非线性微波电路与系统第九章倍频器

1、1 11 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）。 n fp nfp lpfbpf 匹配在匹配在fp匹配在匹配在nfp 输入激励为大信号，输入激励为大信号，fet工作在强非线性电路（工作在强非线性电路（b类）类） 充分非线性特性进行频率变换。充分非线性特性进行频率变换。 2 12 . 幅度 0 fp v 倍频器频谱分析倍频器频谱分析 2fp3fp (n-1)fp . nfp (n+1)fp lpf bpf 3 13 频率倍频器的主要性能指标：频率倍频器的主要性能指标： 1、工作频率和

2、频带宽度工作频率和频带宽度 2、输入输入/输出驻波系数输出驻波系数（注意端口和频率）（注意端口和频率） 3、倍频次数、倍频次数n 4、倍频损耗（或增益）、倍频损耗（或增益） 5、输入功率电平和输出功率、输入功率电平和输出功率 6、噪声系数和、噪声系数和附加附加相位噪声恶化度相位噪声恶化度 7、基波和其他谐波抑制度、基波和其他谐波抑制度 8、p1db和和icp3 9、带内和带外杂散、带内和带外杂散 微波频率倍频器 ）（dbclogn20 4 14 倍频器的类型：倍频器的类型： 1、由变阻二极管的静态非线性、由变阻二极管的静态非线性v-i关系产生谐波；关系产生谐波； 2、利用变容二极管的非线性电抗

3、实现参量倍频；、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（、利用阶跃恢复二极管（srd）产生谐波；）产生谐波； 4、bjt c类放大器中同时产生谐波和增益；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；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。、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 5 15 二极管倍频器典型电路二极管倍频器典型电路 lpf bpf f0 f0nf0 nf0 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。、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

4、、二极管可选用肖特基势垒二极管、变容二极管、阶跃恢复二、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。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 6 16 - + vs(t) vgg + - vdd cgs(vg） id(vg,vd) v1 v2 i1 i2 zg(np) rg ri cgd cds zl(np) rd rsls 0)( gnns iqjvyivf谐波平衡方程谐波平衡方程 采用牛顿求解法求出端口电压波形采用牛顿求解法求出端口电压波形v1和和v2，由此求出输入，由此求出输入/ 输出功率，输出功率，pin（f0）和）和p

5、out（fi），最后得到输出功率、效），最后得到输出功率、效 率、驻波和谐波等技术指标。率、驻波和谐波等技术指标。 微波频率倍频器 7 17 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。 8 18 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

6、增益。 二极管倍频器，其增益不可能大于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 9 19 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 10 110 10.2 近似设计 谐振在谐波上，谐振在谐波上， 而不是基波而不是基波 微波频率倍频器 11 111 微波频率倍频器 1

7、2 112 012 coscos2 dpp itiitit 0 0 max2 0 cos 4 2 1 n n t tt ii t nt t 0 0max 2t ii t 当n0时，其系数为： 当n=0时， 微波频率倍频器 13 113 00.5 0 t n tn 0 maxn t ii t 如果 则 注意：与注意：与n无关。无关。 微波频率倍频器 14 114 微波频率倍频器 15 115 ,max,min ,max,min 2 2arccos tgg t gg vvv vv ,max,min 2 gg gg vv v 微波频率倍频器 16 116 maxmin 2 lnl vv vti r

8、maxmin 2 l n vv r i 2 maxmin , 11 222 l nnln vv pi ri 微波频率倍频器 17 117 maxmin 2 dd vv v 0000 1 2 ddddd pv iv i 0 0max 2 ddd t piv t ,l n dc do p p 微波频率倍频器 18 118 2 2 2 ,max 1 2 avinggggsisg p ppvvcrrr , 0 l nin a d pp p 0 1 1 ad p g 微波频率倍频器 19 119 max,minga vvv 微波频率倍频器 20 120 例，设计一fet频率二倍频器，其输入频率 为10g

9、hz。mesfet的有关参数是 12.0 a vv2.0 t vv 2.0 s r 2.0 i r 1.0 g r 2.0 d r 803.0 dssds imavv在时 0.005 s lnh 0.25 gsgsgg cpfvv在时 0.08 gd cpf0.1 ds cpf 微波频率倍频器 21 121 gaas mesfet 的漏电流经验表达式： avdtgagvgavgaaid 32 210 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=0.1133

10、4, a2=0.04853, a3=0.00801 ,a=1.5 微波频率倍频器 22 122 13536. 2i 37. 0tt o i2=0.27 imax 或 i2=21.6ma 微波频率倍频器 23 123 dbmmwp l 3 .136 .21,2 mai9 .19 0 mwpdc7 .59 %36 pin=8mw=9dbm gp=4.3db rl=92.6 微波频率倍频器 24 124 mscjjb dspl 5 .122 8 .454 .392jz pl 635 1 j cj rgrrz dsp sipin 微波频率倍频器 25 125 微波频率倍频器 26 126 10.3 谐

11、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 27 127 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。

12、微波频率倍频器 28 128 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 电桥电桥 29 129 微波频率倍频器 .4cos2cos2coscos)( 43210 titititiiti pppp .4cos3cos2coscos)( 432101 titititiiti ppppd 由于采用了由于采用了3db180电桥，使激励信号电桥，使激励信号vs（t） 到达两个到达两个fet栅极输入为等幅反相，则漏极电流的奇次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，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；实现奇次谐波电气接地点，使信号奇波分量输出很小； 而而fet的漏极电流中偶次谐波等幅同相，所以在输出端的漏极电流中偶次谐波等幅同相，所以在输出端 同相相加。同相相加。 .4cos3cos2coscos .