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微波技术新进展 2008年 非线性微波电路 线性电路 不会产生新的频率分量非线性电路 产生新的频率分量 区分线性与非线性的依据 非线性器件描述实例 肖特基势垒二极管 变容二极管 肖特基势垒二极管时变电流波形 时变电容随泵浦电压周期变化波形 单频激励 非单频响应 单频激励 非单频响应 线性器件描述实例 与非线性器件对比 纯电阻 纯电容 纯电阻的响应与频率无关 耗能元件 耗能 储能 非线性频率响应 线性频率响应 纯电容的响应与频率有关 储能元件 选频特性 不会产生新的频率 还可能抑制某些频率 V t V I t I t 0 0 t 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 n 0或m 0 谐波m n 0 混合频率 非线性电路产生新频率的一个重要应用实例 微波倍频 激励 响应 输入频谱 输出频谱 非线性电路 倍频器 带通滤波器 输出频率 9倍的输入频率 常见的变频关系 倍频 常应用于接收机和测量仪器 常应用于信号发生器 下混频 上变频 非线性的主要表现 谐波的产生交调饱和和饨化交叉调制 谐波的产生 非线性系统最明显的特点之一它会产生一个激励频率或一些激励频率的谐波 交调 IM 是一种混合频率 由两个或更多个频率的线性组合 即交调 IM 分量 最重要的交调分量是 2w1 w2 和 2w2 w1 的三阶交调分量 IM3 因为它们是所有奇阶交调分量中最强的 并与产生它们的信号频率最接近 无法用滤器滤除 饱和和饨化 任何电子电路都会出现饱和现象 这是因为任何器件可以利用的输出功率都是有限的 饱和将使系统变得不灵敏 这种现象也称饨化 交叉调制 CM 非线性电路中一个信号到另一个信号的调制转换 CM信号 表征非线性器件的指标 Pin 输入功率Pout 输出功率P1dB 1dB压缩点Psat 饱和功率G 增益IM3 三阶交调系数IIP3 输入三阶截止点OIP3 输出三阶截止点 基频曲线与三阶分量曲线线性延长的交点 A 输出功率与IM3的差 1dB压缩点定义 当微波功率放大器增益比小信号的线性增益低1dB时 这一点通常称为1dB压缩点 对应于该点的输出功率称为1dB压缩点输出功率其他非线性器件也存在1dB压缩点 大信号非线性放大区 小信号线性放大区 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 非线性分析方法 谐波平衡法 分析单一频率信号激励强或弱非线性电路的最为有用的方法 可用于对微波功率放大器 频率倍频器以及带有本振激励的混频器等的分析变换矩阵法 是一种大信号 小信号分析方法 用于分析二频率激励的非线性微波电路 如 混频器 其中的非线性元件 混频二极管 上加有大信号的本振及幅度非常小的射频信号幂级数法 要求电路中仅包含理想非记忆转移非线性 元件 它容易使用Volterra级数法 是一种非线性转移函数分析法 对电路没有幂级数那样的要求 所以 应用更为广泛 谐波平衡法的基本思想 找一组端口电压波形 或者谐波电压分量 它应使线性子网络方程和非线性子网络方程给出相同的电流 实质上就是建立谐波平衡方程 然后用恰当的方法求解 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直接串联 并联 波导魔T从端口1入射的TE10波从端口2 3等幅同相输出 端口4隔离 从端口4入射的TE10波从端口2 3等幅反相输出 端口1隔离 微波电桥的常见结构 由魔T实现的微波混频电路 实现对本振泄漏和本振噪声的抑制 平面电路常用的电桥结构 环行电桥 威尔金森电桥 分支线90度电桥 耦合线90度电桥 微波电桥的应用 实现两个二端口网络的并联联接 电桥可以是180 或90 常用在微波功率放大器电路中 实现功率合成 各电桥与两端口网络联接的端口应是互相隔离的端口对从输入到输出的相移应相等两端口网络应是一致的 0 90 180 0 0 0 90 180 微波电桥的应用实例 W波段63W功率合成器 2 Diode