非线性微波电路与系统第十一章.ppt
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1、非线性电路与系统,电子工程学院 电磁场与微波技术主讲人:徐锐敏(教授),Company name,第十一章 微波毫米波(高频前端子)系统,1.平衡电路,非线性电路与系统,Company name,非线性电路与系统,element(元件):R、L、C、传输线、负载、定向耦合器、功分器、滤波器等,铁氧体类(环行器,隔离器)等,device(器件):电真空器件(行波管,回旋管、返波管、磁控管等)半导体器件(二极管,三极管),Component or circuit(部件或电路):器件和元件组合而成,完成某一特定的电路功能。如:放大器,混频器,振荡器等,包括MMIC。,第十一章 微波毫米波非线性系统,
2、第十一章 微波毫米波(高频前端子)系统,Company name,第一章 微波毫米波(高频前端子)系统,Subsystem or subassembly(子系统或组件):部分元件和电路的组合,完成某一系统的部分功能。如:高频发射、接收子系统,本振混频组件,天线子系统,T/R组件等。System(系统)由若干元件和子系统组合,完成某一系统的全部功能。如:雷达系统、通信系统、导航系统、电子对抗系统等。,Company name,11.1 微波毫米波电桥的平衡电路,非线性电路与系统,单个固态电路的不足:(1)输出功率和动态范围小;(2)会产生一些无法滤除的谐波和交调分量。,平衡电路的优点:(1)输出
3、功率和动态范围大;(2)改善带宽及输入、输出驻波系数;(3)对谐波和交调分量有一定的抑制作用.,Company name,11.1.1 理想电桥特性,非线性电路与系统,1.3dB 180o电桥,Company name,非线性电路与系统,11.1.1 理想电桥特性,环行电桥,功分器,Company name,非线性电路与系统,11.1.1 理想电桥特性,2.3dB 90o电桥,Company name,非线性电路与系统,11.1.1 理想电桥特性,分支线电桥,3dB定向耦合器(耦合线电桥),Company name,非线性电路与系统,11.1.2 电桥耦合的电路组件特性,1.180o电桥耦合的
4、电路组件,注:N1和N2完全相同,3dB180电桥为理想。,Company name,非线性电路与系统,11.1.2 电桥耦合的电路组件特性,输入端口反射系数,输出端口反射系数,结论:输出功率提高3dB;输出/入阻抗同单个电路相同。,Company name,非线性电路与系统,11.1.2 电桥耦合的电路组件特性,2.90o电桥耦合的电路组件(N1和N2完全相同,3dB90电桥为理想),特点:(1),(2)耦合不平衡度对频响特性的影响不严重,(3)输出功率提高3dB,(4)输出、输入阻抗与单个电路相同,Company name,非线性电路与系统,11.1.2 电桥耦合的电路组件特性,3.非理想
5、平衡的影响,(1)等幅同相,(2)不等幅,不同相,Company name,非线性电路与系统,11.1.2 电桥耦合的电路组件特性,4.谐波和交调分量的抑制能力,(1)180o电桥,而非线性转移函数(电路),N1的输出频谱:,N2的输出频谱:,Company name,非线性电路与系统,11.1.2 电桥耦合的电路组件特性,因此:,1)由于输出端口有180o相移,因此所有偶阶分量(mneven)都被抑制。2)所有奇阶分量都同相合成。3)如果输出端口用直接连接代替180o电桥,则情况相反。,Company name,非线性电路与系统,11.1.2 电桥耦合的电路组件特性,(2)90o电桥,90o
