《倍頻器和上變頻器》ppt課件

1、第三章 倍頻器和上變頻器,3.1 引言 Introduction,倍頻器的功能是當(dāng)一個(gè)正弦波輸入時(shí)，輸出信號(hào)是輸入信號(hào)的n次諧波。,產(chǎn)生微波信號(hào)的方法有：,1.直接振蕩，如磁控管、速調(diào)管、雪崩管、體效應(yīng)、晶體管振蕩器等,2.倍頻放大鏈,①采用非線性器件產(chǎn)生輸入信號(hào)的諧波，利用濾波器取出所需要的諧波,直接振蕩所產(chǎn)生的微波信號(hào)往往信號(hào)的頻譜純度及頻率穩(wěn)定度不高,②鎖相環(huán),本章討論變?nèi)莨鼙额l器和階躍管倍頻器，它們均屬于直接倍頻的方法,變?nèi)?/p>

2、管倍頻器效率高、主要用于倍頻次數(shù)較低的場(chǎng)合，單級(jí)倍頻次數(shù)小于8，二次倍頻效率50%左右，三次40%左右，但當(dāng)倍頻次數(shù)增加后電路復(fù)雜，效率降低，輸出功率迅速下降,階躍管倍頻器適于高次倍頻，單級(jí)倍頻次數(shù)可達(dá)20以上，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但輸入功率小，效率約為1/N。,3.2 變?nèi)莨鼙额l器,3.2.1 基本電路,并聯(lián)型,串聯(lián)型,并聯(lián)型電路流過(guò)變?nèi)莨艿碾娏鳛檩斎牒洼敵龌芈冯娐分?，因此也稱為電路激勵(lì)型,串聯(lián)型電路加在變?nèi)莨軆啥说碾妷簽檩?/p>

3、入和輸出回路電壓的差，因此也叫電壓激勵(lì)型,電流激勵(lì)型電路中變?nèi)莨芤欢私拥?，因此適合于大功率,電壓激勵(lì)型電路中變?nèi)莨軆啥司唤拥?，因此適合于微帶電路,3.2.2 基本原理,1. 二次倍頻器,如果變?nèi)莨艿耐饧与妷簼M足,為零偏壓時(shí)的結(jié)電容,為勢(shì)壘電壓,在倍頻器中，為了提高輸出功率，通常采用大信號(hào)激勵(lì)，即 ，但是當(dāng) 時(shí)， ，且倍頻器輸出諧波也是大信號(hào)，故不能用非線

4、性電容來(lái)分析，而需用變?nèi)莨艿碾妷骸姾申P(guān)系來(lái)分析，下面推導(dǎo)電壓—電荷關(guān)系,變?nèi)莨苌系碾姾蔀?為 時(shí)變?nèi)莨苌系碾姾?，?，即無(wú)電荷,當(dāng) 時(shí),所以,令,其中,為歸一化電荷,則上式簡(jiǎn)化為,變?nèi)莨艿碾妷骸姾申P(guān)系,由于 時(shí)，變?nèi)莨軇?shì)壘近似消失，勢(shì)壘電容也趨于零，即 ，即,為了簡(jiǎn)單選用突變結(jié)變?nèi)莨?忽略損耗電阻,考慮電流激勵(lì)

5、型二次倍頻器,由于濾波器F1和F2的限制流過(guò)變?nèi)莨艿碾娏髦挥蓄l率f1和f2的分量，相應(yīng)變?nèi)莨軆啥穗姾蓂1和q2也只有頻率f1和f2的分量,歸一化,因?yàn)?所以,其中,提取 和 頻率的電壓分量,直流電壓分量為,由 可以得到歸一化輸入和輸出電流,由以上歸一化電壓和電流可以求出歸一化平均輸入、輸出功率,為正，表示向變?nèi)莨茌斎牍β剩?為負(fù)，表示從變?nèi)莨茌敵龉β?，因?yàn)榧僭O(shè)

