）隔離度（Isolation）駐波比串擾（Crosstalk）重復(fù)率使用壽命頻率范圍：高至65GHz，范圍廣。最大功率：開關(guān)承載功率的能力，與設(shè)計及使用的材料密切相關(guān)。插入損耗：信號在開關(guān)板卡或系統(tǒng)傳輸時的衰減。隔離度：開關(guān)在“斷”態(tài)傳輸?shù)截撦d上的功率與開關(guān)在“通”態(tài)傳輸?shù)截撦d上的功率之比。電壓駐波比：信號路徑上駐波的最大電壓幅值與最小電壓幅值之比。駐波比越大，反射功率越高，傳輸效率越低。串擾：不同通道上傳輸?shù)男盘栔g或通道上信號與輸出信號之間產(chǎn)生的電容耦合、電感耦合或者電磁輻射。重復(fù)率：微波開關(guān)的技術(shù)指標經(jīng)長期反復(fù)使用之后變化的度量。使用壽命：開關(guān)移到另一個位置再返回原位置的最大次數(shù)。Howaboutit-開關(guān)主要技術(shù)指標

10.1微波開關(guān)

10.1微波開關(guān)Howaboutit-開關(guān)主要技術(shù)指標

圖10-1(a)PIN管串聯(lián)型等效電路圖10-1(b)PIN管并聯(lián)型等效電路10.1微波開關(guān)Howaboutit-開關(guān)主要技術(shù)指標

圖10-3并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)等效電路并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)電路分析外加調(diào)節(jié)電容和調(diào)節(jié)電感對PIN二極管的寄生參量進行補償設(shè)計成立條件：使用的相對頻寬<10%正向偏置狀態(tài)：Cp及L的影響可以忽略

令調(diào)節(jié)電容C和引線電感Ls串聯(lián)諧振反向偏置狀態(tài)：Ls的電抗遠小于結(jié)電容Cj的容抗而可忽略，等效電路是C與L的并聯(lián)諧振10.1微波開關(guān)Howaboutit-開關(guān)主要技術(shù)指標

圖10-3并聯(lián)型單刀雙擲開關(guān)等效電路

10.1微波開關(guān)Howaboutit-開關(guān)主要技術(shù)指標

Howtoimproveit-改善開關(guān)特性的電路諧振式開關(guān)：即對給定的PIN管及指定的工作頻率，外加電抗元件與寄生元件調(diào)諧，使開關(guān)在PIN管正、反偏狀態(tài)下分別于指定頻率點產(chǎn)生串聯(lián)和并聯(lián)諧振（或反之）。缺點：相對帶寬較窄。多管單路開關(guān)：即采用多管單路形式以改善開關(guān)的性能。濾波器型開關(guān)：用PIN管代替濾波器元件就可構(gòu)成寬頻帶的開關(guān)。10.1微波開關(guān)PIN二極管

具有正向?qū)ǖ妥?、反向截止高阻的特性，可?yīng)用于開關(guān)器件中；但需要較大的偏置電流，開關(guān)速度較低，因此一般不用于對功耗敏感的應(yīng)用場景中，如移動通信設(shè)備。MEMS（微機電系統(tǒng)）具有低插損、高隔離度等優(yōu)點，可以與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容，具有良好的應(yīng)用前景；但由于高驅(qū)動電壓、特殊封裝、可靠性、成本等問題，制約了其發(fā)展。固態(tài)FET器件發(fā)展方向：降低成本、加快開關(guān)速度、降低驅(qū)動電壓發(fā)展驅(qū)動力：改進工藝、提出新拓撲結(jié)構(gòu)、發(fā)展半導(dǎo)體材料技術(shù)微波開關(guān)還有哪些形式？10.1微波開關(guān)Howtoimproveit-微波開關(guān)設(shè)計創(chuàng)新探討內(nèi)容提綱–“2W3H”What?(Whatisthis?)微波電調(diào)移相器的定義

Why?(Whyneedit?)微波電調(diào)移相器的功能How?Howtorealizeit?實現(xiàn)微波電調(diào)移相器的元件Howaboutit?微波電調(diào)移相器的性能指標Howtoimproveit?2025,FarhadGhorbani,et.al.,TMTT，

