非線性微波電路與系統(tǒng)第六章

1、電子工程學院電子工程學院 徐銳敏徐銳敏 （教授）（教授）地點：清水河校區(qū)科研樓地點：清水河校區(qū)科研樓C309C309電話：電話：6183017361830173電郵：電郵：微波變頻器微波變頻器 變頻器分上變頻器（變頻器分上變頻器（ up-converter）和下變頻器或混頻器）和下變頻器或混頻器（down-converter or mixer）由固態(tài)器件的非線性特性，通由固態(tài)器件的非線性特性，通過本振（過本振（LO），），將中頻（將中頻（IF）信號上變頻到射頻（）信號上變頻到射頻（RF）的電）的電路（部件），或將射頻（路（部件），或將射頻（RF）信號下變頻到中頻（）信號下變頻到中頻（IF）的電

2、）的電路（部件），路（部件），主要用于發(fā)射機或超外差接收系統(tǒng)。是典型的非主要用于發(fā)射機或超外差接收系統(tǒng)。是典型的非線性電路，非線性元件可用二極管和三極管器件構成。線性電路，非線性元件可用二極管和三極管器件構成。一般一般情況下，上情況下，上/下變頻器可以互換使用。下變頻器可以互換使用。RFLOIFRFLOIF上變頻器上變頻器下變頻器又叫混頻器下變頻器又叫混頻器輸出：輸出：IFLORFfff輸出：輸出：LORFIFfff微波變頻器微波變頻器非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng) 上變頻器的主要技術指標 工作頻率和頻帶寬度工作頻率和頻帶寬度 變頻效率變頻效率 變頻損耗變頻損耗 端口隔離度端口隔離度

3、 端口駐波系數(shù)端口駐波系數(shù) 本振功率電平本振功率電平 本振載漏功率和邊帶抑制度本振載漏功率和邊帶抑制度 ICP3 P1dB非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)LORFPPIFRFifPPG 混頻器的主要技術指標 工作頻率和頻帶寬度工作頻率和頻帶寬度 噪聲系數(shù)噪聲系數(shù) 變頻損耗變頻損耗 端口隔離度端口隔離度 端口駐波系數(shù)端口駐波系數(shù) 本振功率電平本振功率電平 P1dB ICP31. 鏡頻抑制度鏡頻抑制度非線性電路與系統(tǒng)非線性電路與系統(tǒng)二極管混頻器二極管混頻器CDSBSSBLdBNFNF3.3 IF頻率幅度0 IFLO RF2 RFLO2LORF3 RF2LO3 LO2RF. LO+ RF2

4、LO2 RFV2 IF混頻器頻譜分析混頻器頻譜分析LPFoutAMP outLORFIFfffRFIFLOMixerLPFAmp非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng) 混頻器分為：混頻器分為：單端混頻器單端混頻器結構簡單，成本低，性能差，一個非線性器件；結構簡單，成本低，性能差，一個非線性器件；單平衡混頻器單平衡混頻器結構較簡單，端口有一定隔離度，對本振調結構較簡單，端口有一定隔離度，對本振調幅噪聲有幅噪聲有25%的抑制，兩個非線性器件；的抑制，兩個非線性器件；雙平衡混頻器雙平衡混頻器結構較復雜，端口隔離度可達結構較復雜，端口隔離度可達20dB以上，以上，對本振調幅噪聲有對本振調幅噪聲有50

5、%的抑制，四個非線性器件；的抑制，四個非線性器件；三平衡混頻器三平衡混頻器結構復雜，端口隔離度可達結構復雜，端口隔離度可達40dB以上，對以上，對本振調幅噪聲有本振調幅噪聲有75%的抑制，八個非線性器件；的抑制，八個非線性器件；鏡頻抑制混頻器鏡頻抑制混頻器由兩只普通混頻器、等幅同相（由兩只普通混頻器、等幅同相（RF）和）和等幅正交（等幅正交（LO）構成，具有鏡頻回收能力，也可作單邊帶）構成，具有鏡頻回收能力，也可作單邊帶調制器或調制器或I/Q調制調制/解調器。解調器。1. 諧波混頻器。本振的諧波混頻器。本振的N次諧波與射頻信號進行混頻。次諧波與射頻信號進行混頻。非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電

