微波非线性电路理论的发展趋势

《微波非线性电路理论的发展趋势》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、微波非线性电路理论的发展趋势一、引言近年来，对于微波技术研究领域工作中的研究人员来说，微波有源电路的完美设计是他们追求的终极目标。随着企业对电路设计要求越来越高，非线性电路的设计让很多曾经工作在微波线性电路的研究人员们一个不小的惊喜与挑战：一方面，他们在设计和研制各种微波有源电路的过程中积累了丰富的经验，在分析部分弱非线性电路(如放大器等)得到了较理想的结果；另一方面，当分析一些电路如变频器和振荡器等必须利用器件的非线性才能实现。基于目前，分析与设计微波线性电路的研究方法基本趋于完善，而在使用这些微波线性电路的方法来研究设计微波非线性电路时却不

2、是那么一帆风顺。这是因为虽然基于线性假设的小信号线性分析方法可以近似处理部分弱非线性电路，但是不能处理变频器、振荡器等强非线性电路，也不能分析放大器的交调特性。非线性电路理论比线性电路理论复杂的多，具体原因如下：(1)非线性电路要涉及求解非线性代数方程和非线性微分方程;(2)非线性电路不遵循叠加原理，现有的分析线性电路的方法不能直接用于非线性电路;(3)非线性元器件的种类和用途繁多，目前还未能一个普适性的模型和方法。从严格意义来讲，非线性电路是绝对的，线性电路是相对的。工程计算中，可以对非线性程度比较弱的电路元件（如放大器等）做为线性元件而对其

3、结果不会产生大的影响，但对许多本质因素具有非线性特性的元件，如果忽视其非线性特性（如通信系统中，调制、检波、混频、振荡等）就将导致计算结果与实际测量值相差太大而无参考意义。因此，研究非线性电路理论具有重要的工程物理意义。二、微波非线性电路理论的现状2.1谐波平衡法——HB谐波平衡法（HB）是分析单一的频率信号激励强或弱的非线性电路。用于分析功放、倍频器、带本振激励的混频器等。谐波平衡法的基本思想是：找到一组端口电压波形（或者谐波电压分量），它应能使线性子网络方程和非线性子网络方程给出相同的电流。实质就是建立谐波平衡方程，然后采用恰当的方法求解。

4、图2.1一般非线性二端口部件的等效电路等效电路中的输入输出网络一般为匹配、偏置、滤波等电路。在输入输出二端口网络间的网络电路分割成线性与非线性子网络的非线性等效电路，要求流入二子网络中的电流应相同从而建立谐波平衡方程进行求解。谐波平衡方程：这是一个频域的问题，得到的是一个稳态解，得不到瞬态解。解法的选择取决于各种因素，诸如计算效率高低，要求计算机存储的大小，收敛的快慢，执行的难易，初始值估算情况等等。如优化法一般用于二极管等比较简单的场合；牛顿法只要非线性不太强，而且初值恰当，变量再多也能收敛；分裂法则概念清楚，工程上易于编程，但收敛较慢且不稳

5、定；发射法是模拟电路的接通过程，若电路是稳定的，电路接通后必是进入稳定工作状态。2.2变换矩阵分析法（大/小信号分析法）变换矩阵分析法指的是分析两个频率信号激励的非线性电路，其中一个激励信号幅度很大而另一个幅度很小。用于混频器、调制器、参量放大器、参量上变频器等。分成两部：（1）先分析仅由大信号激励存在非线性器件，通常使用谐波平衡法。（2）然后把等效电路中的一个或多个非线性元件变换为小信号线性时变元件，再做小信号分析（此时无需再考虑激励的大信号）。作小信号线性假设时，要求响应是准线性的。2.3广义谐波平衡分析法（广义HB）广义谐波平衡分析法（广

6、义HB）指的是多个频率大信号激励强或弱的非线性电路。这是多个谐波平衡分析法的叠加，成为广义HB。此时其混合频率为其中m/n=0，±1，±2······混合频率最大值广义HB在N＋1和N＋2端口的激励电压向量与HB不同:上述等式分别为谐波平衡法HB与广义HB的N+1、N+2端口激励电压向量。在求解广义HB时由于广义HB法产生的是混合频率而不是谐波，在对广义HB的方程求解时常用牛顿法、分裂法或优化法，但不能使用反射法。采用牛顿法具体求解中注意ωp1和ωp2是非公度的，即电压和电流为非周期的，因而傅氏级数不可用。在牛顿法中，对的积分中的周期T很难处理

7、。2.4幂级数和Volterra级数分析法适用于电路是弱非线性电路和多激励的非公度的小信号电路，在此类电路中尽管非线性非常微弱但对电路系统造成影响。幂级数分析法要求电路中仅包涵理想非记忆转移非线性“元件”（不能包涵非线性电容）。Volterra级数法或称非线性转移函数分析法无上述要求，应用范围更广，它是将电路中的无记忆非线性元件和频率敏感元件混合等效为弱非线性电路，输入输出都化为技术形式。Volterra级数法所得到的非线性传递函数是线性系统的传递函数在非线性系统中的直接推广。非线性传递函数是系统的固有特性，能完整地表示一个非线性系统，而与输入

8、信号的选择无关，利用它可以很直观的研究非线性系统的谐波、增益压缩/扩张、频率互调制等频率特性，具有鲜明的物理意义。然而，Volterra级数法要求电路