标签: 非线性

在我们常规的认识里面，射频无源器件都是线性器件，耦合器的耦合度，滤波器的损耗和衰减，天线的增益等等，我们仅需在功率的dBm格式中加或者减去这些器件的相应dB 值就可以。 在时分双工TDD系统中，收发靠时间来分开，发射链路的互调也没有以往在频分双工FDD中那么受人关注。 安逸久了，以至于慢慢淡忘了曾经受到的痛苦。尤其是在FDD滤波器生产中无源互调的那些磨难，痛苦到只能用玄学来解释这些PIM的来源，以至于有一些无神论不是那么坚定的人有了烧香拜佛求助的念头。 现在的射频工程师确实比以往幸福了很多。 在《 无源互调干扰导论 》这本书中，介绍了在卫星通信中因PIM产物影响而发生故障的例子： 美国舰队通信卫星FLTSTCOM的 3阶 ，美国海事卫星MARISAR的 13阶 ，欧洲国际通信卫星V号IS-V的 27阶 ，甚至欧洲海事卫星MARECS的 43阶 PIM 产物落在了接收通带引起干扰，一度影响了一些国外卫星系统的研发进展和使用。 3阶，5阶，7阶的影响比较大，我们比较容易理解，27阶和43阶都要考虑到是不是有点过头了？ 所以，在射频设计中，任何时候的掉以轻心都有可能带来意想不到的损失。 那么无源互调的来源是什么？又该如何解决呢？我们今天一起来探讨一下。 互调产物的数学解释 在我们学习《信号与系统》这本书的时候，有一个比较重要的概念——线性时不变系统 LTI。 线性时不变系统要求一个信号通过这个系统时，可以放大，缩小，延时，但是信号的基本特征不变，从数学上要满足齐次性，叠加性和时不变性，下图给了比较生动的解释。 这个构成了我们通信的数学基础，也是所有通信人梦寐以求能达到的效果——所有信息能够无失真的传输。 说的再简单一点就是这个系统的输出y是输入x的一次函数，用高等数学来解释就是函数的一阶导数为常数。 在线性时不变这个假设的舞台上，我们肆意狂舞，忘却了这一切都想贾宝玉的太虚幻境一般虚无缥缈， 非线性 才是这个世界的常态。 任何的变化都具有不确定性，量与量之间的关系都不是简单的线性关系。 来，补交数学作业了！ 一个非线性系统的传输函数都可以用一个n阶的泰勒级数多项式表示： 当然线性系统的传输函数可以表示成泰勒级数的一阶： 所以从传输函数上来说，线性只是非线性的一种特殊形式，虽然我们都喜欢这种简单的方程，但是现实却是残酷的，上面那个展开无穷多项的泰勒级数才是现实。 来吧，灌信号吧，看看出来个什么东西？ 偷个懒，把这个非线性系统后面的都去掉，只保留前三项： 同时呢，假设输入信号为最简单的两个不同频率的余弦信号的线性组合 那么输出是个什么呢？ 继续三角函数展开，有没有突然发现，三角函数就是为了解决通信问题而生的？我们利用三角函数的和差化积公式将其展开可得 简直惨不忍睹啊，进去两个频率的信号，出来了一堆，而且还是简略版的非线性。那要是标准非线性不是出来的更多。 心情稍微平复一下，我们捋一下这个产物都有什么？ 1，靠近直流的频率： w1-w2， DC 2，靠近输入信号的频率：w1，w2，2w1-w2，2w2-w1， 3，二阶谐波的频率：2w1，2w2 4，三阶谐波附近的频率：3w1，3w2，2w1+w2，2w2+w1 放到频域里面如下图所示： 通常情况下，2w1-w2和2w2-w1这两个互调信号距离主信号交近，会造成带内临近信道干扰，是射频设计中常常会注意到的项，其他项距离主信号比较远，对于有源部分产生的互调产物，可在后端加滤波器进行滤除，但是如果是无源滤波器和天线产生的互调产物，就无能为力了。 互调产物的物理机理 对于有源电路部分，非线性的解释比较充分，研究的也比较透彻。比如混合器，本身就是利用了电路的非线性完成调制信号和载波信号混频的功能；而对于功率放大器，为了追求更高的效率，常常工作在晶体管的饱和区，非线性带来的增益的一点点压缩，也就导致了输出信号和输入信号的非线性关系。 而无源器件的非线性就更加奇妙了，以至于有些时候，人们只能求助于玄学了。但是随着人们研究的深入，无源非线性的物理机理也慢慢呈现在我们的眼前。无源器件的非线性主要可分为 材料非线性和接触非线性 。 材料的非线性现象包括以下几个方面： 1，电介质薄层的电子隧道效应：比如在铝材料表面的氧化铝薄层就有这种电子隧道效应。 