微波技術(shù)第6章-微波電路與系統(tǒng)簡(jiǎn)介2-非線性微波電路

非線性微波電路線性電路：不會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量非線性電路：產(chǎn)生新的頻率分量區(qū)分線性與非線性的依據(jù)：激勵(lì)x(t)———響應(yīng)y(t)線性函數(shù)非線性函數(shù)數(shù)學(xué)關(guān)系：線性非線性y(t)

=f(x(t))y(t)

=ax(t)+b非線性器件描述實(shí)例：肖特基勢(shì)壘二極管變?nèi)荻O管肖特基勢(shì)壘二極管時(shí)變電流波形時(shí)變電容隨泵浦電壓周期變化波形單頻激勵(lì)非單頻響應(yīng)單頻激勵(lì)非單頻響應(yīng)線性器件描述實(shí)例——與非線性器件對(duì)比純電阻純電容純電阻的響應(yīng)與頻率無(wú)關(guān)——耗能元件耗能儲(chǔ)能非線性頻率響應(yīng)線性頻率響應(yīng)純電容的響應(yīng)與頻率有關(guān)——儲(chǔ)能元件——選頻特性非線性元件產(chǎn)生新的頻率的機(jī)理：激勵(lì)：非線性元件中的中電流為：如果電壓源與非線性元件間有一個(gè)電阻，則流經(jīng)該電阻的電流就會(huì)產(chǎn)生更多頻率的電壓分量，這些新的電壓分量又產(chǎn)生新的電流分量，這樣，頻率的數(shù)目會(huì)更多。非線性元件產(chǎn)生的所有頻率應(yīng)為激勵(lì)頻率的線性組合n＝0或m＝0——諧波m，n

0——混合頻率非線性電路產(chǎn)生新頻率的一個(gè)重要應(yīng)用實(shí)例

——微波倍頻激勵(lì)響應(yīng)輸入頻譜輸出頻譜非線性電路——倍頻器帶通濾波器輸出頻率＝9倍的輸入頻率常見的變頻關(guān)系下混頻——上變頻——倍頻——常應(yīng)用于接收機(jī)和測(cè)量?jī)x器常應(yīng)用于信號(hào)發(fā)生器非線性的主要表現(xiàn)

諧波的產(chǎn)生交調(diào)飽和和飩化交叉調(diào)制

AM/PM變換假響應(yīng)

………

諧波的產(chǎn)生：非線性系統(tǒng)最明顯的特點(diǎn)之一它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)頻率或一些激勵(lì)頻率的諧波交調(diào)（IM）：是一種混合頻率，由兩個(gè)或更多個(gè)頻率的線性組合，即交調(diào)（IM）分量。最重要的交調(diào)分量是(2w1-w2)和(2w2-w1)的三階交調(diào)分量（IM3），因?yàn)樗鼈兪撬衅骐A交調(diào)分量中最強(qiáng)的，并與產(chǎn)生它們的信號(hào)頻率最接近，無(wú)法用濾器濾除