Impedance-OrientedApproachforMaximizingLinearityinPIN-Diode-BasedPhaseShifters10.2微波電調(diào)移相器WhatandWhy微波電調(diào)移相器的定義與功能微波電壓調(diào)節(jié)移相器是二端口微波網(wǎng)絡(luò)，加入控制信號（一般為直流偏置電壓）使網(wǎng)絡(luò)的輸入信號和輸出信號之間產(chǎn)生相位差。微波移相器的分類圖10-5微波電調(diào)移相器的分類按控制信號分：按實現(xiàn)方式分：模擬信號變?nèi)莨?、鈦酸鍶鋇、鐵電材料數(shù)字信號數(shù)字電路············10.2微波電調(diào)移相器主要技術(shù)指標：工作頻帶相移量相位誤差插入損耗（InsertionLoss）電壓駐波比（VSWR）開關(guān)時間功率容量工作頻帶：移相器的技術(shù)指標下降到允許界限值時的頻率范圍。相移量：不同控制狀態(tài)時輸出信號相對于參考狀態(tài)的相對相位差。相位誤差：各頻點的實際相移和理論相移之間的最大偏差。插入損耗：未插入傳輸網(wǎng)絡(luò)時負載吸收功率與插入傳輸網(wǎng)絡(luò)后負載吸收功率之比的分貝數(shù)。電壓駐波比：傳輸線上相鄰的波腹點和波谷點的電壓振幅之比為駐波比，用VSWR表示。開關(guān)時間：微波電調(diào)移相器的開關(guān)時間主要取決于驅(qū)動器和所采用的開關(guān)元件的開關(guān)時間。功率容量：開關(guān)元件所能承受的最大微波功率。Howaboutit-移相器主要技術(shù)指標

10.2微波電調(diào)移相器承上

What——改變輸出微波信號與輸入微波信號之間相位差的電路；

Why——控制微波信號的相位；

Howaboutit——

電性能（相移量、相位誤差、插入損耗等）；非電性能。

Howtorealizeit——微波移相器所用元件變?nèi)荻O管——結(jié)電容隨偏置電壓連續(xù)變化，可作為可調(diào)電抗元件；特殊材料——如鈦酸鍶鋇、鐵電材料等10.2微波電調(diào)移相器啟下What?(Whatisthis?)Why?(Whyneedit?)微波移相器的定義與分類How?Howtorealizeit?實現(xiàn)微波移相器的元件Howaboutit?微波移相器的性能指標Howtoimproveit?如何改進微波移相器2021,TianjunWu,etal.,TMTT，

A60-GHzVariableGainPhaseShifterWith14.8-dBGainTuningRangeand6-BitPhaseResolutionAcross?25?C–110℃.10.2微波電調(diào)移相器設(shè)計出發(fā)點

通過改變PIN二極管的偏壓值與電納值，可得到所要求的相移。一般指標在所希望的頻率范圍內(nèi)，相移量為±2°，駐波比小于1.2。缺點

這種結(jié)構(gòu)的移相器適用于小相移量的實現(xiàn)，但是它在產(chǎn)生相移的同時，還會引入不小的反射波。常見改進

以兩個相同的電抗元件加載于傳輸線上，以使兩個對稱的反射波幾乎完全互相抵消，進而使駐波比降到很小。Howtoimproveit-移相器的改進結(jié)構(gòu)圖10-6加載線型移相器的示意圖10.2微波電調(diào)移相器

圖10-7加載線型移相器的等效電路10.2微波電調(diào)移相器Howtoimproveit-移相器的改進結(jié)構(gòu)

圖10-9電抗網(wǎng)絡(luò)反射型移相器圖10-10移相線段反射型移相器10.2微波電調(diào)移相器Howtoimproveit-移相器的改進結(jié)構(gòu)

圖10-12開關(guān)型移相器的示意圖10.2微波電調(diào)移相器Howtoimproveit-移相器的改進結(jié)構(gòu)微波移相器的形式：微帶形式->芯片化CMOS微波移相器：CMOS技術(shù)器件頻率提高，達數(shù)十甚至上百GHz，逐漸能夠應(yīng)用于毫米波領(lǐng)域。優(yōu)點：尺寸?。蝗秉c：無源移相精度較差，插入損耗和回波損耗較高；

GaAsMMIC微波移相器：無源移相精度更高，損耗較低；尺寸比CMOS工藝稍大。采用pHEMT設(shè)計MMIC移相器是目前的研究熱點?？偘l(fā)展趨勢：高精度、低損耗、寬帶、小型化←

2021,PengGu,etal.,TMTT，AWidebandVector-ModulatedVariableGainPhaseShifterfor5GNRFR2in40-nmCMOS.Howtoimproveit-微波移相器創(chuàng)新探討