2，铁磁效应：铁磁材料有很高的磁导率，并且随着磁场做非线性变化，具有磁滞效应；常见的铁磁材料包括铁，有磁钢，钴，镍等，都是在射频无源器件设计中应该避免用到的； 3，电致伸缩，即电场的非线性变化，比如产生于聚四氟乙烯PTFE电介质中的电致伸缩会对同轴电缆中的PIM有所贡献； 4，磁阻，磁场引起金属导体电阻的变化； 5，微放电效应，由于强电场产生的离子气体而引起二次电子倍增，如在微狭缝之间和跨越金属中砂眼的微放电； 6，电介质击穿等。 当然还有空间电荷效应，离子导电，热离子发射效应，内部肖特基效应等，都会引起无源器件的非线性，进而产生互调信号。 接触非线性 接触非线性主要包括材料结构和老化引起的非线性 1，材料结构引起的非线性主要包括：不同零部件的安装，比如，谐振器，连接器，调谐螺钉等，还有材料结构折弯产生的微裂缝等。其产生机理主要包括接触面不良接触引起的机械效应和电子效应。 2，老化引起的非线性，主要是指随着时间的增加，接触面的松动或者滑动都会引起接触的不良，另外金属氧化物的产生，会导致更多的非线性产生。 总结 在射频设计中，非线性才是常态，如何处理非线性导致的问题，是考究射频工程师设计功底的一道压轴题。但是常态并不意味着一定会有影响，尽可能的去减小它的影响才是我们应该做的。 有果必有因，遇到问题，先尝试着找到问题的根，然后解决方法就应运而生了。 关注公众号“优特美尔商城”，获取更多电子元器件知识、电路讲解、型号资料、电子资讯，欢迎留言讨论。

用X -参数的模型可以提供对无线系统，包括放大器和混频器的关键部件线性和非线性参数的理解。       设计MMIC最常用的方法，以准确描述射频/微波元件的线性条件，通过的S -参数的允许条件。然而，某些元件的建模，如放大器和混频器，非线性参数，是其挑战性，因为S参数不能有效地，准确地适用于射频放大器的大信号条件。逼近技术已被用于建模非线性参数，并在局部获得成功，通过补充线性S参数具有非线性元件通常在数据表中发现，如1  dB增益压缩点，双音三阶截点，等等，一个更加准确和全面的方法来模拟射频/微波元件的非线性指标。         安捷伦科技开发的这项新技术具体描述针对大信号条件下的线性和非线性元件。X参数减少到Sparameters正是小信号的限制，并有相同的S -参数的简单的使用模型。因为它们包含的所有信息谐波和互调谱产生的大信号响应，他们远比S参数和任何其他可用的功能强大的非线性模型。正确描述了阻抗不匹配混频过程，能准确，更快的级联仿真非线性Xparameter（例如，放大器和混频器的设计）。       X参数可在以下两种方法之一：从一个电路级生成设计安捷伦先进设计系统（ADS）软件或测量使用非线性矢量网络分析仪（NVNA）软件内的安捷伦的PNA - X的运行网络分析仪。当从一个circuitlevel设计产生的，他们提供了一个简单的快速，准确的手段获取一个组件的非线性参数保存为（IP）的模型，可用于对电路或系统设计。X参数模型可以用来共享设计性能不透露设计拓扑。       安捷伦发表基本方程式的X理论和参数Xparameter文件是在一个开放的，非加密的格式。安捷伦已把这项新技术，广泛的推广到行业应用，并鼓励其他人加入在开发这项技术。为了对如何电路更好地了解设计人员可以轻松地生成快速，准确，可移动的X参数模型，考虑分两阶段MMIC功率放大器（PA）的设计，例如在美国的3GPP长期演进（LTE）应用程序（图1）。 用于生成精确的X参数的混频器和其他非线性模型组件。       在创建Xparameter模型的第一步是生成该组件的X -参数。 ADS中，这可以通过插入一个电路级设计原理图页面，附加到一个X参数来源，负载和偏流设置，并点击在“模拟”按钮。在几秒钟内，一个X参数模型，可以立即生成。为了验证所生成的模型的准确性和比较它与实际电路级单片功率放大器，都在X参数模型和单片功率放大器设计插入正在进入非线性模拟设置和非线性模拟与分析过程。 图2显示的的第二次和第三次谐波。这个比较清楚显示的X参数模型具有作为相同的精度电路级设计的，因此，系统集成商可以插入单片功率放大器到LTE的上行传输系统的设计模型，并使用它，设计实际电路级功率放大器。 