Combiner 2 Diode Combiner 2 Diode Combiner 2 Diode Combiner Input Output Termination Termination 3dBHybrid Coupler 0 o 90 o 90 o 180 o 90 o 180 o 180 o 反相 同相 0 90 o o 微波非线性元件的直接联接 把固态器件直接联接起来的主要目的是在不增加电路复杂性的情况下 提高输出功率 例如 把多个小型双基晶体管和场效应晶体管直接并联起来 就可实现高功率的双基晶体管和场效应晶体管为了消除不希望的谐波和交调分量 采用适当的方法把固态器件联接在一起 可以把偶阶或奇阶分量消除 如平衡混频器 反向并联联接 偶阶和奇阶分量被分离 偶阶电流分量在环路内环流 而奇阶电流分量在外电路在环流效果 等效于只有奇次非线性的单个元件的工作情况结论 可抑制偶次谐波分量用途 奇次倍频器 具有低的偶次谐波输出 提高谐波抑制度谐波混频器 偶次亚谐波激励本振 奇次 偶次电流分量 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 一 微波混频器 将高频信号转移到低频信号 便于进行信号处理主要采用非线性电阻元件 如肖特基势垒二极管 镜频是由非线性产生的新频率中 含中频信息最强的高次混合频率 镜像匹配时 信号输入功率有一部分会变成镜像功率在信号源内导上消耗掉 变频损耗大 主要应用在宽带接收机或双边带接收镜像开路或短路时 输入信号的镜像频率被短路或开路抑制 而没有损耗 变频损耗小 主要应用在窄带接收机或单边带接收 强本振弱信号 混频器的频谱关系 变频损耗定义 噪声系数定义 P和P分别为从信号源和中频输出得到的资用功率 aS aif N和N分别为输入和输出的噪声资用功率 aS aif 混频器最重要的两个指标 镜像短路或开路混频器的噪声系数近似等于变频损耗 另一边带的的噪声被抑制了 镜像匹配混频器接收单边带信号 噪声系数恶化3dB 负频率上的噪声翻转到中频上 单端混频器 结构最简单 本振功率低 动态范围小 交调抑制差 LO RF隔离差单平衡混频器 本振功率较大 具有本振噪声抑制 动态范围较大 交调抑制较好双平衡混频器 结构复杂 本振功率大 交调最低 动态范围大 三种混频器电路形式 单端混频器的典型微带电路结构 耦合器 匹配负载 阻抗变换 中频滤波 高频旁路 中频及直流通路 平衡混频器的典型微带电路结构 毫米波平衡混频器的典型微带电路结构 W波段平衡混频器 谐波混频器的频谱关系 本振频率n次谐波与信号混频 即n次谐波混频 主要应用在毫米波频段进行信号检测 如 毫米波锁相电路 扩展微波频率 频谱测试范围等 毫米波谐波混频器的典型微带电路实例 毫米波信号 二极管 低通滤波器 微波本振 中频 带通滤波器 二 微波上变频器 可实现对信号频率的提升 但不改变绝对带宽 主要采用非线性电抗元件 变容管 和非线性电阻元件 肖特基势垒二极管 采用FET进行有源上变频还可获得变频增益 微波混频器也可完成上变频功能 由于本振频率与上下边带频率靠近 必须在输出连接一个带通滤波器 才能获得较纯净的上变频输出信号 强本振强信号 上变频器的频谱关系 激励 本振 响应 输入本振fL 950MHz 输出射频fu 1 05GHz 微波上变频器 带通滤波器 微波上变频器实例 响应 输入信号fS 100MHz 激励 信号 一个工程设计中的微波上变频器实例分析 分析交调 mfLO nfS 落入输出通带内的高次交调干扰杂波频率 无法滤波 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 上变频上边带频率输出 要求 其中 1 4 和 4 4 的交调幅度最大 解决办法 降低信号功率 因为信号的高次交调幅度比一次交调幅度灵敏 二阶交调 2dB dB三阶交调 3dB dB 三 微波倍频器 主要采用非线性电阻或电抗元件 如 肖特基势垒二极管 变容管 阶跃二极管等 采用FET放大器进行有源倍频也可获得很高的倍频效率目前 微波频段出现了许多可供选择的商业MMIC倍频器集成电路芯片 