10.2微波電調(diào)移相器內(nèi)容提綱–“2W3H”What?(Whatisthis?)微波衰減器的定義

Why?(Whyneedit?)微波衰減器的功能Howtorealizeit?實現(xiàn)微波衰減器的元件Howaboutit?微波電調(diào)衰減器的性能指標Howtoimproveit?10.3微波電調(diào)衰減器Whatisthis?按元件組成分無源衰減器：電阻元件組成無源衰減網(wǎng)絡(luò)，無源衰減器又分為固定衰減器和可調(diào)衰減器。有源衰減器：用控制器件代替電阻衰減網(wǎng)絡(luò)中的電阻。有源衰減器和其他熱敏元件可組成有源可調(diào)衰減器。按電路形式分串聯(lián)型開關(guān)、并聯(lián)型開關(guān)、串/并聯(lián)型開關(guān)；按實現(xiàn)方式分射頻微波中選擇同軸線衰減器；波導(dǎo)系統(tǒng)中選擇能吸收電場能量的膜片作為衰減器；也可選擇固態(tài)二極管在微波頻段內(nèi)制成波導(dǎo)或同軸線的可以電調(diào)諧的衰減器等。10.3微波電調(diào)衰減器微波電調(diào)衰減器是功率消耗器件，功率消耗后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃俊Ｈ绻漕l功率超過微波電調(diào)衰減器所能承受的最大功率，微波電調(diào)衰減器就會燒毀。因此在高功率的應(yīng)用場景下，希望衰減器能承受較大的輸入功率。高性能的微波電調(diào)衰減器中應(yīng)具有較寬的工作頻帶，并且在頻帶內(nèi)各頻率點處的衰減量應(yīng)當保持穩(wěn)定；同時，為了保持衰減的信號頻譜不失真，需要保證在衰減量改變時，頻帶內(nèi)各頻率點處的衰減量仍保持穩(wěn)定。Whyneedit-微波衰減器的功能10.3微波電調(diào)衰減器Howtorealizeit-實現(xiàn)微波衰減器的元件圖10-13單個并聯(lián)PIN二極管衰減器圖10-19開關(guān)內(nèi)嵌式衰減結(jié)構(gòu)無源消耗元件：電阻有源控制元件：PIN管、MOSFET管10.3微波電調(diào)衰減器除使用上述元件外，也可以結(jié)合使用3dB定向耦合器。圖10-24

3dB定向耦合器型衰減器10.3微波電調(diào)衰減器Howtorealizeit-實現(xiàn)微波衰減器的元件Howtorealizeit-衰減的基本原理圖10-14

T形衰減網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

10.3微波電調(diào)衰減器可以聯(lián)立方程組求解得到T形衰減網(wǎng)絡(luò)中各個電阻的阻值。

圖10-15

π形衰減網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)10.3微波電調(diào)衰減器Howtorealizeit-衰減的基本原理圖10-16

橋T形衰減網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

10.3微波電調(diào)衰減器Howtorealizeit-衰減的基本原理承上

What——衰減微波信號功率的電路；

Why——在低失真前提下減小微波信號的功率，起保護作用；Howtorealizeit——微波衰減器所用元件、衰減的基本原理10.3微波電調(diào)衰減器啟下What?(Whatisthis?)微波衰減器的定義

Why?(Whyneedit?)微波衰減器的功能Howtorealizeit?微波電調(diào)衰減器所用元件Howaboutit?微波電調(diào)衰減器的性能指標Howtoimproveit?10.3微波電調(diào)衰減器主要技術(shù)指標：工作頻帶衰減平坦度衰減動態(tài)范圍衰減線性度駐波比功率范圍工作頻帶：在頻帶內(nèi)各頻率點處的衰減量應(yīng)當保持穩(wěn)定。衰減平坦度：工作頻帶內(nèi)衰減量的起伏，經(jīng)常用最大起伏來表示。衰減動態(tài)范圍：最大衰減分貝數(shù)和最小衰減分貝數(shù)之差。衰減線性度：衰減的控制量之間具有線性關(guān)系的程度。電壓駐波比：傳輸線波腹電壓與波谷電壓幅度之比。功率范圍：衰減器能承受的最大功率。衰減器消耗的功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，衰減器輸入的射頻功率超過該功率時就會燒毀。Howaboutit-微波衰減器技術(shù)指標

