微波电子线路第三章上.ppt

第3章 微波频率变换器,在雷达、通信及其它微波毫米波系统中要广泛采用频率变换器，它们是微波毫米波发射机和接收机的重要组成部分。频率变换器是一个广义的称呼，其作用是对信号的频谱进行“搬移”，针对特定的输入信号按需要产生频谱变化了的输出信号，以利于实现无线电发射，或者进行进一步的放大、解调等信号处理。从频率变换器的功能来看，其本质必然是非线性变换，需要利用非线性元件。,固态电路中，采用的非线性元件一般是半导体二极管:,非线性电阻二极管,肖特基势垒二极管,非线性电容二极管,变容管、阶跃恢复二极管等,频谱搬移过程主要由非线性电阻完成、即核心元件是非线性电阻的频率变换器称为“阻性变频器”,频谱搬移过程主要由非线性电抗完成、即核心元件是非线性电容的频率变换器称为“参量变频器”。,频率变换器按照功能还可进一步划分为：下变频器、上变频器和倍频器,微波频率变换器,3.1 概述,微波频率变换器,本地振荡信号,中频信号,微波下变频一般采用阻性变频器工作频带可作得很宽，可达几个甚至几十个倍频程，而且动态范围比较大，总噪声系数可以作得相当低,泵浦信号,和频信号,微波上变频一般采用参量变频器它变频效率高、绝对稳定。,微波频率变换器,微波倍频器也是微波毫米波系统中常用的部件，在一些微波设备中，例如频率合成器和微波倍频链中，它更是不可缺少的关键部件之一。,称为倍频次数,原则上，各种半导体元件只要具有非线性，都可以用来构成倍频器。实际上，最常用的是变容管倍频器和阶跃管倍频器。变容管倍频器适用于低次倍频，其效率较高，如果忽略损耗电阻等寄生参量的影响，效率甚至可以达到100；而阶跃管倍频器多用在高次倍频场合，其结构相对简单，倍频次数可达100以上。本章将讨论变容管倍频器和阶跃管倍频器的性能及电路结构。,微波频率变换器,3.2 非线性电阻微波混频器,非线性电阻微波混频器的核心元件是肖特基势垒二极管。常见的非线性电阻微波混频器的基本电路有三种类型：单端混频器采用一个混频二极管，是最简单的微波混频器；单平衡混频器采用两个混频二极管；双平衡混频器采用四个二极管。本节将以元件的特性为基础，分析非线性电阻微波混频器的工作原理及性能指标，包括电路时频域关系、功率关系、变频损耗、噪声特性，并给出各种非线性电阻微波混频器的电路实现（微带电路结构）等。,微波频率变换器,3.2.1 电路工作原理与时频域关系,微波混频器只采用一个肖特基势垒混频二极管，称为单端混频器,是信号源内阻抗，是本振源内阻抗，表示输出负载阻抗，为直流偏压,微波频率变换器,1.输出电流频谱（设）,先假设、和 均被短路;负载电压（输出电压）,加于二极管两端的电压为信号电压、本振电压及直流偏压（或零偏压）之和,肖特基势垒二极管的特性可以表示为:,二极管电流为:,（1）小信号情况,信号电压幅度远小于本振电压幅度,按台劳级数在 处展开为:,微波频率变换器,由于信号电压的幅度很小，可将 以上的各高次项忽略不计,二极管的时变电导,假设混频二极管对所有本振谐波电压都是短路的，仅由正弦本振电压决定,是仅加直流及本振电压时的二极管电流,和 都是本振频率 的周期函数,利用傅立叶级数展开,微波频率变换器,根据第二章第二节混频二极管的交流激励特性可知（忽略反向饱和电流）：,（本振电流）,（信号基波电流）,（输出中频电流）,微波频率变换器,（高次差频电流）,（各次和频电流）,混频电流的主要频谱,频率称为和频，除称为中频外还称为差频，称为镜像频率。,微波频率变换器,得出以下基本结论:,在非线性电阻混频过程中产生了无数的组合分量，其中包 含有中频分量，能够实现混频功能。可用中频带通滤波器 取出所需的中频分量而将其它组合频率滤掉。,中频电流的振幅为.它与输入信号振幅成正比 例。混频器输入端与输出端分量振幅之间具有线性关系,这一点对信号接收时的保真无疑是非常有意义的。,由于本振信号是强信号，在混频过程中它通过二极管的非 线性作用而产生了无数的谐波，每一个谐波都包含了部分 有用的信号功率，是对信号功率的浪费，应该采取措施加 以回收利用，以提高从信号变换为中频的变换效率。