使得微波倍频器的实现变得非常容易 强信号激励 倍频器的频谱关系 输出信号频率是输入激励信号频率的n倍 即n次倍频 主要应用在各种微波毫米波频段的频率源系统中 可同时对微波低频率信号的绝对频率和绝对带宽进行倍增 微波倍频器实例 美国HITTITE公司八倍频器电路 HMC444LP3MMIC有源八倍频器芯片 激励信号频率240MHz 13dBm时的输出频谱 奇次幅度强 偶次幅度被抑制 美国AGILENT公司生产的HSMP3822二极管反向并联管对能实现比较好的宽带微波奇次倍频 HSMP3822倍频器测试电路 微波倍频器实例 1 2 3 4 5 6 7 四 微波振荡器 构成微波系统的核心 微波晶体管 FET HEMT等 雪崩二极管 IMPATT 体效应二极管 GUNN 微波振荡器中最有实际价值的是电调振荡器 VCOMMIC振荡器芯片已广泛应用 毫米波集成雪崩振荡器实例 W波段集成雪崩振荡器电路 输出频率 94 78GHz输出功率 7mW 五 微波放大器 微波系统中最常见的部件 低噪声放大器 LNA 常用于接收机的前置放大 功率放大器 PA 常用于发射机 信号源 线性功率放大器 LPA 通信发射机 MMIC放大器芯片广泛应用 为普通放大器的设计带来极大简化 在现代微波通信领域得到广泛应用 线性功率放大器 目前的热门研究领域 对一般理想线性放大器 Vout K1Vin t 输出波形不会产生明显失真 平方律非线性特性 Vout t K1Vin t K2Vin2 t 三阶非线性特性 Vout t K1Vin t K3Vin3 t K3 0 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 由于放大器不可能无限制地输出功率 所以 必然存在功率饱和现象 导致大功率放大器总是要面临非线性问题 对于发射机来说 功放的作用就是要在抑制非线性失真的条件下 最大限度地发挥功率器件的容量 功率放大器的线性化技术 大信号非线性放大区 小信号线性放大区 功率饱和现象 功率放大器线性化的意义 随着无线通信的迅猛发展 通信频率资源变得越来越紧张 这就导致了各种具有高频谱利用率和宽频带通信体制的出现 而且系统又多是多载波 多信道的 这就需要射频系统有很好的线性 否则就会产生失真 导致带内信号干扰已调信号 已调矢量信号的幅度和相位出现偏差 同时导致频谱再生 干扰邻道信号 误码率恶化等等 线性功率放大器主要技术指标 工作频带 f GHz 功率增益 G dB 输入 输出驻波比 VSWR工作电压 电流 V I V A 1dB压缩点输出功率 P1dB dBm 三阶截止点 IP3 dBm 三阶交调系数 IM3 dB 邻道信号功率比 ACPR dBc 邻道信号功率比 ACPR dBc AdjacentChannelPowerRatio 反映在多信道通信系统中功率放大器产生的非线性信号对临近信道干扰的重要指标 n为信道个数mod 是取余函数 功率放大器线性化的主要方法 功率回退法反馈技术前馈技术预失真技术 功率回退法 提高放大器线性度最简单的方法 将放大器工作在甲类 并降低工作电平 直到得到所要求的线性度 典型的甲类功率放大器中 n阶交调分量输出功率随输入功率变化为ndB dB 而线性输出变化为1dB dB 所以少许的功率回退可以使IM产物大幅压缩 特别是对高阶产物 但这种方法对放大器的效率和放大器本身的工作能力来说是一种浪费 反馈技术 是利用检波或解调来恢复基带调制信号和功放输出信号 然后利用基带信号与输出信号之间的误差来校正放大器的驱动或控制信号 预失真技术 通过产生输入信号的互补信号 来消除RF功放的非线性失真的线性化技术 将压控衰减器 或放大器 和移相器放在信号输入通路上 然后利用RF信号包络进行动态调节 来消除与输入信号电平相关的功率放大器幅度 AM AM 和相位 AM PM 转换失真 前馈技术 通过将主功率放大器产生的失真信号样本前馈到放大器输出端 来大量抵消放大器输出端的失真信号 前馈系统一般有两个环路 在信号抵消环中 未失真的参考信号 A 与主放大器的输出失真信号 B 相减得到信号失真分量 C 失真分量 C 在失真抵消环中经过