6、路與系統(tǒng) 從電路結構上，分為單管式混頻、雙管從電路結構上，分為單管式混頻、雙管平衡式混頻和多管式混頻。平衡式混頻和多管式混頻。 單管混頻器只采用一只二極管，結構簡單管混頻器只采用一只二極管，結構簡單、成本低，但噪聲高、抑制干擾能力單、成本低，但噪聲高、抑制干擾能力差，在要求不高時采用，它是理論分析差，在要求不高時采用，它是理論分析的基礎。的基礎。 平衡式混頻器借助平衡電橋可使本振的平衡式混頻器借助平衡電橋可使本振的噪聲抵消，因而噪聲的性能得到改善，噪聲抵消，因而噪聲的性能得到改善，電橋又使信號與本振之間達到良好隔離，電橋又使信號與本振之間達到良好隔離，因而平衡混頻器是最普遍采用的形式。因而平衡

7、混頻器是最普遍采用的形式。 另外還有（多）雙衡混頻器、諧波混頻另外還有（多）雙衡混頻器、諧波混頻器、鏡頻抑制混頻器等等，可根據(jù)特殊器、鏡頻抑制混頻器等等，可根據(jù)特殊要求而設計。要求而設計。非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)單端混頻器雙工器雙工器低通低通濾波器濾波器RFLOIF雙工器雙工器低通低通濾波器濾波器RFLO雙工器雙工器低通低通濾波器濾波器RFLOIFIF特點：特點：簡單，基礎和廉價，但性能差。簡單，基礎和廉價，但性能差。非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)3dB90電橋電橋RFLOIF平衡混頻器平衡混頻器）特點：特點：由于采用了平衡電路，各端口隔離度大為由于采用了平衡電路，各

8、端口隔離度大為提高，本振的相位噪聲可在兩管電流中抵消，提高，本振的相位噪聲可在兩管電流中抵消，同時也對消了部分組合分量，因此改善了混頻同時也對消了部分組合分量，因此改善了混頻純度和變頻損耗純度和變頻損耗， 能夠抑制本振的調幅噪聲能夠抑制本振的調幅噪聲25%。非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)RFLOIF特點：特點：1、多倍頻程工作帶寬。、多倍頻程工作帶寬。2、混合組合分量小。、混合組合分量小。3、隔離度好。、隔離度好。4、動態(tài)范圍大。、動態(tài)范圍大。5、 能夠抑制本振的調幅噪聲能夠抑制本振的調幅噪聲50%。雙平衡混頻器）雙平衡混頻器）微波巴微波巴倫倫微波巴微波巴倫倫非線性微波電路與系統(tǒng)非線

9、性微波電路與系統(tǒng)特點：特點：1、工作帶寬更寬，、工作帶寬更寬，10倍頻程以上；倍頻程以上；2、混合組合分量更小，、混合組合分量更小，可達可達40dBc以上；以上；3、隔離度更好，可達、隔離度更好，可達40dB以上；以上；4、動態(tài)、動態(tài)范圍大，輸出范圍大，輸出P1dB可達可達10dBm以上；以上；5、 能夠抑制本振的調幅能夠抑制本振的調幅噪聲噪聲75%。6、但需更大的本振功率電平。、但需更大的本振功率電平。三平衡混頻器又叫雙三平衡混頻器又叫雙-雙混頻器）雙混頻器）RFLOIF中頻中頻90電橋電橋微波巴倫微波巴微波巴倫倫非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)3dB90電橋電橋3dB90電橋電橋3

10、dB90電橋電橋功分器功分器3dB90電橋（中頻）電橋（中頻）RFLOIF鏡像抑制混頻器特點特點：中頻中頻3dB90電橋兩個輸出自動固定高本振和低本振電橋兩個輸出自動固定高本振和低本振混頻的中頻信號，由此可對鏡頻進行分離和抑制。混頻的中頻信號，由此可對鏡頻進行分離和抑制。推廣：推廣：如果用作上變頻器，可作單邊帶（如果用作上變頻器，可作單邊帶（SSB）調制器；）調制器；如果不用中頻電橋，可用作如果不用中頻電橋，可用作I/Q調制調制/解調器。解調器。什么鏡像頻率？有什么危害？什么鏡像頻率？有什么危害？非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)諧波混頻器特點特點：由非線性特性，先將本振信號頻率倍頻后，

