非线性微波电路与系统第九章倍频器
非线性电路微波与射频讲义详解
s
s11 s22 s11 2 2
s12 s21 s11 2 2
微波低噪声放大器
1. Input Stabiltiy Circle
radius rs
s12 s21 s121 2
center cs
s11
s
* 22
s11 2 2
2. Output Stability Circle
2. 利用1/ 4波长阻抗变换器的匹配网络
g
g
4
4
实数 (a)
g 4
复数
复数
(b)
g 4
复数
实数 (c)
复数
复数
(d)
复数
图 4 g / 4 线 段 匹 配 网 络
微波低噪声放大器
3. 利用串联短线的匹配网络
1 实数
l
Z0
（ a）
l1
l2
21
复数
Z01 Z02
复数
（ b） 图5 短线直接匹配网络
1.
s11 0.674 152 s12 0.0756.2
s21 1.7436.4 s22 0.6 92.6
2. s11 0.7 50
s12 0.2775
s21 5120
s22 0.680
微波低噪声放大器
1.
s11s22 s12s21 0.386 1
K
1
s11
2
s22
2
输出 Pout
仅用于功率合成放大 电路。
微波放大器
4、分布式放大器
l
放 大 器
放 大 器
1
2
N
输出Pout 放 大 器
输入Pin
用于宽带和超宽带放大电路，可达十个甚至数十个倍频程。
微波电子线路(雷振亚)3-9章 (2)
第4章 微波上变频器与倍频器
4. 在图4-2中，如果只有一条有源支路，当输入功率加在非 线性电容上时，则其他电路均为无源支路。由于非线性变换作 用，输入信号将产生各次谐波。 由式(4-10)可得
第4章 微波上变频器与倍频器 图 4-3 反射型负阻参量放大器
第4章 微波上变频器与倍频器
必须指出，反射型负阻参量放大器虽然不从差频支路输出 功率，但差频支路(常称空闲回路)必须存在。这样才能在一定 条件下，使泵浦能量首先转换成差频能量(fP与fS通过电容变 频效应产生fP－fS)，然后又转换成信号能量(fP－fS与fP又通 过电容变频效应产生fS)。这个“再生”信号电流的相位与原 信号电流的相位相同，从而使信号得到放大。所以空闲回路起 能量转换的作用，将泵浦源功率最后转换成信号能量输出。
mPmn 0
mfP nfS
(4-8)
nPmn 0
mfP nfS
(4-9)
第4章 微波上变频器与倍频器
得到理想非线性电抗被两个不同频率fP和fS激励后，在各 频率分量fm,n上的平均功率分配关系表示为
mPm,n 0
n m mfP nfS
nPm,n ,2| 理论上任意n次谐波倍频器的理想效率为100％，但实际电
路中因RS损耗及反射等影响，使效率远低于100％。
第4章 微波上变频器与倍频器
4.2 变容管上变频器 变容管上变频器的输入信号含有泵浦电压uP、信号电压uS 及产生的和频fout=fP+fS>fP，它们与变容管并联，只允许fS、fP、 fout三个正弦电流分量通过变容管，对其他频率分量均呈开路 状态。图4-4示出了上变频器等效电路，图中省去了各分支的
倍频原理及用途
5.5 倍频器5.5.1 倍频原理及用途倍频电路输出信号的频率是输入信号频率的整数倍，即倍频电路可以成倍数地把信号频谱搬移到更高的频段。
所以，倍频电路也是一种线性频率变换电路。
实现倍频的原理有以下几种：（1）利用晶体管等非线性器件产生输入信号频率的各次谐波分量，然后用调谐于n 次谐波的带通滤波器取出n 倍频信号。
（2）将输入信号同时输入模拟乘法器的两个输入端进行自身线性相乘，则乘法器输出交流分量就是输入的二倍频信号。
比如，若输入是单频信号，则输出O u ＝21u ku ＝t kU C m ωcos ·t U C m ωcos ＝22m kU )2cos 1(t C ω+（3）利用锁相倍频方式进行倍频，在第8章将具体进行讨论。
倍频电路在通信系统及其它电子系统中均有广泛的应用，以下仅举几例：（1）对振荡器输出进行倍频．得到更高的所需振荡频率。
这样，一则可以降低主振的振荡频率，有利于提高频率稳定度；二则可以大大提高晶振的实际输出频率，因为晶体受条件的限制不可能做到很高频率（在第3章对此已有讨论）。
（2）在调频发射系统中使用倍频电路和混频电路可以扩展调频信号的最大线性频偏。
（3〉采用几个不同的倍频电路对振荡器输出进行倍频，可以得到几个不同频率的输出信号。
（4）在频率合成器中，倍频电路是不可缺少的组成部分。
在第8章8.5节将会谈到这－点。
5.5.2 晶体管倍频器晶体管倍频器的电路结构与晶体管丙类谐振功率放大器基本相同，区别在于后者谐振回路的中心频率与输入信号中心频率相同，而前者谐振回路的中心频率调谐为输入信号频率或中心频率的n 倍，n 为正整数。
晶体管倍频器有以下几个特点：（1）倍频数n 一般不超过3～4，且应根据倍频数选择最佳的导通角。
根据本章5.2节对谐振功放的分析表明，若集电极最大瞬时电流Cm I 确定，则集电极电流中笫n 次谐波分量cnm I 与尖顶余弦脉冲的分解系数n α（θ）成正比，即c n m I ＝n α（θ）Cm I （5-29）由图5-3可以看出，一、二、三次谐波分解系数的最大值逐个减小，经计算可得最大值及对应的导通角为1α（120°） ＝0.536，2α（60°） ＝0.276，3α（40°）＝0.185可见，二倍频、三倍频时的最佳导通角分别是60°和40°，而且，在相同Cm I 情况下，所获得的最大电流振幅分别是基波最大电流振幅的1／2和1／3。
