微波基础之混频器和检波器
混频与检波,均是一种频率变换过程.它在各种微波系统中,特别是在微波接收机中是必不可少的.和低频无线电接收
机一样,超外差微波接收机具有较高的灵敏度.它把从天线接收到的已调制的微波信号(调幅、调频或调相)与接收机的
本振混频,变换为中频已调波,然后由中频放大器放大,再进行解调,输出调制信号,而直接检波式微波接收机,则将接收
到的微波脉冲(或其它形式的调幅波)经检波后直接变换为视频脉冲(或其它形式的调制信号),然后经视频放大器放大输
出.它结构简单,但灵敏度低.
微波混频器和检波器还经常应用于微波测试系统中.例如,利用混频器将微波信号变换为较低的频率信号,以便进
行相位、衰减和频率参数的测量；在扫频稳幅系统中，均利用检波器进行微波功率的检测，而在这些应用中,由于工作
电平较高, 对灵敏度要求不高；但要求工作频带宽. 为了实现混频和检波，必须采用非线性电阻元件。点接触二极管及肖特基势垒二极管由于它们的伏安特性具有非
线性的特性，均可作为非线性电阻元件，用于混频和检波。目前应用最广的是肖特基势垒二极管。
下面将分别讨论肖特基二极管、混频器及检波器的工作原理及其结构、性能等. 一、金属—半导体结二极管
点接触二极管和肖特基势垒二极管都是由金属和半导体结构构成的二极管.它们的结构如图7—12所示。点接触二极管
是用一根金属丝(钨丝或磷铜丝)压接在半导体表面(锗、硅或砷化镓)而形成的二极管，金属丝的尖端很小，其直径仅
几微米，所以叫做点接触二极管.这种二极管可用作混频和检波，直到50年代末，它还是微波领域中常用的半导体器体
.60年代初，随着半导体平面工艺的发展，才出现面接触型的金属—半导体二极管，叫做肖特基表面势垒二极管(或简
称肖特基势垒二极管)，如图7—12(b)所示。这种二极管是在重掺杂的N型半导体衬底(层)上生长一外延层(N层
)，在外延层表面利用氧化工艺形成
保护膜，利用光刻技术开一几微米的小孔，再蒸
发一层金属膜，并在其上制
作电极焊上引线，最后封装而成。 1．金属—半导体结二极管的工作原理 众所周知，金属中的自由电子不可能自由地跑到金属外面，如果要自由电子离开金属就要对它作功，消耗一定的
能量，不同的金属所需的能量数值不同，这个能量称为功函数或脱出功。不同的半导体其功函数也不同.考虑金属(例
如钼)与N型半导体(例如硅)接触。接触前，金属的脱出功该金属费米能级
差，即
(7-48)
对于N型半导体，其脱出功
(7-49)
如图7—13(a)所示.图中顶。接触前，由于金属
钼的脱出功比N型半导体的脱出功大，即
.N型硅的费米能级高于钼的费米能级，
是金属的导带底，
是半导体的导带底，
是半导体价带
为
之
是体外静止电子能量
与
这种费米能级的差别意味
着电子密度分布的不同。当金属和半导体接触后，N型硅中的电子将向钼中扩散，接触面的钼侧带负电，硅侧带正电，形成宽度为d的空间电荷区，在这个区存在的内部电场构成了高度为
的表面势垒。在平衡状态下，两
个费米能级处于同一位置，如图7—13(b)所示。
如同PN结二极管工作时一样，当金属—半导体接触面被正向偏置时，外加电场E的方向是由金属指向半导体，与势垒区 内部电场
方向相反，因而削弱了势垒区内部电场，使势垒高度和宽度减小，结果是电子
从半导体流向金属，外电
路中便有正向电流流过。当正向偏压增加时，正向电流将指数增加。当金属—半导体接触面被反向偏置时，外加电场
E的方向与内部电场
方向相同，使势垒高度和宽度增加,这时，半导体中能够越过势垒顶
部的电子数目几乎减小到
零。
上面的讨论可以看出，金属—半导体结的性质类似于P-N结的单向导电性，但金属—半导体结与普通P-N结二极管
也存在明显的区别，主要在于金属半导体结是多数载流子器件，而P-N结中少数载流子也参与导电，因为少数载流子有
一定寿命，迁移率也较低，从而限制了P-N结二极管的高频特性。而金属—半导体结不存在这种限制，因而高频特性好
，开关速度快.当工作频率很高时，P-N结中少数载流子的复合跟不上高频周期的变化，在负半周少数载流子将返回原
来区域，形成一定的反向电流，使整流作用变坏，更高频率时，甚至起不到整流作用，而金属—半导体结是不存在这
些问题的.