11、再和射頻由非線性特性，先將本振信號頻率倍頻后，再和射頻信號頻率混頻輸出信號頻率混頻輸出中頻。可降低微波高端以上本振頻率信號中頻?？山档臀⒉ǜ叨艘陨媳菊耦l率信號源的制作難度，降低成本。但所需本振功率較大、變頻損耗源的制作難度，降低成本。但所需本振功率較大、變頻損耗較差，輸出中頻信號的組合分量較多，且本振頻率與中頻頻較差，輸出中頻信號的組合分量較多，且本振頻率與中頻頻率較近，注意低通濾波器和本振端口的設計。率較近，注意低通濾波器和本振端口的設計。RFLOIF中頻輸出：中頻輸出：LORFIFnfff注意：匹配在注意：匹配在fLO上上非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)器件選擇 肖特基勢壘二極管混

12、頻器（無源） 場效應類晶體管混頻器（有源） 雙柵場效應管混頻器（有源）非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)二極管混頻器：二極管混頻器： 結構簡單、工作頻帶寬、噪聲較低、結構簡單、工作頻帶寬、噪聲較低、動態(tài)范圍大、工作穩(wěn)定等動態(tài)范圍大、工作穩(wěn)定等FET混頻器：混頻器： 變頻增益、電路較復雜、需直流供電變頻增益、電路較復雜、需直流供電雙柵場效應管混頻器雙柵場效應管混頻器結構相對于結構相對于FET混頻器簡單，混頻器簡單，LO和和RF端口饋入處可不用微波巴倫。端口饋入處可不用微波巴倫。 非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)6.1.2 混頻二極管模型 非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)非線

13、性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)( )(1)qvkTjsI vI e( )( )( )qvjkTiSjdIvqg vI edvkTqIvkT非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)0( )(1)jjrCC vv012cSjfR C非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)6.1.3基本工作原理 非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)6.2 混頻器的非線性分析（變換矩陣法）大信號分析大信號分析 二極管及其介入網(wǎng)絡二極管及其介入網(wǎng)絡結電容和結電導的變換矩陣結電容和結電導的變換矩陣諧波平衡法諧波平衡法小信號分析小信號分析小信號激勵時的變換矩陣小信號激勵時的變換矩陣變換矩陣法變換矩陣法非線性微波電

14、路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)6.2.1 大信號分析 非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)牛頓法 : 收斂快、效率高容易產(chǎn)生所需要的的初始值反射法: 可靠性高，且無須的初始值。 諧波平衡分析時選擇運算方法主要考慮的原則:收斂的速度和可靠性 非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)6.2.2. 小信號分析 介入阻抗是對二極管呈現(xiàn)的阻抗，它的頻率為：,0, 1, 2, 3,.nponn 二極管阻抗形式的變換矩陣為： 1Re()CjjZIGj C 非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)源端子上的混合電流和電壓向量間的關系為： 1()ecIYVZZV在頻率為 的本振激勵下，二極管的小信號阻抗是：

15、q,1()()inqeqq qZZY假設中頻頻率為 , 則二極管的輸出阻抗為 r,1()()outrerr rZZY非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)在中頻頻率上的輸出功率是：2,1Re()2L IFrerPIZ可用射頻輸入功率是： 2,8Re()qqv RFqVPZe則變頻損耗為： 2,2,2,4Re()Re()14Re()Re()qav RFCL IFreqerr qeqerVPLPIZZYZZ非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)6.3.1 設計方法 在設計混頻器之前必須知道下列幾個參數(shù)：在設計混頻器

