非线性微波电路与系统第九章倍频器
非线性电路微波与射频讲义详解
s
s11 s22 s11 2 2
s12 s21 s11 2 2
微波低噪声放大器
1. Input Stabiltiy Circle
radius rs
s12 s21 s121 2
center cs
s11
s
* 22
s11 2 2
2. Output Stability Circle
2. 利用1/ 4波长阻抗变换器的匹配网络
g
g
4
4
实数 (a)
g 4
复数
复数
(b)
g 4
复数
实数 (c)
复数
复数
(d)
复数
图 4 g / 4 线 段 匹 配 网 络
微波低噪声放大器
3. 利用串联短线的匹配网络
1 实数
l
Z0
（ a）
l1
l2
21
复数
Z01 Z02
复数
（ b） 图5 短线直接匹配网络
1.
s11 0.674 152 s12 0.0756.2
s21 1.7436.4 s22 0.6 92.6
2. s11 0.7 50
s12 0.2775
s21 5120
s22 0.680
微波低噪声放大器
1.
s11s22 s12s21 0.386 1
K
1
s11
2
s22
2
输出 Pout
仅用于功率合成放大 电路。
微波放大器
4、分布式放大器
l
放 大 器
放 大 器
1
2
N
输出Pout 放 大 器
输入Pin
用于宽带和超宽带放大电路，可达十个甚至数十个倍频程。
微波电子线路(雷振亚)3-9章 (2)
第4章 微波上变频器与倍频器
4. 在图4-2中，如果只有一条有源支路，当输入功率加在非 线性电容上时，则其他电路均为无源支路。由于非线性变换作 用，输入信号将产生各次谐波。 由式(4-10)可得
第4章 微波上变频器与倍频器 图 4-3 反射型负阻参量放大器
第4章 微波上变频器与倍频器
必须指出，反射型负阻参量放大器虽然不从差频支路输出 功率，但差频支路(常称空闲回路)必须存在。这样才能在一定 条件下，使泵浦能量首先转换成差频能量(fP与fS通过电容变 频效应产生fP－fS)，然后又转换成信号能量(fP－fS与fP又通 过电容变频效应产生fS)。这个“再生”信号电流的相位与原 信号电流的相位相同，从而使信号得到放大。所以空闲回路起 能量转换的作用，将泵浦源功率最后转换成信号能量输出。
mPmn 0
mfP nfS
(4-8)
nPmn 0
mfP nfS
(4-9)
第4章 微波上变频器与倍频器
得到理想非线性电抗被两个不同频率fP和fS激励后，在各 频率分量fm,n上的平均功率分配关系表示为
mPm,n 0
n m mfP nfS
nPm,n ,2| 理论上任意n次谐波倍频器的理想效率为100％，但实际电
路中因RS损耗及反射等影响，使效率远低于100％。
第4章 微波上变频器与倍频器
4.2 变容管上变频器 变容管上变频器的输入信号含有泵浦电压uP、信号电压uS 及产生的和频fout=fP+fS>fP，它们与变容管并联，只允许fS、fP、 fout三个正弦电流分量通过变容管，对其他频率分量均呈开路 状态。图4-4示出了上变频器等效电路，图中省去了各分支的
倍频原理及用途
5.5 倍频器5.5.1 倍频原理及用途倍频电路输出信号的频率是输入信号频率的整数倍，即倍频电路可以成倍数地把信号频谱搬移到更高的频段。
所以，倍频电路也是一种线性频率变换电路。
实现倍频的原理有以下几种：（1）利用晶体管等非线性器件产生输入信号频率的各次谐波分量，然后用调谐于n 次谐波的带通滤波器取出n 倍频信号。
（2）将输入信号同时输入模拟乘法器的两个输入端进行自身线性相乘，则乘法器输出交流分量就是输入的二倍频信号。
比如，若输入是单频信号，则输出O u ＝21u ku ＝t kU C m ωcos ·t U C m ωcos ＝22m kU )2cos 1(t C ω+（3）利用锁相倍频方式进行倍频，在第8章将具体进行讨论。
倍频电路在通信系统及其它电子系统中均有广泛的应用，以下仅举几例：（1）对振荡器输出进行倍频．得到更高的所需振荡频率。
