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1、第三章 倍频器和上变频器,3.1 引言 Introduction,倍频器的功能是当一个正弦波输入时，输出信号是输入信号的n次谐波。,产生微波信号的方法有：,1.直接振荡，如磁控管、速调管、雪崩管、体效应、晶体管振荡器等,2.倍频放大链,采用非线性器件产生输入信号的谐波，利用滤波器取出所需要的谐波,直接振荡所产生的微波信号往往信号的频谱纯度及频率稳定度不高,锁相环,本章讨论变容管倍频器和阶跃管倍频器，它们均属于直接倍频的方法,变容管倍频器效率高、主要用于倍频次数较低的场合，单级倍频次数小于8，二次倍频效率50%左右，三次40%左右，但当倍频次数增加后电路复杂，效率降低，输出功率迅速下降,阶跃管倍
2、频器适于高次倍频，单级倍频次数可达20以上，具有结构简单的优点，但输入功率小，效率约为1/N。,3.2 变容管倍频器,3.2.1 基本电路,并联型,串联型,并联型电路流过变容管的电流为输入和输出回路电路之和，因此也称为电路激励型,串联型电路加在变容管两端的电压为输入和输出回路电压的差，因此也叫电压激励型,电流激励型电路中变容管一端接地，因此适合于大功率,电压激励型电路中变容管两端均不接地，因此适合于微带电路,3.2.2 基本原理,1.二次倍频器,如果变容管的外加电压满足,为零偏压时的结电容,为势垒电压,在倍频器中，为了提高输出功率，通常采用大信号激励，即，但是当 时，且倍频器输出谐波也是大信号
3、，故不能用非线性电容来分析，而需用变容管的电压电荷关系来分析，下面推导电压电荷关系,变容管上的电荷为,为 时变容管上的电荷，若，即无电荷,当 时,所以,令,其中,为归一化电荷,则上式简化为,变容管的电压电荷关系,由于 时，变容管势垒近似消失，势垒电容也趋于零，即，即,为了简单选用突变结变容管,忽略损耗电阻,考虑电流激励型二次倍频器,由于滤波器F1和F2的限制流过变容管的电流只有频率f1和f2的分量，相应变容管两端电荷q1和q2也只有频率f1和f2的分量,归一化,因为,所以,其中,提取 和 频率的电压分量,直流电压分量为,由 可以得到归一化输入和输出电流,由以上归一化电压和电流可以求出归一化平均
4、输入、输出功率,为正，表示向变容管输入功率，为负，表示从变容管输出功率，因为假设，所以输入功率等于输出功率，倍频效率等于100%，但实际上变容管总是有损耗电阻，倍频效率不可能达到100%，不够由于该电阻很小，效率很高。,如果，即回路调谐，此时功率最大,倍频器的归一化输入阻抗,当，的第一个分量与 同相，表示输入阻抗的电阻分量，第二个分量滞后 90，表示为容抗，因此归一化输入阻抗为,倍频器的归一化输出阻抗,假设变容管两端端接负载阻抗，则,幅相表示,复振幅,归一化负载阻抗为,当负载阻抗与倍频器的输出阻抗共轭相等时，输出功率最大，定义该阻抗为倍频器的输出阻抗,倍频器的效率,实际，但很小对输入、输出阻抗
5、影响不大，但对倍频效率有影响，当 存在时，输入电流在 上消耗的功率为,为归一化电流,当变容管上电压 时，结电容达到最小值,另,所以,另,所以,输出电流在 上消耗的功率为,有效输入功率为,有效输出功率为,为非归一化功率,倍频器的效率为,前面的分析中，变容管处于欠激励状态，或，实际中为了增加输出功率，变容管通常处于过激励状态，即在每个激励周期的部分时间，变容管处于正向导通状态，由于这时，将激励信号短路，因此正向电压波型被钳位于，过激励下变容管的电压电荷关系为,激励状态系数定义为,显然 对应，这时为满激励,为欠满激励,为过满激励,过激励下的分析很困难，需要用计算机来分析。,D=2时的时变电荷。,2.
