微波技术第4章微波振荡源课件.ppt

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1、第四章 微波振荡源4-1 概述 微波电子器件包括：微波半导体器件和微波真空器件两大类：1、微波半导体器件：微波二极管(体效应二极管，雪崩二极管)，微波晶体管微波二极管：能够工作于微波波段的各种半导体二极管,EXP：隧道二极管,点接触二极管(低噪声接收器件) 体效应二极管，雪崩二极管(用于微波功率源),b. 微波晶体管：指能工作于微波段的晶体管,微波双极性晶体管和微波单极性晶体管(微波场效应管)2、微波电真空器件：分为两大类静态控制微波管:如超高频三、四极管(工作原理与低频类似,仅对低频电子管缩小尺寸.动态控制微波管：如速调管、行波管,EXP ：速调管、行波管，其原理与“静态控制”完全不同,微波

2、管与微波半导体器件是两种性质完全不同的微波电子器件，它们各有特长，也有自己的缺点。微波管：优点是频率高,功率大,效率和增益高,频带宽；缺点是体积大制造工艺复杂,成本高微波半导体器件：优点是体积小,重量轻,寿命长,制作工艺简单,成本低.缺点是频率低,功率不易提高.,4.2 速调管一、微波管工作的基础电子流的能量交换,对于任何电子管器件和振荡器,从能量的观点看,它所要解决的基本问题,就是借助于运动的电子从直流电源获得一定的能量,使电子加速，转化为电子的动能，然后通过一定的装置将其动能的一部分转换为高频场的能量(需放大或振荡的波)，在这个过程中，电子起着中间能量传递着的作用，这一原理是微波管工作的基

3、础。,任何微波管放大器或振荡源都必须具有：供给电子能量的直流电源；能产生电子流的装置； 对电子流加速的装置；对电子流的运动规律进行调制的装置；能够将电子流的动能转换给高频场的装置.,由上述可知：微波管工作的基础就是电子流与电场的能量交换。在微波管中电场只有直流电源所建立的直流电场和微波信号源建立的高频交变电场两种。,结论：电子从低电位向高电位运动时，电子获得能量；电子从高电位向低电位运动时，电子失去能量。b. 电子流与交变电场的能量交换.,电子流与交变电场电场之间的能量交换，原则上与直流电场时情况相同。电子流在交变电压的正半周期内，受到加速，获得能量；在交变电压的负半周期内，受到减速，失去能量

4、，电场的能量增加。如果电子流的密度是均匀的,在整个周期内电子流与交变电场没有能量交换。所以两者要进行有效的能量交换，必须使用密度不均匀的电子流。 二、反射速调管 1、反射速调管的结构和组成,反射速调管主要由：电子枪、加速栅极、环形谐振腔、 反射极、输出耦合装置等几部分组成：a、阴极：阴极为氧化物旁热式阴极，用来发射电子；b、加速栅极：加有直流高压U0，加速从阴极发射的电子；c 、环形谐振腔：其两个壁做成网状，可以让电子穿过，上下栅网间有交变电压，这个交变电压改变电子的速度-速度调制；d 、反射极：加有比阴极为负的电压Ur，产生制动空间，作用是产生密度调制。e 、谐振腔中振荡的微波能量用耦合装置

5、输出。,-,+,Ur,+,-,U0,d,D,反射极,加速栅极,输出,图1 反射速调管结构图,阴极,聚束极,灯丝,群聚空间,G2,G1,谐振腔,核心问题是通过速度调制、密度调制和能量交换过程，将电子从直流电源获得的能量转换为微波电场的能量。,1.电子从直流电场获得能量的过程2.速度调制过程,u,加速,减速,2、工作原理分析,t,3.密度调制过程 (群聚过程),1 2 3 4 5,3,2,1,t,反射极平面,u=Umsint,栅极,4.能量交换过程,反射极电压平面,栅极G2,t,t,u,由一般的振荡器知识可知，产生振荡须同时满足以下两个条件:振幅平衡条件 2.相位平衡条件,5. 相位平衡条件的讨论

