[信息与通信]射频通信电路6_混频器.ppt

第六章 射频混频器 (书中第六章),电子科技大学 蔡竟业,混频器就是变频器，起着频谱搬移作用,它是电子通信系统中的重要组成部分之一。,二次变频超外差式接收机,混频器工作原理就是将射频信号与本振信号相乘，然后再利用滤波器选出相应频率的信号。,&6.1 混频器工作原理,射频信号,本振信号,用滤波器选出差频信号,下混（变）频器,上混（变）频器,用滤波器选出和频信号,混频器应仅实现频谱的线性搬移,输出信号与输入RF信号的频谱结构（已调制谱）相同，不同的是载波频率，因此，变频仅对载波进行。,理想混频器即乘法器，实现时可采用如吉尔伯特乘法器，也可以利用电子器件的非线性来完成相乘。前者动态（幅度）范围较小，故实际中较多的采用后者。,混频器的电路模型,要求vLo为大信号，起开关作用，此时混频器表现为非线性器件; vRF为小信号，混频器表现为线性器件,使输出信号的频谱结构与输入信号相同。,实际非线性器件不具有理想的平方特性（乘法功能），因而会产生很多其它不需要的频率分量，当某些频率分量一旦进入后接滤波器的通带，将成为噪声,影响电路性能。,解决措施,1.选择特性较好的非线性器件及混频信号的大小关系。,2. 系统设计中选好变频频率关系。,&6.2 混频器主要性能指标,1. 频率变换-变频增益 输出变频信号的大小与输入RF信号大小之比。,电压增益,功率增益,当混频器输入阻抗为Rin，输出负载为RL时,对于二极管无源混频器，通常Gp1，工程上称为变频损耗，用Lp表示。,常见二极管无源混频器,常见三极管有源混频器,无源混频器的线性范围较有源混频器大，损耗高，对后接电路噪声特性要求较高;有源混频器增益高，对后接部分噪声要求低。,2.噪声系数 （1）双边（DSB）噪声系数,Lo=RF，混频时将信号搬移至零中频, 变频后无镜像频率.当不考虑混频器本身噪声时，变频前后信噪比不发生变化。,测得噪声系数称为DSB NF,（2）单边(SSB)噪声系数,LoRF，混频时将信号搬移至非零中频。,存在镜像频率,其对应通带内的噪声也会被搬移到信号通带内.,若射频和镜像两个通带内噪声相同，则,3. 线性-动态范围 （1）G1dB压缩点 （2）三阶截点 （3）线性范围(1dB压缩点与本地噪声功率之比) （4）线性无杂散动态范围(三阶截点与本地噪声功率之比),4.失真 （1）镜像干扰,当输入信号中存在镜像信号fLo- fRF时，其与fLo的差信号也将进入并通过BFP(通带fIFB/2), 构成镜像干扰。,射频信号与镜像频率信号的频谱关系,中频信号 fIF =fLO-fRF,镜像干扰信号 fim=fLO+fIF,中频信号 fIF =fRF-fLO,镜像干扰信号 fim=fLO-fIF,干扰fim与fRF相对于fLO如同镜像，故称为镜像干扰。要消除变频的镜像干扰，根本措施是不让镜像干扰进入混频器。常在混频器之前加上预选频滤波器BFPp将其滤除。,BFPp能否滤除镜像信号，关键看其有载品质因数QL。在高fRF时，则很难做到的高Q。,BFPp调谐于fRF，若要求镜像抑制60dB,系统解决方案,则要求镜像抑制滤波器有载品质因数,a. 增大中频fIF 如取fIF=70MHz, 则Q3.2103 , 下降约一个量级.,b. 采用抑制镜像干扰之系统方案,(2) 干扰哨声,(3) 寄生通道干扰,当|pfRFqfLO| (p,q为整数)进入fIB/2时，会影响信号的传送，及在解调时产生差频信号.对音频体现为单音（频）哨叫声，故称为干扰哨声。解决措施是合理适当选取fLO及fIF,当混频输入中伴有其他信道的干扰信号fm，若|pfmqfLO|进入滤波器通带时也会带来干扰。镜像干扰是该类干扰中最严重的一种（p=q=1），若输入fRF信号较大时，还需考虑|pfmqfRF|带来的同类干扰。,(4)互调干扰,寄生通道干扰和互调干扰中的低阶成分(干扰)，主要从系统方案上考虑并消除掉.,当多个干扰信号fm1， fm2同时进入混频器时，若|pfm1qfm2 rfLO |进入混频器后滤波器通带时所产生的干扰称为互调干扰。,a.增大fIF; b.选特性好的BFP1p 。,寄生通道干扰和互调干扰中的高阶成分(干扰)，主要从设计上考虑并降低.,a.降低fRF的功率要求; b.选择线性范围大的非线性器件(混频器) 。,5. 隔离度,理想混频器信号的流向是确定的，但实际混频器存在频谱泄露、反射（阻抗不匹配）、窜透等现象，各端口间信号相互影响，严重时将会影响系统的正常工作。,fRF向fLO的窜通可能对之产生频率牵引作用。 fLO向fIF的泄露可能导致其后级电路发生阻塞。 fLO 向fRF的窜通可能是本振大信号影响LNA的正常工作。,6.端口阻抗匹配,阻抗匹配要求对混频器来讲十分重要,要求 （1）三个端口都应匹配以减小反射;（2）每个端口相对其它两个端口都应尽可能呈现交流短路特性以减小相互间的窜扰。,&6.3 混频器电路及设计,一、无源混频器,单二极管混频器,vLo为大信号，对二极管起开关控制作用.,伏安特性,二极管变频跨导,单二极管混频器组合频率分量太多。,二极管双平衡（环形）混频器,VLOVRF，VLO控制二极管开断(开关特性),回路方程,（1）VLO正半周时 D1、D2导通，D3、D4截止，得到如下等效电路,解回路方程组，且利用单向开关函数，得到,（2）VLO负半周时 D1、D2截止，D3、D4导通，等效电路如下,回路方程,解回路方程组，利用单向开关函数，得到,(3) 负载RL中流过的总电流,混频器基波输出(中频)分量,若,特点:,(1) S2(t)无偶次分量，因此输出中没有VRF、VLO的基波分量与偶次分量。,(2) 由于对称性，任意时刻流过本振与射频线圈两个部分的电流均相向，从而，环形混频还有良好的端口隔离特性。,(3) 环形混频器靠四只工作在线性时变状态的二极管完成混频，当器件（包括线圈）对称性良好时，不但能抑制载漏与交调，且端口间还有良好的隔离度。是目前最为常用的无源混频器!,无源三极管混频器,非线性失真小，噪声小,适用于窄带信号变频。,二、有源混频器,单管跨导型混频器 实质上就是（大信号）非线性放大器，与无源混频器相比，只不过具有一定的增益。,单平衡有源混频器 大信号作差分放大器开关信号输入（VLO），小信号（VRF）调控差分射极衡流源。,吉尔伯特（乘法）双平衡混频器 利用可控跨导双差分对已实现信号相乘。,输出电流,V1、V2均为小信号时,输出中仅有1 2频率成分,但动态范