6、变容管高次倍频器,首先看下面电路能否完成高次倍频,假设变容管中电路波形为,电流为,如果使用突变结变容管，欠激励，则,可见N次谐波电压和电流之间有90相差，平均功率为零,即,因此，上面电路不能完成高次倍频，这是因为给定的条件，即变容管的电压、电荷关系为平方率，所以只能完成二次倍频,为了完成大于2次的倍频，可以采用以下措施,改用 的变容管，如缓变结变容管 或其他形式变容管,加大激励信号，使。使变容管的电压电荷关系出现高次非线性项,电压波形被限幅，而出现高次谐波,在电路上想办法，如在电路中加空闲回路，如下图所示,在变容管两端并联一个损耗很低的空闲支路，如果该支路谐振于,代入，可以得到，等频率的电压分
7、量，它们与相应频率的电流的相位相差180，表示三次、四次谐波功率从变容管输出。,附加“空闲回路”的作用是将变容管产生的低次谐波能够回送到变容管，提高再次变频将低次谐波的能量转换为高次谐波的能量。在实际工程上，为了提高效率，即使能够完成高次倍频的电路，也在其中采用空闲回路，不过若采用过多的空闲回路，会使倍频器结构复杂，引入许多附加损耗，给设计、调试带来困难，所以回路一般不超过三个“空闲回路”。,电路举例,微带型二倍频器,微带型四倍频器,低通滤波器,高阻线,开路线(空闲）,带通滤波器,3.3 阶跃-恢复二极管倍频器,阶跃-恢复二极管是一种特殊的P-N结器件，在正弦波激励下，能产生持续时间极短的脉冲
8、，该脉冲含有非常丰富的频率分量，利用这种性质，单次倍频次数可以达到1020次，而且不需要加空闲回路。,3.3.1 阶跃-恢复二极管的基本特性及参量,变容管的势垒电容和电压的关系为,当线性指数n为1/15到1/30时,成为阶跃-恢复二极管(SRD)，可见结电容几乎没有变化,为什么？,对PN结采取特殊措施，加大正偏时的电荷存储效应，使二极管正偏时有很大的扩散电容，此时二极管等效为一个很大的电容，呈现低阻，近似短路，反偏时等效为一个小电容，呈现高阻，近似开路，因此在大信号交流电压激励下，这种特殊结构的变容管呈现两种阻抗状态，具有电容开关特性。,为了存储大量电荷，增加少子寿命，阶跃管是在P+,N+之间
9、加了一层低参杂的N层,为了存储大量电荷，增加少子寿命，阶跃管是在P+,N+之间加了一层低参杂的N层,正偏时，在P+区大量的空穴注入到N区，由于N区掺杂浓度低，空穴与N层中的电子复合机会少，从而降低了复合速度，提高了少子的寿命。,在NN+结中，由于载流子浓度差别形成一个内建电场，该电场阻止N区中的空穴扩散到N+区，怎样增加了N层中的电荷量，在N层两边，杂质分布近似于突变，有很强的减速场，能够充分阻止少数载流子（空穴）离开N区，所以N区为少数载流子有效存储的区域。,在NN+结中，由于载流子浓度差别形成一个内建电场，该电场阻止N区中的空穴扩散到N+区，怎样增加了N层中的电荷量，在N层两边，杂质分布近
10、似于突变，有很强的减速场，能够充分阻止少数载流子（空穴）离开N区，所以N区为少数载流子有效存储的区域。,当少子的寿命大于外加交流电压的周期时，则信号电压从正向转为反向，正向注入存储电荷未复合的剩余少子，在负半周被内电场拉回去。由此形成较大的反向电流，直到某一时刻，正向期间存储电荷被全部拉回后，反相电流陡降为很小的反向饱和电流，形成了电流阶跃。,当外加电压由正变为负时，在交流电压负半周很长一段时间内管子处于导通状态，使二极管的整流作用失效。利用阶跃管由导通恢复到截止的电流突变形成窄脉冲输出，其包含丰富的谐波，故可用来做高次谐波倍频器,阶跃二极管的等效电路,正偏时，流经二极管的电流两端电流由两部分
