非線性電路與系統(tǒng)(第十一章)

非線性電路與系統(tǒng)電子工程學院電磁場與微波技術主講人：徐銳敏（教授）第十一章微波毫米波（高頻前端子）系統(tǒng)1.平衡電路2.微波電路部件的直接連接3.微波發(fā)射系統(tǒng)4.微波接收機非線性電路與系統(tǒng)5.雷達系統(tǒng)6.通信系統(tǒng)Companyname非線性電路與系統(tǒng)element（元件）： R、L、C、傳輸線、負載、定向耦合器、濾波器等，鐵氧體類（環(huán)行器，隔離器）device（器件）： 電真空器件（行波管，回旋管、返波管、磁控管等）和半導體器件（二極管，三極管）Componentorcircuit（部件或電路）： 器件和元件組合而成，完成某一特定的電路功能。如：放大器，混頻器，振蕩器等，包括MMIC。第一章微波毫米波（高頻前端子）系統(tǒng)Companyname第一章微波毫米波（高頻前端子）系統(tǒng)Sub－systemorsubassembly（子系統(tǒng)或組件）： 部分元件和電路的組合，完成某一系統(tǒng)部分功能。如：高頻發(fā)射、接收子系統(tǒng)，本質－混頻組件，天線子系統(tǒng)，T/R組件等。System（系統(tǒng)）

由若干元件和子系統(tǒng)組合，完成某一系統(tǒng)的全部功能。如：雷達系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、電子對抗系統(tǒng)等。Companyname11.1微波毫米波電橋的平衡電路非線性電路與系統(tǒng)單個固態(tài)電路的不足： （1）輸出功率和動態(tài)范圍小。（2）會產生一些無法濾除的諧波和交調分量。 平衡電路的優(yōu)點： （1）輸出功率和動態(tài)范圍大（2）改善帶寬及輸入、輸出駐波系數(shù)（3）對諧波和交調分量有一定的抑制作用Companyname11.1.1理想電橋特性非線性電路與系統(tǒng)1.3dB180o電橋Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.1理想電橋特性環(huán)行電橋功分器Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.1理想電橋特性2.3dB90o電橋Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.1理想電橋特性分支線電橋定向耦合器（耦合線電橋）Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.2電橋耦合的電路組件特性1.180o電橋耦合的電路組件注：N1和N2完全相同，3dB180°電橋為理想。Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.2電橋耦合的電路組件特性輸入端口反射系數(shù)輸出端口反射系數(shù)結論：輸出功率提高3dB；輸出/入阻抗同單個電路相同。Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.2電橋耦合的電路組件特性2.90o電橋耦合的電路組件（N1和N2完全相同，3dB90°電橋為理想）特點：（1）（2）耦合不平衡度對頻響特性的影響不嚴重（3）輸出功率提高3dB（4）輸出、輸入阻抗與單個電路相同Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.2電橋耦合的電路組件特性3.非理想平衡的影響（1）等幅同相（2）不等幅，不同相Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.2電橋耦合的電路組件特性4.諧波和交調分量的抑制能力（1）180o電橋而非線性轉移函數(shù)（電路）N1的輸出頻譜：N2的輸出頻譜：Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.2電橋耦合的電路組件特性因此：1）由于輸出端口有180o相移，因此所有偶階分量（m＋n＝even）都被抑制。2）所有奇階分量都同相合成。3）如果輸出端口用直接連接代替180o電橋，則情況相反。Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.2電橋耦合的電路組件特性（2）90o電橋90o耦合電路的假信號抑制特性與180o電橋的大不相同，采用同樣的分析方法，可得：1）輸出二階混合分量具有90o的相差，具有3dB的抑 制能力。2）某些（不是全部）三階混合分量可被抑制，如2ω1＋ω2和2ω

2＋ω

1的三階交調分量可被抑制，而2ω

1－ω

2和2ω

2－ω

1的三階交調分量不被抑制。作業(yè)：請證明之。Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.1.2電橋耦合的電路組件特性m個相同電路部件合成，其遮斷點增加10lgm（dB）。則平衡電路的遮斷點比單個二端口電路的遮斷點增大3dB，且與階次無關。5.交調遮斷點Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接1.反向并聯(lián)有Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接總的外部電流：A與B之間的環(huán)流：結論：1）偶階和奇階混合分量被分開，偶階電流在環(huán) 路內環(huán)流，而奇階電流在外電流中環(huán)流。

