1、微波固態(tài)電路習(xí)題,1、設(shè)混頻二極管的伏安特性為：,在零偏壓和本振激勵(lì)下，試確定二極管時(shí)變電導(dǎo) 的波形和表示式（表示成傅氏級(jí)數(shù)）。,假設(shè)本振與信號(hào)方別表示為：,由于VLVS,二極管工作點(diǎn)隨本振電壓而變化：,P112,展開成傅立葉級(jí)數(shù)：,2、比較單端、單平衡、雙平衡混頻器的特點(diǎn)和 優(yōu)點(diǎn),單端混頻器： 單端混頻器的隔離度、噪聲系數(shù)都比其他形式的混頻電路差，只是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在某些要求不高之處仍有應(yīng)用。,單平衡混頻器： 單平衡混頻器分為 型和反相型，它們的混頻原理相同，但電路的結(jié)構(gòu)及混頻器某些指標(biāo)各有特點(diǎn)，使用了90度平衡電橋的平衡混頻器在概念上可以有很寬的頻率范圍，且在信號(hào)端口得到完全的匹配，而是用了1

2、80度電橋的平衡式混頻器在概念上能在很寬的頻率范圍內(nèi)得到完全的信號(hào)與本振的隔離。兩種混頻器的本振相位噪聲均可在兩管電流中抵消，同時(shí)也可抵消一部分組合諧波分量，提高混頻純度，又改善了變頻損耗。 電橋的使用改善隔離，充分利用信號(hào)、本振功率，增大信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。,雙平衡混頻器 （1）、雙平衡混頻器具有多倍頻程帶寬； （2）、雙平衡混頻器比單平衡混頻器組合諧波分量減少一半，減少了諧波干擾； （3）、隔離度好。（管芯一致, 結(jié)構(gòu)對(duì)稱的情況下） （4）、動(dòng)態(tài)范圍大：比單平衡混頻器大3dB，比單管混頻器大6dB。,3、證明反相型平衡混頻器能抵消本蕩引入的噪聲,在各端口匹配的條件下，、為隔離端口，信號(hào)由口輸入，

3、從、口等分反相輸出?？紤]到D1和D2接向相反，而我們規(guī)定以二極管導(dǎo)通方向?yàn)殡妷赫较?，因此兩管上信?hào)電壓相同；本振由口輸入時(shí)，從、口等分同相輸出，因D1和D2接向相反而使兩管上本振電壓反相。設(shè)輸入端信號(hào)和本振的初相位為0時(shí)，則以上關(guān)系可表示為:,信號(hào)電壓:,本振電壓:,規(guī)定二極管上電壓、電流以二極管導(dǎo)通方向?yàn)檎较?電導(dǎo),二極管D1和D2在本振作用下產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)變電導(dǎo)分別為：,本振攜帶的信頻噪聲分成2路加在兩只混頻管上：,兩管產(chǎn)生的中頻噪聲,輸出的中頻噪聲：,本振攜帶的信頻噪聲在兩管產(chǎn)生的中頻噪聲相互抵消。,5、設(shè)計(jì)一個(gè)射頻頻率為24GHz-28GHz，本振頻率為23.5GHz，中頻輸出頻率為

4、500MHz-4.5GHz的平衡式混頻器，實(shí)現(xiàn)鏡頻抑制，已知射頻移相非常困難，請(qǐng)給出電路結(jié)構(gòu)并分析原理。,以上采用鏡頻帶組濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)鏡像開路的混頻器，能把混頻產(chǎn)生的鏡頻能量反射回二極管，重新參與混頻，轉(zhuǎn)化為中頻能量。對(duì)于從信號(hào)輸入端同時(shí)進(jìn)入的外來(lái)鏡頻干擾，濾波器能將其反射回輸入端，對(duì)鏡像煩擾進(jìn)行抑制,6、設(shè)：1.無(wú)源電路是理想無(wú)耗電路 2.除移相電路外，其他電路無(wú)相移 3.信號(hào)電壓為Vs=Vsmcos(st) 4.本振電壓為VL=VLmcos(Lt),信號(hào)經(jīng)過(guò)功分器、本振經(jīng)功率分配器后移相90度后分別加到混頻器A和B上，則混頻器A和B相應(yīng)輸人端口的電壓分別為:,A:,B:,由于混頻二極管在本