10.3微波電調(diào)衰減器圖10-17

SPDT選通式衰減器SPDT選通式衰減器通過控制單刀雙擲（SPDT）開關(guān)來選擇衰減路徑或者參考路徑作為信號路徑，實現(xiàn)可調(diào)衰減。優(yōu)點：（1）均衡參考通路和電阻網(wǎng)絡(luò)通路的長度，容易實現(xiàn)兩個狀態(tài)之間的相位追蹤。（2）作為一個對稱結(jié)構(gòu)，其整體性能不易受到生產(chǎn)工藝參數(shù)變化的影響。10.3微波電調(diào)衰減器Howaboutit-微波衰減器技術(shù)指標

圖10-17

SPDT選通式衰減器缺點：（1）SPDT開關(guān)的插入損耗較大，每個衰減位的輸入/輸出端各用到一個開關(guān)，如果多個衰減位級聯(lián)，則多對開關(guān)所引入的插入損耗累積，導(dǎo)致總插入損耗高。（2）由于輸入輸出端均連接開關(guān)，占用的芯片面積大。10.3微波電調(diào)衰減器Howaboutit-微波衰減器技術(shù)指標

開關(guān)內(nèi)嵌式衰減結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)低插入損耗、大衰減動態(tài)范圍的主流衰減結(jié)構(gòu)。在開關(guān)內(nèi)嵌式衰減器中，MOS管作為單刀單擲（SPST）開關(guān)內(nèi)嵌于阻性衰減網(wǎng)絡(luò)中，控制衰減器的衰減。這樣，信號通路只有一個簡單的MOS開關(guān)，插入損耗較SPDT選通式衰減器有所下降。優(yōu)點：插入損耗、衰減動態(tài)范圍等方面具有優(yōu)勢；該結(jié)構(gòu)為目前衰減器的主流結(jié)構(gòu)。圖10-19開關(guān)內(nèi)嵌式衰減器10.3微波電調(diào)衰減器Howaboutit-微波衰減器技術(shù)指標

缺點：處于衰減態(tài)、參考態(tài)時，不同的寄生效應(yīng)會造成兩種狀態(tài)下信號的傳輸相移不同，所以會帶來一定的附加相移。圖10-19開關(guān)內(nèi)嵌式衰減器10.3微波電調(diào)衰減器Howaboutit-微波衰減器技術(shù)指標

圖10-20簡單的并聯(lián)型反射式衰減器及其等效電路簡單的并聯(lián)型反射式衰減器及其等效電路如圖10-20所示，它和并聯(lián)型單刀單擲開關(guān)類似，但其偏置在正偏范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，因此等效電路僅對應(yīng)PIN二極管的正偏狀態(tài)，圖10-20中的正向電阻Rf隨偏流變化時，電路的插入衰減隨之變化。圖10-20中所示的簡單電路必定有很大的駐波比，因為其工作原理就是利用了反射衰減及吸收衰減的變化，所以在電路中必須在輸入端外加環(huán)形器或隔離器才能使用。如何改進PIN管電調(diào)衰減器？10.3微波電調(diào)衰減器Howaboutit-微波衰減器技術(shù)指標

Howtoimproveit-衰減器的改進結(jié)構(gòu)圖10-22PIN二極管連成的

π形電阻衰減器等效電路10.3微波電調(diào)衰減器圖10-23窄頻帶匹配型衰減器的原理圖

10.3微波電調(diào)衰減器Howtoimproveit-衰減器的改進結(jié)構(gòu)3dB定向耦合器型衰減器的原理圖如10-24所示。兩只同向PIN二極管與定向耦合器的③、④端口連接，微波信號經(jīng)過二極管VD1或VD2接50?負載，通過1/4波長的終端開路線實現(xiàn)射頻短路接地，因此，③、④端口的反射系數(shù)與Rf、Z0有關(guān)。主傳輸線斷開的地方用來隔直，微波頻段低端可以加電容實現(xiàn)，頻率較高則采用交指電路等實現(xiàn)。圖10-243dB定向耦合器型衰減器10.3微波電調(diào)衰減器Howtoimproveit-衰減器的改進結(jié)構(gòu)石墨烯作為二維輕質(zhì)材料，適用于平面集成電路；又由于石墨烯具有可調(diào)的表面阻抗，適用于微波電調(diào)衰減器，目前已經(jīng)有文獻報道了石墨烯在微波電調(diào)衰減器中的應(yīng)用。Howtoimproveit-微波移相器創(chuàng)新探討

