毫米波第二六章毫米波固态电路.ppt

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1、毫米波理论与技术第二章 毫米波固态源第六章 毫米波固态电路,2011年4月,毫米波真空管分类,慢波型正交场放大器（CFA）磁控管（Magnetron）速调管（Klystron）行波管（TWT）返波管（BWO）,快波型回旋管（Gyrotron）莱达管（Ledatron）潘努管（Peniotron）,毫米波固态源分类,二端器件IMPATTGunn三端器件MESFETHEMT FETPHEMT FET倍频器,振荡器换能器：DCAC放大器：G非线性电路负阻振荡的基本原理直流静态电阻永远为非负值 R=V/I 0负阻是就动态电阻而言的，即器件V-A特性曲线上某处的斜率 r=dv/di 0,2.1 固态振荡

2、器的一般理论,只考虑稳态振荡时器件中的电流基波分量i(t)=Acos(t+)设器件的微分阻抗和电路阻抗分别为Zd(A)=-Rd(A)+jXd(A)Zc()=Rc()+jXc()则起振条件 Rd(A)Rc()平衡条件 Zd(A)+Zc()=0稳定条件,振荡的三种条件,振荡器噪声分析,注入锁定,1958年Read提出模型1965年Johnston首次从工作在雪崩区的p+n二极管中观察到了微波振荡,2.2 IMPATT振荡器,单双漂结构对比,毫米波IMPATT二极管的封装结构和热模型,IMPATT二极管CW功率随频率变化,IMPATT二极管脉冲功率随频率变化,IMPATT二极管封装结构（100GHz

3、以下）,陶瓷环封装f50GHz,石英环封装50GHzf100GHz,IMPATT二极管开放结构（100GHz以上）,单石英支撑,双石英支撑,直接接触,毫米波二极管波导型振荡电路,腔稳法（不适合毫米波）注入锁定锁相环,频率稳定方法,1963年Gunn发现在外加电场作用下半导体能级间电子转移产生负阻效应RWH（Radley,Watkins,Hilsum）双谷理论模型1964年Kromer证明了二者是同一种效应,2.3 Gunn振荡器,与IMPATT对比，Gunn器件不是结效应器件，而是体效应器件，也称电子转移器件优点：噪声低，适合作低噪声本振缺点：输出功率较低,Gunn与IMPATT对比,Gunn

4、与IMPATT二极管CW功率,Gunn与IMPATT二极管脉冲功率,鳍线振荡器=鳍线谐振器+有源器件鳍线谐振器用一段带有偏置电路和适当调谐电路的鳍线制作有源器件可以是Gunn、IMPATT等二端器件，也可以是FET、HEMT FET等三端器件,6.1 鳍线振荡器,简单的鳍线振荡器,鳍线压控振荡器,平面柱鳍线振荡器,周期栅鳍线振荡器,单栅鳍线振荡器,鳍线FET振荡器,P=P1+P2 理论合成效率可达100%,并联双管合成振荡器,P=2(P1+P2)理论合成效率可达200%这是因为串联可使Gunn管比单个时有更大的负阻，也更容易与阻抗较高的传输线匹配关键：等幅同相合成,串联双管合成振荡器,鳍线串联

5、双管合成振荡器,Gunn二极管和串联双管合成振荡器的等效电路,等效电路,鳍线串联双Gunn管合成振荡器的输出功率,鳍线串联双Gunn管合成振荡器的输出功率稳定度和频率稳定度,D-band(110-140GHz)quasi-optical oscillator,Grooved mirror type Fabry-Perot quasi-optical oscillator,倍频器将交流能量转换为其谐波频率的交流能量，与振荡器将直流能量转换为交流能量不同。倍频器与其说是信号源，不如说是频率变换电路。,2.5 二端器件倍频源,按功能信号倍频功率倍频按器件二端电抗性二极管变容二极管阶跃二极管电阻性二极

