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1、非线性电路与系统,电子工程学院 徐锐敏（教授）地点：清水河校区科研楼C309电话：61830173电邮：,微波变频器,6.1变频器,变频器分上变频器（up-converter）和下变频器或混频器（down-converter or mixer）由固态器件的非线性特性，通过本振（LO），将中频（IF）信号上变频到射频（RF）的电路（部件），或将射频（RF）信号下变频到中频（IF）的电路（部件），主要用于发射机或超外差接收系统。是典型的非线性电路，非线性元件可用二极管和三极管器件构成。一般情况下，上/下变频器可以互换使用。,RF,LO,IF,RF,LO,IF,上变频器,下变频器又叫混频器,输出：,
2、输出：,微波变频器,非线性微波电路与系统,上变频器的主要技术指标工作频率和频带宽度变频效率 变频损耗端口隔离度端口驻波系数本振功率电平本振载漏功率和边带抑制度ICP3P1dB,非线性微波电路与系统,6.1上下变频器,混频器的主要技术指标工作频率和频带宽度噪声系数变频损耗端口隔离度端口驻波系数本振功率电平P1dBICP3镜频抑制度,非线性电路与系统,6.1上下变频器,二极管混频器,.,3 IF,频率,幅度,0,IF,LO RF,2 RFLO,2LORF,3 RF2LO,3 LO2RF,.,.,LO+RF,2 LO,2 RF,V,2 IF,混频器频谱分析,LPFout,AMP out,6.2混频器
3、,非线性微波电路与系统,混频器分为：单端混频器结构简单，成本低，性能差，一个非线性器件；单平衡混频器结构较简单，端口有一定隔离度，对本振调幅噪声有25%的抑制，两个非线性器件；双平衡混频器结构较复杂，端口隔离度可达20dB以上，对本振调幅噪声有50%的抑制，四个非线性器件；三平衡混频器结构复杂，端口隔离度可达40dB以上，对本振调幅噪声有75%的抑制，八个非线性器件；镜频抑制混频器由两只普通混频器、等幅同相（RF）和等幅正交（LO）构成，具有镜频回收能力，也可作单边带调制器或I/Q调制/解调器。谐波混频器。本振的N次谐波与射频信号进行混频。,6.2混频器,非线性微波电路与系统,从电路结构上，分
4、为单管式混频、双管平衡式混频和多管式混频。单管混频器只采用一只二极管，结构简单、成本低，但噪声高、抑制干扰能力差，在要求不高时采用，它是理论分析的基础。平衡式混频器借助平衡电桥可使本振的噪声抵消，因而噪声的性能得到改善，电桥又使信号与本振之间达到良好隔离，因而平衡混频器是最普遍采用的形式。另外还有（多）双衡混频器、谐波混频器、镜频抑制混频器等等，可根据特殊要求而设计。,6.2混频器,非线性微波电路与系统,6.2混频器（单端混频器）,双工器,低通滤波器,RF,LO,IF,双工器,低通滤波器,RF,LO,双工器,低通滤波器,RF,LO,IF,IF,特点：简单，基础和廉价，但性能差。,非线性微波电路
5、与系统,3dB90电桥,RF,LO,IF,6.2混频器（平衡混频器）,特点：由于采用了平衡电路，各端口隔离度大为提高，本振的相位噪声可在两管电流中抵消，同时也对消了部分组合分量，因此改善了混频纯度和变频损耗，能够抑制本振的调幅噪声25%。,非线性微波电路与系统,特点：1、多倍频程工作带宽。2、混合组合分量小。3、隔离度好。4、动态范围大。5、能够抑制本振的调幅噪声50%。,6.2混频器（双平衡混频器）,微波巴伦,微波巴伦,非线性微波电路与系统,特点：1、工作带宽更宽，10倍频程以上；2、混合组合分量更小，可达40dBc以上；3、隔离度更好，可达40dB以上；4、动态范围大，输出P1dB可达10