6、耦合电路的假信号抑制特性与180o电桥的大不相同,采用同样的分析方法,由,而非线性转移函数(电路),N1的输出频谱:,N2的输出频谱:,Company name,可得:1)输出二阶混合分量具有90o的相差,具有3dB的抑制能力。2)某些(不是全部)三阶混合分量可被抑制,如212和2 2 1的三阶交调分量可被抑制,而2 1 2和2 2 1的三阶交调分量不被抑制。作业:1)请证明之。2)输入和输出网络混合使用180和90电桥,交调混合分量将如何被抑制?,11.1.2 电桥耦合的电路组件特性,Company name,非线性电路与系统,11.1.2 电桥耦合的电路组件特性,m个相同电路部件合成,其遮
7、断点增加10lgm(dB)。则平衡电路的遮断点比单个二端口电路的遮断点增大3dB,且与阶次无关。,5.交调遮断点,Company name,非线性电路与系统,11.2 微波电路部件的直接连接,1.反向并联,有,Company name,非线性电路与系统,11.2 微波电路部件的直接连接,总的外部电流:,A与B之间的环流:,结论:1)偶阶和奇阶混合分量被分开,偶阶 电流在环路内环流,而奇阶电流在 外电流中环流。2)奇阶介入阻抗为真实值的两倍,而 偶阶介入阻抗为0。,思考题:交调分量有何种特性?,Company name,非线性电路与系统,11.2 微波电路部件的直接连接,2.反向串联(反向并联的
8、对偶形式),Company name,非线性电路与系统,11.2 微波电路部件的直接连接,则,结论:1)奇阶电流在环内,偶阶电流在外电路中 2)偶阶介入阻抗为Z()2RL,而奇阶 为Z(),思考题:交调分量有何种特性?,Company name,非线性电路与系统,11.2 微波电路部件的直接连接,类似于反向并联电路,只是串联电路输出的是偶阶分量,而不是奇阶分量,3.串联连接,Company name,非线性电路与系统,11.2 微波电路部件的直接连接,N1、N2的特性必须一致。,4.两个而端口电路部件直接并联,Company name,非线性电路与系统,11.2 微波电路部件的直接连接,特点:
9、1)对任何谐波或任何阶的混合分量都没有 抑制作用。2)交调遮断点和输出功率可以得到3dB的改善。3)增益和噪声不变。4)单个电路的输入和输出阻抗值应为Zs()和ZL()的一半。,Company name,非线性电路与系统,11.2 微波电路部件的直接连接,5.m个相同二端口电路部件直接并联,Company name,非线性电路与系统,11.2 微波电路部件的直接连接,特点:1)对任何谐波或任何阶的混合分量都没有抑制作用。2)交调遮断点和输出功率可以得到 10lgm 的改善。3)增益和噪声不变。4)单个电路的输入和输出阻抗值应为Zs()和ZL()的1/m,Company name,微波系统,2、
10、m个二端口电路部件直接级联,各电路部件的技术指标为Gi,NFi,ICPi,P1dBi。如果某电路部件Ni是线性的,则有:,G=Loss(dB)NF=Loss(dB)ICP3=P1dB=,Company name,微波系统,其系数与指数的换算关系如下:G=10Log(G指数)dBNF=10Log(F指数)dB,可得一下系统指标计算公式:,Gt=G1+G2+Gm(dB)Ft=F1+(系数)(非线性)特别注意是在各级都没有饱和前提下三阶交调:(ICPt)1=(ICPM)-1(GMICPM-1)-1(GMGM-1ICPM-2)-1(GMG2ICP1)-1,Company name,非线性电路与系统,1
11、1.2 微波电路部件的直接连接,例:,G=10dBNF=3dBP1dB10dBmICP3=20dBm,L=3dB,L=6dBP1dB0dBmICP3=15dBm,L=3dB,G=20dBNF=4dBP1dB15dBmICP3=25dBm,G=12dBNF=4dBP1dB30dBmICP3=40dBm,L=2dB,NF3dBP1dB=ICP3=,NF3dBP1dB=ICP3=,NF2dBP1dB=ICP3=,Company name,非线性电路与系统,11.2 微波电路部件的直接连接,解:,NFt7.7 dB(注意先将dB换成系数带入公式计算,最后再换算为dB),P1dB是对输出功率而言的,输出