2）奇階介入阻抗為真實值的兩倍，而偶階介入 阻抗為0。Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接2.反向串聯(lián)（反向并聯(lián)的對偶形式）Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接則結論：1）奇階電流在環(huán)內，偶階電流在外電路中

2）偶階介入阻抗為Z（ω

）＋2RL，而奇階為Z（ω

）Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接類似于反向并聯(lián)電路，只是串聯(lián)電路輸出的是偶階分量，而不是奇階分量3.串聯(lián)連接Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接N1、N2的相位特性必須一致。4.兩個而端口電路部件直接并聯(lián)Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接特點：1）對任何諧波或任何階的混合分量都沒有抑制作 用。

2）交調遮斷點和輸出功率可以得到3dB的改善。

3）增益和噪聲不變。

4）單個電路的輸入和輸出阻抗值應為Zs（ω

）和 ZL（ω

）的一半。Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接5.

m個相同二端口電路部件直接并聯(lián)Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接特點：1）對任何諧波或任何階的混合分量都沒有抑制作 用。

2）交調遮斷點和輸出功率可以得到10lgm的改善。

3）增益和噪聲不變。

4）單個電路的輸入和輸出阻抗值應為Zs（ω

）和 ZL（ω

）的1/mCompanyname微波系統(tǒng)

2、m個二端口電路部件直接級聯(lián)N1N2Nm各電路部件的技術指標為Gi

，NFi

，ICPi

，P1dBi。如果某電路部件Ni是線性的，則有：G=Loss(dB)NF=Loss(dB)ICP3=

P1dB=Companyname微波系統(tǒng)其系數(shù)與指數(shù)的換算關系如下：G=10Log(G指數(shù)）dBNF=10Log(F指數(shù)）dB可得一下系統(tǒng)指標計算公式：Gt=G1+G2+……+Gm

（dB）Ft=F1+ （系數(shù)）(非線性)特別注意是在各級都沒有飽和前提下三階交調：(ICPt)

－1=(ICPM)-1＋（GMICPM-1）-1＋(GMGM-1ICPM-2)-1＋…… ＋（GMG2ICP1）-1Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接例：G=10dBNF=3dBP1dB＝10dBmICP3=20dBmL=3dBL=6dBP1dB＝0dBmICP3=15dBmL=3dBG=20dBNF=4dBP1dB＝15dBmICP3=25dBmG=12dBNF=4dBP1dB＝30dBmICP3=40dBmL=2dBNF＝3dBP1dB=∞ICP3=∞NF＝3dBP1dB=∞ICP3=∞NF＝2dBP1dB=∞ICP3=∞Companyname非線性電路與系統(tǒng)11.2微波電路部件的直接連接解：NFt＝7.7dB（注意先將dB換成系數(shù)帶入公式計算，最后再換算為dB）P1dB是對輸出功率而言的，輸出P1dB是由后向前推的。分析過程：A3的P1dB＝30dBm，而G＝12dB，則輸入為18dBm；而A2的P1dB只有15dBm，所以A2飽和；繼續(xù)往前推，未出現(xiàn)飽和。因此以A2為基準分析，A3的最大輸入為A2的P1dB，則A3最大的輸出只有15dBm＋12dB＝27dBm，經過L3的2dB損耗，總輸出只有25dBm；系統(tǒng)最大的輸入功率為Pimax＝15－20＋3＋6＋3－10＝－3dBm注：系統(tǒng)設計時，總是把線性度最大的放在最后一級。Companyname11.3微波發(fā)射系統(tǒng)微波發(fā)射系統(tǒng)