非线性微波电路与系统——第三章：非线性微波电路分析法
非线性微波电路与系统
3.1.2 谐波平衡方程的解法
JF称作F的Jocobian矩阵，其通项为
Fn,k Vm,l
Ym,n (k l )
I G ,n,k Vm,l
jkwp
Qn,k Vm,l
I G ,n,k Vm,l
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非线性微波电路与系统
3.1.1 谐波平衡方程的建立
非线性电容电流是电荷波形的时间微分 该式也可以写成
dqn (t ) ic ,n (t ) jkw p Qn ,k dt
I C jQ
这里 Ω为对 角矩阵
0 w p 2wp kw p 0 wp 2wp kw p
Ym,n diag Ym,n (kwp ) , k 0,1,2,......, K
即
Ym ,n
Ym ,n (0) Ym ,n ( wp )
Ym ,n (kwp )
Vb1 V s 0 0 Vn1 V ...... n 2 V b2 0 ...... 0
取傅氏变换得
F {ig ,n (t )} I G ,n
I G ,1 I G ,2 I G I G ,3 ...... IG ,N
电流向量
最后
I jQ I G
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由此我们完成了求解流入非 线性子网络的电流向量。
非线性微波电路与系统
电子工程学院 电磁场与微波技术 主讲人： 徐锐敏
非线性倍频技术
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思考问题
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1. 欲获得0．35μm的紫外光．为何 采用1．06μm和0.53μm和频的 方法，而不是直接用1.06μm光 的三倍频方法？ 2. 如何知道本实验的倍频为第一类 相位匹配？若改用第二类相位匹 配，应如何做？
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注意事项
脉冲Nd:YAG激光器辐射的激光功率非常高，使用过程中稍有不慎，激 光束就会损伤身体或物品，轻则烧坏衣物，烧伤皮肤，重则造成眼睛永 久性失明；如果照射到某些危险物上甚至会引起火灾和爆炸。激光器泵 浦闪光灯电源、触发电源和调Q电源都使用高压电，意外触及可造成人身 伤害。因此，在实验中应注意以下安全事项： 1、仪器启动后，不准向激光腔内窥视。 2、绝对禁止直接或反射的激光射入眼内，有关人员应配戴激光防护镜。 3、严禁学生实验时打开电源箱外壳，以防剩余电压伤人或损伤仪器。 4、激光器工作时随时注意仪器的运转情况，特别是循环水的流动与否和 电源放电声音是否正常。遇异常情况，请迅速关机；待查明异常情况原 因并排除后再行开机工作。
固体激光倍频技术
实验课件
目 录
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1. 简
介
2. 实验目的 3. 实验原理 4. 实验装置及仪器 5. 实验内容与步骤
6. 实验结果与讨论
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简 介
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当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产 生作用，在外电场的作用下，介质原子成为电偶极子。 电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。
量的变化规律。
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实验原理
激光倍频技术
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激光具有能显示介质非线性所需的高强度 辐射场。 当入射到介质中的光波 E = E0 cosωt 很 强时，强光将在介质中感生电极化强度P
电路中的频率倍增与分频方法
电路中的频率倍增与分频方法电路中的频率倍增与分频方法是电子技术领域中常用的两种方法，用于改变信号的频率。
本文将介绍频率倍增与分频的原理和常见的应用场景。
一、频率倍增的原理与方法频率倍增是指将输入信号的频率增加到倍数的方法。
在电子领域中，常用的频率倍增方法有谐振倍频法、倍频器以及锁相环等。
1. 谐振倍频法谐振倍频法利用谐振现象实现频率倍增。
当输入信号的频率和谐振电路的固有频率相同时，电路会发生共振现象，使得输出信号的频率是输入信号的倍数。
谐振倍频法的优点是简单可靠，适用于低频和中频信号的倍频。
2. 倍频器倍频器是一种电子器件，用于将输入信号的频率倍增。
常见的倍频器有整流倍频器和非线性倍频器。
整流倍频器利用非线性元件的特性，将输入信号的谐波倍增；非线性倍频器则通过非线性元件和滤波电路的组合，将输入信号的频率倍增。