11、组成，一是存储电荷q所形成的电流，为主要部分，另一部分少数载流子复合形成的电流，为少数载流子的寿命，该电流可看成是流过一个损耗电阻 的电流，少子寿命愈长，就愈大，在理想阶跃管中，少子的寿命趋于无穷大，近似开路，。阶跃管可以等效为一个恒压源与扩散电容CD，的串联。,由于CD很大，容抗很小，且当信号很大时，可以认为，故理想化等效电路可看成“短路”状态,反偏时，存储的少子将返回，由于存储的电荷数量很大，返回需要一定的时间，一旦存储的电荷全部返回，扩散电容消失，这时只存在二极管的势垒电容，故等效电路如右,理想情况下，于是等效电路中只存在势垒电容，其值约为,正向偏置时，阶跃管中存储大量电荷，t=0时突然
12、开关接到负电源上，二极管中电流变为负向电流IR，但由于存在很大的扩散电容，二极管电压不能突变，阶跃管相当于零偏压，只有经过时间ts后，二极管中的电荷才被清除，此时管子上的电压变为负偏压VR，从电流由正向跳变到反向时开始，到电压为零为止的时间称为“存储时间”，载流子寿命越长，存储时间越长,反向电流由0.8IR(或0.9IR）下降到0.2IR(或0.1IR）所需的时间为阶跃时间,另外还有击穿电压VB,结电容,结电容越小，阶跃管越接近于理想开关，但功率容量降低，另外结电容对输出频率呈现的容抗 也不能太低，否则效率降低,截止频率,一般要求,动态电阻,正向电压的某个稳定值下，二极管上电压的微小变化与电流
13、的微小变化之比，动态电阻越小越好,正向电流,正向流越大越好，大则存储的电荷多，阶跃幅度大,最大耗散功率,二极管上消耗的功率，通过加散热器可以增加该功率,3.3.1 阶跃-恢复二极管倍频器组成和工作原理,方框图,各级波形,偏置电路,匹配电路,激励电感,谐振电路,输出滤波器,负载,信源,脉冲发生器,原理电路图,高频扼流圈,自给偏压电阻,输入滤波匹配网络,激励电感,谐振电路和滤波电路根据具体情况可以是集中参数或分布参数电路,隔直流电容,1 脉冲发生器,电流正向流通时，阶跃管相当于短路，故v近似于零，实际为势垒电压，当电流反向流通时，阶跃管存储的电荷开始放电，这时电压仍为，放电完毕时，电路突然减小，阶
14、跃管进入高阻状态，同时激励电感L产生一个反向感应电压，二极管上有一个反向高压脉冲出现，左图，此后二极管有开始正向流通，电压又回到，在负载上得到重复的，周期为T1的脉冲串。,下面分别讨论两种状态,导通期间,设初始条件为,流过激励电感的起始电流,方程的解为,直流项,余弦项,线性增长项,当电流为正时，阶跃管存储电荷，当电流反向时存储的电荷释放，当t达到ta时，横坐标上下，正负电流所包含的面积相等时，表明阶跃管存储的电荷已全部清除，这时进入阶跃期，由于导通期间阶跃管等效为一个电压为 的电源，这时输出电压为。,阶跃期间,存储电荷释放完毕，扩散电容消失，阶跃管等效为一个势垒电容Cj，相当于一个高速开关将大
15、电容换为小电容，适当调节偏压V0，使ta正好发生在负电流最大的瞬间，即,此时电感上无电压降，同时阶跃管也无电压降，回路中能力全部转换为电感中的磁能，如果忽略势垒电压，这时激励电压的瞬时值和偏压V0相等，极性相反，阶跃管总的外加电压为零，因此在分析时忽略外加激励电压和直流偏压,回路方程为,整理为,解为,因为,所以,其中,为一衰减振荡，上图中虚线，但由于存在阶跃管，当振荡电压正向达到接触电压时，阶跃管导通，因此衰减振荡只能维持半个周期。,脉冲的宽度为,实际脉冲宽度tp不一定等于半个周期，但为了保证倍频效率，脉冲宽度至少小于输出信号的周期，故选择原则为,脉冲的腹点出现在tp/2处，脉冲的幅度为,当负