但各 谐波功率大约随 变化，因此混频产物电路的组合分量 强度随增加而很快减小。通常只有本振基波和二次谐波 等分量才足够强，对混频变换效率产生较大影响。,微波频率变换器,（2）大信号情况,如果混频器的输入信号是强信号（但可认为信号电压幅度仍远小于本振电压幅度），不能忽略 以上的各高次项。此时信号也将产生各次谐波，混频产物电流的频谱分量将大为增加。,为使问题分析及表达简洁，可以借助欧拉公式把上述各三角函数表示为指数形式:,如果定义，则有：,从而，傅立叶展开的g(t)可以写为：,微波频率变换器,信号电压及其各次幂同样可以写成：,表示为：,混频输出电流的一般表达式,微波频率变换器,大信号下混频的基本结论：,在非线性电阻混频过程中产生了信号和本振所有可能的各次 谐波组合分量，比小信号时丰富得多。其中包含有中频分量，能够实现混频功能。可用中频带通滤波器取出所需的中频分 量而将其它组合频率滤掉。,二极管电流中包含中频分量为：,其振幅可计算出为：,中频电流振幅不再与输入信号振幅成线性关系，将产生非线性失真。,由于信号也产生各次谐波，将有可能在输出端产生组合干扰。,微波频率变换器,3.2.2 电路功率关系与变频损耗,混频器的变频损耗 一般可定义为：,它表示混频器中任意边带频率 到另一边带频率 之间的变频损耗，和 分别表示这两个频率上的资用功率。,由于一般只关注输出中频的情况，可把混频器的变频损耗定义限定为：,和 分别为从信号源和中频输出端得到的资用功率。,1混频器的功率关系,二极管这一非线性电阻中的瞬时功率可表示为：,微波频率变换器,平均功率一般可表示为：,当 时，积分项为1，当 时，积分项为0,对于阻性二极管来说，是时间的实函数，而且对所有的时间来说，则可见 为实数，而且恒有。,考虑到只有信号源对时变电阻 馈给功率，故（信号频率上进入的功率）是正的，而在其它频率（）上均吸收功率，因而它们的功率 均为负值。,微波频率变换器,可得出结论：对于非负的时变电阻 和时变电导 来说，混频器中所有混频产物所得到的总功率不大于信号源所供给的信号功率。,变频损耗不可能小于1，即不可能有变频增益，因而我们所讨论的线性周期时变电阻网络是无源的。由于其无源性，因而它是绝对稳定的，即在任何终端负载和本振条件下都不会产生自激振荡。,在无穷多个混频产物频率中，我们一般仅需要输出一种频率成分，即中频。那些不需要输出的混频产物（称为带外闲频）在相应频率的端口阻抗上造成功率损耗，如果能使混频器对这些无用边带频率造成特殊的终端条件，则可减少有用功率的浪费，减小变频损耗。,相当于在频率为 的端口上分别具有短路、开路和电抗终端,微波频率变换器,2Y混频器及其变频损耗,在各种减小变频损耗的措施中，如果采取的是对所有带外闲频（）提供短路终端，构成的混频器称为Y混频器。,Y混频器电路原理图,所有带外闲频（）都是严重失谐而呈现近似短路的终端阻抗。,相当于前面线性分析中加在混频二极管上的电压只有三个：信号电压、镜频电压和中频电压，因此混频器是三端口网络。,微波频率变换器,Y混频器的电路方程表示为：,或,由于 表示时变电导 各分量的复振幅，表示导纳，因而 矩阵是Y矩阵（导纳矩阵），故把这种混频器称为Y混频器。,以Y混频器为例来具体分析变频损耗。假设本振电压的初相,Y混频器的矩阵方程式为：,微波频率变换器,由于Y混频器除信号端口和中频端口之外，还有一个镜频端口。混频产生的镜像频率同样包含有信号的有用功率，也会造成变频损耗的降低，因此必须对镜频端口进一步施加特殊的终端条件，以利于回收镜像频率混频产物中包含的有用信号功率，进一步降低变频损耗。,Y混频器按照对于镜频端口采取措施与否及采取措施的不同，又可以分为三种类型：镜像匹配、镜像短路和镜像开路，这三种镜像终端由于终端条件不同会有不同的变频损耗性能，为获得最佳变频损耗，对信号源电阻和负载电阻的要求也不同。