6、 ，所以輸入功率等于輸出功率，倍頻效率等于100%，但實(shí)際上變?nèi)莨芸偸怯袚p耗電阻，倍頻效率不可能達(dá)到100%，不夠由于該電阻很小，效率很高。,如果 ，即回路調(diào)諧，此時(shí)功率最大,倍頻器的歸一化輸入阻抗,當(dāng) ， 的第一個(gè)分量與 同相，表示輸入阻抗的電阻分量， 第二個(gè)分量滯后 90°，表示為容抗，因此歸一化輸入阻抗為,倍頻器的歸一化輸出阻抗,假設(shè)變?nèi)莨?/p>

7、兩端端接負(fù)載阻抗，則,幅相表示,復(fù)振幅,歸一化負(fù)載阻抗為,當(dāng)負(fù)載阻抗與倍頻器的輸出阻抗共軛相等時(shí)，輸出功率最大，定義該阻抗為倍頻器的輸出阻抗,倍頻器的效率,實(shí)際 ，但很小對(duì)輸入、輸出阻抗影響不大，但對(duì)倍頻效率有影響，當(dāng) 存在時(shí)，輸入電流在 上消耗的功率為,為歸一化電流,當(dāng)變?nèi)莨苌想妷?時(shí)，結(jié)電容達(dá)到最小值,另,所以,另,所以,輸出電流在 上

8、消耗的功率為,有效輸入功率為,有效輸出功率為,為非歸一化功率,倍頻器的效率為,前面的分析中，變?nèi)莨芴幱谇芳?lì)狀態(tài)， 或 ，實(shí)際中為了增加輸出功率，變?nèi)莨芡ǔＬ幱谶^(guò)激勵(lì)狀態(tài)，即在每個(gè)激勵(lì)周期的部分時(shí)間，變?nèi)莨芴幱谡驅(qū)顟B(tài)，由于這時(shí) ，將激勵(lì)信號(hào)短路，因此正向電壓波型被鉗位于 ，過(guò)激勵(lì)下變?nèi)莨艿碾妷骸姾申P(guān)系為,激勵(lì)狀

9、態(tài)系數(shù)定義為,顯然 對(duì)應(yīng) ，這時(shí)為滿激勵(lì),為欠滿激勵(lì),為過(guò)滿激勵(lì),過(guò)激勵(lì)下的分析很困難，需要用計(jì)算機(jī)來(lái)分析。,D=2時(shí)的時(shí)變電荷。,2. 變?nèi)莨芨叽伪额l器,首先看下面電路能否完成高次倍頻,假設(shè)變?nèi)莨苤须娐凡ㄐ螢?電流為,如果使用突變結(jié)變?nèi)莨?，欠激?lì)，則,可見(jiàn)N次諧波電壓和電流之間有90°相差，平均功率為零,即,因此，上面電路不

10、能完成高次倍頻，這是因?yàn)榻o定的條件 ， ，即變?nèi)莨艿碾妷?、電荷關(guān)系為平方率，所以只能完成二次倍頻,為了完成大于2次的倍頻，可以采用以下措施,①改用 的變?nèi)莨?，如緩變結(jié)變?nèi)莨?或其他形式變?nèi)莨?②加大激勵(lì)信號(hào)，使 。使變?nèi)莨艿碾妷弘姾申P(guān)系出現(xiàn)高次非線性項(xiàng),電壓波形被限幅，而出現(xiàn)高次諧波,③在電路上想辦法，如在電路

11、中加空閑回路，如下圖所示,在變?nèi)莨軆啥瞬⒙?lián)一個(gè)損耗很低的空閑支路，如果該支路諧振于,代入 ，可以得到 ， 等頻率的電壓分量，它們與相應(yīng)頻率的電流的相位相差180°，表示三次、四次諧波功率從變?nèi)莨茌敵觥?附加“空閑回路”的作用是將變?nèi)莨墚a(chǎn)生的低次諧波能夠回送到變?nèi)莨埽岣咴俅巫冾l將低次諧波的能量轉(zhuǎn)換為高次諧波的能量。在實(shí)際工程上，為了提高效率，即使能夠完成高次倍頻的電路，