16、载电阻R较大时，,将很小，,输出脉冲的平均功率,当很小时(0.3)，,偏置电压V0,通过调节偏压可以控制使阶跃发生在负电流最大时，,如前，阶跃期间，当忽略势垒电压时，管子上总电压为零,当，电压为零，将 带入上式可得,导通结束时()阶跃管上的电流为,联立以上各式可以得到,再由导通结束时阶跃管上上总电荷为零的条件得,偏压自给：阶跃管的直流分量(整流电流)通过偏压电阻Rb产生电压降得到，Rb的值取决于所需的偏压及整流电流的大小，可以依下式选择。,该值仅属于估算值，实际中需要进行调整,输入阻抗,输入导纳对电流的匹配很重要，可以将电流分解为与基波电压同相分量IR和正交分量IL，并分别与基波电压幅度相比，
17、即得到输入阻抗,，为阻抗倍乘系数，它们与N和的关系曲线，通常估算输入阻抗时，近似认为，。为此一调谐电容将电感分量补偿，则输入阻抗为,脉冲频谱,输出电压脉冲波形为（当很小，并忽略后）,分解为Fourier级数,其中,频谱的相对值为,n为谐波次数，当n/N=0时，Cn/C0=1，当n/N=3,5,7,时，Cn/C0=0,即频谱的第一个零点出现在n/N=3，即f=3fN=3/tp处，第一个零点零点以内的谱线数量为n=3/2tp，tp越小，第一个零点相应频率越高，极限时tp趋向于零，第一个零点频率趋向于无穷，梳状谱的间隔为输入频率f1，利用这一特性可制作梳状波发生器。,在用作倍频时，要求tp满足,2
18、谐振电路,不加谐振电路,加谐振电路,频率较低时谐振电路采用集中参数电路(f300MHz500MHz)，频率较高时可以采用分布参数电路或谐振腔,Cc为耦合电容，其作用是控制负载对谐振线的影响，即控制有载Q值。,Cc为无穷大，耦合过强，有载Q值过大，负载直接接在传输线终端，建立不起衰减振荡，输出波形仍然为脉冲串，只是时延四分之一周期。,Cc太小，耦合太弱，负载得到的功率小，效率低，有载Q高，频道窄。,如果,则,脉冲,负载,同相反射,延迟,阶跃管(此时阶跃结束，阶跃管正向导通，呈现低阻),反相反射,负载上得到的电压为,衰减常数为,选择合适的Q值，使衰减振荡在一个脉冲周期内基本衰减完，一般选为,一个脉
19、冲周期后衰减为,确定以后，如何确定耦合电容,一般情况下,将串联的电容和负载等效为并联形式,可以用一段传输线等效，实际传输线缩短l,根据传输线理论，长度为l 的传输线等效的容抗为,根据传输线理论，传输线的有载Q值为,假定选择,则,传输线的特性阻抗选择,当脉冲没有被负载反射回来之前，传输线的特性阻抗即为脉冲发生器的负载，该阻抗影响脉冲发生器的阻尼因子,太大:脉冲宽度太宽,太窄:输出功率减小,一般选0.30.5,由,可得,为阶跃管的结电容的容抗,3 输出滤波器,输出频率为，在其两边为 和 的旁频，滤波器的作用是滤去旁频，输出需要频率的信号,输入信号的频率范围为,输出信号的频率范围为,为了保证单一频率输出，应该保证,即,综合考虑为,或,为了对旁频有足够的衰减，实际中常选,滤波器的输入阻抗为谐振回路的负载，输出阻抗为标准阻抗50欧姆,4 效率,效率包括脉冲发生器的效率，谐振电路的效率，滤波器的带内损耗等。,输入,输出,隔直电容,轭流圈,偏压电阻,匹配电容,匹配电感,调谐电容,激励电感,阶跃管,谐振线,耦合电容,防寄生振荡电阻,输入,输出,偏置线,谐振线,