,（1）镜像匹配情况,镜频距离信号频率仅有二倍中频,从二极管向外电路看去，信号输入回路对镜频的阻抗与对信号频率的阻抗近似相等，这种混频器称为“镜像匹配混频器”。,微波频率变换器,输出电导,一般混频器等效电路,变频损耗,最佳变频损耗 与最佳信号源电导 及输出电导,当 时，这意味着在极限本振激励下，信号输入功率仅有一半变换为有用的中频功率，而另一半会变成镜像功率在信号源内导上消耗掉。,微波频率变换器,变频损耗与本振电压和镜像终端类型的关系,归一化最佳电导与本振电压和镜像终端类型的关系,微波频率变换器,（2）镜像短路情况,如果信号和本振输入回路 和 都是窄带的，对镜像频率它们具有很低的阻抗，可以使得镜像电压 但镜像电流，就会出现“镜像短路”情况。,加有镜像短路滤波器的混频器,在实际电路中，一般是采用“嵌入”镜像滤波器的办法来构造镜像短路，这种电路不要求输入回路具有能区分信号频率和镜像频率的窄带特性，镜像短路由专门的结构来实现。,电路在二极管输入口并联一个窄带的串联谐振回路，谐振于镜像频率，根据串联谐振的特性，该回路对镜像频率提供近似短路的低阻抗，但对信号频率提供高阻抗，因此该回路对信号功率损耗很小,微波频率变换器,当 时，这是因为在镜像短路情况下，包括镜频在内的所有高次闲频分量均被短路而没有功率损耗，故在极限本振激励下，所有信号输入功率都可变成中频功率。当然，实际混频器本振激励是有限的，变频损耗总是大于1，是有耗的。,（3）镜像开路情况,如果在混频器输入端与二极管之间嵌入一个镜像频率的并联谐振回路，它将在镜像频率上呈现高阻抗，使得镜像电压 但镜像电流，就会出现“镜像开路”情况。,在镜频谐振回路两端的镜像电压将又加在二极管上，并与本振再次混频产生中频，又得到有用的中频能量。因此，这里镜像频率的并联谐振回路相当于镜频的能量存储器，并最终把镜频能量再转化为中频能量.,微波频率变换器,加有镜像开路滤波器的混频器,当 时,综合三种类型镜像终端Y混频器的性能，可以得出一些重要结论：,在同样的本振激励功率下，镜像开路的变频损耗最小，而镜像匹配的损耗最大。镜像开路混频器所要求的最佳信号源 电导比镜像短路混频器的小的多，如果给定的信号源电阻较低（约几十欧），那么镜像短路混频器比较容易与信号源匹配，实际上所得性能并不比镜像开路混频器差。,镜像匹配混频器是宽带混频器，它具有存在于本振频率两侧的 信号及镜频通道，是双通道混频器，如果在信号输入端存在一 个频率等于镜像频率的外来干扰信号，能够在中频输出端造成 中频干扰，使混频器性能变坏。,微波频率变换器,镜像短路与开路混频器是窄带混频器，只在本振频率一侧存在 信号通道，是单通道混频器，如果在信号输入端存在一个频率 等于镜像频率的外来干扰信号，它也会被输入回路中的镜像抑 制滤波器（短路或开路）所抑制，不能通过混频器产生输出。,常用镜像匹配混频器来接收宽带信号或调制产生的双边带信号，这时虽然每个通道的变频损耗较大，但中频功率可以是两个通 道之和，这样总变频损耗并不会恶化太多；而用镜像开路或短 路混频器来接收窄带或单边带信号。如果必须用镜像匹配混频 器来接收窄带信号，就必须尽可能“抑制”或“关闭”镜像通道以 减小中频干扰。,混频器对本振源的输入电导 与混频器最佳信号源电导 数 值相近，即混频器与本振源电导 匹配得到的性能与最佳性能 相近。因此实际设计宽带混频器时，常用 来估计，这给 宽带混频器的设计提供了基础和方便。,微波频率变换器,3.2.3 噪声特性,混频器的噪声特性主要用“噪声系数”和“噪声比”来描述。针对混频器输出的核心变频产物-中频，混频器的噪声系数可定义为：,为混频器的变频损耗;,分别为混频器输入和输出的噪声资用功率。,一般把混频器的总输出噪声等效为温度 的电阻所产生的热噪声，称为混频器的等效噪声温度，并可定义混频器的噪声比 为：,为标准噪声温度，一般取常温290K。,微波频率变换器,混频器的噪声系数及噪声比与混频器的电路结构（单或双通道）及信号频谱宽度（单或双边带）有关。