飽和和飩化：任何電子電路都會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這是因?yàn)槿魏纹骷梢岳玫妮敵龉β识际怯邢薜?。飽和將使系統(tǒng)變得不靈敏，這種現(xiàn)象也稱飩化。交叉調(diào)制（CM）：非線性電路中一個(gè)信號(hào)到另一個(gè)信號(hào)的調(diào)制轉(zhuǎn)換CM信號(hào)AM/PM變換：由加到非線性電路上的信號(hào)幅度變化而引起相位移動(dòng)的現(xiàn)象。如果這種現(xiàn)象出現(xiàn)在相位調(diào)制通信系統(tǒng)中，將造成嚴(yán)重的畸變假響應(yīng)：由于交調(diào)而產(chǎn)生的一些無(wú)用的頻率響應(yīng)，假響應(yīng)的概念僅用于微波混頻器中非線性分析方法諧波平衡法：分析單一頻率信號(hào)激勵(lì)強(qiáng)或弱非線性電路的最為有用的方法，可用于對(duì)微波功率放大器、頻率倍頻器以及帶有本振激勵(lì)的混頻器等的分析。變換矩陣法：是一種大信號(hào)－小信號(hào)分析方法，用于分析二頻率激勵(lì)的非線性微波電路（如：混頻器），其中的非線性元件（混頻二極管）上加有大信號(hào)的本振及幅度非常小的射頻信號(hào)。冪級(jí)數(shù)法：要求電路中僅包含理想非記憶轉(zhuǎn)移非線性“元件”，它容易使用。Volterra級(jí)數(shù)法：是一種非線性轉(zhuǎn)移函數(shù)分析法，對(duì)電路沒有冪級(jí)數(shù)那樣的要求，所以，應(yīng)用更為廣泛。諧波平衡法的基本思想找一組端口電壓波形（或者諧波電壓分量），它應(yīng)使線性子網(wǎng)絡(luò)方程和非線性子網(wǎng)絡(luò)方程給出相同的電流。實(shí)質(zhì)上就是建立諧波平衡方程，然后用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄇ蠼?。平衡和多器件電路是改善非線性現(xiàn)象的重要措施由兩個(gè)或多個(gè)固態(tài)器件構(gòu)成的平衡電路有許多優(yōu)點(diǎn)，如：提高動(dòng)態(tài)范圍和輸出功率改善電路隔離度抑制偶次或奇次諧波改善帶寬及輸入、輸出駐波比等多器件電路形式：借助電橋分配網(wǎng)絡(luò)連接直接串聯(lián)、并聯(lián)波導(dǎo)魔T從端口1入射的TE10波從端口2、3等幅同相輸出，端口4隔離；從端口4入射的TE10波從端口2、3等幅反相輸出，端口1隔離；微波電橋的常見結(jié)構(gòu)由魔T實(shí)現(xiàn)的微波混頻電路平面電路常用的電橋結(jié)構(gòu)環(huán)行電橋威爾金森電橋分支線90度電橋耦合線90度電橋微波電橋的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)兩個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)聯(lián)接：電橋可以是180°或90°，常用在微波功率放大器電路中，實(shí)現(xiàn)功率合成。各電橋與兩端口網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接的端口應(yīng)是互相隔離的端口對(duì)從輸入到輸出的相移應(yīng)相等兩端口網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是一致的微波非線性元件的直接聯(lián)接把固態(tài)器件直接聯(lián)接起來(lái)的主要目的是：在不增加電路復(fù)雜性的情況下，提高輸出功率。例如，把多個(gè)小型雙基晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管直接并聯(lián)起來(lái)，就可實(shí)現(xiàn)高功率的雙基晶體管和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。為了消除不希望的諧波和交調(diào)分量，采用適當(dāng)?shù)姆椒ò压虘B(tài)器件連在一起，可以把偶階或奇階分量消除。如平衡混頻器。