这样，一则可以降低主振的振荡频率，有利于提高频率稳定度；二则可以大大提高晶振的实际输出频率，因为晶体受条件的限制不可能做到很高频率（在第3章对此已有讨论）。
（2）在调频发射系统中使用倍频电路和混频电路可以扩展调频信号的最大线性频偏。
（3〉采用几个不同的倍频电路对振荡器输出进行倍频，可以得到几个不同频率的输出信号。
（4）在频率合成器中，倍频电路是不可缺少的组成部分。
在第8章8.5节将会谈到这－点。
5.5.2 晶体管倍频器晶体管倍频器的电路结构与晶体管丙类谐振功率放大器基本相同，区别在于后者谐振回路的中心频率与输入信号中心频率相同，而前者谐振回路的中心频率调谐为输入信号频率或中心频率的n 倍，n 为正整数。
晶体管倍频器有以下几个特点：（1）倍频数n 一般不超过3～4，且应根据倍频数选择最佳的导通角。
根据本章5.2节对谐振功放的分析表明，若集电极最大瞬时电流Cm I 确定，则集电极电流中笫n 次谐波分量cnm I 与尖顶余弦脉冲的分解系数n α（θ）成正比，即c n m I ＝n α（θ）Cm I （5-29）由图5-3可以看出，一、二、三次谐波分解系数的最大值逐个减小，经计算可得最大值及对应的导通角为1α（120°） ＝0.536，2α（60°） ＝0.276，3α（40°）＝0.185可见，二倍频、三倍频时的最佳导通角分别是60°和40°，而且，在相同Cm I 情况下，所获得的最大电流振幅分别是基波最大电流振幅的1／2和1／3。
非线性微波电路与系统——第三章：非线性微波电路分析法
非线性微波电路与系统
3.1.2 谐波平衡方程的解法
JF称作F的Jocobian矩阵，其通项为
Fn,k Vm,l
Ym,n (k l )
I G ,n,k Vm,l
jkwp
Qn,k Vm,l
I G ,n,k Vm,l
Company name
非线性微波电路与系统
3.1.1 谐波平衡方程的建立
非线性电容电流是电荷波形的时间微分 该式也可以写成
dqn (t ) ic ,n (t ) jkw p Qn ,k dt
I C jQ
这里 Ω为对 角矩阵
0 w p 2wp kw p 0 wp 2wp kw p
Ym,n diag Ym,n (kwp ) , k 0,1,2,......, K
即
Ym ,n
Ym ,n (0) Ym ,n ( wp )
Ym ,n (kwp )
Vb1 V s 0 0 Vn1 V ...... n 2 V b2 0 ...... 0
取傅氏变换得
F {ig ,n (t )} I G ,n
I G ,1 I G ,2 I G I G ,3 ...... IG ,N
电流向量
最后
I jQ I G
Company name
由此我们完成了求解流入非 线性子网络的电流向量。
非线性微波电路与系统
电子工程学院 电磁场与微波技术 主讲人： 徐锐敏
非线性倍频技术
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思考问题
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1. 欲获得0．35μm的紫外光．为何 采用1．06μm和0.53μm和频的 方法，而不是直接用1.06μm光 的三倍频方法？ 2. 如何知道本实验的倍频为第一类 相位匹配？若改用第二类相位匹 配，应如何做？
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注意事项
脉冲Nd:YAG激光器辐射的激光功率非常高，使用过程中稍有不慎，激 光束就会损伤身体或物品，轻则烧坏衣物，烧伤皮肤，重则造成眼睛永 久性失明；如果照射到某些危险物上甚至会引起火灾和爆炸。激光器泵 浦闪光灯电源、触发电源和调Q电源都使用高压电，意外触及可造成人身 伤害。因此，在实验中应注意以下安全事项： 1、仪器启动后，不准向激光腔内窥视。 2、绝对禁止直接或反射的激光射入眼内，有关人员应配戴激光防护镜。 3、严禁学生实验时打开电源箱外壳，以防剩余电压伤人或损伤仪器。 4、激光器工作时随时注意仪器的运转情况，特别是循环水的流动与否和 电源放电声音是否正常。遇异常情况，请迅速关机；待查明异常情况原 因并排除后再行开机工作。
