1、LOGO非线性电路与系统非线性电路与系统电子工程学院电子工程学院 电磁场与微波技术电磁场与微波技术主讲人：主讲人：徐锐敏徐锐敏 （教授）（教授）Company 第一章第一章 微波毫米波前端子系统微波毫米波前端子系统1.平衡电路2.微波电路部件的直接连接3.微波发射系统4.微波接收机非线性电路与系统非线性电路与系统Company 非线性电路与系统非线性电路与系统element（元件）（元件）：R、L、C、传输线、负载、定向耦合器、滤波器等，铁氧、传输线、负载、定向耦合器、滤波器等，铁氧体类（环行器，隔离器）体类（环行器，隔离器）device（器件）（器件）：电真空器件（行波管，回旋管）、半导体器
2、件（二极管，三：电真空器件（行波管，回旋管）、半导体器件（二极管，三极管）极管）Component or circuit（部件或电路）（部件或电路）：器件和元件组合而成，完成某一特定：器件和元件组合而成，完成某一特定的功能。如：放大器，混频器，振荡器等，包括的功能。如：放大器，混频器，振荡器等，包括MMICSubsystem or subassembly（子系统或组件）（子系统或组件）：部分元件和电路的组合，：部分元件和电路的组合，完成某一系统部分功能。如：高频发射、接受子系统，本质混频组件，天线完成某一系统部分功能。如：高频发射、接受子系统，本质混频组件，天线子系统，子系统，T/R组件等组件
3、等Company 11.1 微波毫米波电桥的平衡电路微波毫米波电桥的平衡电路非线性电路与系统非线性电路与系统单个固态电路的不足单个固态电路的不足：（：（1）输出功率和动态范围小）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）会产生一些无法滤除的谐波和交调分量平衡电路的优点平衡电路的优点：（：（1）输出功率和动态范围大）输出功率和动态范围大 （2）改善带宽及输入、输出驻波系数）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）对谐波和交调分量有一定的抑制作用Company 11.1.1 理想电桥特性理想电桥特性非线性电路与系统非线性电路与系统1.3dB 18
4、0o电桥电桥180001100111110021100OSCompany 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.1 理想电桥特性理想电桥特性环行电桥环行电桥功分器功分器Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.1 理想电桥特性理想电桥特性2.3dB 90o电桥电桥9000100111002100OjjSjjCompany 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.1 理想电桥特性理想电桥特性分支线电桥分支线电桥定向耦合器定向耦合器（耦合线电桥）（耦合线电桥）Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.2 电桥耦合的电路组件特性电桥耦合的电路组件特性1.180o
5、电桥耦合的电路组件电桥耦合的电路组件Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.2 电桥耦合的电路组件特性电桥耦合的电路组件特性2siVV 2LoVV2siII 2LoII13()2in 24()2out 输入端口反射系数输入端口反射系数输出端口反射系数输出端口反射系数输出功率提高输出功率提高3dB；输出；输出/入阻抗同单个电路相同。入阻抗同单个电路相同。Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.2 电桥耦合的电路组件特性电桥耦合的电路组件特性2.90o电桥耦合的电路组件电桥耦合的电路组件特点特点：（：（1）34()2in 65()2out（2）耦合不平衡度对频响
6、特性的影响不严重）耦合不平衡度对频响特性的影响不严重（3）输出功率提高）输出功率提高3dB（4）输出、输入阻抗与单个电路相同）输出、输入阻抗与单个电路相同Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.2 电桥耦合的电路组件特性电桥耦合的电路组件特性3.非理想平衡的影响非理想平衡的影响（1）等幅同相）等幅同相1220,2LLLLLeVVVVPR（2）不等幅，不同相）不等幅，不同相122210,11(12 cos)2LLLuLVVPVRCompany 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.2 电桥耦合的电路组件特性电桥耦合的电路组件特性4.谐波和交调分量的抑制能力谐波和交调分量的抑
7、制能力（1）180o电桥电桥11222coscosSVVwtVw t111122221122:()coscos:()cos()cos()iiNVtVwtVw tNVtVwtVw t23123().f va va va v12nwmw12nwmwnm而非线性转移函数（电路）而非线性转移函数（电路）N1的输出频谱：的输出频谱：N2的输出频谱：的输出频谱：Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.2 电桥耦合的电路组件特性电桥耦合的电路组件特性因此：因此：1）由于输出端口有）由于输出端口有180o相移，因此所有偶阶分量（相移，因此所有偶阶分量（mneven）都）都 被抑制。被抑制。2
