微波电子线路大作业3.docx
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微波电子线路大作业3
微波电子线路大作业
姓名:
班级:
021014
学号:
一微波振荡器
1微波二极管负阻振荡器电路
a负阻振荡器振荡条件
二极管负阻振荡器的等效电路如图所示,短路(或开路)双线L等效微波谐振腔,变压器表示微波阻抗变换器。
可将图(a)进一步简化为图(b)所示的一般等效电路,从器件向外看去为负载输入导纳YL=GL+jBL,负阻器件的输入导纳表示为YD=-GD+jBD。
图二极管负阻振荡器
(a)二极管负阻振荡器等效电路(b)负阻振荡器原理图
微波二极管振荡器是单端口负阻振荡器,在稳定状态下应满足YD+YL=0。
⏹振幅平衡条件:
-GD+GL=0
⏹相位平衡条件:
BD+BL=0
振荡器通常工作在大信号状态,负电导GD在起振后有所降低.为易于起振,设计时使负载电导GL略小于GD(取GD≈1.2GL)。
因此负阻振荡器的振荡条件也可写为:
GD≥GLBD=-BL
b负阻振荡器电路
微带振荡器:
体效应管与微带线并接,偏置通过微带低通滤波器加入。
图6-2(a)中器件的右边是一段长度为L的终端开路微带线,它等效于一个电抗网络,选择线段长度在λg/4 器件左边的渐变微带线起阻抗变换作用,使50Ω负载电阻变换成器件负阻值。 2晶体管振荡器 a反馈振荡器的振荡条件 振荡器设计与放大器设计很类似。 可以将同样的晶体管、同样的直流偏置电平和同样的一组S参数用于振荡器设计,对于负载来说,并不知道是被接到振荡器,还是接到放大器。 反馈振荡器示意图 (a)反馈振荡器电路框图(b)S参数等效网络 振荡平衡条件为: b负阻振荡器的振荡条件 当潜在不稳定晶体管的一个端口具备一定的端接条件时,另一端口的输入阻抗呈现负阻,等效为一个单端口的负阻器件。 只要在该端口所接负载的正阻成分大于输入阻抗中的负阻成分,放大器就不会自激。 若要构成晶体管振荡器,则是相反的情况。 振荡平衡条件为 Γ1ΓS=1 或 Γ2ΓL=1 或表示为幅值平衡与相位平衡条件: |Γ1ΓS|=1 ∠Γ1+∠ΓS=2nπ (n=0,1,2,…) 或 |Γ2ΓL|=1 ∠Γ2+∠ΓL=2nπ(n=0,1,2,…) 式中的Γ1、Γ2由晶体管的大信号S参数所决定。 在运用分析晶体管放大器时的某些概念和方法时,需注意振荡器在起振时是小信号条件,而后稳定于大信号状态。 1以上输入端口或输出端口的振荡条件可任取其一。 可以证明,一个端口满足振荡条件,则另一个端口必同时满足振荡条件。 2振荡器本无所谓输入端、输出端之分,两个端口皆可输出功率。 一般将接负载获取功率的端口称为输出端口,而另一端口接无耗电纳,称为输入端口。 3负阻振荡器电路的框图可用上图来表示,图中端口1-1接的无耗电纳使得端口2-2呈现负阻,即某些ΓS导致|Γ2|>1,然后由输出端口进行调谐和匹配,即实现|Γ2ΓL|>1。 随着振荡幅度的增长,晶体管在大信号条件下的S参数变化,端口2-2的负阻呈减小趋势,振荡将稳定于Γ2ΓL=1的状态。 4ΓS对应的源阻抗为ZS=RS+jXS。 随着振荡幅度的增加,端口1对应的R1将变得不够负,振荡难以维持(RS+R1<0)。 因此,设计时应选择RS=R1/3。 XL=-X1. 二PIN管微波开关 PIN管在正反向偏置下的不同阻抗特性可用来控制电路的通断,组成开关电路。 PIN管开关电路按功能分为两种: 一种是通断开关,如蛋刀单掷开关,作用只是简单的控制传输系统中微波信号的通断;另一种是转换开关,如单刀双掷、单刀多掷开关,作用是使信号在两个或多个传输系统中转换。 若按PIN管与传输线的连接方式,可分为串联型、并联型一级串/并联型三种;从开关结构形式出发,可分为反射式开关、谐振式开关、滤波器型开关、阵列式开关等。 1单刀单掷开关 (1)开关的正反衰减比 下图为单管串联型和并联型开关的原理图及其微波等效电路图。 图中分别为PIN管的等效阻抗和等效导纳,分别为传输线的特性阻抗和特性导纳,a、b分别为网络的归一化入射波和反射波。 (a)串联型原理图;(b)串联型等效电路;(c)并联型原理图;(d)并联型等效电路 设开关输入端信号源的资用功率为,输出端负载吸收功率为。 