固体激光倍频技术
实验课件
目 录
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1. 简
介
2. 实验目的 3. 实验原理 4. 实验装置及仪器 5. 实验内容与步骤
6. 实验结果与讨论
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简 介
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当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产 生作用，在外电场的作用下，介质原子成为电偶极子。 电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。
量的变化规律。
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实验原理
激光倍频技术
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激光具有能显示介质非线性所需的高强度 辐射场。 当入射到介质中的光波 E = E0 cosωt 很 强时，强光将在介质中感生电极化强度P
电路中的频率倍增与分频方法
电路中的频率倍增与分频方法电路中的频率倍增与分频方法是电子技术领域中常用的两种方法，用于改变信号的频率。
本文将介绍频率倍增与分频的原理和常见的应用场景。
一、频率倍增的原理与方法频率倍增是指将输入信号的频率增加到倍数的方法。
在电子领域中，常用的频率倍增方法有谐振倍频法、倍频器以及锁相环等。
1. 谐振倍频法谐振倍频法利用谐振现象实现频率倍增。
当输入信号的频率和谐振电路的固有频率相同时，电路会发生共振现象，使得输出信号的频率是输入信号的倍数。
谐振倍频法的优点是简单可靠，适用于低频和中频信号的倍频。
2. 倍频器倍频器是一种电子器件，用于将输入信号的频率倍增。
常见的倍频器有整流倍频器和非线性倍频器。
整流倍频器利用非线性元件的特性，将输入信号的谐波倍增；非线性倍频器则通过非线性元件和滤波电路的组合，将输入信号的频率倍增。
3. 锁相环锁相环是一种反馈系统，可以将输入信号的频率倍增或者分频。
锁相环由相位检测器、低通滤波器、电压控制振荡器和除频器组成。
相位检测器用于比较输入信号和振荡器产生的信号之间的相位差，通过调整振荡器的频率，实现输入信号频率的倍增或分频。
二、频率分频的原理与方法频率分频是指将输入信号的频率降低到分数的方法。
常用的频率分频方法有计数器分频、分频器以及相位锁定环等。
1. 计数器分频计数器分频是一种简单直接的分频方法。
计数器通过计数输入的脉冲数量，当计数器计数到特定值时，输出一个脉冲信号，从而实现对输入信号的分频。
计数器分频器常用于数字时钟、频率计等应用中。
2. 分频器分频器是一种电子器件，通过设置分频系数，将输入信号的频率分频。
常见的分频器有二分频器、四分频器等。
分频器可以通过级联连接实现更高的分频比。
分频器广泛应用于通信系统、频率合成器等领域。
3. 相位锁定环相位锁定环是一种基于反馈的频率分频方法。
它通过不断调整振荡器的相位，使得输入信号与振荡器的相位保持恒定的差值，从而实现对输入信号频率的分频。
注入锁定倍频器原理-概述说明以及解释
注入锁定倍频器原理-概述说明以及解释1.引言概述部分的内容应该是对注入锁定倍频器的基本概念和背景进行介绍。
可以参考以下内容：1.1 概述注入锁定倍频器是一种常见的电子器件，用于产生高频信号。
它实现了将低频信号锁定在一个倍频点上，并输出对应的高频信号。
这一技术在无线通信、雷达、高精度测量等领域具有广泛的应用。
在无线通信系统中，注入锁定倍频器常用于产生微波信号。
