非线性电路与系统(第十一章)

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）第十一章微波毫米波（高频前端子）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5.雷达系统6.通信系统Companyname非线性电路与系统element（元件）： R、L、C、传输线、负载、定向耦合器、滤波器等，铁氧体类（环行器，隔离器）device（器件）： 电真空器件（行波管，回旋管、返波管、磁控管等）和半导体器件（二极管，三极管）Componentorcircuit（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。第一章微波毫米波（高频前端子）系统Companyname第一章微波毫米波（高频前端子）系统Sub－systemorsubassembly（子系统或组件）： 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、接收子系统，本质－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。Companyname11.1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Companyname11.1.1理想电桥特性非线性电路与系统1.3dB180o电桥Companyname非线性电路与系统11.1.1理想电桥特性环行电桥功分器Companyname非线性电路与系统11.1.1理想电桥特性2.3dB90o电桥Companyname非线性电路与系统11.1.1理想电桥特性分支线电桥定向耦合器（耦合线电桥）Companyname非线性电路与系统11.1.2电桥耦合的电路组件特性1.180o电桥耦合的电路组件注：N1和N2完全相同，3dB180°电桥为理想。Companyname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。Companyname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Companyname非线性电路与系统11.1.2电桥耦合的电路组件特性3.非理想平衡的影响（1）等幅同相（2）不等幅，不同相Companyname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：Companyname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（m＋n＝even）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。Companyname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，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2ω1＋ω2和2ω

2＋ω

1的三阶交调分量可被抑制，而2ω

1－ω

2和2ω

2－ω

1的三阶交调分量不被抑制。作业：请证明之。Companyname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Companyname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Companyname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。Companyname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（反向并联的对偶形式）Companyname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（ω

）＋2RL，而奇阶为Z（ω

）Companyname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Companyname非线性电路与系统11.2微波电路部件的直接连接N1、N2的相位特性必须一致。4.两个而端口电路部件直接并联Companyname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（ω

）和 ZL（ω

）的一半。Companyname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Companyname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（ω

）和 ZL（ω

）的1/mCompanyname微波系统

2、m个二端口电路部件直接级联N1N2Nm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=Companyname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）-1Companyname非线性电路与系统11.2微波电路部件的直接连接例：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非线性电路与系统11.2微波电路部件的直接连接解：NFt＝7.7dB（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P1dB是由后向前推的。分析过程：A3的P1dB＝30dBm，而G＝12dB，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15dBm＋12dB＝27dBm，经过L3的2dB损耗，总输出只有25dBm；系统最大的输入功率为Pimax＝15－20＋3＋6＋3－10＝－3dBm注：系统设计时，总是把线性度最大的放在最后一级。Companyname11.3微波发射系统微波发射系统

应用：①雷达②通信③电子对抗等系统本振上变频器BPF功放天线中频调制信号Companyname主要指标：①工作频段： 若f高→Δf宽，通信容量大。 以系统体制和作用距离而定。以P1dB或输出饱和功率PSAT定义。天线方向图尖锐，而体积小；但电磁波的空间衰减大，接收机的噪声也高。②输出功率及发射功率：11.3微波发射系统Companyname

频率稳定度： 取决于本振的频率稳定度。 目前一般微波振荡器频稳好者可达10－5～2×10－6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。④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Companyname⑤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。振荡器1振荡器1合成器被测件频谱仪f1f2图五、非线性电路交调测试方法11.3微波发射系统CompanynameICPN(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。Pff1f2

f2-f12f1-f22f2-f13f1-2f23f2-2f12f12f2f1+f2PSf1f12f1-f22f2-f111.3微波发射系统Companyname11.4微波接收系统微波接收系统主要性能指标：1、工作频段：主要取决于检测频带（无源辐射计）、或发射机频带（固定点）及多普勒频漂（移动目标）。BPFLNABPFLPF带通滤波器镜频抑制滤波器低通滤波器A本振混频器低噪声放大器前中天线中频输出Companyname2．噪声系数：主要是取决于前面一两级3．本振频率稳定度：包括长稳和短稳（与接收机相同）4．寄生参数：包括带内谐波和杂散，由电路的非线性特性产生。5．动态范围：由接收机灵敏度和1dB压缩点确定。 接收机灵敏度：主要由噪声、增益和中频带宽决定。另外还有其他指标，如镜频抑制度，输入/输出驻波，三阶交调，抗烧毁输入功率等。Pmin=NF(kT0Δfm)M式中Δfm－系统中频带宽；识别系数M>111.4微波接收系统Companyname11.5雷达系统雷达方程：雷达系统举例式中：Pr－接收功率；Pt－发射功率；G－发射天线增益；R－距离；Ae－接收天线的有效面积；

雷达目标的截面积如果收发共同一付天线，有，再由最小可检测信号Smin代替Pr，可求得雷达的最大作用距离：Smin=式中：－发射的每个脉冲的总能量；L－考虑的损耗项；d－所要求的检测指标Companyname收发开关发射机调制器显示器检波器定时器LNA视放中放本振天线11.5雷达系统Companyname信号处理双工滤波功放调制同步器显示激励器中放前放混频伺服典型脉冲雷达方框图11.5雷达系统CompanynameVCO耦合器环行器混频器前中天线中频输出这种FMCW雷达应用很少的原因的解决措施：①零中频不知的正与负，即不知目标运动的矢量方向（可通过高中频、三角波形调制解决）。②由于环形器隔离度不够大，