6、dBm以上；5、能够抑制本振的调幅噪声75%。6、但需更大的本振功率电平。,6.2混频器（三平衡混频器又叫双-双混频器）,微波巴伦,微波巴伦,非线性微波电路与系统,6.2混频器（镜像抑制混频器）,特点：中频3dB90电桥两个输出自动固定高本振和低本振混频的中频信号，由此可对镜频进行分离和抑制。推广：如果用作上变频器，可作单边带（SSB）调制器；如果不用中频电桥，可用作I/Q调制/解调器。,什么镜像频率？有什么危害？,非线性微波电路与系统,6.2混频器（谐波混频器）,特点：由非线性特性，先将本振信号频率倍频后，再和射频信号频率混频输出中频。可降低微波高端以上本振频率信号源的制作难度，降低成本。但
7、所需本振功率较大、变频损耗较差，输出中频信号的组合分量较多，且本振频率与中频频率较近，注意低通滤波器和本振端口的设计。,RF,LO,IF,中频输出：,注意：匹配在fLO上,非线性微波电路与系统,器件选择 肖特基势垒二极管混频器（无源）场效应类晶体管混频器（有源）双栅场效应管混频器（有源）,6.2混频器,非线性微波电路与系统,二极管混频器：结构简单、工作频带宽、噪声较低、动态范围大、工作稳定等FET混频器：变频增益、电路较复杂、需直流供电双栅场效应管混频器结构相对于FET混频器简单，LO和RF端口馈入处可不用微波巴伦。,6.2混频器,非线性微波电路与系统,6.1.2 混频二极管模型,6.2混频器
8、,非线性微波电路与系统,6.2混频器,非线性微波电路与系统,6.2混频器,非线性微波电路与系统,6.2混频器,非线性微波电路与系统,基本工作原理,6.2混频器,非线性微波电路与系统,6.2 混频器的非线性分析（变换矩阵法）,大信号分析 二极管及其介入网络结电容和结电导的变换矩阵,谐波平衡法,小信号分析小信号激励时的变换矩阵,变换矩阵法,6.2混频器,非线性微波电路与系统,6.2.1 大信号分析,6.2混频器,非线性微波电路与系统,牛顿法:收敛快、效率高容易产生所需要的的初始值反射法:可靠性高，且无须的初始值。,谐波平衡分析时选择运算方法主要考虑的原则:收敛的速度和可靠性,6.2混频器,非线性微
9、波电路与系统,6.2.2.小信号分析,介入阻抗是对二极管呈现的阻抗，它的频率为：,二极管阻抗形式的变换矩阵为：,6.2混频器,非线性微波电路与系统,源端子上的混合电流和电压向量间的关系为：,在频率为 的本振激励下，二极管的小信号阻抗是：,假设中频频率为,则二极管的输出阻抗为,6.2混频器,非线性微波电路与系统,在中频频率上的输出功率是：,可用射频输入功率是：,则变频损耗为：,6.2混频器,非线性微波电路与系统,6.2混频器,非线性微波电路与系统,6.2混频器,非线性微波电路与系统,6.3.1 设计方法,在设计混频器之前必须知道下列几个参数：本振激励下的二极管射频阻抗。（输入）本振激励下的二极管
10、中频阻抗。（输出）本振的输入阻抗。在不希望的混合频率以及本振谐波上的二极管的最佳端接阻抗。端口间隔离度。,6.2混频器,非线性微波电路与系统,一个问题：确定端口阻抗必须用变换矩阵法理论进行。一对矛盾：上述理论只是分析而不是综合。,6.2混频器,非线性微波电路与系统,一些经验上的考虑：,1）在射频频率上将二极管视为一个电阻与电容并联，电阻一般为50150。电容在，中频输出阻抗一般在75150 并有一小电纳与它并联；,2）大信号本振输入阻抗与小信号射频输入阻抗接近；,6.2混频器,非线性微波电路与系统,3）如果在不希望的混合频率和本振谐波频率上开路，则射频和中频输入阻抗的接近（1）中的高端；如果短
11、路，则接近（1）中的低端；,4）开路介入阻抗状态，特别是镜频的开路介入阻抗状态，使中频输出阻抗的电抗大增且为感性；,5）短路介入阻抗一般会使混频器的性能更好些，开路介入阻抗状态会引起电路的不稳定；,6.2混频器,非线性微波电路与系统,6）开路介入阻抗状态时，混频器变频损耗最低，噪声温度最高，交调最差。短路介入阻抗状态时，混频器变频损耗变大，噪声温度较低，交调变好。,7）镜频抑制混频器的二极管端接状态对变频损耗影响很大，给出最佳变频损耗的镜像端接状态下不但不会使噪声温度达到最佳，而且还可能导致交调性能变坏；,8）在给定二极管和一组介入阻抗时，对偏置、源和负载阻抗，以及本振电平间有一个最佳组合,6