,1镜像开路和短路混频器的噪声系数,这时混频器是单通道的，它是二端口有耗网络，其噪声等效电路为：,混频器的输出噪声由两部分构成：一部分是输入噪声经过混频器衰减后的噪声输出功率，另一部分是混频器内部噪声产生的输出功率。,下标“1”表示单通道混频器。将噪声系数用变频损耗和噪声比表示，可得：,混频器的噪声系数近似等于变频损耗，要获得低噪声系数，必须使混频器的变频损耗尽可能低，两者是一致的。,微波频率变换器,2镜像匹配混频器的噪声系数,这时混频器是双通道的，它是三端口有耗网络。对于这种双通道混频器，当信号的边带结构不同时，如单边带（SSB）信号或双边带（DSB）信号，其噪声系数及噪声比是不同的，必须分别讨论。,（1）单边带信号情况,这时信号功率仅存在于信号通道，镜像通道没有信号，但由于镜像通道也存在热噪声，因此将会有两个通道的噪声通过混频产生中频噪声输出，其噪声性能将变坏。,这时噪声系数和噪声比为：,微波频率变换器,（2）双边带信号情况,信号和镜像通道都存在信号功率，因此输出中频功率，而输出的总中频噪声资用功率仍为，故输出中频的信噪比比单边带信号情况增加一倍；而输入信噪比这时并没有改变。噪声系数为:,如果用双通道混频器来接收“单边带”信号时，由于噪声输出是双通道的，而信号是单通道的，噪声系数要增大一倍，或者说输出信噪比变坏3dB。为了降低混频器的噪声系数以改善灵敏度，应将镜像通道抑制，这样对信号传输无影响，但可将噪声削弱3dB。,微波频率变换器,3混频器-中放组件的噪声系数,在外差式微波接收机中，一般采用混频器-中频放大器组件作为接收前端。由于阻性混频器本身没有增益，其后面中频放大器的噪声影响不能忽略。因此，以混频器作前端器件的整机噪声系数取决于混频器-中放组件的总和噪声系数。,总噪声系数,对于单通道混频器，因,若，可得：,对于双通道混频器接收单边带信号情况:,对于双通道混频器接收双边带信号情况:,微波频率变换器,由于理论上，因此理想的镜像短路（开路）混频器及低噪声中放应获得较小的整机噪声系数。,从以上的分析可见，要获得低噪声，必须降低变频损耗、二极管的噪声比以及中频放大器的噪声系数。在一定的噪声比和中频放大器的噪声系数下，降低是获得低噪声系数的关键。因此低噪声混频器必须具有低损耗。,4本振源引入的噪声,在计算噪声系数和噪声比时，除混频二极管本身产生噪声外，仅考虑了信号源部分的噪声输入在中频端造成的噪声输出。实际上，本阵源也会有噪声，并会将其噪声引入混频过程，对混频造成影响。由于本振源谐振滤波器的作用，噪声频谱包络与谐振器的频率特性相同。,微波频率变换器,本振源输出噪声频谱,本振源有效噪声频谱,在微波波段，噪声系数增加大约23dB，这是一个可观的数值，因此在电路设计中必须尽可能采取措施消去本振噪声的影响。,微波频率变换器,3.2.4 混频器的其它电气指标,如果信号端口与本振端口的隔离较差，将会发生信号能量泄漏到本振端口，造成能量损失，以及本振能量泄漏到信号端口，造成信号源的不稳定及向外辐射能量，因此要求信号端与本振端之间保证一定的隔离度。,1信号端口与本振端口的隔离度,用 表示输入信号功率，表示信号泄漏到本振端口的功率，则隔离度定义为：,用 表示输入本振功率，表示本振泄漏到信号端口的功率，则隔离度定义为：,根据互易原理，。,混频器输入端反射不仅导致失配损耗，而且当混频器为接收机前置级时，由于反射信号在天线与接收机之间来回传输，使输入端信号产生相位失真。在某些相位关系要求严格的系统里，对输入驻波比有特别严格的要求，在一般情况下，要求输入驻波比小于2。,2输入驻波比,微波频率变换器,3动态范围,混频器的动态范围指能够使混频器有效工作的输入电平范围。,微波频率变换器,频带宽度是指满足各项指标的混频器工作频率范围，它主要取决于二极管的寄生参量及组成电路各元件的频带宽度。,4频带宽度,可见当输入电平较低时，输入功率与输出中频功率成线性关系，变频损耗也是常数；当输入功率增加到一定电平时，由于大信号作用，寄生频率增多，使变频损耗增加。可定义变频损耗相对于低电平恒定值增大1dB时的输入电平为“1dB压缩点”。,