3. 锁相环锁相环是一种反馈系统，可以将输入信号的频率倍增或者分频。
锁相环由相位检测器、低通滤波器、电压控制振荡器和除频器组成。
相位检测器用于比较输入信号和振荡器产生的信号之间的相位差，通过调整振荡器的频率，实现输入信号频率的倍增或分频。
二、频率分频的原理与方法频率分频是指将输入信号的频率降低到分数的方法。
常用的频率分频方法有计数器分频、分频器以及相位锁定环等。
1. 计数器分频计数器分频是一种简单直接的分频方法。
计数器通过计数输入的脉冲数量，当计数器计数到特定值时，输出一个脉冲信号，从而实现对输入信号的分频。
计数器分频器常用于数字时钟、频率计等应用中。
2. 分频器分频器是一种电子器件，通过设置分频系数，将输入信号的频率分频。
常见的分频器有二分频器、四分频器等。
分频器可以通过级联连接实现更高的分频比。
分频器广泛应用于通信系统、频率合成器等领域。
3. 相位锁定环相位锁定环是一种基于反馈的频率分频方法。
它通过不断调整振荡器的相位，使得输入信号与振荡器的相位保持恒定的差值，从而实现对输入信号频率的分频。
注入锁定倍频器原理-概述说明以及解释
注入锁定倍频器原理-概述说明以及解释1.引言概述部分的内容应该是对注入锁定倍频器的基本概念和背景进行介绍。
可以参考以下内容：1.1 概述注入锁定倍频器是一种常见的电子器件，用于产生高频信号。
它实现了将低频信号锁定在一个倍频点上，并输出对应的高频信号。
这一技术在无线通信、雷达、高精度测量等领域具有广泛的应用。
在无线通信系统中，注入锁定倍频器常用于产生微波信号。
传统的低频振荡器虽然可以产生所需频率的信号，但在高频段的应用中存在一些困难。
而注入锁定倍频器能够将低频信号同步到高频段，提供稳定、高质量的高频输出信号。
注入锁定倍频器的工作原理是利用倍频效应。
具体来说，它通过将一个低频信号注入到倍频电路中，使倍频电路的输出频率是低频信号的整数倍。
通常，倍频电路由相位锁定环和倍频电路两个主要部分组成。
相位锁定环负责将低频信号的相位与倍频电路中的振荡器相位同步，而倍频电路则将同步后的低频信号进行倍频处理，得到高频输出信号。
本文将重点介绍注入锁定倍频器的原理和工作机制，并对其在实际应用中的一些关键问题进行讨论。
进一步深入理解注入锁定倍频器的原理，有助于我们更好地应用和优化这一技术，推动无线通信等领域的发展。
再根据文章的整体结构，在这一部分可以适量预告一下接下来将在正文部分讨论的内容，以激发读者的兴趣。
文章结构部分主要是对整篇长文的组织和安排进行说明。
本文的结构如下：1. 引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的2. 正文2.1 锁定倍频器的原理2.2 注入锁定倍频器的工作原理3. 结论3.1 总结3.2 展望在文章结构部分，我们简要介绍了整篇文章的组织形式。
引言部分包括了概述，文章结构和目的三个方面的内容。
正文部分则分为两个小节，分别介绍了锁定倍频器的原理和注入锁定倍频器的工作原理。
最后，在结论部分，我们进行总结并展望未来可能的研究方向。
通过这样的结构安排，读者可以清晰地了解文章的整体内容和组织方式，为后续的阅读提供了指导。
非线性电子电路简答题(带答案)
二、简答题1、小信号谐振放大器的主要性能指标有哪些？答：小信号谐振放大器的主要性能指标是：谐振增益、通频带、选择性、稳定性等。
2、小信号谐振放大器的作用是什么？其中的选频作用由什么来实现？答：其作用是：既选频又放大。
其选频作用由谐振回路来实现。
3、小信号谐振放大器不稳定的内部原因是什么？提高稳定性的措施有哪些？答：①谐振放大器不稳定的原因为：由于y re 不等于零，晶体管存在着内反馈。
所以它是一个“双向器件”。
作为放大器工作时，y re 的反馈作用是有害的，其有害作用是可能引起放大器自激至使其工作不稳定。
②提高稳定性的措施有：减小y re 内反馈作用（可采用中和法）；增大y L （可采用失配法）。
4、什么叫双参差调谐放大器？它是如何提高选择性和展宽频带的？答：所谓双参差调谐，就是将两级单调谐回路放大器的谐振频率分别调整到略高于（11f f f o ∆+=）和略低于（12f f f o ∆-=）中心谐振频率f o 上。
具有双参差调谐的放大器就为双参差调谐放大器。
如图1-17（a ）所示，由于放大器总增益等于各级电压增益的乘积，因此只要f 1和f 2取值适当，让一级频率特性的上升段与另一级频率特性的下降段刚好相互补偿，则合成的频率特性曲线在通带内可以相对平坦，且通频带较宽，而通频带以外信号的增益则迅速衰减。
使其幅频特性曲线更接近于矩形，如图1-17（b ）所示。
5、多级级联之后谐振放大器的通频带和选择性（和单级谐振放大器相比）的总变化趋势是什么？答：多级级联之后，总的选择性变好了，通频带变窄了。
6、小信号谐振放大器中的晶体管为何要用Y 参数等效电路？答：因为在小信号谐振放大器中，放大器件、谐振系统和负载之间一般为并联形式，采用导纳可直接进行相加，运算简便，所以采用Y 参数等效电路。
（Y 参数虽与频率有关，但小信号谐振放大器属窄带系统，Y 参数变化不大，可近似认为不变。
）7谐振功率放大器的谐振系统的作用是什么？答：其作用是：既选频、滤波又具有阻抗变换作用。
倍频器电路设计
倍频器电路设计倍频器是一种常见的电路，用于将一个输入信号的频率提高为原始频率的两倍或更多倍。