6、 电子群返回谐振腔的最佳时刻 并非一个,只要群聚中心电子的飞行时间满足如下条件:,相位平衡条件,意义：表示只要群聚中心电子在u任意一个正半周期最大时刻返回谐振腔都可以有效地交给电场能量，产生振荡。,上式中，T 为高频场的周期。为了求得电子在群聚空间的飞越时间，由电子的运动方程有 其中：D为栅网 与反射极之间的距离。设电子离开 时刻 t0，速度为 ，则对上式积分可得 当 v 0 时电子停住，由上式可求得电子运动的相应时间为,显然，电子从离开 到返回 所用的总时间为 如上所述，高频场调制的结果使电子离开的速度不同，因而电子的飞越时间也不同，但是它们可同“中心电子”一齐飞回到谐振腔。由于Dd， (

7、d为两栅网间距离， 为高频电压幅值)，所以可取 近似等于中心电子的速度,，故有,意义：电子将它的最大动能交给速调管谐振腔应满足以上相位平衡条件，即速度为 的一族电子正好落在交变电场的最大处。,讨论:（1）、f, D, U0不变时，改变Ur的值，n取不同的值(n=0,1,2,3)对应不同的振荡区；（2）、只有当反射极电压为某些数值时，群聚电子流才能在合适的时刻返回谐振腔，从而最大限度的交出能量，产生震荡；而在反射极电压为另外一些值时，群聚电子流在不利的时刻返回到谐振腔，因而不能产生振荡。（3）、n越小，飞越时间增大，表明反射极电压Ur的值较小.,图2 反射速调管的功率特性与频率特性,改变反射极电

8、压可以过渡到其他振荡区。当Ur0时，电子将落在反射极上而不能返回谐振腔。这一情况必须避免，因为大量电子轰击反射极，使之发热，会影响反射速调管的寿命。,6 谐振腔中起始电压是如何产生的 谐振腔中(G1、G2之间)并没有预先加上一个交变电压。我们知道,电子枪发射的电子流不可能是绝对均匀的.存在散弹噪声(横截面上粒子数的不均匀),这种噪声含有极丰富的频率成分,当这个电子流通过谐振腔时,会在谐振腔上产生感应电流(电子流在腔壁上感应出正电荷,当电子沿轴向运动时,感应正电荷也随之沿腔壁运动,感应电荷的运动形成了感应电流。感应电流中,含有极丰富的频率成分,其中,频率等于谐振腔的谐振频率的感应电流会在谐振腔上

9、建立起感应电压,这个电压和电子流进行速度调制和能量交换的循环过程。,感应电荷,3、反射速调管的调谐 反射速调管的调谐有两种办法:电子调谐和机械调谐。(1)、电子调谐：通过改变反射极电压Ur,从而改变谐振频率。n越大,电子调谐的范围越大, 即频率变化范围越大,所须的Ur的变化范围越小,调谐越敏感。描述电子调谐的范围有两个: A .电子调谐率: 指在振荡区中心附近, Ur改变1v时,所引起的振荡频率的变化量. B. 电子调谐范围: 振荡功率下降到最大功率的一 半时,两个半功率点之间的频率范围.,Pmax,Pmax,f0,Ur,Ur,f,反射速调管的电子调谐范围较小，一般为几十兆赫。,图3 反射速调

10、管的电子调谐原理,反射速调管具有电子调谐特性是一个很大的优点：除了不需要电源供给功率外，用电子调谐来改变反射速调管的频率是无惯性的，因而可作为精确而又无惯性地控制频率的一种手段。电子调谐也有缺点：当反射极或加速极电压由于直流电源的不稳定而发生变化时将引起不希望有的频率变化，因而反射速调管需要有高稳定度的电源。,(2)、机械调谐：反射速调管的振荡频率主要决定于环形谐振腔的频率。因此，欲改变反射速调管的频率，可通过改变谐振腔的形状或尺寸来实现。这种改变频率的方法叫做机械调谐。机械调谐的范围比电子调谐的范围大得多。 反射速调管的结构与机械谐调的方式有关。图4 为一工作在10cm 波段的反射速调管。由

