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(xué)院電磁場(chǎng)與微波技術(shù)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(jī)非線性電路與系統(tǒng)5.雷達(dá)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(fù)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(dǎo)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(zhì)－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(dá)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、電子對(duì)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(gè)固態(tài)電路的不足： （1）輸出功率和動(dòng)態(tài)范圍小。（2）會(huì)產(chǎn)生一些無法濾除的諧波和交調(diào)分量。 平衡電路的優(yōu)點(diǎn)： （1）輸出功率和動(dòng)態(tài)范圍大（2）改善帶寬及輸入、輸出駐波系數(shù)（3）對(duì)諧波和交調(diào)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?yàn)槔硐?。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(jié)論：輸出功率提高3dB；輸出/入阻抗同單個(gè)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?yàn)槔硐耄┨攸c(diǎn)：（1）（2）耦合不平衡度對(duì)頻響特性的影響不嚴(yán)重（3）輸出功率提高3dB（4）輸出、輸入阻抗與單個(gè)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(diào)分量的抑制能力（1）180o電橋而非線性轉(zhuǎn)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(hào)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(diào)分量可被抑制，而2ω

1－ω

2和2ω

2－ω

1的三階交調(diào)分量不被抑制。作業(yè)：請(qǐng)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(gè)相同電路部件合成，其遮斷點(diǎn)增加10lgm（dB）。則平衡電路的遮斷點(diǎn)比單個(gè)二端口電路的遮斷點(diǎn)增大3dB，且與階次無關(guān)。5.交調(diào)遮斷點(diǎn)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(jié)論：1）偶階和奇階混合分量被分開，偶階電流在環(huán) 路內(nèi)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(shí)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(duì)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(jié)論：1）奇階電流在環(huán)內(nèi)，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(gè)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(diǎn)：1）對(duì)任何諧波或任何階的混合分量都沒有抑制作 用。

2）交調(diào)遮斷點(diǎn)和輸出功率可以得到3dB的改善。

3）增益和噪聲不變。

4）單個(gè)電路的輸入和輸出阻抗值應(yīng)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(gè)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(diǎn)：1）對(duì)任何諧波或任何階的混合分量都沒有抑制作 用。

2）交調(diào)遮斷點(diǎn)和輸出功率可以得到10lgm的改善。

3）增益和噪聲不變。

4）單個(gè)電路的輸入和輸出阻抗值應(yīng)為Zs（ω

）和 ZL（ω

）的1/mCompanyname微波系統(tǒng)

2、m個(gè)二端口電路部件直接級(jí)聯(lián)N1N2Nm各電路部件的技術(shù)指標(biāo)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(guān)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(biāo)計(jì)算公式：Gt=G1+G2+……+Gm

（dB）Ft=F1+ （系數(shù)）(非線性)特別注意是在各級(jí)都沒有飽和前提下三階交調(diào)：(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(jì)算，最后再換算為dB）P1dB是對(duì)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(zhǔn)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(jīng)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(shè)計(jì)時(shí)，總是把線性度最大的放在最后一級(jí)。Companyname11.3微波發(fā)射系統(tǒng)微波發(fā)射系統(tǒng)

應(yīng)用：①雷達(dá)②通信③電子對(duì)抗等系統(tǒng)本振上變頻器BPF功放天線中頻調(diào)制信號(hào)Companyname主要指標(biāo)：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，而體積小；但電磁波的空間衰減大，接收機(jī)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(dá)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(diào)干擾噪聲等。 相位噪聲產(chǎn)生于本振，體現(xiàn)振蕩器瞬時(shí)頻穩(wěn)（短穩(wěn)）的質(zhì)量，表示信號(hào)的頻譜純度。交調(diào)干擾噪聲主要產(chǎn)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(gè)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(diào)失真： 取決于上變頻器和功放的非線性特性，最主要的交調(diào)失真是3階交調(diào)，因?yàn)樗羁拷d波信號(hào)，難于濾掉，并且比其他高階交調(diào)分量高。振蕩器1振蕩器1合成器被測(cè)件頻譜儀f1f2圖五、非線性電路交調(diào)測(cè)試方法11.3微波發(fā)射系統(tǒng)CompanynameICPN(dBm)=式中：ICPN是第n階交調(diào)點(diǎn)功率（dBm）；S是交調(diào)分量與載波之比(dB)；P是載波功率電平（dBm）；N是交調(diào)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(biāo)：1、工作頻段：主要取決于檢測(cè)頻帶（無源輻射計(jì)）、或發(fā)射機(jī)頻帶（固定點(diǎn)）及多普勒頻漂（移動(dòng)目標(biāo)）。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(jí)3．本振頻率穩(wěn)定度：包括長穩(wěn)和短穩(wěn)（與接收機(jī)相同）4．寄生參數(shù)：包括帶內(nèi)諧波和雜散，由電路的非線性特性產(chǎn)生。5．動(dòng)態(tài)范圍：由接收機(jī)靈敏度和1dB壓縮點(diǎn)確定。 接收機(jī)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(biāo)，如鏡頻抑制度，輸入/輸出駐波，三階交調(diào)，抗燒毀輸入功率等。Pmin=NF(kT0Δfm)M式中Δfm－系統(tǒng)中頻帶寬；識(shí)別系數(shù)M>111.4微波接收系統(tǒng)Companyname11.5雷達(dá)系統(tǒng)雷達(dá)方程：雷達(dá)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(dá)目標(biāo)的截面積如果收發(fā)共同一付天線，有，再由最小可檢測(cè)信號(hào)Smin代替Pr，可求得雷達(dá)的最大作用距離：Smin=式中：－發(fā)射的每個(gè)脈沖的總能量；L－考慮的損耗項(xiàng)；d－所要求的檢測(cè)指標(biāo)Companyname收發(fā)開關(guān)發(fā)射機(jī)調(diào)制器顯示器檢波器定時(shí)器LNA視放中放本振天線11.5雷達(dá)系統(tǒng)Companyname信號(hào)處理雙工濾波功放調(diào)制同步器顯示激勵(lì)器中放前放混頻伺服典型脈沖雷達(dá)方框圖11.5雷達(dá)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(dá)應(yīng)用很少的原因的解決措施：①零中頻不知的正與負(fù)，即不知目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的矢量方向（可通過高中頻、三角波形調(diào)制解決）。②由于環(huán)形器隔離度不夠大，