倍频器通常由非线性元件（例如二极管）和滤波器组成，用于增强原始信号的谐波成分。
本文将介绍倍频器电路的设计原理、常见的倍频器类型以及一些注意事项。
倍频器电路的设计原理主要基于非线性元件的特性。
在一个正常的非线性元件（例如二极管）中，电流和电压之间的关系不是直线的，而是曲线的。
这意味着，当输入信号的幅值增加时，输出信号的谐波成分也会增加。
首先，让我们来看一个简单的倍频器电路。
这个电路由一个二极管和一个滤波器组成。
输入信号通过二极管，然后通过滤波器。
滤波器的作用是去除非期望的频率成分，只留下所需的谐波成分。
在一个典型的倍频器电路中，输入信号的频率为f1，输出信号的频率为2f1。
当输入信号通过二极管时，非线性特性将产生许多谐波。
然后，滤波器会选择所需的谐波成分，将其放大并输出。
常见的倍频器类型包括倍频器链、倍频器阵列和锁相倍频器。
倍频器链是由多个倍频器级联而成的电路。
每个级别的倍频器将输入信号的频率提高一倍，并将其传递给下一个级别。
倍频器链的优点是可以实现较高的倍频比，但缺点是它对输入信号的频率精度要求较高。
倍频器阵列是由多个倍频器并联而成的电路。
每个倍频器都将输入信号的频率提高一倍，并将其输出到同一输出节点。
倍频器阵列的处理能力比较强，但它对输入信号的幅度和频率范围有一定的限制。
锁相倍频器是一种特殊的倍频器，它在输入信号和输出信号之间建立了一个反馈回路。
锁相倍频器能够精确地将输入信号的频率提高一倍，并输出到一个稳定的输出信号。
锁相倍频器通常由相位锁定环路和多级频率倍增器组成。
在设计倍频器电路时，我们需要注意一些关键问题。
首先，非线性元件的选择非常重要。
二极管是最常见的非线性元件之一，但还有其他的选择，如场效应管和三极管。
我们需要根据具体的需求选择合适的非线性元件并优化电路参数。
其次，滤波器的设计也很重要。
滤波器的作用是去除非期望的频率成分，只留下所需的谐波成分。
倍频器和上变频器
倍频器可分为有源倍频器和无源倍频器，有源倍频器 需要外部电源供电，而无源倍频器则不需要。
倍频器的工作原理
工作原理
倍频器通过非线性元件将输入信号转 换为谐波信号，然后从众多谐波信号 中选择所需的频率进行放大，最终输 出所需的倍频信号。
电路组成
性能指标
倍频器的性能指标包括倍频次数、输 出功率、相位噪声、杂散抑制等。
倍频器和上变频器
• 倍频器简介 • 上变频器简介 • 倍频器和上变频器的比较 • 倍频器和上变频器的技术发展 • 倍频器和上变频器的实际应用案例
01
倍频器简介
倍频器的定义
定义
倍频器是一种电子设备，用于将输入信号的频率加倍， 产生输出信号。
原理
倍频器通过非线性元件实现输入信号的频率倍增，通 常使用晶体管或二极管等非线性元件。
成熟阶段
20世纪中叶，随着电子技术的快速发展，倍频器和上变频器技术逐 渐成熟，广泛应用于卫星通信、电视广播等领域。
现代阶段
进入21世纪，随着数字信号处理和微电子技术的进步，倍频器和上变 频器技术不断创新，具有更高的性能和更低的功耗。
当前的技术水平
高效率
现代倍频器和上变频器技术能够 实现高效率的频率转换，有助于
雷达系统
上变频器用于将低频的雷 达信号转换为高频信号， 以提高雷达的探测距离和 分辨率。
电子对抗系统
上变频器用于将低频的干 扰信号转换为高频信号， 以干扰敌方雷达和通信系 统。
03
倍频器和上变频器的比较
工作原理的比较
倍频器
倍频器是一种电子设备，可以将输入信号的频率加倍，产生更高频率的输出信号。其工作原理基于非线性元件的 特性，通过非线性元件将输入信号的能量转换为更高频率的信号。
非线性微波电路与系统——第二章：非线性模型
GaAs MESFET 的非线性等效电路
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非线性微波电路与系统
砷化镓场效应晶体管GaAs MESFET
半导体器件非线性等效电路模型种类： （1）物理基模型（纯理论方法） 由材料特性和器件结构，通过量子力学和电磁场理论等求解 出等效电路模型及参数。 难度极大，理想方法。
固溶半导体：Si(1-x)Gex, Ga(1-x)AlxAs, In(1-x)GaxAs(1-y)Py
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非线性微波电路与系统
4.1半导体材料特性参数
宽禁带半导体定义：禁带宽度大于 2.2eV 的半导体材料 。
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非线性电容
非线性电容两端的电荷与电压的非线性关系为
Qc f q (V )
同理可得：
dq dv 2 i [C1 (vo ) C2 (vo )v C3 (vo )v ......] dt dt
式中
准线性：
dv i C1 (vo ) dt
df (v) C1 (vo ) dv vvo
耗尽层宽度：
式中
2 s d ( ) qN d
－扩散电压
1 2
Nd －掺杂浓度 q－电子电荷 结电荷函数：
结电容函数： 式中
Q(V ) 2C j 0 (1 V )
1 2
C j0 dQ(V ) C (V ) dV (1 V )r
Cj0 －零偏压结电容 r一般为1/2，当r＝1/3时称为线性缓变结
砷化镓场效应晶体管GaAs MESFET
Vgs
Vds
