非線性微波電路與系統(tǒng)第六章課件

非線性電路與系統(tǒng)地點(diǎn)：清水河校區(qū)科研樓C309電話：電郵：微波變頻器6.1變頻器變頻器分上變頻器（up-converter）和下變頻器或混頻器（down-converterormixer）?由固態(tài)器件的非線性特性，通過本振（LO），將中頻（IF）信號(hào)上變頻到射頻（RF）的電路（部件），或?qū)⑸漕l（RF）信號(hào)下變頻到中頻（IF）的電路（部件），主要用于發(fā)射機(jī)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(gòu)成。一般情況下，上/下變頻器可以互換使用。RFLOIFRFLOIF上變頻器下變頻器又叫混頻器輸出：輸出：微波變頻器非線性微波電路與系統(tǒng)上變頻器的主要技術(shù)指標(biāo)工作頻率和頻帶寬度變頻效率變頻損耗端口隔離度端口駐波系數(shù)本振功率電平本振載漏功率和邊帶抑制度ICP3P1dB非線性微波電路與系統(tǒng)6.1上下變頻器...3ωIF頻率ω幅度0ωIFωLO

ωRF2ωRF－ωLO2ωLO－ωRF3ωRF－2ωLO3ωLO－2ωRF......ωLO+ωRF2ωLO2ωRF…V2ωIF…混頻器頻譜分析LPFoutAMP

out6.2混頻器RFIFLOMixerLPFAmp非線性微波電路與系統(tǒng)混頻器分為：單端混頻器?結(jié)構(gòu)簡單，成本低，性能差，一個(gè)非線性器件；單平衡混頻器?結(jié)構(gòu)較簡單，端口有一定隔離度，對(duì)本振調(diào)幅噪聲有25%的抑制，兩個(gè)非線性器件；雙平衡混頻器?結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，端口隔離度可達(dá)20dB以上，對(duì)本振調(diào)幅噪聲有50%的抑制，四個(gè)非線性器件；三平衡混頻器?結(jié)構(gòu)復(fù)雜，端口隔離度可達(dá)40dB以上，對(duì)本振調(diào)幅噪聲有75%的抑制，八個(gè)非線性器件；鏡頻抑制混頻器?由兩只普通混頻器、等幅同相（RF）和等幅正交（LO）構(gòu)成，具有鏡頻回收能力，也可作單邊帶調(diào)制器或I/Q調(diào)制/解調(diào)器。諧波混頻器。本振的N次諧波與射頻信號(hào)進(jìn)行混頻。6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)從電路結(jié)構(gòu)上，分為單管式混頻、雙管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(jié)構(gòu)簡單、成本低，但噪聲高、抑制干擾能力差，在要求不高時(shí)采用，它是理論分析的基礎(chǔ)。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，電橋又使信號(hào)與本振之間達(dá)到良好隔離，因而平衡混頻器是最普遍采用的形式。另外還有（多）雙衡混頻器、諧波混頻器、鏡頻抑制混頻器等等，可根據(jù)特殊要求而設(shè)計(jì)。6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)3dB90°電橋RFLOIF6.2混頻器（平衡混頻器）特點(diǎn)： 由于采用了平衡電路，各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，同時(shí)也對(duì)消了部分組合分量，因此改善了混頻純度和變頻損耗，

能夠抑制本振的調(diào)幅噪聲25%。非線性微波電路與系統(tǒng)RFLOIF特點(diǎn)：1、多倍頻程工作帶寬。2、混合組合分量小。3、隔離度好。4、動(dòng)態(tài)范圍大。5、能夠抑制本振的調(diào)幅噪聲50%。6.2混頻器（雙平衡混頻器）微波巴倫微波巴倫非線性微波電路與系統(tǒng)特點(diǎn)：1、工作帶寬更寬，10倍頻程以上；2、混合組合分量更小，可達(dá)40dBc以上；3、隔離度更好，可達(dá)40dB以上；4、動(dòng)態(tài)范圍大，輸出P1dB可達(dá)10dBm以上；5、