10.3微波電調(diào)衰減器內(nèi)容提綱–“2W3H”What?(Whatisthis?)微波限幅器的定義

Why?(Whyneedit?)微波限幅器的功能Howaboutit?微波限幅器的性能指標Howtorealizeit?實現(xiàn)微波限幅器的元件Howtoimproveit?10.4微波限幅器WhatandWhy-微波限幅器的定義與功能微波限幅器是一種自控衰減器，也是一種功率調(diào)制器件。當信號的輸入功率較小時，信號可無衰減地通過；當輸入功率超過某一值時，衰減會迅速增大，這一功率稱為門限電平，當輸入功率超過門限電平后，輸出功率不再增大。微波限幅器常被用于微波掃頻信號源或相位檢測系統(tǒng)中，使輸出信號的幅度保持穩(wěn)定。圖10-5微波限幅器在雷達接收系統(tǒng)中的位置阻止高功率信號破壞雷達接收系統(tǒng)。防止雷達發(fā)射機功率直接進入接收機。10.4微波限幅器主要技術(shù)指標：門限電平插入損耗隔離度頻帶特性耐功率尖峰泄漏及平坦泄漏恢復(fù)時間

Howaboutit-限幅器主要技術(shù)指標

10.4微波限幅器主要技術(shù)指標：門限電平插入損耗隔離度頻帶特性耐功率尖峰泄漏及平坦泄漏恢復(fù)時間尖峰泄漏及平坦泄漏：信號輸入時，PIN二極管尚未完全導(dǎo)通，經(jīng)過幾個射頻周期以后，PIN二極管的I層內(nèi)才能夠積累穩(wěn)定的載流子。積累載流子的過程中，限幅器暫時的最大輸出就是尖峰泄漏。10.4微波限幅器Howaboutit-限幅器主要技術(shù)指標

主要技術(shù)指標：門限電平插入損耗隔離度頻帶特性耐功率尖峰泄漏及平坦泄漏恢復(fù)時間恢復(fù)時間：脈沖微波信號通過后，I層內(nèi)的載流子并不會馬上消失，而是以一個時間常數(shù)呈指數(shù)衰減，這個時間常數(shù)與載流子的平均壽命相等，定義為恢復(fù)時間。一般來說，I層較厚的PIN二極管往往尖峰泄漏較大，尖峰持續(xù)時間較長，平坦泄漏較大，恢復(fù)時間較長，門限電平較高；I層較薄的PIN二極管與此相反。10.4微波限幅器Howaboutit-限幅器主要技術(shù)指標

Howtorealizeit-實現(xiàn)微波限幅器的元件圖10-28肖特基勢壘二極管限幅器圖10-29變?nèi)莨芟薹鲌D10-30PIN二極管限幅器10.4微波限幅器承上

What——使輸出信號的幅度保持穩(wěn)定的自控衰減器；

Why——用于掃頻信號源、相位檢測系統(tǒng)、雷達接收機等，起保護作用；Howaboutit——

微波限幅器主要技術(shù)指標及其折中關(guān)系Howtorealizeit——實現(xiàn)微波限幅器的主要元件10.4微波限幅器啟下What?(Whatisthis?)微波限幅器的定義