则定义开关的衰减L为 若开关网络用散射S参量来表征,且假设开关插入在匹配信号源和匹配负载之间,则上式化为 (2)基本原理 如果PIN管正、反偏时分别为理想短路和开路,则对上图(a)的串联型开关来说,PIN管理想短路时,开关电路理想导通;PIN管理想开路时,开关理想断开。 对(c)图的并联型开关来说,情况相反,PIN管短路,对应开关断开;PIN管开路,对应开关导通。 由于封装参数的影响,对于单管开关无论是串联型还是并联型,都只能在固定的某几个较窄的频率区间有开关作用,而实际的工作频率常常不在这些区域。 为了扩展开关的工作模区,改善开关性能,有的直接把管芯做在微波集成电路上;也有采用改进的开关电路,其中常用的有谐振式开关、阵列式开关和滤波器型开关。 2.单刀双掷开关 最普通但又最常用的单刀多掷开关是单刀双掷开关,它把信号来回换接到两个不同的设备上,形成交替工作的两条微波通路。 其典型的例子是雷达天线收发开关,发射机和接收机共用一个天线,用一个单刀双掷开关来控制。 右图表示一并联型单刀双掷开关的原理图。 管截止,或反之。 并借助1/4波长线的阻抗变换作用,使输入信号全部从B或A中的一个端口输出,此端口为导通通道,同时另一端口为断开通道。 但是该单刀双掷开关需要两个偏压源,为节省偏压源,实际中常采用一个偏压源控制并联型单刀双掷开关电路(如下图),在此电路中,接在并联的枝节上。 当都处于反偏时,B路接通;当都处于正偏时,A路接通。 因此可共用一个偏压源。 3.开关时间和功率容量 PIN管用作开关时,其开关时间必须满足系统对开关速度的要求,为提高开关速度,应尽量减薄I层,使储存电荷减少。 在这种情况下,开关时间基本上由载流子在I层的渡越时间决定,而与载流子寿命无关。 但I层太薄,使二极管反向击穿电压减小,承受微波功率也减小,因此提高PIN管开关速度受限于两项极限参数,即开关时间和功率容量。 (1)开关时间 右图表示PIN管从正偏电流突然转向反偏时的情况。 设正偏时I层储存的电荷为,当换成反偏时,I层储存的电荷一部分被反向电流吸出,另外一部分则继续复合,形成复合电流。 显然,单位时间内层中电荷减少量等于单位时间内从I层流出的电荷量与复合电荷之和,即 考虑到t=0时,,可解得 假设时,电荷全部清除,即,当时,开关时间可近似表示为 由此可见,当PIN官给定后(已定),加大反向电流可使开关时间减少。 所以应为PIN管开关制作具有内阻小而又能输出大的反向偏压的专门驱动器。 (2)功率容量 当PIN管导通时,功率容量的限制因素是最大允许的功耗,当PIN管截止时,功率容量的限制因素是反向击穿电压。 开关的功率容量是指开关所能承受的最大微波功率,它不仅与管子的功率容量有关,还与开关电路的类型(串联或并联)、工作状态(连续波工作或脉冲工作)及具体结构(散热性能)有关。 三PIN管电调衰减器和限幅器 用电信号控制衰减量的衰减器称为电调衰减器。 利用PIN管正向电阻随偏置电流连续变化的特性,可以做成各种类型的电调衰减器。 电调衰减器可用于振幅调制和稳幅系统。 1、环行器单管点调衰减器 此电调衰减器的衰减由偏置电流来控制。 偏置电流经过直流偏置电路加到二极管上。 环行器的作用是使得输入电路能得到较好的匹配。 这种单管电调衰减器的衰减量为 式中: 2、吸收阵列式衰减器 为了使系统频带展宽、衰减量的动态范围增大及能承受较大的功率,可采用多个并接在传输线上的PIN管,管间相互间隔为1/4波长的阵列衰减器。 加正向偏置的PIN管等效为正向电阻,随着管子正向偏电流的改变,各电阻阻值发生变化,故为一个电调衰减器。 工程中通常采用多节级联。 由于输入驻波比主要取决于前面几个单节,因此在实际应用中,一般仅把三个管子的正向电阻形成渐变分布,而后面的管子则按等元件阵排列。 3、PIN管限幅器 电调衰减器是利用外加偏置电流来控制其衰减量的,所以有时称之为控衰减器。 某些情况下,要求微波信号通过控制电流时能自动控制电路的衰减。 利用PIN管在零偏加微波信号时的阻抗特性,可实现此目的。 因此零偏PIN管常作为雷达接收机高放、混频前的限幅器。 当微波信号超过某一电平时,由于PIN管阻抗显著变小而使通过PIN管的衰减量显著增大,从而限制输出功率在一定电平以下。
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- 关 键 词:
- 微波 电子线路 作业
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