16、之前必須知道下列幾個參數(shù)：本振激勵下的二極管射頻阻抗。（輸入）本振激勵下的二極管射頻阻抗。（輸入）本振激勵下的二極管中頻阻抗。（輸出）本振激勵下的二極管中頻阻抗。（輸出）本振的輸入阻抗。本振的輸入阻抗。在不希望的混合頻率以及本振諧波上的二極在不希望的混合頻率以及本振諧波上的二極管的最佳端接阻抗。管的最佳端接阻抗。端口間隔離度。端口間隔離度。 非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)一個問題： 確定端口阻抗必須用變換矩陣法理論進行。一對矛盾： 上述理論只是分析而不是綜合。 非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)一些經(jīng)驗上的考慮 ：1） 在射頻頻率上將二極管視為一個電阻與電容并聯(lián)，電阻一般為50

17、150 。電容在 ，中頻輸出阻抗一般在75150 并有一小電納與它并聯(lián)； 2） 大信號本振輸入阻抗與小信號射頻輸入阻抗接近；CjoCjo5 . 1非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)3） 如果在不希望的混合頻率和本振諧波頻率上開路，則射頻和中頻輸入阻抗的接近（1）中的高端；如果短路，則接近（1）中的低端；4） 開路介入阻抗狀態(tài)，特別是鏡頻的開路介入阻抗狀態(tài)，使中頻輸出阻抗的電抗大增且為感性；5） 短路介入阻抗一般會使混頻器的性能更好些，開路介入阻抗狀態(tài)會引起電路的不穩(wěn)定； 非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)6）開路介入阻抗狀態(tài)時，混頻器變頻損耗最低，噪聲溫度最高，交調最差。短路介入阻

18、抗狀態(tài)時，混頻器變頻損耗變大，噪聲溫度較低，交調變好。 7）鏡頻抑制混頻器的二極管端接狀態(tài)對變頻損耗影響很大，給出最佳變頻損耗的鏡像端接狀態(tài)下不但不會使噪聲溫度達到最佳，而且還可能導致交調性能變壞； 8）在給定二極管和一組介入阻抗時，對偏置、源和負載阻抗，以及本振電平間有一個最佳組合 非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng) FET混頻器的大信號混頻器的大信號小信號分析小信號分析 1 1、大信號分析、大信號分析Zl（np）+-Vdd-+Zs(np)Vs(t)Vgg非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)Vs(t)Vp(p) 即本振源。即本振源。Cgd為為 弱非線性近似為線性元件。弱非線性近似為

19、線性元件。-+Vs(t)Vgg+-VddCgs(Vg）Id(Vg,Vd)V1V2I1I2Zg(np)RgRiCgdCdsZL(np)RdRsLs非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)非線性元件只有兩個非線性元件只有兩個Id（Vg，Vd）和）和Cgs（Vg）。）。諧波平衡方程（諧波平衡方程（n=2）：）：0)(GNNsIQJVYIVF有有IG=Id，V1=Vg，V2=Vd22212012111021QQQQQQQQQ非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)pncnjkdttdqti)()(QJIcppppQ2000000000000000000020000000000000Jacobian矩陣

20、可從第三章獲得，牛頓法求解。矩陣可從第三章獲得，牛頓法求解。非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)小信號分析小信號分析00qprpqr輸入頻率輸出頻率 = q,r 時輸出頻率的負載導納為時輸出頻率的負載導納為YL(1)，輸入頻率的負載導納為，輸入頻率的負載導納為YS(q); q,r 時輸出頻率的負載導納為時輸出頻率的負載導納為YL(1)，輸入頻率的負載導納為，輸入頻率的負載導納為YS(q);由此由此 )()()()(tvdVVdfQtqtVpV 把非線性電容把非線性電容Cgs變換為時變線性電容變換為時變線性電容Cgs(t)111112( )( )( )( )(,)(,)(,)( )( )(

21、)( )( )( )ggggddddgdgddgdVVtgVVtdgdVVtVVtmgdsdf V Vf V Vi V Vv tv tVVgt v tgt v t時變跨導時變跨導時變電導時變電導非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)時不變電路時不變電路Y3124增廣增廣Y”Gm(t)Vg(t)Gds(t)Cgs(t)YL(r)I2rI1qYs()Ys(q)Is(t)YL()非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)4321444342413433323124232221141312114321VVVVYYYYYYYYYYYYYYYYIIII式中式中Ymn=diagYmn(k)k=-K,-2,-