传统的低频振荡器虽然可以产生所需频率的信号，但在高频段的应用中存在一些困难。
而注入锁定倍频器能够将低频信号同步到高频段，提供稳定、高质量的高频输出信号。
注入锁定倍频器的工作原理是利用倍频效应。
具体来说，它通过将一个低频信号注入到倍频电路中，使倍频电路的输出频率是低频信号的整数倍。
通常，倍频电路由相位锁定环和倍频电路两个主要部分组成。
相位锁定环负责将低频信号的相位与倍频电路中的振荡器相位同步，而倍频电路则将同步后的低频信号进行倍频处理，得到高频输出信号。
本文将重点介绍注入锁定倍频器的原理和工作机制，并对其在实际应用中的一些关键问题进行讨论。
进一步深入理解注入锁定倍频器的原理，有助于我们更好地应用和优化这一技术，推动无线通信等领域的发展。
再根据文章的整体结构，在这一部分可以适量预告一下接下来将在正文部分讨论的内容，以激发读者的兴趣。
文章结构部分主要是对整篇长文的组织和安排进行说明。
本文的结构如下：1. 引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的2. 正文2.1 锁定倍频器的原理2.2 注入锁定倍频器的工作原理3. 结论3.1 总结3.2 展望在文章结构部分，我们简要介绍了整篇文章的组织形式。
引言部分包括了概述，文章结构和目的三个方面的内容。
正文部分则分为两个小节，分别介绍了锁定倍频器的原理和注入锁定倍频器的工作原理。
最后，在结论部分，我们进行总结并展望未来可能的研究方向。
通过这样的结构安排，读者可以清晰地了解文章的整体内容和组织方式，为后续的阅读提供了指导。
非线性电子电路简答题(带答案)
二、简答题1、小信号谐振放大器的主要性能指标有哪些？答：小信号谐振放大器的主要性能指标是：谐振增益、通频带、选择性、稳定性等。
2、小信号谐振放大器的作用是什么？其中的选频作用由什么来实现？答：其作用是：既选频又放大。
其选频作用由谐振回路来实现。
3、小信号谐振放大器不稳定的内部原因是什么？提高稳定性的措施有哪些？答：①谐振放大器不稳定的原因为：由于y re 不等于零，晶体管存在着内反馈。
所以它是一个“双向器件”。
作为放大器工作时，y re 的反馈作用是有害的，其有害作用是可能引起放大器自激至使其工作不稳定。
②提高稳定性的措施有：减小y re 内反馈作用（可采用中和法）；增大y L （可采用失配法）。
4、什么叫双参差调谐放大器？它是如何提高选择性和展宽频带的？答：所谓双参差调谐，就是将两级单调谐回路放大器的谐振频率分别调整到略高于（11f f f o ∆+=）和略低于（12f f f o ∆-=）中心谐振频率f o 上。
具有双参差调谐的放大器就为双参差调谐放大器。
如图1-17（a ）所示，由于放大器总增益等于各级电压增益的乘积，因此只要f 1和f 2取值适当，让一级频率特性的上升段与另一级频率特性的下降段刚好相互补偿，则合成的频率特性曲线在通带内可以相对平坦，且通频带较宽，而通频带以外信号的增益则迅速衰减。
使其幅频特性曲线更接近于矩形，如图1-17（b ）所示。
5、多级级联之后谐振放大器的通频带和选择性（和单级谐振放大器相比）的总变化趋势是什么？答：多级级联之后，总的选择性变好了，通频带变窄了。
6、小信号谐振放大器中的晶体管为何要用Y 参数等效电路？答：因为在小信号谐振放大器中，放大器件、谐振系统和负载之间一般为并联形式，采用导纳可直接进行相加，运算简便，所以采用Y 参数等效电路。
（Y 参数虽与频率有关，但小信号谐振放大器属窄带系统，Y 参数变化不大，可近似认为不变。
）7谐振功率放大器的谐振系统的作用是什么？答：其作用是：既选频、滤波又具有阻抗变换作用。
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i(t ) I 0 I1 cos pt I 2 cos2 pt I3 cos2 pt I 4 cos4 pt ....
id1 (t ) I0 I1 cospt I 2 cos2pt I3 cos3pt I 4 cos4pt ...