11、于它的谐振腔（图中未画出）装在玻璃管壳外面，可以拆卸，故称为外腔式反射速调管。,图4 外腔式反射速调管,图5 内腔式反射速调管,图5所示为波导输出和同轴输出的内腔式反射速调管。 由于它的谐振腔很小，可装在金属壳内部，所以叫内腔式反射速调管。内腔式反射速调管的谐振腔内有一耦合环，通过一段同轴线伸出到管壳的外部以输出功率。由于这种反射速调管工作频率高，谐振腔尺寸小，只需要微小地改变尺寸就可以使振荡频率有很大的变化。因此，它用了两个弯成弧形的弹簧片合在一起，簧片的下部固定在管壳上，上端与谐振腔的弹性薄膜壁相连，簧片中部加有螺丝。调节两个簧片之间的距离即可使簧片伸长或缩短，其上端带动谐振腔的薄膜壁，通

12、过杠杆作用使谐振腔变形而改变频率。,4、反射速调管振荡器,图 6 反射速调管振荡器方框图,图 6 所示是一个 3 cm波段的反射速调管振荡器的方框图。 图中，电子稳压器供给反射速调管各极所需的稳定的直流电压，速调管产生的微波振荡经衰减器（用以控制能量、去耦）输出。部分功率经定向耦合器至波长计以测量波长，再经检波器至微安表以作指示。 反射速调管振荡器有连续工作状态和调制工作状态两种方式。在连续工作状态时，反射极不加调制，其电压为恒定的直流电压，输出为连续振荡波形。这时反射极电压应选择在最大振荡区的中心，以得到稳定的幅度和最大的功率输出。,5、反射速调管的调制工作状态 反射速调管的调制工作状态是在

13、反射极直流电压的基础上加调制电压，常用的调制方式有幅度调制和频率调制。前者采用方波调制，后者采用锯齿波调制。 幅度调制和频率调制的特性如图7和 图8 所示。理想的工作状态不希望同时发生多种调制。例如，方波的前沿要足够陡才能得到单一的幅度调制。,1 幅度调制,t,t,P,P,f,f,f0,-Ur,图7 反射速调管的幅度调制特性,t,t,f,2 频率调制,伴随小的幅度调制,P,P,f,f0,-Ur,P,f1,f01,f2,图8 反射速调管的频率调制特性,三、多腔速调管简介,U0,输入信号产生速度调制,输出(能量交换),漂移空间,(密度调制),图9 多腔速调管,加速栅极,4-3 体效应二极管振荡器,

14、1、体效应：指在砷化镓(GaAs)等一类导带结构中有多能谷的半导体,当其中的外加电场大于某一临界值时,低能谷中迁移率较大的电子转移到迁移率较小高能谷中,从而出现微分负阻现象-体效应.根据体效应制成的电子器件,称为转移电子器件.2、 基本工作原理,禁带,导带,砷化镓(GaAs) 能带结构和负的微分迁移率 有些半导体的导带有高低不同的几个能谷,能量最低的能谷叫主能谷,其余叫子能谷.,价带,图 10 n 型砷化镓的能带结构,这种多能谷结构，如图 10 所示，在中间主能谷（低能谷）周围对称地分布着六个子能谷（高能谷，图中只画了两个子能谷表示）。主能谷对应于下导带，子能谷对应于上导带，上、下导带的能量差

15、是0.36eV，处于子能谷的电子有有效质量大，迁移率小，称为慢电子或重电子。通常导带中的电子处于能量较低的主能谷，但受到激发时能跃入能量高的子能谷，这一过程称为越谷效应。当外加电场超过某一最低值（阈值电场 ）时，导带中的部分电子受电场能量的激发由主能谷跃入子能谷，随之迁移率变小，速度下降，出现负的微分迁移率。由于流过样品的电流与电子的平均速度成正比，而局部电场又与外加电压成正比，所以伏安特性出现了负阻区，如图12所示：,图 12 n 型砷化镓的 伏安特性, ,电子总体平均速度v,Eth Eb,E(kv/cm),图11 电子的平均速度 与外加电场的关系,在Eb E Eth区域内，电子速度随E的增