2．特性、等效电路和参数
根据上面的讨论和实际的测量，可画出点接触二极管及肖特基势垒二极管的伏安特性，如图7-14(a)所示。从图
中曲线可以看出，肖特基管和点接触二极管相比，具有反向击穿电压高及正向电流起始晚的主要特点。
金属—半导体结的伏安特性，可用下式表示:
(7-50)
式中
为反向饱和电流；e为电子电荷;k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；V为外加偏压；
n为斜率因子，它决定于制
造工艺，由实验确定.当金属—半导体结交界面非常纯净且无任何缺陷时， 情况下，
，一般
金属—半导体结二极管的等效电路如图7—14(b)其中 容，均随偏压而变化。一般 正向的 到1PF；
为几欧姆，反向的 是串联电阻
为几十千欧；
和 分别为势垒电阻和势垒电
和结面积有关，其变化范围在百分之几
，决定于半导体的衬底和外延层的体电阻，其值约在十分之几到几欧姆； 引线电感(几个nH)和管壳
电容(十分之几PF).在这些参数中，起混频作用的是 的分流降低了通过
的射频电流，使整流和混频效率降低。 截止频率
为
，而
和
和 分别是
一般不起好的作用，
的存在使外加射频电压损失一部分。器件的
(7-51)
由式7—5l可见，
乘积越小，截止频率越高，器件的特性越好。截止频率
决定了
点接触及肖特基管的最高
使用频率，通常要求零偏压截止频率
为使用频率的20倍以上。
肖特基势垒二极管和点接触二极管相比，具有如下优点；即它的伏安特性更接近理想二极管的伏安特性，击穿电
压高，串联电阻低，势垒电阻变化大(，噪声低、具有更高的混频和整流效率。而且肖特基管使用了半导体平面工艺，
改善了机械强度，提高了可靠性和稳定性，且同一性和重复性更好，从而肖特基势垒二极管已广泛用于厘米＼毫米波
甚至亚毫米波波段。 二、微波混频器
下面用肖特基势垒二极管作混频器件讨论微波混频器的工作原理、性能指标及常用的微波混
频器的结构。 1．混频原理
肖特基管具有优良的正向非线性伏安特性，已广泛用于构成微波混频器。但因其正向导电电压较高(0．3～0．
5v)，使用时要加直流偏压 弱信号
于1μW)和本机振荡信号 极管上的电压为
(7-52)
假定二极管的伏安特性可用下式表示
(7—53)
，将式(7—52)代入(7—53)式，并在工作点处展开为台劳级数，即，
(功率电平在1mW以上)，同时加到肖特基管上。这样，加在二
(功率电平低
，作为外差接收机前端的混频器，通常是把从天线接收到的微
(7—54)
上式右边第一项表示直流、本振及其谐波的电流，第三项及其以后各项是高次项可以略去不计，值得注意的是第
二项，在这里令
(7-55)
g是肖特基管微分电导，将随本机振荡信号作周期变化，即它是一个随时间作周期变化的函数，且是偶函数。将
它展开为傅里叶级数，即
(7-56)
式中
(7-57)
(7-58)