图3显示了负载帮助依赖模型的重要性。它显示了单片功率放大器连接到一个双工器和天线。如果负载阻抗是未知的，唯一的办法精确预测负载阻抗依赖的X参数模型。        设计的一个例子是负载的二次谐波产生失真而降低手机的性能，甚至可能衰减PA的输出效率，进而缩短电池寿命。要解决此问题，确实幅度和相位的二次谐波音的内容必须是已知的，以过滤不需要的谐波信号。不像其他的现有产业模式，只有在捕获基频非线性行为，在X参数模型准确地抓住了所有的谐波参数。通过提供完整的二次谐波相位信息，该模型允许设计者过滤掉这个多余的二次谐波，提高整体设计和手机的性能。        负载生成依赖模型简单，遵循以前的进程概述，与一个负载扫必须添加到设计例外。设计人员只需在模板中插入模型，点击电路级功率放大器设计按钮的模拟和模型自动生成。这个新生成的加载依赖的X参数模型自动存储在项目的数据集文件夹，可立即与系统共享集成了模拟和精确的匹配或更高的权衡分析不匹配的级联模块。  图 6 显示功率放大器的电路级和 X 参数模型分析结果的准确性。          X 参数模型的主要用途之一是在无线系统验证。随着如邻信道功率比参数的 EVM ，和 PAE 用在这样的分析。 考虑一个发射机功放为例的 EVM 的评价。设计者必须插入任一电路级 - PA 或在 X 参数模型试验台到如图所示（图 7）。 图4显示了从负载依赖模型和仿真结果电路级，其相位-180到180之间的功率放大器变化。同这些标准，生成的模型是史密斯图表。 为了进一步评估不匹配条件下的X参数模型，这将是用来表示两个与它们之间的不匹配级联功率放大器。如果PA是一个小信号驱动，S22因此导致它们之间的不匹配。第二次的源阻抗不再是50Ω，这种情况下该模型提供了一个很好的测试案例。 图 5 显示了模拟结果                级联的功率放大器和级联模式。同样，叠加的结果表明 该模型精度高，并在任何负载阻抗不匹配的级联电路设计人员和系统工程师往往付出极大关注，以互调失真（ IMD ）的产品和三阶截获（ TOI ）方面，特别是在接收系统。这些设计通常引入组件，如混频器和放大器的系统。 IMD 的测试常用来确定对这些组成部分畸变产物。测试生成的两个相同的功率叠加， 这两个 功率叠加混合在一起，产生于不同的混合频率高专失真的产物。 虽然二阶和三阶失真的一些产物产生远离通带信号，但可以很容易地过滤掉，其他第三阶条件（例如， 2f 1 - f2 和 2f 2 - F1 ）的下降非常接近系统 通带信号，不能被过滤掉。 但 一种确定三阶截点常用的方法是推断的线性输入功率（ PIN ）和输出功率（ Pout ）直到他们 相交于一点。设计人员只需插入在 ADS 电路模板，在 “ 源点击 ” 按钮，输入两个 线性输入功率（ PIN ）和输出功率（ Pout ） ，然后进行模拟。 双音模型自动生成并在项目的数据文件夹中。

by Yuanzhong Deng RFStory.com已经改为 MiniIC.com 一大一小两个信号，大信号功率远大于小信号功率（例如大10dB或更多）。 两个信号同时输入放大器，由于器件的非线性特性，两个信号的增益将不同（大信号增益大于小信号增益），即常说的”大压小“现象。这是影响接收机阻塞性能的重要因素。 ”大压小“现象的原理何在呢？如何定量衡量”大压小“特性呢？ 我们用多项式模型来描述放大器的非线性：   式中a1与a3符号相反，a1为小信号线性增益，a3产生增益压缩。 输出基频信号的幅度为： 由于非线性导致的增益压缩量为C：   当输入信号同时包含小信号 V 1 cos( w 1 t)和 大信号 V 2 cos(w 2 t) 时：   式中a1与a3符号相反，当V 2 （大信号的幅度）增加时，小信号的增益将减小。 小信号的增益压缩量：   从下图可以看到，小信号压缩量（纵轴）随大信号压缩量（横轴）增长呈指数增长：   因此，在进行接收机设计时，要求接收链路各级器件对大信号有足够的回退量，以保证接收机的阻塞性能。   本文为原创文章，转载请注明：转载自 射频那些事儿  。