5、振電壓的激勵(lì)下其非線性電導(dǎo)為:,若僅考慮基波混頻，則混頻器A的混頻電流可表示為:,相應(yīng)的中頻電流為:,同理，混頻器B的電流為:,相應(yīng)的中頻電流為:,從以上分析可知:只需根據(jù)WL Ws.或WL WS以接收所需信號(hào)邊帶，適當(dāng)?shù)剡x擇端口加入移相器，就可此時(shí)，就可以得到相應(yīng)的鏡頻抑制混頻器。,7、圖4.52為采用了鏡像抑制濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 證明：當(dāng)Ga足夠大時(shí)有：,混頻器輸入端口噪聲和頻譜分布,信號(hào)放大器產(chǎn)生和鏡頻濾波器后在整機(jī)輸出端的噪聲功率Pa，包含信頻帶和鏡頻帶兩部分，表示為：,信頻部分的功率,鏡頻部分的噪聲功率,混頻中放產(chǎn)生的噪聲功率為：,信號(hào)源攜帶的信源噪聲在輸出端的噪聲功率為：,系統(tǒng)的

6、噪聲系數(shù)為：,當(dāng)Ga足夠大時(shí)：,當(dāng)鏡像抑制濾波器衰減足夠大時(shí)：,1、說(shuō)明變?nèi)荻O管倍頻器空閑回路的作用。一般變?nèi)莨鼙额l器的效率與那些因素有關(guān)。,答：（1）所謂空閑回路，是除了第n次諧波以外的其他低于n的某次諧波的工作回路，它在倍頻器中起著能量轉(zhuǎn)換的作用?？臻e回路的設(shè)置是為了將變?nèi)荻O管產(chǎn)生的空閑諧波能量回送到二極管中，再通過(guò)非線性變頻作用，將低次諧波能量轉(zhuǎn)換為高次諧波能量，以利于提高倍頻效率和輸出功率；,（a）、輸入、輸出匹配電路是為了在輸入、輸出頻率上得到較大的功率和傳 輸效率； （b）、空閑回路的設(shè)置是為了將變?nèi)荻O管產(chǎn)生的空閑諧波能量回送到二極管中，再通過(guò)非線性變頻作用，將低次諧波能量轉(zhuǎn)

7、換為高次諧波能量，以利于提高倍頻效率和輸出功率； （c）、偏置電路的合理設(shè)計(jì)對(duì)倍頻效率和輸出功率也有直接的影響； （d）、最高效率是在低功率電平和高功率電平之間的過(guò)渡區(qū)內(nèi)獲得的；也就是說(shuō)，輸入功率大小也對(duì)效率有影響。,（2）、,2.變?nèi)莨?、階躍管、肖特基勢(shì)累二極管、FET倍頻器在性能上有什么區(qū)別，各有什么特點(diǎn)。,變?nèi)荻O管電容是在反向電壓下形成和存在的, 電容大小隨反向電壓高低改變而變化。 當(dāng)所加反向偏壓較低時(shí)，變?nèi)荻O管的等效電容就大。當(dāng)所加反向偏壓較高時(shí)，變?nèi)莨艿牡刃щ娙菥托?。變?nèi)荻O管是利用非線性電容來(lái)實(shí)現(xiàn)倍頻的。 階躍恢復(fù)二極管也是利用電容變化產(chǎn)生外加信號(hào)諧波的，不過(guò)它是利用正向偏置條

8、件下儲(chǔ)存電荷和二極管放電時(shí)極為迅速地轉(zhuǎn)換為高阻狀態(tài)而產(chǎn)生外加信號(hào)諧波的。調(diào)整倍頻器使二極管在反向電流最大的瞬間轉(zhuǎn)換，因此，在每個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)，將產(chǎn)生一個(gè)大而窄的電壓脈沖序列。這種電壓脈沖序列中含有豐富的諧波，經(jīng)過(guò)濾波就可以得到諧波輸出。,肖特基勢(shì)壘比變?nèi)莨艿膭?dòng)態(tài)品質(zhì)因數(shù)非常高，因此，可以在高頻率上實(shí)現(xiàn)高效率。但肖特基勢(shì)壘變?nèi)莨苁芄β嗜萘康南拗?，所以只能激?lì)到結(jié)開始導(dǎo)通為止。如果輸入電平超過(guò)開始導(dǎo)通點(diǎn)，效率會(huì)下降，輸出功率飽和。,實(shí)際微波倍頻二極管含有非線性電阻和非線性電容。電阻非線性強(qiáng)時(shí)處理為變阻二極管(肖特基勢(shì)壘二極管)，電容非線性強(qiáng)時(shí)，處理為變?nèi)荻O管(變?nèi)莨芎碗A躍恢復(fù)二極管)。 （a）、和