能夠抑制本振的調(diào)幅噪聲75%。6、但需更大的本振功率電平。6.2混頻器（三平衡混頻器又叫雙-雙混頻器）RFLOIF中頻90°電橋微波巴倫微波巴倫非線性微波電路與系統(tǒng)6.2混頻器（諧波混頻器）特點(diǎn)： 由非線性特性，先將本振信號(hào)頻率倍頻后，再和射頻信號(hào)頻率混頻輸出中頻?？山档臀⒉ǜ叨艘陨媳菊耦l率信號(hào)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(hào)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(shè)計(jì)。RFLOIF中頻輸出：注意：匹配在fLO上非線性微波電路與系統(tǒng)器件選擇肖特基勢(shì)壘二極管混頻器（無源）場(chǎng)效應(yīng)類晶體管混頻器（有源）雙柵場(chǎng)效應(yīng)管混頻器（有源）6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)二極管混頻器：結(jié)構(gòu)簡單、工作頻帶寬、噪聲較低、動(dòng)態(tài)范圍大、工作穩(wěn)定等FET混頻器：變頻增益、電路較復(fù)雜、需直流供電雙柵場(chǎng)效應(yīng)管混頻器 結(jié)構(gòu)相對(duì)于FET混頻器簡單，LO和RF端口饋入處可不用微波巴倫。6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)6.2混頻器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(hào)分析二極管及其介入網(wǎng)絡(luò)

結(jié)電容和結(jié)電導(dǎo)的變換矩陣諧波平衡法小信號(hào)分析

小信號(hào)激勵(lì)時(shí)的變換矩陣變換矩陣法6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)6.2.1大信號(hào)分析

6.2混頻器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(shí)選擇運(yùn)算方法主要考慮的原則:收斂的速度和可靠性6.2混頻器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(guān)系為：在頻率為的本振激勵(lì)下，二極管的小信號(hào)阻抗是：

假設(shè)中頻頻率為,則二極管的輸出阻抗為6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)在中頻頻率上的輸出功率是：可用射頻輸入功率是：

則變頻損耗為：

6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)6.3.1設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)混頻器之前必須知道下列幾個(gè)參數(shù)： 本振激勵(lì)下的二極管射頻阻抗。（輸入） 本振激勵(lì)下的二極管中頻阻抗。（輸出） 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管的最佳端接阻抗。 端口間隔離度。6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)一個(gè)問題：確定端口阻抗必須用變換矩陣法理論進(jìn)行。一對(duì)矛盾：上述理論只是分析而不是綜合。6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)一些經(jīng)驗(yàn)上的考慮：1）在射頻頻率上將二極管視為一個(gè)電阻與電容并聯(lián)，電阻一般為50~150。電容在，中頻輸出阻抗一般在75~150并有一小電納與它并聯(lián)；

2）大信號(hào)本振輸入阻抗與小信號(hào)射頻輸入阻抗接近；6.2混頻器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?fàn)顟B(tài)，特別是鏡頻的開路介入阻抗?fàn)顟B(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(huì)使混頻器的性能更好些，開路介入阻抗?fàn)顟B(tài)會(huì)引起電路的不穩(wěn)定；6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)6）開路介入阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)，混頻器變頻損耗最低，噪聲溫度最高，交調(diào)最差。短路介入阻抗?fàn)顟B(tài)時(shí)，混頻器變頻損耗變大，噪聲溫度較低，交調(diào)變好。7）鏡頻抑制混頻器的二極管端接狀態(tài)對(duì)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(huì)使噪聲溫度達(dá)到最佳，而且還可能導(dǎo)致交調(diào)性能變壞；8）在給定二極管和一組介入阻抗時(shí)，對(duì)偏置、源和負(fù)載阻抗，以及本振電平間有一個(gè)最佳組合6.2混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)FET混頻器的大信號(hào)—小信號(hào)分析1、大信號(hào)分析6.2混頻器—FET混頻器Zl（nωp）+-Vdd-+Zs(nωp)Vs(t)Vgg非線性微波電路與系統(tǒng)Vs(t)→Vp(ωp)即本振源。Cgd為弱非線性近似為線性元件。-+Vs(t)Vgg+-VddCgs(Vg）Id(Vg,Vd)V1V2I1I2Zg(nωp)RgRiCgdCdsZL(nωp)RdRsLs6.2混頻器—FET混頻器非線性微波電路與系統(tǒng) 非線性元件只有兩個(gè)Id（Vg，Vd）和Cgs（Vg）。諧波平衡方程（n=2）：有IG=Id，V1=Vg，V2=Vd6.2混頻器—FET混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)Jacobian矩陣可從第三章獲得，牛頓法求解。6.2混頻器—FET混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)小信號(hào)分析

