非线性微波电路与系统第九章倍频器

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）。
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）
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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
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微波频率倍频器
jBL j 2 pCds 12.5mS
当n>0时，其系数为：
n t0 cos T 4t0 I n I max 2 T 2nt0 1 T
当n=0时，
2t0 I 0 I max T
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微波频率倍频器
则
如果
t0
Tபைடு நூலகம்
0.5
n
n 0
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
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。
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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。
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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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。
Vg,min=-7V
Vmax=5V Vg,max=0.2V Vg,min=-7V Vdd=3V Vgg=3.4V
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微波频率倍频器
i 2.36135
t o T 0.37
I2=0.27 Imax 或 I2=21.6mA
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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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I n I max
t0 T
注意：与n无关。
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微波频率倍频器
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微波频率倍频器

2Vt Vg ,max Vg ,min t 2 arccos V g ,max Vg ,min
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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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2
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微波频率倍频器
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
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微波频率倍频器
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
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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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2 1 2 Pav Pin Vg ,max Vgg p2 Cgs Ri Rs Rg 2
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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
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
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平衡FET倍频器有一些优点: 一是输出匹配电路可以靠近两个FET的漏极，因而消除了这个 匹配电路（实际上是一个滤波器）寄生参量的影响，这样，平 衡倍频器的带宽可以做得宽些； 二是FET平衡倍频器的负载阻抗比单管倍频器要容易一些 . 1
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微波频率倍频器
由于采用了3dB180°电桥，使激励信号Vs（t） 到达两个FET栅极输入为等幅反相，则漏极电流的奇次 谐波（包括基波）分量是反相的，在输出端互为短路， 实现奇次谐波电气接地点，使信号奇波分量输出很小； 而FET的漏极电流中偶次谐波等幅同相，所以在输出端 同相相加。 由
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
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 ...
FET1 FET2
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 ...
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微波频率倍频器
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
Vgg
Vg ,max Vg ,min 2
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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