Why?(Whyneedit?)微波限幅器的功能Howaboutit?微波限幅器的性能指標Howtorealizeit?微波限幅器的設(shè)計Howtoimproveit?10.4微波限幅器圖10-28肖特基勢壘二極管限幅器及其輸入波形這種限幅器存在的問題：（1）為了使二極管有充分短的轉(zhuǎn)換時間，其空間電荷層必須很?。唬?）二極管還必須有很小的結(jié)電容，其結(jié)面積必須做得很小，因而二極管的體積極小，不能承受大功率信號。10.4微波限幅器Howtorealizeit-微波限幅器的設(shè)計圖10-29變?nèi)莨芟薹鞯脑黼娐纷內(nèi)莨芟薹鞯脑黼娐啡鐖D所示。在小信號時，兩個變?nèi)莨埽ǚ礃O性并聯(lián)）的電容之和與電感L產(chǎn)生并聯(lián)諧振而呈現(xiàn)很高的阻抗，因而信號傳輸不受影響。在大信號時，由于變?nèi)莨茈娙蓦S電壓的增大而減小，在信號周期內(nèi)的平均電容隨電壓的增大而減小，導(dǎo)致并聯(lián)回路失諧，從而產(chǎn)生反射，使信號傳輸功率受到衰減，而達到限幅的目的。由于在微波段必須釆用小電容變?nèi)莨?，功率容量非常有限?0.4微波限幅器Howtorealizeit-微波限幅器的設(shè)計圖10-30PIN二極管限幅器的原理電路及其限幅過程PIN二極管限幅器的原理電路及其限幅過程如圖所示。當PIN二極管被扼流線圈短路并有高電平微波電壓激勵時，在射頻信號正半周，空穴和電子分別從P層和N層向I層注入。在負半周，注入的載流子大部分被吸出，但因負半周被吸出的載流子少于注入的載流子，I層有電荷儲存。在I層電荷建立的過渡周期，PIN二極管尚未導(dǎo)通，信號受到的衰減很小。I層建立起穩(wěn)定的電荷儲存后導(dǎo)通，PIN二極管的微波阻抗很低，射頻信號受到大的衰減，從而起限幅作用。10.4微波限幅器Howtorealizeit-微波限幅器的設(shè)計圖10-30PIN二極管限幅器的原理電路及其限幅過程PIN二極管限幅器不是通過對射頻信號整流，使射頻信號削波而起限幅作用的，而是通過射頻信號對I層導(dǎo)電性調(diào)制起限幅作用的。一旦I層建立起電荷儲存，其導(dǎo)電率增大，對射頻信號的正、負半周都起限幅作用。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，僅需一個PIN二極管。缺點：在小信號時電路是匹配的；但在大信號時，負載被嚴重旁路，電路嚴重失配，輸入端的駐波比將比較大。事實上，這種限幅器主要是依靠反射衰減而得到限幅的，失配是必然的。如何改進PIN管限幅器？10.4微波限幅器Howtorealizeit-微波限幅器的設(shè)計可以利用3dB分支線電橋（定向耦合器）的隔離作用，圖10-31就是利用兩個90°相移3dB電橋構(gòu)成的無反射PIN二極管限幅器。當信號功率較小時，PIN二極管呈現(xiàn)高阻狀態(tài)。當信號功率大時，并聯(lián)于端口1-3和端口1-4的PIN二極管處于低阻狀態(tài)。從而，在實現(xiàn)限幅功能的同時，限幅器輸入端口保持匹配，與輸入信號強弱無關(guān)。Howtoimproveit-限幅器的改進結(jié)構(gòu)

圖10-31無反射PIN二極管限幅器10.4微波限幅器在電子通信系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)中，限幅器通常是系統(tǒng)內(nèi)部第一個接收到外界信號的器件。限幅器的插入損耗過大時，接收機的靈敏度下降，影響接收機的性能。發(fā)展趨勢：降低限幅器的插入損耗，提升接收機靈敏度和性能。高溫超導(dǎo)技術(shù)自問世以來，發(fā)展得越來越成熟，由于其表面電阻極低，制備的限幅器具有噪聲極低、損耗小、體積小等優(yōu)點，因此它能夠大大提高系統(tǒng)的整體性能。可以考慮利用高溫超導(dǎo)材料制備限幅器。Howtoimproveit-微波限幅器創(chuàng)新探討

10.4微波限幅器課后習(xí)題為什么PIN管只需要很小的偏置功率就可以控制很大的微波功率？畫出PIN管的等效電路圖。從器件結(jié)構(gòu)原理角度，簡述場效應(yīng)管為什么可以實現(xiàn)微波開關(guān)。1.給出微波開關(guān)的重要參數(shù)：插入損耗和隔離度的定義。2.已知某PIN管的正偏電阻為Rf=0.5?，反偏電容為Cf=0.15pF，傳輸線的特性阻抗為50?。（1）若將該管串聯(lián)接在傳輸系統(tǒng)中，求在2GHz下開關(guān)的插入損耗與隔離度的大小。課后習(xí)題7.給出微波開關(guān)的重要參數(shù)：插入損耗和隔離度的定義。8.已知某PIN管的正偏電阻為Rf

=0.5?，反偏電容為Cf

=0.15pF，傳輸線的特性阻抗為50?。

（1）若將該管串聯(lián)接在傳輸系統(tǒng)中，求在2GHz下開關(guān)的插入損耗與隔離度的大小。

（2）若將該管并聯(lián)接在傳輸系統(tǒng)中，求在4GHz下開關(guān)的插入損耗與隔離度的大小。9.給出一種改善微波開關(guān)的插入損耗的方法及其電路圖。10.給出一種改善微波開關(guān)的隔離度的方法及其電路圖。課后習(xí)題11．微波電調(diào)衰減器主要由哪些元件實現(xiàn)？試舉出三例。12．從下圖所給的結(jié)構(gòu)中推導(dǎo)橋T型衰減網(wǎng)絡(luò)中各個電阻的表達式。圖10-16