ω=ωq,ωr時(shí)輸出頻率的負(fù)載導(dǎo)納為YL(ω1)，輸入頻率的負(fù)載導(dǎo)納為YS(ωq);ω

≠

ωq,ωr

時(shí)輸出頻率的負(fù)載導(dǎo)納為YL(ω1)，輸入頻率的負(fù)載導(dǎo)納為YS(ωq);由此把非線性電容Cgs變換為時(shí)變線性電容Cgs(t)時(shí)變跨導(dǎo)時(shí)變電導(dǎo)6.2混頻器—FET混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)時(shí)不變電路Y3124增廣Y”Gm(t)Vg(t)Gds(t)Cgs(t)YL(ωr)I2rI1qYs(ω)Ys(ωq)Is(t)YL(ω)6.2混頻器—FET混頻器非線性微波電路與系統(tǒng)6.2混頻器—FET混頻器式中 Ymn=diag[Ymn(ωk)] k=-K,……-2,-1,0,1,2,….K非線性微波電路與系統(tǒng)6.2混頻器—FET混頻器增廣矩陣其他電流分量都為零可得變頻增益輸入導(dǎo)納輸出導(dǎo)納非線性微波電路與系統(tǒng)6.3上變頻器RFIFLOUp-ConverterBPFAmp非線性微波電路與系統(tǒng)...3ωIF頻率ω幅度0ωIFωRF'

ωLO......2ωLO+ωIF2ωLO…V2ωIF…混頻器頻譜分析2ωLO-ωIFωRFBPFoutAMPout非線性微波電路與系統(tǒng)上變頻器與混頻器又有幾點(diǎn)不同：

1.輸入中頻是強(qiáng)信號(hào)，因?yàn)樗饕糜诎l(fā)射機(jī)，把中頻信號(hào)混頻成微波信號(hào)發(fā)射出去，為了獲得較大輸出和避免噪聲影響，中頻信號(hào)功率僅比本振略低一點(diǎn)。

2.為了獲得較大輸出功率，有源器件多采用變?nèi)莨?，它比肖特基?shì)壘二極管有較高的變頻效率和承受更大功率。

3.噪聲系數(shù)不再是主要指標(biāo)，而變頻效率更為重要。4.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頻器的重要指標(biāo)。如果本振頻率不是點(diǎn)頻，而有較大帶寬，抑制本振和另一邊帶頻率分量更難。6.3上變頻器非線性微波電路與系統(tǒng)VaractorUpconverter：

6.3上變頻器非線性微波電路與系統(tǒng)6.3上變頻器非線性微波電路與系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)主要是1、工作穩(wěn)定，且頻帶寬；2、具有變頻增益；3、輸出飽和點(diǎn)高；4、組合的諧波分量少。6.4FET類上變頻器主要任務(wù)：1、確定η與Vgg的依賴關(guān)系；2、確定最佳PLO；3、確定所有端口的最佳端接阻抗。非線性微波電路與系統(tǒng)匹配網(wǎng)絡(luò)LPF匹配網(wǎng)絡(luò)VggVddLO輸入fLOIF輸入fIFRF輸出fRF單管FET上變頻器兩種變頻方式：1、Id/vg的非線性特性→柵極上變頻 取Vgg=Vt，為Pout最大2、Id/vd的非線性特性→漏極上變頻

取Vdd為膝點(diǎn)電壓，η最高濾波6.4FET類上變頻器非線性微波電路與系統(tǒng)將跨導(dǎo)gm展開為付氏級(jí)數(shù)當(dāng)本振和中頻信號(hào)同時(shí)FET柵極時(shí)，可得漏極電流（前三項(xiàng)）可見輸出電流主要前三項(xiàng)頻率信號(hào)：

ωp本振頻率信號(hào)；

ω

p+ω0上邊帶頻率信號(hào)；

ω

p-ω0下邊帶頻率信號(hào)

注意：還有許多其他混合頻率信號(hào)分量6.4FET類上變頻器