6、管三端,倍频器分类,平面管芯结构和台面管芯结构等效电路,变容二极管的管芯结构和等效电路,结电容结电容变化系数=1/3 缓变结=1/2 突变结1 超突变结,变容二极管的非线性特性,零偏压结电容,PN结的势垒电位差,反向偏压绝对值,并联型（电流激励型）和串联型（电压激励型）,二极管倍频电路的基本形式,并联型（电流激励型）特点：二极管上只有f1和Nf1频率的电流优点：二极管可接地，利于散热，适合大功率倍频缺点：二极管与输入输出回路均为并联，使得输入输出阻抗都较低串联型（电压激励型）特点：二极管上只有f1和Nf1频率的电压优点：输入输出阻抗较高，且随谐波次数N的增加，效率下降程度比并联型小，对N3的场

7、合较适合缺点：散热不如并联型,二极管倍频电路两种形式的特点,空闲回路（LmCm）匹配电路偏置电路,倍频附加电路,W频段高功率二倍频电路,输出部分,二倍频器,HBV三倍频器,450GHz单管三倍频器和异质结势垒变容二极管（HBV）器件 M.Saglam 2002,反向并联二极管对,平衡倍频器,35%bandwidth Q-to-W band frequency doubler C.Nguyen 1987,鳍线平衡倍频电路,75-110GHz full waveguide band MMIC tripler M.Morgan 2001,W频段单片集成平衡三倍频器,900GHz平衡三倍频器 2004

8、,900GHz平衡三倍频器性能,三端器件振荡器和倍频器,FET二倍频器（微带结构）,二端器件混频器单二极管混频器（单端混频器）反向并联二极管对偶次谐波混频器二极管平衡混频器二极管双平衡混频器三端器件混频器,6.3 混频器,梁式Schottky二极管俯视图,二极管混频原理,混频器噪声系数和SSB变频损耗,亚谐波混频器,反向并联二极管对偶次谐波混频电路,平衡混频电路,230GHz single ended mixer J.W.Archer 1981,波导单端混频器,SSB变频损耗和噪声温度,单端混频器,亚谐波混频器,亚谐波混频器,300-360GHz sub-harmonic mixer usin

9、g planar Schottky diodes B.Thomas 2005,单脊鳍线亚谐波混频器,Wide-band subharmonically pumped W-band mixer in single-ridge fin-line P.J.Meier 1982,单片亚谐波混频器,E-band monolithic Schottky diode pair subharmonic mixer E.B.Stoneham 2006,单片四次谐波混频器,60GHz Uniplanar MMIC 4 Subharmonic Mixer M.W.Chapman 2002有限宽度地共面（FGC）波导

10、,鳍线共面线平衡混频器,鳍线带线平衡混频器,鳍线带线平衡混频器,微带平衡混频器,V频段单片集成混合环平衡混频器I,V band singly balanced diode mixer C.Florian 2005,W频段单片集成混合环平衡混频器,91-99GHz monolithic HEMT Schottky diode singly balanced mixer Velocium,单片双平衡混频器,70-90GHz monolithic HBT star mixer Velocium,单栅和双栅三端器件混频电路,三端器件平衡混频电路,单片有源平衡混频器,32-46GHz monolithi

11、c GaAs PHEMT balanced mixer Mimix,HEMT器件结构及其等效电路,实际HEMT器件的典型结构,单级、双级,低噪声放大器,56-70GHz monolithic PHEMT low noise amplifier TriQuint,单片低噪声放大器,平衡式分布式（行波式）反馈式有源匹配式有损匹配式,宽带放大器类型,平衡式宽带放大器,分布式（行波式）宽带放大器,反馈式宽带放大器,有源匹配式宽带放大器,有损匹配式宽带放大器,宽带放大器性能比较,80-100GHz monolithic HEMT balanced,3-stage,low noise amplifier TriQuint,平衡式放大器,DC-60GHz monolithic MMHEMT low noise amplifier TriQuint,单片分布式（行波式）放大器,18-50GHz monolithic GaAs PHEMT distributed amplifier Mimix,单片分布式（行波式）放大器,0.05-50GHz monolithic GaAs PHEMT distributed amplifier Mimix,单片分布式（行波式）放大器,