反向并聯(lián)聯(lián)接：這樣聯(lián)接的結(jié)果是偶階和奇階分量被分離，偶階電流分量在環(huán)路內(nèi)環(huán)流，而奇階電流分量在外電路中環(huán)流。效果：等效于只有奇次非線性的單個(gè)元件的工作情況。結(jié)論：可抑制偶次諧波分量。用途：奇次倍頻器應(yīng)用，具有低的偶次諧波輸出，提高諧波抑制度諧波混頻器應(yīng)用，偶次亞諧波激勵(lì)本振。奇次、偶次電流分量反向串聯(lián)聯(lián)接：是反向并聯(lián)聯(lián)接的對(duì)偶情況同樣偶階和奇階分量被分離，奇階電流分量在環(huán)路內(nèi)環(huán)流，而偶階電流分量在外電路中環(huán)流。效果：等效于只有偶次非線性的單個(gè)元件的工作情況。結(jié)論：可抑制奇次諧波分量。用途：偶次倍頻器應(yīng)用，具有低的奇次諧波輸出，提高諧波抑制度。利用非線性器件完成的幾種重要微波部件混頻器上變頻器倍頻器振蕩器放大器一、微波混頻器將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)移到低頻信號(hào)，便于進(jìn)行信號(hào)處理主要采用非線性電阻元件（如肖特基勢(shì)壘二極管）鏡頻是由非線性產(chǎn)生的新頻率中，含中頻信息最強(qiáng)的高次混合頻率。鏡像匹配時(shí)：信號(hào)輸入功率有一部分會(huì)變成鏡像功率在信號(hào)源內(nèi)導(dǎo)上消耗掉——變頻損耗大。主要應(yīng)用在寬帶接收機(jī)或雙邊帶接收鏡像開路或短路時(shí)：輸入信號(hào)的鏡像頻率被短路或開路抑制，而沒有損耗——變頻損耗小。主要應(yīng)用在窄帶接收機(jī)或單邊帶接收強(qiáng)本振弱信號(hào)混頻器的頻譜關(guān)系變頻損耗定義：噪聲系數(shù)定義：P和P分別為從信號(hào)源和中頻輸出得到的資用功率。aSaifN和N分別為輸入和輸出的噪聲資用功率。aSaif鏡像短路或開路混頻器的噪聲系數(shù)近似等于變頻損耗。鏡像匹配混頻器接收單邊帶信號(hào)，噪聲系數(shù)惡化3dB?；祛l器最重要的兩個(gè)指標(biāo)單端混頻器：結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，本振功率低；動(dòng)態(tài)范圍小，交調(diào)抑制差，LO/RF隔離差。單平衡混頻器：本振功率較大；具有本振噪聲抑制，動(dòng)態(tài)范圍較大，交調(diào)抑制較好。雙平衡混頻器：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本振功率大；交調(diào)最低，動(dòng)態(tài)范圍大。三種混頻器電路形式：?jiǎn)味嘶祛l器的典型微帶電路結(jié)構(gòu)：耦合器匹配負(fù)載阻抗變換中頻濾波高頻旁路中頻及直流通路平衡混頻器的典型微帶電路結(jié)構(gòu)：毫米波平衡混頻器的典型微帶電路結(jié)構(gòu)W波段平衡混頻器諧波混頻器的頻譜關(guān)系本振頻率n次諧波與信號(hào)混頻，即n次諧波混頻。主要應(yīng)用在毫米波頻段進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)——如：毫米波鎖相電路、擴(kuò)展微波頻率/頻譜測(cè)試范圍等毫米波諧波混頻器的典型微帶電路實(shí)例毫米波信號(hào)二極管低通濾波器微波本振中頻帶通濾波器二、微波上變頻器可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)頻率的提升，但不改變絕對(duì)帶寬。主要采用非線性電抗元件（變?nèi)莨埽┖头蔷€性電阻元件（肖特基勢(shì)壘二極管）；采用FET進(jìn)行有源上變頻還可獲得變頻增益。微波混頻器也可完成上變頻功能。由于本振頻率與上下邊帶頻率靠近，必須在輸出連接一個(gè)帶通濾波器，才能獲得較純凈的上變頻輸出信號(hào)強(qiáng)本振強(qiáng)信號(hào)上變頻器的頻譜關(guān)系激勵(lì)響應(yīng)輸入本振fL＝950MHz輸出射頻fu＝1.05GHz微波上變頻器帶通濾波器微波上變頻器實(shí)例響應(yīng)輸入信號(hào)fS＝100MHz激勵(lì)更深入的一個(gè)工程設(shè)計(jì)中的微波上變頻器實(shí)例分析《mfLO，nfS》

