第三讲微波混频器原理.ppt

第3章微波混频器微波混频器的工作原理微波混频器是通信、雷达、电子对抗等系统的微波接收机以及很多微波测量设备所不可缺少的组成部分。它将微弱的微波信号和本地振荡信号同时加到非线性元件上,变换为频率较低的中频信号,进一步进行放大、解调和信号处理。图 3-1 是微波混频器的原理图,对它的基本要求是小变频损耗和低噪声系数。第3章微波混频器图 3-1 微波混频器的原理框图第3章微波混频器 目前微波混频器主要采用的是金属-半导体构成的肖特基势垒二极管作为非线性器件。虽然二极管混频有变频损耗, 但其噪声小、频带宽(可选多倍频程)、工作稳定、结构简单,方便用于微波集成电路。近年来,由于微波单片集成电路的发展, GaAs 肖特基势垒栅场效应管及双栅 MES FET 混频器的研制成功,使混频器电路得到新的发展。目前,结合低噪声放大器、混频器、中频放大器等单元的集成接收组件已经广泛被使用于各种微波系统。第3章微波混频器 微波混频器的工作原理 通常,微波混频器是一种非线性电阻频率变换电路。微波混频器的核心元件是肖特基势垒二极管。常见的微波混频器基本电路有三种类型:单端混频器使用一个混频二极管, 是最简单的微波混频器;单平衡混频器使用两个混频二极管;双平衡混频器采用四个混频二极管。本节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, 并给出各种微波混频器的电路实现等。第3章微波混频器 本振激励特性——混频器的大信号参量如图 3-2 所示,在混频二极管上加大信号本振功率和直流偏置(或零偏压)时,流过混频二极管的电流由二极管的伏安特性来决定。加在二极管上的电压是直流偏置与本振信号之和,二极管的伏安特性近似为指数函数,即则流过二极管的大信号电流为 0 L L sa ( ) cos ( ) e v u t E U t i f v I ??? ?? ? 0 L L 0 L L ( cos ) 0 L L sa cos sa ( cos ) e e e E U t E U t i f E U t I I ? ??? ???? ? ??? ?(3-1) (3-2) 第3章微波混频器图 3-2 混频二极管加直流偏压和本振功率时的原理图第3章微波混频器显然,流过二极管的大信号电流是本振功率ω L的周期性函数,可用傅里叶级数表示为式中:直流分量 n次谐波电流幅值 本振基波电流幅值(3-3) 0 L 1 2 cos nn i I I n t ???? ?? 0 0 sa 0 L e ( ) E I I J U ???? ? 0 sa L e ( ) E n n I I J U ???? ? 0 L1 1 sa 1 L 2 2 e ( ) E I I I J U ??? ?? ?第3章微波混频器 当αU L足够大时, 有故直流分量和本振基波电流幅值为即I L1≈2I 0 (3-4) L LLe ( ) 2π U n J U U ???? 0 L ( ) sa 0Le2π E U IIU ????第3章微波混频器则所需的本振激励功率为 混频器对本振呈现的电导为 可见,当 U L一定时, G L值随直流电流的增大而增大, 因而可以借助于调整 E 0来调节 I 0,从而改变 G L使本振口达到匹配。在实际工作中,因为微波波段很难测量 U L,所以通常由测量 P L和I 0来测定 U L和G L。(3-5) L L1 L 0 L 12 P I U I U ? ?? ? 0 L1 L L L 2IIG U U ? ?(3-6) 第3章微波混频器 当混频二极管上只加直流偏压 E 0和本振功率时,混频二极管呈现的电导为 式(3-7) 说明当本振电压随时间作周期性变化时,瞬时电导g(t)也随时间作周期性变化,故称为时变电导;同样 g(t)也可以展成傅里叶级数: (3-7) 0 L L 0 L L cos 0 L L ( cos ) sa d | '( cos ) d e