22、1,0,1,2,.KKmnmnmnmnKmnYYYYYYmn0.0101*非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)TKnnnnKnTKnnnnKnnIIIIIVVVVV,1 ,0,*1,*,1 ,0,*1,*,.nIVrqaaaarqVVYYYYII2122211211, 2, 1212212211221ReRe4YYYYYYYYYGrlqsrlqst增廣矩陣增廣矩陣其他電流分量都為零22211211YYYYYYrlqin11211222)(YYYYYYqsrout可得變頻增益可得變頻增益輸入導納輸入導納輸出導納輸出導納非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)IFLORFRFIFLOUp-Co

23、nverterBPFAmp非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng).3 IF頻率幅度0 IFRF LO.2 LO+ IF2 LOV2 IF混頻器頻譜分析混頻器頻譜分析2 LO- IF RFBPFoutAMPoutRFLOIFfff非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)上變頻器與混頻器又有幾點不同：上變頻器與混頻器又有幾點不同： 1. 輸入中頻是強信號，因為它主要用于發(fā)射機，輸入中頻是強信號，因為它主要用于發(fā)射機，把中頻信號混頻成微波信號發(fā)射出去，為了獲得較把中頻信號混頻成微波信號發(fā)射出去，為了獲得較大輸出和避免噪聲影響，中頻信號功率僅比本振略大輸出和避免噪聲影響，中頻信號功率僅比本振略低一點

24、。低一點。 2. 為了獲得較大輸出功率，有源器件多采用變容為了獲得較大輸出功率，有源器件多采用變容管，它比肖特基勢壘二極管有較高的變頻效率和承管，它比肖特基勢壘二極管有較高的變頻效率和承受更大功率。受更大功率。 3. 噪聲系數(shù)不再是主要指標，而變頻效率更為重噪聲系數(shù)不再是主要指標，而變頻效率更為重要要 。4.由于中頻頻率較低、本振頻率與射頻頻率較近，由于中頻頻率較低、本振頻率與射頻頻率較近，射頻輸出端口的本振載漏和另一邊帶的抑制是上變射頻輸出端口的本振載漏和另一邊帶的抑制是上變頻器的重要指標。如果頻器的重要指標。如果 本振頻率不是點頻，而有本振頻率不是點頻，而有較大帶寬，抑制本振和另一邊帶頻率

25、分量更難。較大帶寬，抑制本振和另一邊帶頻率分量更難。非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)Varactor Upconverter： 01rjjbiVCCV01001jrjbirbirrjbibiqC dvC VdvVVC VVVqr非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)0nnnqa V0,00coscoscosnnififLoLonm nLoifmnqaVtVtAmn非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)優(yōu)點主要是優(yōu)點主要是1、 工作穩(wěn)定，且頻帶寬；工作穩(wěn)定，且頻帶寬；2、 具有變頻增益；具有變頻增益；3、 輸出飽和點高；輸出飽和點高；4、 組合的諧波分量少。組合的諧波分量少。 主要任

26、務：主要任務：1、確定、確定與與V Vgggg的依賴關系；的依賴關系；2 2、確定最佳、確定最佳P PLOLO；3 3、確定所有端口的最佳端接阻抗。、確定所有端口的最佳端接阻抗。非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)匹配網(wǎng)絡匹配網(wǎng)絡LPF匹配網(wǎng)絡匹配網(wǎng)絡VggVddLO輸入輸入fLOIF輸入輸入 fIFRF輸出輸出fRF單管單管FET上變頻器上變頻器兩種變頻方式：兩種變頻方式：1、Id/vg的非線性特性的非線性特性柵極上變頻柵極上變頻取取Vgg=Vt，為，為Pout最大最大2、Id/vd的非線性特性的非線性特性漏極上變頻漏極上變頻取取Vdd為膝點電壓，為膝點電壓，最高最高濾波非線性微波電路與系統(tǒng)非線性微波電路與系統(tǒng)將跨導將跨導gm展開為付氏級數(shù)展開為付氏級數(shù)tgtgmsm0sin221)(當本振和中頻信號同時當本振和中頻信號同時FET柵極時，可得漏極電流（前三項）柵極時，可得漏極電流（前三項）tttVgtVtgtippppmsppmd00coscos1sin21sin)()(可見