12、也在其中采用空閑回路，不過(guò)若采用過(guò)多的空閑回路，會(huì)使倍頻器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引入許多附加損耗，給設(shè)計(jì)、調(diào)試帶來(lái)困難，所以回路一般不超過(guò)三個(gè)“空閑回路”。,電路舉例,①微帶型二倍頻器,②微帶型四倍頻器,,低通濾波器,高阻線,開(kāi)路線(空閑）,帶通濾波器,3.3 階躍-恢復(fù)二極管倍頻器,階躍-恢復(fù)二極管是一種特殊的P-N結(jié)器件，在正弦波激勵(lì)下，能產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間極短的脈沖，該脈沖含有非常豐富的頻率分量，利用這種性質(zhì)，單次倍頻次數(shù)可以達(dá)到10~20次，

13、而且不需要加空閑回路。,3.3.1 階躍-恢復(fù)二極管的基本特性及參量,變?nèi)莨艿膭?shì)壘電容和電壓的關(guān)系為,當(dāng)線性指數(shù)n為1/15到1/30時(shí),成為階躍-恢復(fù)二極管(SRD)，可見(jiàn)結(jié)電容幾乎沒(méi)有變化,為什么？,對(duì)PN結(jié)采取特殊措施，加大正偏時(shí)的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，使二極管正偏時(shí)有很大的擴(kuò)散電容，此時(shí)二極管等效為一個(gè)很大的電容，呈現(xiàn)低阻，近似短路，反偏時(shí)等效為一個(gè)小電容，呈現(xiàn)高阻，近似開(kāi)路，因此在大信號(hào)交流電壓激勵(lì)下，這種特殊結(jié)構(gòu)的變?nèi)莨艹尸F(xiàn)兩種

14、阻抗?fàn)顟B(tài)，具有電容開(kāi)關(guān)特性。,為了存儲(chǔ)大量電荷，增加少子壽命，階躍管是在P+,N+之間加了一層低參雜的N層,為了存儲(chǔ)大量電荷，增加少子壽命，階躍管是在P+,N+之間加了一層低參雜的N層,正偏時(shí)，在P+區(qū)大量的空穴注入到N區(qū)，由于N區(qū)摻雜濃度低，空穴與N層中的電子復(fù)合機(jī)會(huì)少，從而降低了復(fù)合速度，提高了少子的壽命。,在NN+結(jié)中，由于載流子濃度差別形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，該電場(chǎng)阻止N區(qū)中的空穴擴(kuò)散到N+區(qū)，怎樣增加了N層中的電荷量，在N層兩邊，雜

15、質(zhì)分布近似于突變，有很強(qiáng)的減速場(chǎng)，能夠充分阻止少數(shù)載流子（空穴）離開(kāi)N區(qū)，所以N區(qū)為少數(shù)載流子有效存儲(chǔ)的區(qū)域。,在NN+結(jié)中，由于載流子濃度差別形成一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，該電場(chǎng)阻止N區(qū)中的空穴擴(kuò)散到N+區(qū)，怎樣增加了N層中的電荷量，在N層兩邊，雜質(zhì)分布近似于突變，有很強(qiáng)的減速場(chǎng)，能夠充分阻止少數(shù)載流子（空穴）離開(kāi)N區(qū)，所以N區(qū)為少數(shù)載流子有效存儲(chǔ)的區(qū)域。,當(dāng)少子的壽命大于外加交流電壓的周期時(shí)，則信號(hào)電壓從正向轉(zhuǎn)為反向，正向注入存儲(chǔ)電荷未復(fù)合的剩