源极
微波非线性电路理论分析综述
微波非线性电路理论的发展趋势所有的电子线路都是呈现非线性。
作为现代电路理论基础的线性假设，实际仅仅是一种近似。
当电路运用到微波和毫米波通信系统时候，其非线性肯定会影响系统性能。
非线性电路有强非线性和弱非线性电路之分。
如果电路的非线性及激励信号均比较弱，弱到不影响直流工作点的程度，称为弱非线性电路。
可用幂级数或Volterra级数进行分析。
对于强非线性电路而言上述条件不成立，一般采用斜波平衡分析法或时域法等。
以下分别阐述经典和现在新兴算法：经典分析法：1.谐波平衡法（HB）分析单一的频率信号激励强或弱的非线性电路。
用于分析功放、倍频器、带本振激励的混频器等。
谐波平衡法的基本思想是：找到一组端口电压波形（或者谐波电压分量），它应能使线性子网络方程和非线性子网络方程给出相同的电流。
实质就是建立谐波平衡方程，然后采用恰当的方法求解。
分为线性和非线性子网络的非线性微波、毫米波电路N 非线性元件的个数电路图中的N+1,N+2端口的激励源转换为端口1至N 的电流源建立谐波平衡方程：()0S N N G F V I Y V j Q I ⨯=++Ω+=通过优化法、牛顿法、分裂法或反射法求解端口电压向量V ，即非线性元件两端的电压波形。
2． 变换矩阵分析法（大信号—小信号分析法）分析两个频率信号激励的非线性电路，其中一个激励信号幅度很大而另一个幅度很小。
用于混频器、调制器、参量放大器、参量上变频器等（1） 先分析仅由大信号激励存在非线性器件，通常使用谐波平衡法。
（2） 然后把等效电路中的一个或多个非线性元件变换为小信号线性时变元件，再做小信号分析（此时无需再考虑激励的大信号）。
3． 广义谐波平衡分析法对于多频率大信号激励下的强非线性电路这类问题采用广义谐波平衡分析方法。
它的分析方法基本和HB 分析法一样，但是需要作如下两点修正：HB k p n n ωω=，=1，2广义HB 120k p p m n m n ωωω=+=±±，，，1，2N ＋1和N ＋2端口的激励电压向量：HB []11220T N b s b N V V V V V ++⎡⎤=⎢⎥⎣⎦，，0，，广义HB []1112220T N b s s b N V V V V V V ++⎡⎤=⎢⎥⎣⎦，，，0，，建立谐波平衡方程，采用优化法、牛顿法和分裂法求解。
微波元器件与集成电路
1、波导式匹配负载
大功率匹配干负载 出
体积式吸收体 大功率匹配水负载
片式吸收体 水
散热片 入
2、同轴线 式匹配负载
吸波材料
同轴匹配干负载
3、微带线式匹配负载 • 渐变式
导体带 介质 薄膜电阻
• 匹配阻抗式
开路
g 4
• 半圆式
二、短路器：
提供尽量大的反射系数；
○ 最好可自由移动； ○ 可移动短路活塞：接触式：物理接触
用低阻抗线实 现并联电容：
低阻抗段
l
在传输线上并联一个或多个支节，这些 支节等效于串联或并联谐振回路。
5、并联在传输线上的谐 振回路：
6、微带线 中的串联 电阻：
高阻金属薄膜，吸收电磁能量 R
9.2 微 波 滤 波 器
将所需其他滤波器的衰减 特性通过频率变换， 得到对应的低通滤 波器衰减特性；
g 4
• 多孔定向耦合器（频带较宽）
3
2
1
2
3
4
N
1
单孔定向耦合器
理想状态下，隔离端 口应当没有输出，但 实际上仍有一定输出， 因此应在隔离端口接 匹配负载，吸收这一 部分功率。
用高阻抗微带短线实现串联电感
Zc
Z c
Zc
Zc Zc
l 高阻抗段 环形电感 圆形螺旋电感 方形螺旋电感 为加大电感值，将高阻 抗线弯曲、螺旋，增加 匝数：
3、串联在传输 线上的谐振回 路：
L C C L
4、并联电容、电感：
Z Z Z c用并联的终端c 开路支节实c现并联电容或并联电感；
Zc Zc
L2
L4
L6
C1
C3
C5
• 微带电路实现方案
微波功率放大器的非线性功率放大器的非线性
驱动级输出匹配电路设计
整个驱动级放大电路性能
-19.40
m3
dB(S(1,2))
m1 freq=1.880GHz S(1,1)=0.014 / -96.148 impedance = Z0 * (0.997 - j0.027)
S(1,1)
m1
-19.45 -19.50
m3 freq=1.880GHz dB(S(1,2))=-19.437
S11 (RLoss)
S21 (ILoss)
S11 (VSWR)
Desired Zin 50.00 ZLoad 16.42 - j46.48
1.10 1.05 1.00 1.86 1.87 1.88 1.89 1.90
|S11|^2
1.80
1.82
1.84
1.86
Frequency (GHz) S11, Zin
M1
1.88
B
1.90 1.92 1.94 1.96 1.98 2.00
F: Frequency 1: Input Port 2: Output Port Zin: Input Impedance ZLoad: Load Impedance
Note: Change/Worst A->B provides performance over the range from marker A to B. T he change of F is given, and the worst case S-parameter values are given.