橋T形衰減網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)課后習(xí)題

圖10-22PIN二極管連成的

π形電阻衰減器等效電路課后習(xí)題15．采用反射式PIN二極管級聯(lián)方式設(shè)計一個限幅器，設(shè)計指標：工作頻段為2～6GHz，連續(xù)波功率Pcw≥43dBm，限幅輸出功率小于或等于20dBm，插入損耗小于或等于1dB，駐波比小于或等于1.5。第十一章

微波天線125微波天線的定義與分類微波天線的功能與性能微波天線周圍的場區(qū)分布和互易性微波天線的設(shè)計與制備126微波是指頻率范圍在300MHz-300GHz之間的電磁波，所對應(yīng)的波長為1米至1毫米之間，是分米波、厘米波、毫米波、亞毫米波的統(tǒng)稱。IEEE標準將天線定義為“輻射或接收無線電波的裝置”（Atransitionalstructurebetweenfree-spaceandaguidingdevice）。因此微波天線指的是工作在微波波段的發(fā)射或接收天線。微波天線Whatisthis-微波天線的定義127按工作性質(zhì)分類;按用途分類;按天線特性分類;按極化特性分;按頻帶特性分;按天線上電流分布分類;按使用波段分類;按載體分類;按天線外形分類;按天線結(jié)構(gòu)和分析方法分類。按天線輻射方式進行，適當考慮天線結(jié)構(gòu)、工作頻段和應(yīng)用等因素，可分為四組基本類型：線元天線、行波天線、陣列大線和孔徑大線。線元天線行波天線陣列天線孔徑天線單極子天線長線天線側(cè)射陣天線角錐喇叭天線偶極子天線菱形天線端射陣天線扇形喇叭天線環(huán)天線螺旋天線直線陣天線圓錐喇叭天線縫隙天線八木天線平面陣天線多模喇叭天線載體天線對數(shù)周期天線圓形陣天線混合模喇叭天線微帶天線慢波天線共形陣天線波紋喇叭天線加載天線快波天線信號處理陣天線拋物面喇叭天線有源天線漏波天線自適應(yīng)陣天線脊形喇叭天線雙錐天線表面波天線多波束陣天線單反射面天線鞭狀天線長介質(zhì)棒天線相控陣天線雙反射面天線

極低副瓣陣天線球形反射面天線

偏置反射面天線

環(huán)焦反射面天線

切割反射面天線

孔徑掃描天線

透鏡天線

角形反射面天線

背射天線

微帶反射陣微波天線Whatisthis-微波天線的分類128天線的作用就是把傳輸線上傳播的導(dǎo)行波，變換成無界媒介中傳播的電磁波。它的功能有以下兩個方面：能量轉(zhuǎn)換、定向輻射或接收電磁波。1、能量轉(zhuǎn)換。對于發(fā)射天線，天線應(yīng)將電路中的高頻電流能量或傳輸線上的導(dǎo)行波能量盡可能多地轉(zhuǎn)換為空間的電磁波能量輻射出去；對于接收天線，天線應(yīng)將接收的電磁波能量最大限度地轉(zhuǎn)換為電路中的高頻電流能量輸送到接收機。2、定向輻射或接收電磁波。即天線具有對能量進行空間分配的功能。對于發(fā)射天線，輻射的電磁波能量應(yīng)盡可能集中在指定的方向上，而在其它方向不輻射或輻射很弱；對于接收天線，只接收來自指定方向上的電磁波，在其它方向接收能力很弱或不接收。因此，一副好的天線應(yīng)該具有完成某種任務(wù)而要求的方向性。微波天線的功能與性能Whyneedit-微波天線的功能129發(fā)射端：發(fā)將射機的高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波（產(chǎn)生電磁波的振蕩源）。接收端：將空間傳播的電磁波傳來的電磁能量轉(zhuǎn)換為接收機的高頻電流。無線電通信系統(tǒng)中發(fā)射天線和接收天線的基本工作原理

