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1、微波固态电路习题,1、设混频二极管的伏安特性为：,在零偏压和本振激励下，试确定二极管时变电导 的波形和表示式（表示成傅氏级数）。,假设本振与信号方别表示为：,由于VLVS,二极管工作点随本振电压而变化：,P112,展开成傅立叶级数：,2、比较单端、单平衡、双平衡混频器的特点和 优点,单端混频器：单端混频器的隔离度、噪声系数都比其他形式的混频电路差，只是结构简单，在某些要求不高之处仍有应用。,单平衡混频器：单平衡混频器分为 型和反相型，它们的混频原理相同，但电路的结构及混频器某些指标各有特点，使用了90度平衡电桥的平衡混频器在概念上可以有很宽的频率范围，且在信号端口得到完全的匹配，而是用了180
2、度电桥的平衡式混频器在概念上能在很宽的频率范围内得到完全的信号与本振的隔离。两种混频器的本振相位噪声均可在两管电流中抵消，同时也可抵消一部分组合谐波分量，提高混频纯度，又改善了变频损耗。电桥的使用改善隔离，充分利用信号、本振功率，增大信号动态范围。,双平衡混频器（1）、双平衡混频器具有多倍频程带宽；（2）、双平衡混频器比单平衡混频器组合谐波分量减少一半，减少了谐波干扰；（3）、隔离度好。（管芯一致,结构对称的情况下）（4）、动态范围大：比单平衡混频器大3dB，比单管混频器大6dB。,3、证明反相型平衡混频器能抵消本荡引入的噪声,在各端口匹配的条件下，、为隔离端口，信号由口输入，从、口等分反相输
3、出。考虑到D1和D2接向相反，而我们规定以二极管导通方向为电压正方向，因此两管上信号电压相同；本振由口输入时，从、口等分同相输出，因D1和D2接向相反而使两管上本振电压反相。设输入端信号和本振的初相位为0时，则以上关系可表示为:,信号电压:,本振电压:,规定二极管上电压、电流以二极管导通方向为正方向,电导,二极管D1和D2在本振作用下产生相应的时变电导分别为：,本振携带的信频噪声分成2路加在两只混频管上：,两管产生的中频噪声,输出的中频噪声：,本振携带的信频噪声在两管产生的中频噪声相互抵消。,5、设计一个射频频率为24GHz-28GHz，本振频率为23.5GHz，中频输出频率为500MHz-4
4、.5GHz的平衡式混频器，实现镜频抑制，已知射频移相非常困难，请给出电路结构并分析原理。,以上采用镜频带组滤波器来实现镜像开路的混频器，能把混频产生的镜频能量反射回二极管，重新参与混频，转化为中频能量。对于从信号输入端同时进入的外来镜频干扰，滤波器能将其反射回输入端，对镜像烦扰进行抑制,6、设：1.无源电路是理想无耗电路 2.除移相电路外，其他电路无相移 3.信号电压为Vs=Vsmcos(st)4.本振电压为VL=VLmcos(Lt),信号经过功分器、本振经功率分配器后移相90度后分别加到混频器A和B上，则混频器A和B相应输人端口的电压分别为:,A:,B:,由于混频二极管在本振电压的激励下其非
5、线性电导为:,若仅考虑基波混频，则混频器A的混频电流可表示为:,相应的中频电流为:,同理，混频器B的电流为:,相应的中频电流为:,从以上分析可知:只需根据WL Ws.或WL WS以接收所需信号边带，适当地选择端口加入移相器，就可此时，就可以得到相应的镜频抑制混频器。,7、图4.52为采用了镜像抑制滤波器的系统结构图。证明：当Ga足够大时有：,混频器输入端口噪声和频谱分布,信号放大器产生和镜频滤波器后在整机输出端的噪声功率Pa，包含信频带和镜频带两部分，表示为：,信频部分的功率,镜频部分的噪声功率,混频中放产生的噪声功率为：,信号源携带的信源噪声在输出端的噪声功率为：,系统的噪声系数为：,当Ga
6、足够大时：,当镜像抑制滤波器衰减足够大时：,1、说明变容二极管倍频器空闲回路的作用。一般变容管倍频器的效率与那些因素有关。,答：（1）所谓空闲回路，是除了第n次谐波以外的其他低于n的某次谐波的工作回路，它在倍频器中起着能量转换的作用。空闲回路的设置是为了将变容二极管产生的空闲谐波能量回送到二极管中，再通过非线性变频作用，将低次谐波能量转换为高次谐波能量，以利于提高倍频效率和输出功率；,（a）、输入、输出匹配电路是为了在输入、输出频率上得到较大的功率和传 输效率；（b）、空闲回路的设置是为了将变容二极管产生的空闲谐波能量回送到二极管中，再通过非线性变频作用，将低次谐波能量转换为高次谐波能量，以利