16、余少子，在負(fù)半周被內(nèi)電場(chǎng)拉回去。由此形成較大的反向電流，直到某一時(shí)刻，正向期間存儲(chǔ)電荷被全部拉回后，反相電流陡降為很小的反向飽和電流，形成了電流階躍。,當(dāng)外加電壓由正變?yōu)樨?fù)時(shí)，在交流電壓負(fù)半周很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)管子處于導(dǎo)通狀態(tài)，使二極管的整流作用失效。利用階躍管由導(dǎo)通恢復(fù)到截止的電流突變形成窄脈沖輸出，其包含豐富的諧波，故可用來(lái)做高次諧波倍頻器,階躍二極管的等效電路,,正偏時(shí)，流經(jīng)二極管的電流兩端電流由兩部分組成，一是存儲(chǔ)電荷q所形成的電流

17、 ，為主要部分，另一部分少數(shù)載流子復(fù)合形成的電流 ，? 為少數(shù)載流子的壽命，該電流可看成是流過(guò)一個(gè)損耗電阻 的電流，少子壽命愈長(zhǎng)， 就愈大，在理想階躍管中，少子的壽命趨于無(wú)窮大，近似開(kāi)路 ， 。階躍管可以等效為一個(gè)恒壓源?與擴(kuò)散電容CD，的串聯(lián)。,由于CD很大，容抗很小，且當(dāng)信號(hào)很大時(shí)，可以認(rèn)為 ，故理想化等效電路可

18、看成“短路”狀態(tài),反偏時(shí)，存儲(chǔ)的少子將返回，由于存儲(chǔ)的電荷數(shù)量很大，返回需要一定的時(shí)間，一旦存儲(chǔ)的電荷全部返回，擴(kuò)散電容消失，這時(shí)只存在二極管的勢(shì)壘電容，故等效電路如右,理想情況下 ，于是等效電路中只存在勢(shì)壘電容，其值約為,,正向偏置時(shí)，階躍管中存儲(chǔ)大量電荷，t=0時(shí)突然開(kāi)關(guān)接到負(fù)電源上，二極管中電流變?yōu)樨?fù)向電流IR，但由于存在很大的擴(kuò)散電容，二極管電壓不能突變，階躍管相當(dāng)于零偏壓，只有經(jīng)過(guò)時(shí)間ts后，二極管中的電荷才

19、被清除，此時(shí)管子上的電壓變?yōu)樨?fù)偏壓VR，從電流由正向跳變到反向時(shí)開(kāi)始，到電壓為零為止的時(shí)間稱為“存儲(chǔ)時(shí)間”，載流子壽命越長(zhǎng)，存儲(chǔ)時(shí)間越長(zhǎng),反向電流由0.8IR(或0.9IR）下降到0.2IR(或0.1IR）所需的時(shí)間為階躍時(shí)間,另外還有擊穿電壓VB,結(jié)電容,結(jié)電容越小，階躍管越接近于理想開(kāi)關(guān)，但功率容量降低 ， 另外結(jié)電容對(duì)輸出頻率呈現(xiàn)的容抗 也不能太低，否則效率降低,截止頻

20、率,一般要求,動(dòng)態(tài)電阻,正向電壓的某個(gè)穩(wěn)定值下，二極管上電壓的微小變化與電流的微小變化之比，動(dòng)態(tài)電阻越小越好,正向電流,正向流越大越好，大則存儲(chǔ)的電荷多，階躍幅度大,最大耗散功率,二極管上消耗的功率，通過(guò)加散熱器可以增加該功率,3.3.1 階躍-恢復(fù)二極管倍頻器組成和工作原理,方框圖,各級(jí)波形,,偏置電路,,匹配電路,激勵(lì)電感,諧振電路,輸出濾波器,負(fù)載,信源,,脈沖發(fā)生器,原理電路圖,高頻扼流圈,自給偏壓電阻,輸入濾波匹配網(wǎng)絡(luò),激