微波天線的功能與性能Howaboutit-微波天線的工作原理130天線的指標參數(shù)分為兩部分：1.電路參數(shù)，天線高效率輻射的保證，天線應(yīng)用的必要條件；2.輻射參數(shù)，天線應(yīng)用的本質(zhì)，天線應(yīng)用的充分條件。天線的電路參數(shù)包括輸入阻抗、反射系數(shù)、駐波比、回波損耗、阻抗帶寬等。天線的輻射參數(shù)包括方向圖、主瓣寬度、副瓣電平、零點、方向性系數(shù)、增益、極化方式、交叉極化比等。（1）輸入阻抗。天線輸入端的阻抗。在電路中，天線就是負載的阻抗（頻率的函數(shù)）。輸入阻抗與天線輸入端電壓Vin、電流Iin和輸入功率Pin之間的關(guān)系為

微波天線的功能與性能Howaboutit-微波天線的性能131天線的輸入阻抗一般為復(fù)數(shù)，包含電阻Rin和電抗Xin兩部分，Rin又包含輻射電阻Rr和損耗電阻Rl兩個分量，即如果不計熱損耗，則天線的輸入電阻就是其輻射電阻。（2）反射系數(shù)和駐波比。反射系數(shù)：一般指電壓反射系數(shù)，反射波電壓和入射波電壓之比。駐波比：電壓的最大振幅與最小振幅之比。

天線的理想電路模型V+表示入射波電壓，V-表示反射波電壓，V0為饋線的阻抗,

ZL為等效的天線的阻抗。一般系統(tǒng)的饋線阻抗為50歐姆。微波天線的功能與性能Howaboutit-微波天線的性能132其中I(z)和V(z)的關(guān)系如下所示

由以及得（3）阻抗帶寬。天線的阻抗帶寬，其定義為：偏離中心頻率時，天線的某些電特性將下降，在天線某個性能參數(shù)下降到容許值的頻率范圍。也稱為天線的工作頻帶，或絕對帶寬。工程上一般以天線的輸入端口VSWR≤2(S11≤-10dB)為基準定義工作帶寬，也有部分系統(tǒng)以VSWR≤3(S11≤-6dB)為基準定義工作帶寬。即（絕對）帶寬BW為：fL為工作頻帶內(nèi)最大頻率，fH為工作頻帶內(nèi)最大頻率。相對帶寬RBW是工作頻帶內(nèi)絕對帶寬與中心頻率fo的比值：窄帶（NarrowBand）的相對帶寬小于1%,寬帶（BroadBand）的相對帶寬在1%~25%，超寬帶（Ultra-WideBand，UWB）的相對帶寬大于25%。二倍頻BW2定義為系統(tǒng)絕對帶寬與高低端頻率之和的比值，即絕對帶寬與二倍中頻之比。BW2取值范圍為0≤BW2≤1，這個定義常用在超帶寬領(lǐng)域。三倍頻BW3定義為最高和最低頻率之比，其定義式為：

這個定義的帶寬范圍為1~∞，這個定義也常用在超寬帶領(lǐng)域。133134（4）方向圖。

天線方向圖是指天線輻射特性與空間坐標之間的函數(shù)圖形，分析天線的方向圖就可分析天線的輻射特性。

輻射特性包括輻射場強、輻射功率、相位和極化，因此天線的方向圖又分為場強方向圖、功率方向圖、相位方向圖和極化方向圖。在天線分析中常采用如下歸一化方向性函數(shù)表示：

式中

為天線最大輻射方向，

為方向性函數(shù)，描述天線輻射場的相對值與空間方向的函數(shù)關(guān)系，

為方向性函數(shù)的最大值。微波天線的功能與性能Howaboutit-微波天線的性能135

天線的輻射特性可采用二維和三維方向圖來描述。三維方向圖又可分為球坐標三維方向圖和直角坐標三維方向圖，這兩種三維方向圖又可采用場強的幅度和分貝表示；二維方向圖又分為極坐標方向圖和直角坐標方向圖，這兩種二維方向圖也可采用場強的幅度和分貝表示。天線在球坐標下的三維方向圖極坐標下二維場強幅度幅度方向圖直角坐標下二維場強幅度方向圖136

天線方向圖一般是一個三維空間的曲面圖形，但工程上一般采用兩個相互正交的主平面上的方向圖來表示天線的方向性，這兩個主平面稱為E面和H面。E面是通過天線最大輻射方向并平行于電場矢量的平面；H面是通過天線最大輻射方向并垂直于E面的平面。角錐喇叭天線的E面和H面極坐標下二維場強分貝方向圖直角坐標下二維場強分貝方向圖137（5）