第四章微波混频器和检波器[1]

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发射模块 IF T AGC PLL1频率源 PLO PLL2×5×2 LNA二中频 (IF S)

PA×5×4

fs双工

fT

一中频接收模块

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第四章微波混频器和检波器

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主要内容肖特基势垒二极管和检波二极管微波混频器工作原理微波混频器的基本电路镜像回收混频器毫米波混频及谐波混频微波集成检波器

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§4.1引

言

混频器 (1)利用非线性或时变元件来达到频率变换的目的； (2)基本上采用肖特基势垒二极管做变频元件； (3)是微波集成电路接收系统中必不可少的部件；检波器 (1)利用固态器件的非线性来产生直流或低频电流及电压，用以检测微波功率； (2)采用PN管或肖特基势垒二极管做检波元件； (3)是微波指示设备中最常用的部件

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§4.2肖特基势垒二极管和检波二级管肖特基势垒二极管——金属-半导体结金属电极金属触丝 N外延层点接触结 N+衬底 N外延层 N+衬底肖特基结势垒金属 SiO2

欧姆接触金属

欧姆接触金属

(a)点接触型

(b)面接触型(面结合型)肖特基势垒二极管管芯结构

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肖特基势垒二极管基本工作原理：(1)处于不同能级状态的电子如果获得足够的能量(> EF,费米能级),就会脱离原子核的束缚，逸出并形成热电子发射； (2) N型半导体的EFs> EFM, EF统一的结果，使M-S交界处的能带发生弯曲，意味着电子位能由N区向金属区逐渐升高，从而形成一个势垒，阻挡电子从半导体流向金属。该势垒高度就是半导体和金属的相对差值

eφs= EFS EFM

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肖特基势垒二极管外加电压作用下的单向导电特性M+++ V+ S I M+++++++++ V+ S I

(a)加正偏置——导通 (b)加反偏置——近似截止 M-S结在外加电压作用下的情况肖特基势垒二极管的基本物理结构是M-S结，其主要物理过程以多数载流子的运动为基础，因此被称为“多子器件”。

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M-S结与PN结的特性比较特性工作机理伏安特性肖特基结多数载流子的运动 PN结少数载流子的扩散i (V )= I s[ exp(αV ) 1] eV ) 1 = I s exp( nkT I M-S结 PN结 V

Is与外加偏压有关；导 Is与外加偏压无关；通电压低；正向电流导通电压高；正向电大；较大的非线性度；流小；线性度较好；较小——微分电导变化较大陡峭，利于混频仅由势垒电容决定，容存在扩散电容；容值值小大较小(高导电率金属代较大替了P型半导体)较低——用于混频、检较大——功率变频/倍波频

结电阻结电容串联电阻击穿电压

M-S结与PN结I-V特性比较

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点接触二极管与肖特基势垒二极管的比较点接触管:不完善的肖特基势垒;面接触管:形成的是完善的肖特基势垒。点接触管：压接力度不同导致肖

特基结的直径不同，因此性能一致性差，可靠性也差；面接触管：结直径、金属膜厚度等均能严格控制，因而性能一致性好，便于设计使用。以上两个优点表现为I-V特性中的工艺修正系数n有所不同。点接触型n>1.4,而面接触型n=1.05~1.1,因此非线性特性较陡。此外，面接触型管的噪声性能也有改善。1 P107 (4.2): n↓=>α↑=> R j↓=> g=变陡 Rj

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肖特基势垒二极管的结构、等效电路与主要参数微波混频二极管的典型封装结构及其等效电路如图所示

保护胶瓷片引线管芯内引线 Cp Cj

Ls

Rj Rs

(a)面接触型微带式封装结构 (b)等效电路混频二极管的封装结构及等效电路

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肖特基势垒二极管的结构、等效电路与主要参数M-S结二极管的截止频率较高，定义 f c为 1 fc= 2πRs C j 0二极管作为混频管使用时主要参数有以下几点：变频损耗：信源资用功率与中频负载吸收功率之比；噪声温度比(简称噪声比):二极管的总输出噪声资用功率与其等效电阻在相同温度下热噪声资用功率kTB之比。n td≈若Rs很小，且Rs<< Rj,则上式简化为： 2 (噪声来源与晶体管相同，包括：散粒噪声、热噪声和闪烁噪声)中频阻抗：加载本振功率后，对中频呈现的阻抗值；其他：整流电流、反向电流、功率容量等；n Rj Pn 2= td= kTB Rs+ R j Rs+

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检波二极管检波二极管多用PN结和肖特基势垒二极管。因微波信号一般比较微弱，所以要求检波二极管的灵敏度很高，检波二极管的输出电压由视频放大器放大，这样就构成了晶体视频接收机，其灵敏度虽低于超外差接收机，但结构简单，也有不少重要用途。Cs Cj Ls Rj Rs

检波管等效电路

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检波二极管检波二极管的I V特性为式中，IS:反向饱和电流，典型值10-16~10-13A,且受势垒高度、结面积和温度影响；V:结两端电压；e是电子电荷；k:波尔兹曼常数；T:绝对温度；n:修正因子，用来计入不可避免的结缺陷和其他热电子发射之外的次要效应，典型值1~1.2。检波二极管的结电容也随外加电压而变化：Cj= C j0 dQ= dV (1 V )γ

eV i (V )= I s exp( ) 1 nkT

φ式中，C j 0:零偏压时的结电容；:二极管势垒电位；γ:电容非线性系数，一般为0.5左右。

φ

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检波二极管的重要电参数电流灵敏度β i:短路整流电流和输入射频功率之比，常以μA/μW表示。βi=q 1× 2nkT 1+ω 2 C 2 Rs Rvf j

表征缺点：与负载关系较大，而且不能反映检波管的噪声性能，近来已较少采用。电压灵敏度γ:检波器输入信号功率前后，检波器负载上电压的变化值与输入的信号功率之比，常以 mV/μW表示；有时也可在测试

条件中给定输入功率，而仅给出负载上的检波电压值，并以mV表示。

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检波二极管的重要电参数正切灵敏度 TSS:在脉冲测试中，没有信号时，检波管噪声输出的上限与有信号时噪声输出的下限在同一水平线上，这时对应的信号电平就是正切灵敏度，以dBm表示。表征优点：能反映出在噪声条件下的检波能力，所以得到越来越多的应用。优质系数M:用于比较不同二极管的质量，它包含电流灵敏度 Rvf和视频电阻β i,M=βi Rvf/ Rvf+ Rn

式中，Rn为第一级视放输入端的等效噪声电阻。对于不同视放，Rn的数值有所变化，一般可取 Rn= 1.2kΩ。视频电阻 Rvf:指检波二极管对视频信号所呈现的电阻，它对于检波器与视频放大器的匹配设计很有用。

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§4.3微波混频器工作原理非线性电阻混频原理二极管混频器的原理等效电路如图所示。在肖特基势垒二极管上加较小的直流偏压(或零偏压)、大信号本振功率 (1mW以上)及接收的微弱信号(μW级以下)。v S (t ) v L (t )ZL

V0

二极管混频器的原理等效电路图