增益压缩
饱和输出功率：
输入功率达到某一值时，再加大不会改变输出功率 的大小。
1 dB压缩点输出功率
非线性微波电路与系统.pptx
2、 T or ZT
3、 out
S22
S12S21T 1 S22T
out 1
4、
ZL
X L ( f0 ) X out ( f0 )
RL (
f0 )
1 3
Rout (0,
f0 )
5、 Load matching network
11
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微波振荡器
Example: GaAs FET. f0 8G
3、相位噪声
输出频谱中产生的噪声边带。
Pout
Idear signal
Pout
Noise signal
f0
f
f0
f
20
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微波振荡器
要把相位噪声减至最小，不仅要使用①低噪 声器件，②而且还要使用高的有载Q谐振器， 在电压控制振荡器中，应使用高Q变容二极管。 ③用锁相振荡器也可以实现低的相位噪声，如 晶体振荡器。④由于相位噪声也可由来自直流 电源或耦合到直流偏置电路的噪声引起，所以 直流电源的滤波在减小相位噪声方面是不可忽 视的。
21
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微波振荡器
4、频率牵引和推频 →负载的变化引起输出频率改变
负载阻抗的变化通过Гin的相位改变可以影 响振荡频率。这种现象称为频率牵引。
①在振荡器的输出端加入输出隔离器或缓冲 放大器就可以减小频率牵引。② 采用高Q谐振腔。
直流偏压的变化可以引起FET的S参数和 Гin的变化，因而引起振荡频率变化，这种现 象称为推频。减小推频的直接方法是在振荡器 的偏置电路中采取稳定措施。
简单的反馈电路（一个电感）就 可以在很宽的频率范围内实现负 电导。2）点频振荡器
G L 地
微波倍频器介绍
2次 倍频 400MHz
3次 倍频 1.2GHz
X波段 8倍频
滤波器 放大器
X波段 隔离器
13dBm 9.6GHz
-115dBc/Hz@10kHz
6
毫米波低相噪锁相源实现方案
(M) 谐波混频器
f
LO LO
毫米波
VCO
RF
f’LO=MfLO
f RF
倍频器
f
LO
(M)
fm=fRF-f’LO LLO = LLO+20lgM
Pnm P n m
m 0m
P
0m
0
P
m 1
0m
0
P
m2
P01
P0 m 1 100% P01
1、忽略变容管的电阻损耗； 2、除n次谐波外的所有谐波信 号都接电抗性负载； 理论倍频效率达到100%
24
一、电抗性倍频器
2、变容管倍频器
高次谐波不会产生电压，除非允许低次谐波电流流过
DDS提供频率精调；PLL提供频率粗调
缺点：PLL切换时，速度减慢
13
几种频率合成技术的性能比较
类别 主要特征
DS 高 差 快 很低 高
PLL 较高 一般 慢 较低 低ຫໍສະໝຸດ DDS 低 极高 快 低 高
工作频率 分 辨 率 速 噪 杂 度 声 散
在实际的工作中根据具体设计要求采用不同的方 式，也可以结合起来应用使最终的结果满足要求
9
DDS的特点
频率分辨率极高：由FCW=1可得分辨率Δf= fc/2A，A达到48位 (AD9852)，使得分辨率极高(微Hz级) 频率捷变很快：FCW的传输时间及以LPF为主的器件响应时间 很短，使得高速DDS系统的频率切换时间可达ns级 变频相位连续： FCW 的改变实质是改变相位增长率，而相位 本身保持不变，使得系统有良好的相参性 易于控制、集成和实现功能扩展：改变 ROM中存储的数据， 可以实现任意波形输出 杂波抑制差：DDS全数字结构带来了许多优点，但正是由于这 种结构以及寻址 ROM时采用相位截断、 DAC位数有限决定了 DDS杂波抑制差的主要缺点 输出频率低：受器件速度(特别是 DAC)的限制，使得工作时钟 频率fc较低(AD9858:1GHz) 输出相对带宽很宽：0～40%fc (Nyquist带宽限制了DDS的输出 上限)
非线性微波电路
纯电容的响应与频率有关 ——储能元件 ——选频特性
非线性元件产生新的频率的机理
激励：
非线性元件中的中电流为： 如果电压源与非线性元件间有一个电阻，则流经该电阻的 电流就会产生更多频率的电压分量，这些新的电压分量又 产生新的电流分量，这样，频率的数目会更多。
非线性元件产生的所有频率应为 激励频率的线性组合
反向串联联接：是反向并联联接的对偶情况
同样偶阶和奇阶分量被分离，奇阶电流分量在环路内环流 ，而偶阶电流分量在外电路在环流 效果：等效于只有偶次非线性的单个元件的工作情况 结论：可抑制奇次谐波分量 用途：偶次倍频器应用，具有低的奇次谐波输出，提高谐 波抑制度
利用非线性器件完成的
几种重要微波部件
混频器 上变频器 倍频器 振荡器 放大器
平衡和多器件电路是改善非线性 现象的重要措施
由两个或多个固态器件构成的平衡电路有许多优 点，如： • 提高动态范围和输出功率 • 改善电路隔离度 • 抑制偶次或奇次谐波 • 改善带宽及输入、输出驻波比等