12、P1dB是由后向前推的。,分析过程:A3的P1dB30dBm,而G12dB,则输入为18dBm;而A2的P1dB只有15dBm,所以A2饱和;继续往前推,未出现饱和。因此以A2为基准分析,A3的最大输入为A2的P1dB,则A3最大的输出只有15dBm12dB27dBm,经过L3的2dB损耗,总输出只有25dBm;系统最大的输入功率为Pimax1520363103dBm,注:系统设计时,总是把线性度最大的放在最后一级。,Company name,11.3微波发射系统,微波发射系统,应用:雷达通信电子对抗 等无线系统,Company name,主要指标:工作频段:若f高f宽,通信容量大。,以系统体
13、制和作用距离及环境而定。以P1dB(常用于通信)或输出饱和功率PSAT(常用于脉冲雷达)定义。,天线方向图尖锐,而体积小;但电磁波的空间衰减(雨、雪、雾等)大,接收机的噪声也高。无委会使用频率划分。输出功率及发射功率:,11.3微波发射系统,Company name,频率稳定度:取决于本振的频率稳定度。由系统体制和信号质量来定。目前一般微波振荡器频稳好者可达1052106左右。若需要更好的长稳,得采用石英晶体控制的锁相振荡器,其稳定度基本取决于石英晶体振荡器,可大10-9以上。干扰与噪声:包括相位噪声、交调干扰噪声等。相位噪声产生于本振,体现振荡器瞬时频稳(短稳)的质量,表示信号的频谱纯度。交
14、调干扰噪声主要产生于本振、上变频器、功放的非线性特性,以及微波部件之间的回波反射。(如果每个部件的输入输出不好需加隔离器)。,11.3微波发射系统,Company name,交调失真:取决于上变频器和功放的非线性特性,最主要的交调失真是3阶交调,因为它最靠近载波信号,难于滤掉,并且比其他高阶交调分量高。,图五、非线性电路交调测试方法,11.3微波发射系统,Company name,ICPN(dBm)=式中:ICPN是第n阶交调点功率(dBm);S是交调分量与载波之比(dB);P是载波功率电平(dBm);N是交调阶数。,S,f1,f2,2f1-f2,2f2-f1,11.3微波发射系统,Compa
15、ny name,微波发射频谱框架由于通信、雷达、导航等业务的大力发展,微波频段十分拥挤,使得频率资源更为紧张。目前提高频谱利用率和避免邻近波段干扰要求越来越严,因此对微波发射机的发射信号频谱加以严格限制,使之不占用过宽频带,对邻近波段干扰甚微。对发射信号频谱的限制范围叫发射频谱框架,靠滤波器的滤波特性来保证。例如11GHz的数字通信,可用带宽为40MHz,带外抑制要求高达-80dBc。,另外,还有群时延,AM/AM、AM/PM、传输相位、散热等不同要求。,11.3微波发射系统,Company name,11.4微波接收系统,微波接收系统,主要性能指标:、工作频段和通频带:主要取决于检测频带(无
16、源辐射计)、或发射机频带(固定点)及多普勒频漂(移动目标)。为了有效抑制干扰、获得最佳信号传输,应选择合适的通频带和通带形式,由滤波特性来保证。,LNA,带通滤波器BPF,镜频抑制滤波器BPF,低通滤波器LPF,A,本振,混频器Mixer,低噪声放大器LNA,前中,天线,中频输出,Company name,噪声系数:噪声系数是接收机的重要技术指标。由多个微波部件级联的接收系统,其系统噪声主要是取决于前面几级,因此要求前几级的无源元件插入损耗尽可能小、有源电路噪声系数尽可能低且有足够增益。.接收机总增益Gt:增益之和减去损耗之和,注意低噪声器件尽量位于前级,而P1dB较大器件位于末级。本振频率稳
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