7、于提高倍频效率和输出功率；（c）、偏置电路的合理设计对倍频效率和输出功率也有直接的影响；（d）、最高效率是在低功率电平和高功率电平之间的过渡区内获得的；也就是说，输入功率大小也对效率有影响。,（2）、,2.变容管、阶跃管、肖特基势累二极管、FET倍频器在性能上有什么区别，各有什么特点。,变容二极管电容是在反向电压下形成和存在的,电容大小随反向电压高低改变而变化。当所加反向偏压较低时，变容二极管的等效电容就大。当所加反向偏压较高时，变容管的等效电容就小。变容二极管是利用非线性电容来实现倍频的。阶跃恢复二极管也是利用电容变化产生外加信号谐波的，不过它是利用正向偏置条件下储存电荷和二极管放电时极为迅
8、速地转换为高阻状态而产生外加信号谐波的。调整倍频器使二极管在反向电流最大的瞬间转换，因此，在每个激励周期内，将产生一个大而窄的电压脉冲序列。这种电压脉冲序列中含有丰富的谐波，经过滤波就可以得到谐波输出。,肖特基势垒比变容管的动态品质因数非常高，因此，可以在高频率上实现高效率。但肖特基势垒变容管受功率容量的限制，所以只能激励到结开始导通为止。如果输入电平超过开始导通点，效率会下降，输出功率饱和。,实际微波倍频二极管含有非线性电阻和非线性电容。电阻非线性强时处理为变阻二极管(肖特基势垒二极管)，电容非线性强时，处理为变容二极管(变容管和阶跃恢复二极管)。（a）、和变容二极管倍频器相比，变阻二极管(
9、肖特基势垒二极管)变频器变频损耗大。变阻二极管倍频器变频受下面公式限制:理想变容二极管倍频器的变频效率可到100%（b）、变容二极管倍频器可能存在不稳定和噪声信号幅值过大等问题。设计变容二极管倍频器的一个工作就是避免这些问题。而通常变阻二极管倍频器不会存在这些问题。（c）、阶跃恢复二极管倍频器是一种在高功率电平具有极高谐波倍频能力的倍频器，它具有高的倍频效率和宽的带宽。阶跃恢复二极管一般用十将几百兆赫兹的输入频率倍频到输出频率为几千兆赫兹的场合。,（d）、肖特基势垒二极管（变阻二极管)倍频器不能储存无功功率使得它的带宽宽，输入输出端无需调谐，二极管阻性倍频器的倍频效率随着倍频次数的增加而急剧下
10、降，；而变容二极管倍频器储存无功功率，带宽窄。（e）、FET倍频器相对于无源倍频器来说，总的来说其优点主要表现在:首先，它能对需要的信号提供一定的增益，减少器件的使用量，这一点特别是在微波毫米波频段，由十本振源所需要的功率较大，显得尤为重要。其次，很多形式的无源倍频器，如二极管等，其要求的输入信号功率较大，通常3dBm;而有源倍频器，特别是FET倍频器其要求的输入功率较小，对参考信号源的功率要求大大降低。,4、已知某变容管零偏结电容值和品质因数：,（测试频率为10GHz），封装参数为：,试求：（1）、变容管的串联电阻Rs和截止频率fc(0).（2）、若将变容管与一段1/4波长短路线并联构成谐振
11、回 路，假定谐振频率为fD2=26GHz，传输线的阻抗 Z0=100欧姆，求谐振回路的品质因数（可令 为传输线的角度）,（1）、一般以零偏压时的Q值作为管子的参数指标，用Q0表示：,截止频率fc定义为当Q值降为1时对应的频率，表达式如下,电抗斜率参量,（2）、,通过上式可分别求出Zin的实部r和虚部y，y对 求偏导可得,Q值为：,6、利用突变结变容管三次倍频器的电路方程，设计电路在谐振情况下：（1）、忽略电路损耗，只考虑串联电阻Rs损耗时，推证三次倍频器效率的理论计算公式；（2）、忽略电路和变容管的损耗，推证三次倍频器输出功率理论计算公式。,p182,三次倍频器效率:,三次倍频器输出功率,p1
12、82,8、设计阶跃管倍频器，给定技术如下：输入信号频率，输出信号频率。输出功率。二极管的参数为：取，求电路的元件参数。,考虑偏压后的倍频器输入电路,推动电感：,调谐电容：,匹配电感：,这里，,匹配电容：,偏压电阻：,3Ham ilton S,Hall R.New lett-Packard application,Notes913,920.1967.5,在脉冲发生器后接上谐振电路是为使分散频谱的能量集中于输出频率 附近，以提高效率。本组件输出频率较高，谐振电路由四分之一微带线实现。即3GHz的四分之一波长的微带线。,倍频器输出带通滤波器采用平衡耦合微带线带通滤波器。由于500MHz输入信号的7次谐波离输出频率3.5MHz相差500MHz，500MHz输入信号的5次谐波离输出频率2.5GHz差500MHz。倍频器输出带通滤波器采用平衡耦合微带线带通滤波器。平行耦合微带线带通滤波器很容易做到40dB的谐波抑制。,