應用：①雷達②通信③電子對抗等系統(tǒng)本振上變頻器BPF功放天線中頻調制信號Companyname主要指標：①工作頻段： 若f高→Δf寬，通信容量大。 以系統(tǒng)體制和作用距離而定。以P1dB或輸出飽和功率PSAT定義。天線方向圖尖銳，而體積?。坏姶挪ǖ目臻g衰減大，接收機的噪聲也高。②輸出功率及發(fā)射功率：11.3微波發(fā)射系統(tǒng)Companyname

頻率穩(wěn)定度： 取決于本振的頻率穩(wěn)定度。 目前一般微波振蕩器頻穩(wěn)好者可達10－5～2×10－6左右。若需要更好的長穩(wěn)，得采用石英晶體控制的鎖相振蕩器，其穩(wěn)定度基本取決于石英晶體振蕩器。④干擾與噪聲： 包括相位噪聲、交調干擾噪聲等。 相位噪聲產生于本振，體現(xiàn)振蕩器瞬時頻穩(wěn)（短穩(wěn)）的質量，表示信號的頻譜純度。交調干擾噪聲主要產生于本振、上變頻器、功放的非線性特性，以及微波部件之間的回波反射。（如果每個部件的輸入輸出不好需加隔離器）。11.3微波發(fā)射系統(tǒng)Companyname⑤交調失真： 取決于上變頻器和功放的非線性特性，最主要的交調失真是3階交調，因為它最靠近載波信號，難于濾掉，并且比其他高階交調分量高。振蕩器1振蕩器1合成器被測件頻譜儀f1f2圖五、非線性電路交調測試方法11.3微波發(fā)射系統(tǒng)CompanynameICPN(dBm)=式中：ICPN是第n階交調點功率（dBm）；S是交調分量與載波之比(dB)；P是載波功率電平（dBm）；N是交調階數(shù)。Pff1f2

f2-f12f1-f22f2-f13f1-2f23f2-2f12f12f2f1+f2PSf1f12f1-f22f2-f111.3微波發(fā)射系統(tǒng)Companyname11.4微波接收系統(tǒng)微波接收系統(tǒng)主要性能指標：1、工作頻段：主要取決于檢測頻帶（無源輻射計）、或發(fā)射機頻帶（固定點）及多普勒頻漂（移動目標）。BPFLNABPFLPF帶通濾波器鏡頻抑制濾波器低通濾波器A本振混頻器低噪聲放大器前中天線中頻輸出Companyname2．噪聲系數(shù)：主要是取決于前面一兩級3．本振頻率穩(wěn)定度：包括長穩(wěn)和短穩(wěn)（與接收機相同）4．寄生參數(shù)：包括帶內諧波和雜散，由電路的非線性特性產生。5．動態(tài)范圍：由接收機靈敏度和1dB壓縮點確定。 接收機靈敏度：主要由噪聲、增益和中頻帶寬決定。另外還有其他指標，如鏡頻抑制度，輸入/輸出駐波，三階交調，抗燒毀輸入功率等。Pmin=NF(kT0Δfm)M式中Δfm－系統(tǒng)中頻帶寬；識別系數(shù)M>111.4微波接收系統(tǒng)Companyname11.5雷達系統(tǒng)雷達方程：雷達系統(tǒng)舉例式中：Pr－接收功率；Pt－發(fā)射功率；G－發(fā)射天線增益；R－距離；Ae－接收天線的有效面積；

雷達目標的截面積如果收發(fā)共同一付天線，有，再由最小可檢測信號Smin代替Pr，可求得雷達的最大作用距離：Smin=式中：－發(fā)射的每個脈沖的總能量；L－考慮的損耗項；d－所要求的檢測指標Companyname收發(fā)開關發(fā)射機調制器顯示器檢波器定時器LNA視放中放本振天線11.5雷達系統(tǒng)Companyname信號處理雙工濾波功放調制同步器顯示激勵器中放前放混頻伺服典型脈沖雷達方框圖11.5雷達系統(tǒng)CompanynameVCO耦合器環(huán)行器混頻器前中天線中頻輸出這種FMCW雷達應用很少的原因的解決措施：①零中頻不知的正與負，即不知目標運動的矢量方向（可通過高中頻、三角波形調制解決）。②由于環(huán)形器隔離度不夠大，