落入輸出通帶內(nèi)的高次交調(diào)干擾雜波頻率——無(wú)法濾波《1，4》：1468～1724MHz；《2，6》：1662～2046MHz；《4，4》：1772～1516MHz；《4，9》：1413～1989MHz；《5，11》：1607～2311MHz；

………………...fLO＝1080MHz，fS

＝637～701MHzfLO＋fS

＝1717～1781MHz（上變頻上邊帶頻率輸出）雜散抑制度：－80dBc要求：其中《1，4》和《4，4》的交調(diào)幅度最大。解決辦法：降低信號(hào)功率。因?yàn)樾盘?hào)的高次交調(diào)幅度比一次交調(diào)幅度靈敏。三、微波倍頻器主要采用非線性電阻或電抗元件（如：肖特基勢(shì)壘二極管、如變?nèi)莨?、階躍二極管等）、采用FET放大器進(jìn)行有源倍頻也可獲得很高的倍頻效率目前，微波頻段出現(xiàn)了許多可供選擇的商業(yè)MMIC倍頻器集成電路芯片，使得微波倍頻器的實(shí)現(xiàn)變得非常容易。強(qiáng)信號(hào)激勵(lì)倍頻器的頻譜關(guān)系輸出信號(hào)頻率是輸入激勵(lì)信號(hào)頻率的n倍，即n次倍頻。主要應(yīng)用在各種微波毫米波頻段的頻率源系統(tǒng)中，可同時(shí)對(duì)微波低頻率信號(hào)的絕對(duì)頻率和絕對(duì)帶寬進(jìn)行倍增。微波倍頻器實(shí)例美國(guó)HITTITE公司八倍頻器電路HMC444LP3MMIC有源八倍頻器芯片激勵(lì)信號(hào)頻率240MHz、13dBm時(shí)的輸出頻譜：奇次幅度強(qiáng)，偶次幅度被抑制。美國(guó)AGILENT公司生產(chǎn)的HSMP3822二極管反向并聯(lián)管對(duì)能實(shí)現(xiàn)比較好的寬帶微波奇次倍頻。HSMP3822倍頻器測(cè)試電路微波倍頻器實(shí)例1234567四、微波振蕩器構(gòu)成微波系統(tǒng)的核心！微波晶體管（FET、HEMT等）雪崩二極管（IMPATT）體效應(yīng)二極管（GUNN）微波振蕩器中最有實(shí)際價(jià)值的是電調(diào)振蕩器——VCOMMIC振蕩器芯片已廣泛應(yīng)用。毫米波集成雪崩振蕩器實(shí)例W波段集成雪崩振蕩器電路輸出頻率：94.78GHz輸出功率：7mW五、微波放大器微波系統(tǒng)中最常見的部件！低噪聲放大器——LNA（常用于接收機(jī)的前置放大）功率放大器——PA（常用于發(fā)射機(jī)、信號(hào)源）線性功率放大器——LPA（通信發(fā)射機(jī)）MMIC放大器芯片廣泛應(yīng)用，為普通放大器的設(shè)計(jì)帶來(lái)極大簡(jiǎn)化。在現(xiàn)代微波通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用線性功率放大器——目前的熱門研究領(lǐng)域?qū)σ话憷硐刖€性放大器:Vout＝K1Vin(t)輸出波形不會(huì)產(chǎn)生失真平方律非線性特性:Vout(t)＝K1Vin(t)+K2Vin2(t)三階非線性特性:Vout(t)＝K1Vin(t)+K3Vin3(t)(K3<0)非線性效應(yīng)將導(dǎo)致無(wú)用的“寄生”頻率產(chǎn)生

