微波非线性散射函数仿真技术的研究

论文摘要

在大信号条件下,微波器件通常工作在非线性区,传统的S参数已不能满足非线性器件建模和电路设计的要求。本文在对非线性理论深入研究的基础上,提出了一个新的表征非线性特性的参数——非线性散射函数。根据这一思想,我们定义了非线性散射函数矩阵和非线性散射函数,这一概念扩展了S参数的概念,完整的表达了器件大信号状态下的非线性特性。非线性散射函数扩展了大信号非线性建模理论,它是建立在频域测量基础上的黑箱建模方法。本论文主要对微波射频功率器件双端口网络的大信号非线性散射函数建模技术、仿真技术和CAD技术进行了较深入的研究。我们从二极管和场效应管的传统建模方法入手,建立了微波功率器件的小信号和大信号模型。然后利用谐波平衡方法对器件模型进行了非线性特性分析。在此过程中提出了转换矩阵的新见解,采用了全频域分析的新技术。我们首次创造性地提出了以谐波平衡分析为基础的非线性散射函数建模的方法,并实现了微波功率器件的非线性散射函数的建模。由于非线性散射函数精确地描述了器件的非线性,我们研究并实现了基于非线性散射函数的仿真技术和CAD技术。通过仿真验证,从定性和定量的角度确定了非线性散射函数的性质,最后完成了微波非线性电路的设计。从传统的大信号建模到微波谐波平衡非线性分析,从利用谐波平衡分析进行非线性散射函数的建模到非线性散射函数的仿真和电路设计,我们都利用MATLAB语言编写了程序,建立了谐波平衡分析平台、非线性散射函数的仿真平台和非线性散射函数CAD平台。整个软件实现了从分析、建模、仿真、到电路设计的整个流程,具有较高的计算效率和实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题来源及研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状及分析
• 1.3.1 器件建模的发展及研究现状
• 1.3.2 微波仿真技术的发展
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 微波器件模型的建立
• 2.1 微波器件建模的概述
• 2.2 GaAs MESFET小信号建模
• 2.2.1 小信号等效电路模型的建立
• 2.2.2 小信号等效电路模型参数的提取
• 2.3 GaAs MESFET大信号建模
• gs'>2.3.1 非线性电流I_gs
• dg'>2.3.2 非线性电流I_dg
• ds'>2.3.3 非线性电流I_ds
• 2.3.4 大信号模型中元件参数的确定
• 2.4 肖特基势垒二极管建模
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 肖特基势垒二极管的工作原理
• 2.4.3 肖特基势垒二极管模型和参数提取
• 第三章 微波非线性电路的分析方法
• 3.1 非线性电路分析方法综述
• 3.2 谐波平衡法
• 3.2.1 谐波平衡方程的建立
• 3.2.2 谐波平衡方程求解方法
• 3.2.3 谐波数目的选取
• 3.3 时域方法和频域方法的比较
• 第四章 全频域改进谐波平衡法
• 4.1 概述
• 4.2 频域转换矩阵的引入
• 4.2.1 信号的频域表示
• 4.2.2 单频转换矩阵的建立
• 4.2.3 双频转换矩阵的建立
• 4.3 非线性函数表达式的频域计算
• 4.4 优化方法的实现
• 第五章 一种新的表征非线性的方法——非线性散射函数
• 5.1 微波网络非线性理论
• 5.1.1 非线性电路频率的再生
• 5.1.2 微波非线性电路的传统表征方法
• 5.2 微波非线性散射函数的定义
• 5.2.1 概述
• 5.2.2 非线性散射函数的定义
• 5.3 微波非线性散射函数的性质
• 5.3.1 非线性散射函数的特性
• 5.3.2 非线性散射函数矩阵与非线性阻抗函数、导纳函数矩阵的关系
• 5.3.3 两端口非线性网络与两端口线性网络的级联、串联、并联
• 5.4 微波非线性散射函数的建模
• 5.4.1 非线性散射函数建模方法的概述
• 5.4.2 基于谐波平衡法的非线性散射函数的建模
• 5.5 总结
• 第六章 非线性散射函数的仿真和CAD技术
• 6.1 模型验证及谐波平衡仿真
• 6.2 基于谐波平衡分析的非线性散射函数建模的实现
• 6.3 非线性散射函数的特性与规律仿真
• 6.4 基于非线性散射函数的二极管倍频器设计
• 6.5 总结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在读期间的研究成果