8、）所有奇阶分量都同相合成）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）如果输出端口用直接连接代替180o电桥，则情况相反电桥，则情况相反Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.2 电桥耦合的电路组件特性电桥耦合的电路组件特性（2）90o电桥电桥90o耦合电路的假信号抑制特性与耦合电路的假信号抑制特性与180o电桥的大不相同，采用同样的分析电桥的大不相同，采用同样的分析方法，可得：方法，可得：1）输出二阶混合分量具有）输出二阶混合分量具有90o的相差，具有的相差，具有3dB的抑制能力。的抑制能力。2）某些（不是全部）三阶混合分量可被抑制，如）某些（不是全部）三阶混合分
9、量可被抑制，如2w1w2和和2w2w1的的 三阶交调分量可被抑制，而三阶交调分量可被抑制，而2w1w2和和2w2w1的三阶交调分量不的三阶交调分量不被被 抑制。抑制。Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.1.2 电桥耦合的电路组件特性电桥耦合的电路组件特性m个相同电路部件合成，其遮断点增加个相同电路部件合成，其遮断点增加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。，且与阶次无关。5.交调遮断点交调遮断点注：一般电路注：一般电路 1310.63()dBPdBICP上式指输出功率，其对应的
10、输入功率相差上式指输出功率，其对应的输入功率相差9.6dB。自行证明。自行证明。Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接连接微波电路部件的直接连接1.反向并联反向并联23234().().ABIf vavbvcvIfvavbvcvdv 有有Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接连接微波电路部件的直接连接总的外部电流：总的外部电流：322.ABIIIavcvA与与B之间的环流：之间的环流：24.loopABIIIbvdv结论：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）偶阶和奇阶混合分量被分开，偶阶电
11、流在环路内环流，而奇阶 电流在外电流中环流。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）奇阶介入阻抗为真实值的两倍，而偶阶介入阻抗为0。Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接连接微波电路部件的直接连接2.反向串联（反向并联的对偶形式）反向串联（反向并联的对偶形式）Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接连接微波电路部件的直接连接则则ABVVV24322.22.LABloopABIIIbvdvIIIavcv结论结论：1）奇阶电流在环内，偶阶电流在外电路中）奇阶电流在环内，偶阶电流在外电路中 2）偶
12、阶介入阻抗为）偶阶介入阻抗为Z（w）2RL，而奇阶为，而奇阶为Z（w）Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接连接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.串联连接串联连接Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接连接微波电路部件的直接连接N1、N2的相位特性必须一致的相位特性必须一致4.两个而端口电路部件直接并联两个而端口电路部件直接并联Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接
13、连接微波电路部件的直接连接特点特点：1）对任何谐波或任何阶的混合分量都没有抑制作用。）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）交调遮断点和输出功率可以得到3dB的改善。的改善。3）增益和噪声不变。）增益和噪声不变。4）单个电路的输入和输出阻抗值应为）单个电路的输入和输出阻抗值应为Zs（w）和）和ZL（w）的一）的一 半。半。Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接连接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个相同二端口电路部件直接并联Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的
