取样技术在电子测量仪器中的应用之一是取样示波器，它是一种高频高速显示仪器，能够对高频信号进行取样并显示其波形。

本文研究了基于肖特基二极管的取样混频器的频率响应，并预测了微波频率下混频器的转换损耗变化。

研究背景

·  研究问题：在微波频率范围内，肖特基二极管谐波取样混频器的转换损耗变化是研究的关键问题。这些混频器广泛应用于微波相位锁定合成器和测量仪器中，其性能对微波信号的频率转换至关重要。
·  研究难点：实际应用中，取样波形与理想的矩形脉冲存在显著差异，这导致了频率响应的预测与实际性能之间存在偏差。研究难点在于如何准确模拟和分析有限上升时间的取样二极管（SRDs）和取样电容对频率响应的影响。
·  文献综述：先前的研究基于矩形脉冲近似来预测频率响应，但这种简化忽略了实际电路中SRDs的有限上升时间和取样电容的影响。本文提出了一种分析模型，用于模拟肖特基二极管取样混频器的行为，并通过实验验证了模型的准确性。

研究方法

·  采样混频器频率响应分析：通过时间域和频域分析二极管导电波形来预测微波频率下肖特基二极管谐波采样混频器的转换损耗变化。使用混频器的电路模型来找到控制采样混频器时域行为的非线性积分-微分方程。采用迭代方法确定二极管导电波形，其傅里叶变换即为采样器的频率响应。实验验证了在2至40 GHz范围内，三种不同采样电容值和两种不同采样腔延迟下的结果。
·  电路模型与非线性方程：构建了用于模拟肖特基二极管采样混频器电路行为的分析模型，并从模型中发展出非线性积分-微分方程来描述时域行为。使用标准迭代技术解决二极管导电波形的非线性时域方程。采样混频器的频率响应通过二极管导电波形的傅里叶变换获得。

实验设计

·  实验验证：使用了采用GaAs采样混频器MMIC的混合薄膜电路来验证计算机模型的有效性。实验中使用了三个不同的GaAs芯片，它们的采样电容值分别为0.25 pF、0.5 pF和1.5 pF。在整个实验中，SRD脉冲电路的激励设置为1.5 GHz，20 dBm。为了保证0.25 pF情况下的转换效率不会因电容无法在全采样周期内保持电荷而降低，选择了L波段的采样频率。通过在一组离散的RF频率上进行测量，将RF源和IF放大器引起的转换损失变化控制在±1 dB以内。
·  采样电容与延迟时间的影响：研究了采样电容值和采样腔延迟时间对采样混频器频率响应的影响。通过改变采样电容值和采样腔延迟时间，观察了采样波形的变化以及这些变化如何影响频率响应的形状。

结果与分析

·  频率响应预测与实验对比：计算出的二极管导电波形的傅里叶变换与实验测量的转换效率进行了对比。预测和测量的响应已经归一化到三种采样电容值的最低转换损失。结果表明，随着采样电容值的增加或腔延迟时间的缩短，采样器的频率响应变得越来越类似于sinc(Tf)响应。这是由于导电波形的更突然终止所致。对于小的采样电容值，导电波形在反射脉冲返回之前已经衰减到峰值的很小一部分。对于较大的电容值，导电波形在被截断时的幅度是峰值的较大百分比，从而增加了频率响应中sinc(Tf)零点的深度。
·  理想脉冲近似与实际波形的对比：使用理想脉冲近似预测的频率响应与实际波形模型预测的频率响应进行了对比。结果表明，导电波形模型比理想脉冲近似更准确。

总体结论

·  采样混频器设计的指导：本研究开发的计算机模型有助于理解微波频率下采样混频器转换损耗的变化。通过二极管导电波形的傅里叶变换预测了转换损耗，并为三种不同采样电容值提供了2至40 GHz范围内的实验验证。这些结果已被用于设计一系列适合生产制造且对SRD参数变化不敏感的集成采样混频器产品线。