21、勵(lì)電感,諧振電路和濾波電路根據(jù)具體情況可以是集中參數(shù)或分布參數(shù)電路,隔直流電容,1 脈沖發(fā)生器,電流正向流通時(shí)，階躍管相當(dāng)于短路，故v近似于零，實(shí)際為勢(shì)壘電壓? ，當(dāng)電流反向流通時(shí)，階躍管存儲(chǔ)的電荷開(kāi)始放電，這時(shí)電壓仍為?，放電完畢時(shí)，電路突然減小，階躍管進(jìn)入高阻狀態(tài)，同時(shí)激勵(lì)電感L產(chǎn)生一個(gè)反向感應(yīng)電壓，二極管上有一個(gè)反向高壓脈沖出現(xiàn)，左圖，此后二極管有開(kāi)始正向流通，電壓又回到?，在負(fù)載上得到重復(fù)的，周期為T1的脈沖串。,下面分別討

22、論兩種狀態(tài),①導(dǎo)通期間,設(shè)初始條件為,流過(guò)激勵(lì)電感的起始電流,方程的解為,直流項(xiàng),,余弦項(xiàng),,線性增長(zhǎng)項(xiàng),,當(dāng)電流為正時(shí)，階躍管存儲(chǔ)電荷，當(dāng)電流反向時(shí)存儲(chǔ)的電荷釋放，當(dāng)t達(dá)到ta時(shí)，橫坐標(biāo)上下，正負(fù)電流所包含的面積相等時(shí)，表明階躍管存儲(chǔ)的電荷已全部清除，這時(shí)進(jìn)入階躍期，由于導(dǎo)通期間階躍管等效為一個(gè)電壓為? 的電源，這時(shí)輸出電壓為 ? 。,②階躍期間,存儲(chǔ)電荷釋放完畢，擴(kuò)散電容消失，階躍管等效為一個(gè)勢(shì)壘電容Cj，相當(dāng)于一個(gè)高速開(kāi)關(guān)將大電容

23、換為小電容，適當(dāng)調(diào)節(jié)偏壓V0，使ta正好發(fā)生在負(fù)電流最大的瞬間，即,此時(shí)電感上無(wú)電壓降，同時(shí)階躍管也無(wú)電壓降，回路中能力全部轉(zhuǎn)換為電感中的磁能，如果忽略勢(shì)壘電壓，這時(shí)激勵(lì)電壓的瞬時(shí)值和偏壓V0相等，極性相反，階躍管總的外加電壓為零，因此在分析時(shí)忽略外加激勵(lì)電壓和直流偏壓,回路方程為,整理為,解為,因?yàn)?所以,其中,為一衰減振蕩，上圖中虛線，但由于存在階躍管，當(dāng)振蕩電壓正向達(dá)到接觸電壓時(shí)，階躍管導(dǎo)通，因此衰減振蕩只能維持半個(gè)周期。,脈沖的

24、寬度為,實(shí)際脈沖寬度tp不一定等于半個(gè)周期，但為了保證倍頻效率，脈沖寬度至少小于輸出信號(hào)的周期，故選擇原則為,脈沖的腹點(diǎn)出現(xiàn)在tp/2處，脈沖的幅度為,當(dāng)負(fù)載電阻R較大時(shí)，,將很小，,③輸出脈沖的平均功率,當(dāng)?很小時(shí)(? <0.3)，,④偏置電壓V0,通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓可以控制使階躍發(fā)生在負(fù)電流最大時(shí)，,如前，階躍期間，當(dāng)忽略勢(shì)壘電壓時(shí)，管子上總電壓為零,當(dāng) ，電壓為零，將

25、 帶入上式可得,導(dǎo)通結(jié)束時(shí)( )階躍管上的電流為,聯(lián)立以上各式可以得到?,再由導(dǎo)通結(jié)束時(shí)階躍管上上總電荷為零的條件得,偏壓自給：階躍管的直流分量(整流電流)通過(guò)偏壓電阻Rb產(chǎn)生電壓降得到，Rb的值取決于所需的偏壓及整流電流的大小，可以依下式選擇。,該值僅屬于估算值，實(shí)際中需要進(jìn)行調(diào)整,⑤輸入阻抗,輸入導(dǎo)納對(duì)電流的匹配很重要，可以將電流分解為與基波電壓同相分量IR和正交分量I

