非线性微波电路与系统第九章倍频器.ppt

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1、1,1,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Nfp。与之相反对应的电路为频率分频器（预分频器）。,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。,1,2,.,幅度,0,fp,V,倍频器频谱分析,2fp,3fp,(N-1)fp,.,Nfp,(N+1)fp,LPF,BPF,1,3,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N4、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7、基波和其他谐波抑制度8、P1dB和ICP39

2、、带内和带外杂散,微波频率倍频器,1,4,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。,微波频率倍频器,1,5,二极管倍频器典型电路,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。,微波频率倍频器,1,6,谐波平衡方程,采用牛顿求解法求出端口电压波形V1

3、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。,微波频率倍频器,1,7,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。,1,8,10.1 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

4、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。,微波频率倍频器,1,9,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。,微波频率倍频器,1,10,10.2 近似设计,谐振在谐波上，而不是基波,微波频率倍频器,1,11,微波频率倍频器,1,12,当n0时，其系数为：,当n=0时，,微波频率倍频器,1,13,如果,则,

5、注意：与n无关。,微波频率倍频器,1,14,微波频率倍频器,1,15,微波频率倍频器,1,16,微波频率倍频器,1,17,微波频率倍频器,1,18,微波频率倍频器,1,19,微波频率倍频器,1,20,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,微波频率倍频器,1,21,GaAs MESFET 的漏电流经验表达式：,Imax=80mA 和 Vmin=1V,Vg,min=-7V,Vmax=5V Vg,max=0.2V Vg,min=-7V Vdd=3V Vgg=3.4V,A0=0.0967,A1=0.11334,A2=0.04853,A3=0.00801,a=1

6、.5,微波频率倍频器,1,22,I2=0.27 Imax 或 I2=21.6mA,微波频率倍频器,1,23,Pin=8mW=9dBm,Gp=4.3dB,RL=92.6,微波频率倍频器,1,24,微波频率倍频器,1,25,微波频率倍频器,1,26,10.3 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

7、值必须计算漏电流的谐波分量数目（在用牛顿法时）。,微波频率倍频器,1,27,10.4 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。,微波频率倍频器,1,28,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.,微波频率倍频器,3dB180电桥,1,29,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。,可见：奇次谐波输出相互抵消，而偶次谐波输出相互增强（3dB）,由,FET1,FET2,总输出,