12、.2混频器,非线性微波电路与系统,FET混频器的大信号小信号分析1、大信号分析,6.2混频器FET混频器,Zl（np）,+-,Vdd,-+,Zs(np),Vs(t),Vgg,非线性微波电路与系统,Vs(t)Vp(p)即本振源。Cgd为 弱非线性近似为线性元件。,6.2混频器FET混频器,非线性微波电路与系统,非线性元件只有两个Id（Vg，Vd）和Cgs（Vg）。谐波平衡方程（n=2）：,有IG=Id，V1=Vg，V2=Vd,6.2混频器FET混频器,非线性微波电路与系统,Jacobian矩阵可从第三章获得，牛顿法求解。,6.2混频器FET混频器,非线性微波电路与系统,小信号分析,=q,r 时输
13、出频率的负载导纳为YL(1)，输入频率的负载导纳为YS(q);q,r 时输出频率的负载导纳为YL(1)，输入频率的负载导纳为YS(q);由此,把非线性电容Cgs变换为时变线性电容Cgs(t),时变跨导,时变电导,6.2混频器FET混频器,非线性微波电路与系统,6.2混频器FET混频器,非线性微波电路与系统,6.2混频器FET混频器,式中Ymn=diagYmn(k)k=-K,-2,-1,0,1,2,.K,非线性微波电路与系统,6.2混频器FET混频器,增广矩阵,其他电流分量都为零,可得变频增益,输入导纳,输出导纳,非线性微波电路与系统,6.3上变频器,RF,IF,LO,Up-Converter,
14、BPF,Amp,非线性微波电路与系统,.,3 IF,频率,幅度,0,IF,RF LO,.,.,2 LO+IF,2 LO,V,2 IF,混频器频谱分析,2 LO-IF,RF,BPFout,AMPout,非线性微波电路与系统,上变频器与混频器又有几点不同：1.输入中频是强信号，因为它主要用于发射机，把中频信号混频成微波信号发射出去，为了获得较大输出和避免噪声影响，中频信号功率仅比本振略低一点。2.为了获得较大输出功率，有源器件多采用变容管，它比肖特基势垒二极管有较高的变频效率和承受更大功率。3.噪声系数不再是主要指标，而变频效率更为重要。4.由于中频频率较低、本振频率与射频频率较近，射频输出端口的
15、本振载漏和另一边带的抑制是上变频器的重要指标。如果 本振频率不是点频，而有较大带宽，抑制本振和另一边带频率分量更难。,6.3上变频器,非线性微波电路与系统,Varactor Upconverter：,6.3上变频器,非线性微波电路与系统,6.3上变频器,非线性微波电路与系统,优点主要是1、工作稳定，且频带宽；2、具有变频增益；3、输出饱和点高；4、组合的谐波分量少。,6.4 FET类上变频器,主要任务：1、确定与Vgg的依赖关系；2、确定最佳PLO；3、确定所有端口的最佳端接阻抗。,非线性微波电路与系统,单管FET上变频器,两种变频方式：1、Id/vg的非线性特性栅极上变频取Vgg=Vt，为P
16、out最大2、Id/vd的非线性特性漏极上变频取Vdd为膝点电压，最高,滤波,6.4 FET类上变频器,非线性微波电路与系统,将跨导gm展开为付氏级数,当本振和中频信号同时FET栅极时，可得漏极电流（前三项）,可见输出电流主要前三项频率信号：p本振频率信号；p+0上边带频率信号；p-0下边带频率信号,注意：还有许多其他混合频率信号分量,6.4 FET类上变频器,非线性微波电路与系统,上变频器的特殊问题：由于p 0，即 p和RF相当，所以漏极输出要使p短路接地，而使 p+0或 p-0匹配输出很难，尤其是本振频率在宽的范围变化而使p无输出就难上加难。,解决方法有两点：1、选择合适的反射系数相角，使p，Gt最小；而p+0或 p-0，Gt最大。,6.4 FET类上变频器,非线性微波电路与系统,2、采用平衡式FET上变频器,由漏极电流一般公式,6.4 FET类上变频器,总输出电流,非线性微波电路与系统,6.4 FET类上变频器,思考题：1）证明下图为平衡式上变频器无本振频率信号输出。,2）、将镜像抑制混频器作为上变频器使用，分析射频输出只有一个边带，上边带或下边带。,非线性微波电路与系统,