非線性放大器對(duì)雙輸入信號(hào)的頻域響應(yīng)由于非線效應(yīng)影響，當(dāng)輸入信號(hào)頻率為f1，f2的雙音信號(hào)時(shí)，則輸出產(chǎn)生交調(diào)失真fim＝mf1±nf2，其中，2f1－f2、2f2－f1為三階交調(diào)產(chǎn)物（IM3），與f1、f2相隔最近，對(duì)信道的影響最嚴(yán)重。由于放大器不可能無(wú)限制地輸出功率，所以，必然存在功率飽和點(diǎn)和1dB壓縮點(diǎn)。導(dǎo)致大功率放大器總是要面臨非線性問(wèn)題！對(duì)于發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，功放的作用就是要在抑制非線性失真的條件下，最大限度地發(fā)揮功率器件的容量——功率放大器的線性化技術(shù)。大信號(hào)非線性放大區(qū)小信號(hào)線性放大區(qū)功率放大器線性化的意義

隨著無(wú)線通信的迅猛發(fā)展，通信頻率資源變得越來(lái)越緊張，這就導(dǎo)致了各種具有高頻譜利用率和寬頻帶通信體制的出現(xiàn)。而且系統(tǒng)又多是多載波、多信道的。這就需要射頻系統(tǒng)有很好的線性，否則就會(huì)產(chǎn)生失真，導(dǎo)致帶內(nèi)信號(hào)干擾已調(diào)信號(hào)，已調(diào)矢量信號(hào)的幅度和相位出現(xiàn)偏差，同時(shí)導(dǎo)致頻譜再生，干擾鄰道信號(hào)，誤碼率惡化等等線性功率放大器主要技術(shù)指標(biāo)工作頻帶——f（GHz）功率增益——G（dB）輸入/輸出駐波比——VSWR工作電壓/電流——V/I（V/A)1dB壓縮點(diǎn)輸出功率——P1dB（dBm）三階截止點(diǎn)——IP3（dBm）三階交調(diào)系數(shù)——IM3（dB）鄰道信號(hào)功率比——ACPR（dB）

1dB壓縮點(diǎn)輸出功率——P1dB（dBm）當(dāng)微波功率放大器增益比小信號(hào)的線性增益低1dB時(shí)，這一點(diǎn)通常稱為1dB壓縮點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于該點(diǎn)的輸出功率稱為1dB壓縮點(diǎn)輸出功率。線性功放主要針對(duì)大功率發(fā)射機(jī)需要考慮。對(duì)于小功率情況，由于總可以選擇到合適的器件，遠(yuǎn)低于1dB壓縮點(diǎn)工作。所以，一般考慮較少。大信號(hào)非線性放大區(qū)小信號(hào)線性放大區(qū)三階截點(diǎn)——IP3（dBm）

基頻曲線與三階分量曲線線性延長(zhǎng)的焦點(diǎn)。它一般由廠家給出，可以反映放大器線性工作的能力，也是放大器的重要指標(biāo)。IP3的典型值比P1dB高10～12dB三階交調(diào)系數(shù)——IM3（dB）

一般稱2f1－f2及2f2－f1兩個(gè)頻率分量的幅度為三階交調(diào)幅度，它們的幅度與基波幅度之比值衡量放大器非線性失真的程度。

IM3越小，非線性失真越小。常常用來(lái)衡量線性功放的線性度。G＝20dBP1dB＝30dBm

Psat＝+32.5dBmIP3＝43dBmV＝5VI＝750mAMMIC放大器主要參數(shù)實(shí)例鄰道信號(hào)功率比——ACPR（dBc）AdjacentChannelPowerRatio

反映在多信道通信系統(tǒng)中功率放大器產(chǎn)生的非線性信號(hào)對(duì)臨近信道干擾的重要指標(biāo)。n為信道個(gè)數(shù)mod()是取余函數(shù)功率放大器線性化的主要方法

功率回退法前饋技術(shù)預(yù)失真技術(shù)功率回退法

提高放大器線性度最簡(jiǎn)單的方法，將放大器工作在甲類，并降低工作電平，直到得到所要求的線性度。典型的甲類功率放大器中，n階交調(diào)分量輸出功率隨輸入功率變化為ndB/dB，而線性輸出變化為1dB/dB。所以少許的功率回退可以使IM