14、直接连接微波电路部件的直接连接特点特点：1）对任何谐波或任何阶的混合分量都没有抑制作用。）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）交调遮断点和输出功率可以得到 10lgm 的改善。的改善。3）增益和噪声不变。）增益和噪声不变。4）单个电路的输入和输出阻抗值应为）单个电路的输入和输出阻抗值应为Zs（w）和）和ZL（w）的的1/mCompany 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接连接微波电路部件的直接连接6.m个二端口电路部件直接级联个二端口电路部件直接级联12.()tmGGGGdB321112121111.mtmFFFFFGGGGG
15、G11dBtdBmPP1111333(1)1231().tmmmmmICPICPG ICPG GG ICP（非线性，（非线性，注意是在各级都没有饱和的情况下注意是在各级都没有饱和的情况下）如果如果Ni是线性的，则是线性的，则13(),dBGL dBNFlossPICP Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接连接微波电路部件的直接连接例：例：G=10dBNF=3dBP1dB10dBmICP3=20dBmL=3dBL=6dBP1dB0dBmICP3=15dBmL=3dBG=10dBNF=4dBP1dB15dBmICP3=25dBmG=12dBNF=4dBP1d
16、B30dBmICP3=40dBmL=2dBCompany 非线性电路与系统非线性电路与系统11.2 微波电路部件的直接连接微波电路部件的直接连接解：解：111223328AMAAGGLLLGGLdBNFt7.7 dB（注意先将（注意先将dB和和dBm换成系数带入公式计算）换成系数带入公式计算）113()(31.6)tICPdBmP1dB是对输出功率而言的，输出是对输出功率而言的，输出P1dB是由后向前推的。是由后向前推的。分析过程：分析过程：A3的的P1dB30dBm，而，而G12dB，则输入为，则输入为18dBm；而；而A2的的P1dB只有只有15dBm，所以，所以A2饱和；继续往前推，未出
17、现饱和。因此以饱和；继续往前推，未出现饱和。因此以A2为基准分析，为基准分析，A3的最大输入为的最大输入为A2的的P1dB，则，则A3最大的输出只有最大的输出只有15dBm12dB27dBm，经过，经过L3的的2dB损耗，总输出只有损耗，总输出只有25dBm；系；系统最大的输入功率为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。注：系统设计时，总是把线性度最大的放在最后一级。Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.3 微波发射系统微波发射系统（雷达、通讯、电子战和导航等）（雷达、通讯、电子战和导航等）（1）工作频段：工作频率
18、高，工作带宽宽，信息容量大，天线方向图尖、体积）工作频段：工作频率高，工作带宽宽，信息容量大，天线方向图尖、体积 小、重量轻；小、重量轻；电磁波的衰减大，接收机的噪声也高，价格昂贵。电磁波的衰减大，接收机的噪声也高，价格昂贵。（2）输出功率及发射功率：由系统体制、作用距离、接受灵敏度而定）输出功率及发射功率：由系统体制、作用距离、接受灵敏度而定Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.3 微波发射系统微波发射系统（3）频率稳定度：取决于本质的频稳、指标长期稳定度和相位噪声。）频率稳定度：取决于本质的频稳、指标长期稳定度和相位噪声。一般：一般：104105 PPM，若需更好的长期稳定
19、度，需要用，若需更好的长期稳定度，需要用 石英晶体。石英晶体。锁相振荡器，其稳定度基本取决于晶振锁相振荡器，其稳定度基本取决于晶振107109 PPM（4）干扰和噪声：包括相噪、交调干扰、噪声等）干扰和噪声：包括相噪、交调干扰、噪声等 相噪：相噪：xxxdBc/HzxxHz。极限。极限174dBc（热噪声）（热噪声）（5）交调失真：最重要的是）交调失真：最重要的是ICP3，引文它最靠近载波信号，滤波器难以滤除，引文它最靠近载波信号，滤波器难以滤除，且比其它的交调分量高。且比其它的交调分量高。Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.3 微波发射系统微波发射系统ICP3测试：测试：第
20、第N阶交调遮断点：阶交调遮断点：()1NSICPdBmPNS是交调分量与载波之比；是交调分量与载波之比；P是载波功率电平是载波功率电平Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.4 微波接收机微波接收机主要指标：主要指标：（1）工作频段：主要取决于检测频带或发射机频带及多普勒频源；无源）工作频段：主要取决于检测频带或发射机频带及多普勒频源；无源 检测，天文（双边带）检测，天文（双边带）（2）噪声系数：主要取决于前面一两级）噪声系数：主要取决于前面一两级Company 非线性电路与系统非线性电路与系统11.4 微波接收机微波接收机（3）本振频率：同发射机一样）本振频率：同发射机一样（4）寄生参数：包括带内谐波、杂散等）寄生参数：包括带内谐波、杂散等（5）动态范围：由接受灵敏度（）动态范围：由接受灵敏度（S/N1）到）到P1dB的范围。的范围。接受灵敏度：接受灵敏度：min()oPNF k T f MM指接收机的处理信号能力；指接收机的处理信号能力；指中频带宽。指中频带宽。f（6）其它：镜频抑制度、三阶交调等）其它：镜频抑制度、三阶交调等