16、加而下降，导致负的微分迁移率：,3、体效应二极管的结构 耿氏二级管是在 n+型（重掺杂）砷化镓衬底上外延一层 n 型砷化镓，再沉积一层金属作阴极,而衬底作为阳极而构成，其构造和外形如图13 所示。,图13 耿氏二极管的构造与外形,当外加于样品两端的电压使样品体内的电场超过阈值电场时，由于砷化镓外延层的接触电阻及 n 区材料的不均匀，在阴极附近的某一层（如图中AB层）的电阻率比其余部分高，因而该处的电场比其它部分强而首先超过阈值，电子发生能谷转移，速度降低。,图 14 偶极子畴的形成与渡越,4、微波振荡产生的过程,在图 14 (a) 中 AA截面右侧是迁移率大的快电子，而左侧电子速度变慢，于是A

17、A截面因电子离去而呈现正电荷的积累。在 BB 截面的情况则相反，右侧电子的运动速度慢，而左侧电子的运动速度较快，于是在 BB截面上呈现负电荷的积累。这些空间电荷的积累构成了“偶极子畴”。同时造成一附加电场，其方向与外加电场相造同，使簿层内的电场大于层外的电场，如图14(b) 所示。 但是，畴内空间电荷的积累和电场的增强不是无止境的，这是因为外加电压是固定的，在偶极子畴形成的同时，畴外电场必然减弱，从而使电子速度减小。当畴内外电子平均速度相等时，畴内空间电荷的积累和电场的变化势必停止。,在静电场的作用下，偶极子畴一边形成并长大，一边向阳极运动。当偶极子畴完全形成而达到稳定， 它的运动速度等于畴外

18、电子的平均速度，最后消失在阳极处。 紧接着阴极附近又会出现一个新的畴，如此循环不已， 形成了振荡电流。 偶极子畴的振荡电流波形如图15所示。当电压刚加上时，样品内的电场很高，电子漂移速度大,所以流过的电流较大，如图中OA段所示，接着高频场开始建立，畴外电场减弱，电子速度相应减小，于是流过样品的电流减小，如图中AB段所示。在畴稳定后的渡越时间内电流保持一最小值，如图中BC 段所示。畴到达阳极消失后，体内电场又上升，电流又增大，如图中CD段所示。,图15 偶极子畴的振荡电流波形,这样，电流包含一次次脉冲，脉冲重复周期是偶极子畴从阴极到阳极的渡越时间（包括畴的建立和消失过程）。如果外加电场足够高，偶

19、极子畴将以电子饱和漂移速度 向阳极运动，在外加电场大于阈值电场后，继续增加电场，最后电子漂移速度不随电场增加而变化，电子的这一速度称为饱和漂移速度，其值为 。,在样品长为 l 时，则脉冲的周期和频率分别为:,5、体效应二极管振荡器电路,路两部分组成，其等效电路如图16 所示。图中 是电场超过阈值后管子所呈现的负阻， 是管子有源区电容, 是管壳分布电容， 是引线电感， 、 C 和 L 是外电路的等效参量。,图 16 体效应二极管振 荡器的等效电路,体效应二极管振荡器由体效应二极管和外电,其中，外电路可用同轴线、微带和波导等多种形式。,(1). 同轴腔振荡器 一种同轴腔振荡器的结构如图 17 所示

20、。 二极管安装在同轴腔底部的散热块上，散热块和腔体其他部分之间用高频旁路电容隔断，以便直流偏压从这里引入。调节同轴腔短路活塞可以改变振荡频率。振荡功率通过耦合环耦合输出。同轴腔振,图17 同轴腔振荡器,荡器的调谐范围较宽，可达一个倍频程以上，但电路损耗较大，频率高时结构设计困难，一般只适用于厘米波段。,(2). 波导腔振荡器 一种波导腔振荡器示于图 18。由于体效应二极管的阻抗低，为了匹配采用一段脊形波导与渐变段。振荡频率和输出功率可由短路活塞和滑动螺钉调匹器来调节。,图 18 波导腔振荡器,(3). 微带振荡器,一种微带振荡器示于图19中。二极管并联在微带线上，其右边是一段起调谐作用的微带开路,线，直流偏压通过低通滤波器引入。微带振荡器结构简单，制作方便，但因损耗大，只适合在较低的微波频率下工作，而且一般只作为小功率源。这种振荡器的另一个缺点是不便于调谐。,图19 微带振荡器,二、雪崩二极管振荡器的基本特性及工作原理,N+ P I P+,漂移区,雪崩区,