多器件电路形式： 借助电桥分配网络连接射的 TE10波从端口2、3
大信号非线 性放大区
IM3定义
一般称2f1－f2及2f2－f1两个频率分量的幅度为三阶交调幅 度，它们的幅度与基波幅度之比值衡量放大器非线性失真 的程度
IM3越小， 非线性失真 越小。常常 用来衡量线 性功放的线 性度
各指标之间的数学关系
对于放大器、混频器等器件，OIP3一般比P1dB大10～15dB
非线性效应将导致无用的“寄生”频率产生
非线性放大器对双输入信号的频域响应
由于非线效应影响，当输入信号频率为f1，f2的双音信号 时，则输出产生交调失真fim＝mf1±nf2，其中，2f1－f2、 2f2－f1为三阶交调产物（IM3），与f1、f2相隔最近，对信 道的影响最严重。
倍频器原理
倍频器1、功能。
倍频器实质上就是一种输出信号等于输入信号频率整数倍的电路，常用的是二倍频和三倍频器。
在手持移动电话中倍频器的主要作用是为了提升载波信号的频率，使之工作于对应的信道；同时经倍频处理后，调频信号的频偏也可成倍提高，即提高了调频调制的灵敏度，这样可降低对调制信号的放大要求。
采作倍频器的另一个好处是：可以使载波主振荡器与高频放大器隔离，减小高频寄生耦合，有得于减少高频自激现象的产生，提高整机工作稳定性。
2、倍频原理。
由晶体三极管组成的倍频电路如下图所法，它的基本原理是：三极管VT1的基极不设置或设置很低的静态工作点，三极管工作于非线性状态，于是输入信号经管子放大，其集电极电流会产生截止切割失睦，输出信号信号丰富的谐波分量，利用选频网络选通所需的倍频信号，而滤除基波和其他谐波分量后，这就实现了对输入信号的倍频功能。
手机射频功率放大器射频功率放大器手持移动电话发射端的高频信号功率越大，天线转换成电磁波的能量也越大，天线转换成电磁波的能量也越大，通信距离就越远；反之，输出高频信号功率越小，通信距离就越近。
为了保证一定距离的无线电通信正常，必须对射频信号进行功率放大。
对手机射频功率放大器的主要要求有以下四个方面。
（1）输出功率能达到要求，电路有一定的输出功率功率余量。
（2）电路效率高，以节约直流电源用电量。
（3）具有良好的谐波抑制能力，杂波辐射量要小。
（4）具有功率自动控制电路，以防止电源电压变化或振荡输出电压幅度不稳定引起的过激励，避免末级功放电路的烧毁。
目前手持移动电话的射频功率放大器广泛应用厚膜混合集成功放块，其特点是将射频功放器件组成整件，体积小，可*性高，组装及检修方便。
功率自动控制电路使输出功率保持在一定范围内，其工作原理框图如下图所示。
末级功放输出的信号经耦合器采样取出部分信号功率，经过检波变成直流送入放大器放大，放大后的电平再耦合至微处理器进行检测，并由微处理器送出一个控制指令到功率放大器，从而调整功率电平使之能满足要求。
非线性微波电路与系统第九章倍频器
4、倍频损耗（或增益）
5、输入功率电平和输出功率 6、噪声系数和附加相位噪声恶化度 20logN （dBc） 7、基波和其他谐波抑制度 8、P1dB和ICP3
1 3
9、带内和带外杂散
3
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微波频率倍频器
倍频器的类型：
1、由变阻二极管的静态非线性V-I关系产生谐波； 2、利用变容二极管的非线性电抗实现参量倍频； 3、利用阶跃恢复二极管（SRD）产生谐波； 4、BJT C类放大器中同时产生谐波和增益； 5、GaAs FET 电路中得到具有增益的倍频； 6、振荡器被注入锁定在固有振荡频率的谐波上。
Va 12.0V Vt 2.0V
Rs 2.0
Ri 2.0
Rg 1.0
Ls 0.005nH
Rd 2.0
Idss 80mA在Vds 3.0V时
Cgs 0.25 pF 在Vgs Vgg时
Cgd 0.08 pF
Cds 0.1 pF
1
20
Z L 2 p 39.4 j 45.8
Zin p Ri RS Rg 1 j pCds 5 j 63
1
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微波频率倍频器
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微波频率倍频器
10.3 谐波平衡分析 功率放大器和倍频器分析的主要不同是，FET 频率倍频器一般使用小信号或中功率器件而不是 高功率器件，从激励频率谐波的漏电流中，由输 出滤波器取出的不是基波而是某次谐波。 倍频器分析中有其特殊性：首先，用于 FET频率倍频器中的MESFET的沟道呈脉冲持 续时间比较短的脉冲型导通，其谐波含量丰富， 这样解的初始估算值可靠性要降低，因为初始 估算值必须计算漏电流的谐波分量数目（在用 牛顿法时）。
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i(t ) I 0 I1 cos pt I 2 cos2 pt I3 cos2 pt I 4 cos4 pt ....
id1 (t ) I0 I1 cospt I 2 cos2pt I3 cos3pt I 4 cos4pt ...