9、變?nèi)荻O管倍頻器相比，變阻二極管(肖特基勢(shì)壘二極管)變頻器變頻損耗大。變阻二極管倍頻器變頻受下面公式限制: 理想變?nèi)荻O管倍頻器的變頻效率可到100% （b）、變?nèi)荻O管倍頻器可能存在不穩(wěn)定和噪聲信號(hào)幅值過(guò)大等問(wèn)題。設(shè)計(jì)變?nèi)荻O管倍頻器的一個(gè)工作就是避免這些問(wèn)題。而通常變阻二極管倍頻器不會(huì)存在這些問(wèn)題。 （c）、階躍恢復(fù)二極管倍頻器是一種在高功率電平具有極高諧波倍頻能力的倍頻器，它具有高的倍頻效率和寬的帶寬。階躍恢復(fù)二極管一般用十將幾百兆赫茲的輸入頻率倍頻到輸出頻率為幾千兆赫茲的場(chǎng)合。,（d）、肖特基勢(shì)壘二極管（變阻二極管)倍頻器不能儲(chǔ)存無(wú)功功率使得它的帶寬寬，輸入輸出端無(wú)需調(diào)諧，二極管阻性倍

10、頻器的倍頻效率隨著倍頻次數(shù)的增加而急劇下降， ；而變?nèi)荻O管倍頻器儲(chǔ)存無(wú)功功率，帶寬窄。 （e）、FET倍頻器相對(duì)于無(wú)源倍頻器來(lái)說(shuō)，總的來(lái)說(shuō)其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在:首先，它能對(duì)需要的信號(hào)提供一定的增益，減少器件的使用量，這一點(diǎn)特別是在微波毫米波頻段，由十本振源所需要的功率較大，顯得尤為重要。其次，很多形式的無(wú)源倍頻器，如二極管等，其要求的輸入信號(hào)功率較大，通常3dBm; 而有源倍頻器，特別是FET倍頻器其要求的輸入功率較小，對(duì)參考信號(hào)源的功率要求大大降低。,4、已知某變?nèi)莨芰闫Y(jié)電容值和品質(zhì)因數(shù)：,（測(cè)試頻率為10GHz），封裝參數(shù)為：,試求： （1）、變?nèi)莨艿拇?lián)電阻Rs和截止頻率fc(0). （

11、2）、若將變?nèi)莨芘c一段1/4波長(zhǎng)短路線并聯(lián)構(gòu)成諧振回 路，假定諧振頻率為fD2=26GHz，傳輸線的阻抗 Z0=100歐姆，求諧振回路的品質(zhì)因數(shù)（可令 為傳輸線的角度）,（1）、一般以零偏壓時(shí)的Q值作為管子的參數(shù)指標(biāo)，用Q0表示：,截止頻率fc定義為當(dāng)Q值降為1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率，表達(dá)式如下,電抗斜率參量,（2）、,通過(guò)上式可分別求出Zin的實(shí)部r和虛部y，y對(duì) 求偏導(dǎo)可得,Q值為：,6、利用突變結(jié)變?nèi)莨苋伪额l器的電路方程，設(shè)計(jì)電路在諧振情況下：（1）、忽略電路損耗，只考慮串聯(lián)電阻Rs損耗時(shí)，推證三次倍頻器效率的理論計(jì)算公式；（2）、忽略電路和變?nèi)莨艿膿p耗，推證三次倍頻器輸出功率理論計(jì)算公式。,p182,三次倍頻器效率:,三次倍頻器輸出功率,p182,8、設(shè)計(jì)階躍管倍頻器，給定技術(shù)如下：輸入信號(hào)頻率 ，輸出信號(hào)頻率 。輸出功率 。二極管的參數(shù)為： 取 ，求電路的元件參數(shù)。,考慮偏壓后的倍頻器輸入電路,推動(dòng)電感：,調(diào)諧電容：,匹配電感：,這里，,匹配電容：,偏壓電阻：,3Ham ilton S, Hall R. New lett-Packard application, Notes913, 920. 1967. 5,在脈沖發(fā)生器后接上諧振電路是為使分散頻譜的能量集中于輸出頻率 附近，以提高效率。本組件輸出