Z L 2 p 39.4 j 45.8
Zin p Ri RS Rg 1 j pCds 5 j 63
1
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微波频率倍频器
1
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25
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微波频率倍频器
10.3 谐波平衡分析 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）。
4、倍频损耗（或增益）
5、输入功率电平和输出功率 6、噪声系数和附加相位噪声恶化度 20logN （dBc） 7、基波和其他谐波抑制度 8、P1dB和ICP3
1 3
9、带内和带外杂散
3
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微波频率倍频器
倍频器的类型：
1、由变阻二极管的静态非线性V-I关系产生谐波； 2、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（SRD）产生谐波； 4、BJT C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； 6、振荡器被注入锁定在固有振荡频率的谐波上。
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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。
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微波频率倍频器
二极管倍频器典型电路
LPF BPF
f0 f0 n f0
n f0
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。 2、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。
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a
PL ,n Pin Pd 0
18
1 a d 0 1 G p
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微波频率倍频器
Vmax Vg ,min Va
1
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微波频率倍频器
例，设计一FET频率二倍频器，其输入频率 为10GHz。MESFET的有关参数是
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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NⅩfp。与之 相反对应的电路为频率分频器（预分频器）。
LPF fP ⅩN
BPF
NfP
匹配在fP
匹配在NfP
输入激励为大信号，FET工作在强非线性电路（B类） →充分非线性特性进行频率变换。
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微波频率倍频器
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。
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微波频率倍频器
3dB180° 电桥
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微波频率倍频器
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。
Vgg
Vg ,max Vg ,min 2
1
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微波频率倍频器
Vmax Vmin 2
VL t I n RL
RL
Vmax Vmin 2I n
PL ,n
1 2 1 Vmax Vmin I n RL I n 2 2 2
1 7
7
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微波频率倍频器
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。
id 2 (t ) I 0 I1 cos( p t ) I 2 cos 2( p t ) I 3 cos3( p t ) I 4 cos 4( p t ) .... I 0 I1 cos p t I 2 cos 2 p t I 3 cos3 p t I 4cos 4 p t ...
1
1
1
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倍频器频谱分析
V
幅 度
LPF
BPF
(N-1)ωfp
(N+1)ωfp
...
0 ωfp 2ωfp 3ωfp Nωfp
...
ω
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微波频率倍频器
频率倍频器的主要性能指标： 1、工作频率和频带宽度 2、输入/输出驻波系数（注意端口和频率） 3、倍频次数N
I n I max
t0 T
注意：与n无关。
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微波频率倍频器
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微波频率倍频器
2Vt Vg ,max Vg ,min t 2 arccos V g ,max Vg ,min
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微波频率倍频器
GaAs MESFET 的漏电流经验表达式：
Id A0 A1Vg A2Vg Ag tg aVd
2 3
A0=0.0967, A1=0.11334, A2=0.04853, A3=0.00801 ,a=1.5
Imax=80mA 和 Vmin=1V
总输出
id (t ) id1 (t ) id 2 (t ) 2 I 0 I 2 cos2 pt I 4 cos4 pt ... I 2n cos2n pt ...
1 29
可见：奇次谐波输出相互抵消，而偶次谐波输出相互增强（3dB）
29
1
9
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10.2 近似设计
谐振在谐波上， 而不是基波
1
10
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微波频率倍频器
1
11
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微波频率倍频器
Id t I0 I1 cos pt I 2 cos 2pt
微波频率倍频器
I1 Cgs(Vg）
Zg(nωp)
Rg
Vs(t) Vgg
V1
+
Ri
Cgd I2 Id(Vg,Vd) V2
Vdd
+ -
ZL(nωp) Ls
Rd Rs
Cds
谐波平衡方程
F (V ) I s YNNV JQ IG 0
采用牛顿求解法求出端口电压波形V1和V2，由此求出输入/ 输出功率，Pin（f0）和Pout（fi），最后得到输出功率、效 率、驻波和谐波等技术指标。 1
微波频率倍频器
Pin=8mW=9dBm
PL ,2 21.6mW 13.3dBm
Gp=4.3dB I 0 19.9mA
Pdc 59.7mW
36%
∴RL=92.6
1 23
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微波频率倍频器
jBL j 2 pCds 12.5mS
1
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微波频率倍频器
Vmax Vmin Vdd 2
Pd 0 Vd 0 I d 0 1 Vdd I 0 2
2t0 Pd 0 I maxVdd T
dc
PL,n Pdo
1 17
17
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微波频率倍频器
2 1 2 Pav Pin Vg ,max Vgg p2 Cgs Ri Rs Rg 2
Vg,min=-7V
Vmax=5V Vg,max=0.2V Vg,min=-7V Vdd=3V Vgg=3.4V