Z L 2 p 39.4 j 45.8
Zin p Ri RS Rg 1 j pCds 5 j 63
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微波频率倍频器
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微波频率倍频器
10.3 谐波平衡分析 功率放大器和倍频器分析的主要不同是，FET 频率倍频器一般使用小信号或中功率器件而不是 高功率器件，从激励频率谐波的漏电流中，由输 出滤波器取出的不是基波而是某次谐波。 倍频器分析中有其特殊性：首先，用于 FET频率倍频器中的MESFET的沟道呈脉冲持 续时间比较短的脉冲型导通，其谐波含量丰富， 这样解的初始估算值可靠性要降低，因为初始 估算值必须计算漏电流的谐波分量数目（在用 牛顿法时）。
4、倍频损耗（或增益）
5、输入功率电平和输出功率 6、噪声系数和附加相位噪声恶化度 20logN （dBc） 7、基波和其他谐波抑制度 8、P1dB和ICP3
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9、带内和带外杂散
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微波频率倍频器
倍频器的类型：
1、由变阻二极管的静态非线性V-I关系产生谐波； 2、利用变容二极管的非线性电抗实现参量倍频； 3、利用阶跃恢复二极管（SRD）产生谐波； 4、BJT C类放大器中同时产生谐波和增益； 5、GaAs FET 电路中得到具有增益的倍频； 6、振荡器被注入锁定在固有振荡频率的谐波上。
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微波频率倍频器
FET倍频器与二极管倍频器相比有一些比 较突出的优点 : 1、可以实现宽的带宽 2、大于1的变频增益； 3、可以使用小信号倍频和较高的P1dB： 4、消耗的直流功率较小，热耗散也不大。
但噪声性能稍差一些。
FET的工作状态一般为B类，具有稳定性好、 增益高、输出功率大和效率高等特点。
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微波频率倍频器
二极管倍频器典型电路
LPF BPF
f0 f0 n f0
n f0
1、二极管倍频器中二极管可以是串联形式也可以是并联形式。 2、二极管可选用肖特基势垒二极管、变容二极管、阶跃恢复二 极管，甚至可用耿氏二极管和雪崩二极管等。
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a
PL ,n Pin Pd 0
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1 a d 0 1 G p
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微波频率倍频器
Vmax Vg ,min Va
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微波频率倍频器
例，设计一FET频率二倍频器，其输入频率 为10GHz。MESFET的有关参数是
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微波频率倍频器
频率倍频器是一种典型的非线性电路，其目的 就是将输入频率fp，N次倍频后输出频率为NⅩfp。与之 相反对应的电路为频率分频器（预分频器）。
LPF fP ⅩN
BPF
NfP
匹配在fP
匹配在NfP
输入激励为大信号，FET工作在强非线性电路（B类） →充分非线性特性进行频率变换。
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微波频率倍频器
10.4 设计中的实际问题
甲类倍频器（和甲类放大器一样）的 增益较高，输出功率和频率一般，而乙 类倍频器（和乙类放大器一样）的输出 功率和效率较高，增益较低。
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微波频率倍频器
3dB180° 电桥
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微波频率倍频器
低功率乙类倍频器，在低阶谐波上所产生的 射频输出功率比较低（一般低于10dBm），但增 益大于1，其输出频率可以很高，有时候其输出 频率可以工作在毫米波范围。
乙类倍频器与乙类功率放大器的主要区别 是，乙类倍频器的输出频率是匹配频率的谐 波而不是激励频率的基波。
Vgg
Vg ,max Vg ,min 2
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微波频率倍频器
Vmax Vmin 2
VL t I n RL
RL
Vmax Vmin 2I n
PL ,n
1 2 1 Vmax Vmin I n RL I n 2 2 2
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微波频率倍频器
10.1 设计的基本考虑 小信号MESFET的FET倍频器，在低功率电平保 持高的直流到射频频率效率的条件下，可以在宽 的频带范围内实现大于1的增益。 二极管倍频器，其增益不可能大于1。 变容管倍频器在高电平时频带很窄。 电阻性（肖特基二极管）倍频器频带比较宽，但 它的损失更大且承受大功率的能力较差。
id 2 (t ) I 0 I1 cos( p t ) I 2 cos 2( p t ) I 3 cos3( p t ) I 4 cos 4( p t ) .... I 0 I1 cos p t I 2 cos 2 p t I 3 cos3 p t I 4cos 4 p t ...
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倍频器频谱分析
V
幅 度
LPF
BPF
(N-1)ωfp
(N+1)ωfp
...
0 ωfp 2ωfp 3ωfp Nωfp
...
ω
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频率倍频器的主要性能指标： 1、工作频率和频带宽度 2、输入/输出驻波系数（注意端口和频率） 3、倍频次数N
I n I max
t0 T
注意：与n无关。
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2Vt Vg ,max Vg ,min t 2 arccos V g ,max Vg ,min
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GaAs MESFET 的漏电流经验表达式：
Id A0 A1Vg A2Vg Ag tg aVd
2 3
A0=0.0967, A1=0.11334, A2=0.04853, A3=0.00801 ,a=1.5
Imax=80mA 和 Vmin=1V
总输出
id (t ) id1 (t ) id 2 (t ) 2 I 0 I 2 cos2 pt I 4 cos4 pt ... I 2n cos2n pt ...
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可见：奇次谐波输出相互抵消，而偶次谐波输出相互增强（3dB）
29
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10.2 近似设计
谐振在谐波上， 而不是基波
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Id t I0 I1 cos pt I 2 cos 2pt
微波频率倍频器
I1 Cgs(Vg）
Zg(nωp)
Rg
Vs(t) Vgg
V1
+
Ri
Cgd I2 Id(Vg,Vd) V2
Vdd
+ -
ZL(nωp) Ls
Rd Rs
Cds
谐波平衡方程
F (V ) I s YNNV JQ IG 0
采用牛顿求解法求出端口电压波形V1和V2，由此求出输入/ 输出功率，Pin（f0）和Pout（fi），最后得到输出功率、效 率、驻波和谐波等技术指标。 1
微波频率倍频器
Pin=8mW=9dBm
PL ,2 21.6mW 13.3dBm
Gp=4.3dB I 0 19.9mA
Pdc 59.7mW
36%
∴RL=92.6
1 23
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微波频率倍频器
jBL j 2 pCds 12.5mS
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微波频率倍频器
Vmax Vmin Vdd 2
Pd 0 Vd 0 I d 0 1 Vdd I 0 2
2t0 Pd 0 I maxVdd T
dc
PL,n Pdo
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微波频率倍频器
2 1 2 Pav Pin Vg ,max Vgg p2 Cgs Ri Rs Rg 2
Vg,min=-7V
Vmax=5V Vg,max=0.2V Vg,min=-7V Vdd=3V Vgg=3.4V