26、L，并分別與基波電壓幅度相比，即得到輸入阻抗,， 為阻抗倍乘系數(shù)，它們與N和?的關(guān)系曲線，通常估算輸入阻抗時(shí)，近似認(rèn)為 ， 。為此一調(diào)諧電容將電感分量補(bǔ)償，則輸入阻抗為,⑥脈沖頻譜,輸出電壓脈沖波形為（當(dāng)?很小，并忽略?后）,分解為Fourier級(jí)數(shù),其中,頻譜的相對(duì)值為,n為諧波次數(shù)，當(dāng)n/N=0時(shí)，Cn/C0=1，當(dāng)n/N=3,5,7,…時(shí)， Cn/C

27、0=0,即頻譜的第一個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在n/N=3，即f=3fN=3/tp處，第一個(gè)零點(diǎn)零點(diǎn)以內(nèi)的譜線數(shù)量為n=3/2tp，tp越小，第一個(gè)零點(diǎn)相應(yīng)頻率越高，極限時(shí)tp趨向于零，第一個(gè)零點(diǎn)頻率趨向于無(wú)窮，梳狀譜的間隔為輸入頻率f1，利用這一特性可制作梳狀波發(fā)生器。,在用作倍頻時(shí)，要求tp滿足,2 諧振電路,不加諧振電路,加諧振電路,頻率較低時(shí)諧振電路采用集中參數(shù)電路(f<300MHz~500MHz)，頻率較高時(shí)可以采用分布參數(shù)電路或諧

28、振腔,Cc為耦合電容，其作用是控制負(fù)載對(duì)諧振線的影響，即控制有載Q值。,Cc為無(wú)窮大，耦合過(guò)強(qiáng)，有載Q值過(guò)大，負(fù)載直接接在傳輸線終端，建立不起衰減振蕩，輸出波形仍然為脈沖串，只是時(shí)延四分之一周期。,Cc太小，耦合太弱，負(fù)載得到的功率小，效率低，有載Q高，頻道窄。,如果,則,脈沖,負(fù)載,,同相反射,,延遲,階躍管(此時(shí)階躍結(jié)束，階躍管正向?qū)ǎ尸F(xiàn)低阻),,反相反射,,負(fù)載上得到的電壓為,衰減常數(shù)為,選擇合適的Q值，使衰減振蕩在一個(gè)脈沖周

29、期內(nèi)基本衰減完，一般選為,一個(gè)脈沖周期后衰減為,確定以后，如何確定耦合電容,一般情況下,將串聯(lián)的電容和負(fù)載等效為并聯(lián)形式,,可以用一段傳輸線等效，實(shí)際傳輸線縮短?l,根據(jù)傳輸線理論，長(zhǎng)度為?l 的傳輸線等效的容抗為,根據(jù)傳輸線理論，傳輸線的有載Q值為,假定選擇,則,傳輸線的特性阻抗選擇,當(dāng)脈沖沒(méi)有被負(fù)載反射回來(lái)之前，傳輸線的特性阻抗即為脈沖發(fā)生器的負(fù)載，該阻抗影響脈沖發(fā)生器的阻尼因子?,?太大:脈沖寬度太寬,?太窄:輸出功率減小,一般?

30、選0.3~0.5,由,可得,為階躍管的結(jié)電容的容抗,3 輸出濾波器,輸出頻率為 ，在其兩邊為 和 的旁頻，濾波器的作用是濾去旁頻，輸出需要頻率的信號(hào),輸入信號(hào)的頻率范圍為,輸出信號(hào)的頻率范圍為,為了保證單一頻率輸出，應(yīng)該保證,即,綜合考慮為,或,為了對(duì)旁頻有足夠的衰減，實(shí)際中常選,濾波器的輸入阻抗為諧振回路的負(fù)載，輸出阻抗為標(biāo)準(zhǔn)