混频器原理分析

郑州轻工业学院课 程 设 计 任 务 书题目 三极管混频器工作原理分析 专业、班级 学号 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等：一、主要内容分析三极管混频器工作原理。二、基本要求1：混频器工作原理，组成框图，工作波形，变频前后频谱图。2：晶体管混频器的电路组态及优缺点。3：自激式变频器电路工作原理分析。4：完成课程设计说明书，说明书应含有课程设计任务书，设计原理说明，设计原理图，要求字迹工整，叙述清楚，图纸齐备。5：设计时间为一周。三、主要参考资料1、李银华 电子线路设计指导 北京航天航空大学出版社 2005.62、谢自美 电子线路设计实验测试 华中科技大学出版社 2003.103、张肃文 高频电子线路 高等教育出版社 2004.11完 成 期 限： 2010.6.24-2010.6.27 指导教师签名： 课程负责人签名： 2010年6月20日目录 第一章 混频器工作原理-4第一节 混频器概述-4第二节 晶体三极管混频器的工作原理及组成框图-5第三节 三极管混频器的工作波形及变频前后频谱图-8第二章 晶体管混频器的电路组态及优缺点-10第一节 三极管混频器的电路组态及优缺点-第二节 三极管混频器的技术指标-第三章 自激式变频器电路工作原理分析-12第一节 自激式变频器工作原理分析-12第二节 自激式变频器与他激式变频器的比较-13第四章 心得体会-14第五章 参考文献-15第一章 混频器工作原理第一节 混频器概述1.1.1 混频器简介变频（或混频），是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为变频器（或混频器）。 一般用混频器产生中频信号： 混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频，coscos=cos(+)+cos(-)/2 。其中为信号频率量，为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。 1.1.2 混频器的分类从工作性质可分为二类，即加法混频器和减法混频器分别得到和频及差频。从电路元件也可分为三极管混频器和二极管混频器。 从电路分有混频器（带有独立振荡器）和变频器（不带有独立振荡器）。 混频器和频率混合器是有区别的。后者是把几个频率的信号线性的迭加在一起，不产生新的频率。1.1.3 混频器的相关参数（1）噪声系数：混频器的噪声定义为：NF=Pno/Pso。Pno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度时，传输到输出端口的总噪声资用功率。Pno主要包括信号源热噪声，内部损耗电阻热噪声，混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。（2）变频损耗：混频器的变频损耗定义为混频器输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。主要由电路失配损耗，二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。 （3）1dB压缩点：在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，此时中频输出将随射频输入线性变化，当射频电平增加到一定程度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢，混频器出现饱和。当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。对于结构相同的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性，一般比本振功率低6dB。（4）双音三阶交调：如果有两个频率相近的微波信号fs1和fs2和本振fLO一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用，将产生交调，其中三阶交调可能出现在输出中频附近的地方，落入中频通带以内，造成干扰，通常用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。因中频功率随输入功率成正比，当微波输入信号减小1dB时，三阶交调信号抑制比增加2dB。（5）动态范围：动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，通常对应混频器的1dB压缩点。（6）隔离度：混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位dB。 （7）本振功率：混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。原则上本振功率愈大，动态范围增大，线性度改善（1dB压缩点上升，三阶交调系数改善）。 （8）端口驻波比：端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一个随功率、频率变化的参数。 （9）中频剩余直流偏差电压：当混频器作鉴相器时，只有一个输入时，输出应为零。但由于混频管配对不理想或巴伦不平衡等原因，将在中频输出一个直流电压，即中频剩余直流偏差电压。这一剩余直流偏差电压将影响鉴相精度。第二节 晶体三极管混频器的工作原理及组成框图1.2.1 组成框图变频（混频）是将高频信号经过频率变换，变为一个固定的频率。通常指将高频信号的载波频率从高频变为中频同时必须保持其调制规律不变。具有这种功能的电路称为混频电路或变频电路，亦称为混频器或变频器。一般变频器应有四部分组成，即输入电路、非线性器件、带通滤波器和本机振荡器，如图2-1所示，图中本机振荡器用来提供本振信号频率fL。输入高频调幅波Vs，与本振等幅波VL，经过混频后输出中频调幅波Vi。输出的中频调幅波与输入的高频调幅波的调制规律完全相同。亦即变频前后的频谱结构相同，只是中心频率由fs改变为fi，亦即产生了频谱搬移。图 1-1 晶体管混频器的组成框图1.2.2 混频器工作原理晶体三极管混频器的原理性电路如图2-2所示，在发射结上作用有三个电压，即直流偏置电压VBB、信号电压Us和本振电压UL。为了减少非线性器件产生的不需要分量，一般情况下，选用本振电压振幅ULMUSM，也就是本振电压为大信号，而输入信号电压为小信号。在一个大信号uL和一个小信号us同时作用于非线性器件时，晶体管可近似看成小信号的工作点随大信号变化而变化的线性元件，如图1-5所示。t1时刻，在偏压VBB和本振电压UL的共同作用下，它的工作点在A点，此时us较小。因此，对us而言，晶体管可以被近似看成工作于线性状态。在另一时刻t2，对于us而言，由于偏压和本振电压的作用，工作点移到B点，这是对us仍可看成工作于线性状态。虽然两个时刻均工作于线性状态，但工作点不同，这两个时刻的线性参数就不一样。因为us的工作点随uL的变化而变化，所以线性参量也就随着uL变化而变化，可见线性参量是随时间变化的，这种随时间变化的参量称为时变参量。这样的电路称为线性时变电路。应当注意，虽然这种线性时变电路是由非线性器件组成。但对于小信号us来说，它工作于线性状态，因此，当有多个小信号同时作用于此种电路的输入端时，可以应用叠加原理。图 2-2 晶体管混频原理性电路晶体三极管混频器工作原理以共发射极注入式为例，分析如下：设输入信号us=Vscoswst，本振电压ul=Vlcoswlt，混频器伏安特性为，而，则将ube带入上式得由上式可知，当两个不同频率的高频电压作用于非线性器件时，电流中不仅含有基波（wl，ws）成分，同时由于平方项的存在，还产生了许多新的频率成分（即直流分量，二次谐波，和频和差频）。其中差频分量wl-ws为所需的中频成分wi，通过滤波网络，就能选出中频成分，即完成混频。第三节 三极管混频器的工作波形及变频前后频谱图混频器将接收到的高频载波信号与本振产生的信号混频，接收到高频载波信号的频率为fs，幅度为Uam（t），本振电路产生的频率为fl，当经过混频后变成一固定中频fi=fs-fl。通过示波器观察，可得出混频前后的工作波形如下图所示：图 3-5 变频前后的工作波形图通过频谱分析仪我们同样可以得到其变频前后的频谱变化，如下图所示：图 4-6 变频前后的频谱图第二章 晶体管混频器的电路组态及优缺点第一节 三极管混频器的电路组态及优缺点图2-1中电路（a）和（b）为共射混频电路，（c）（和d）为共基混频电路。电路（a），信号电压由基极输入，本振电压由基极注入优点：因为它的输入阻抗较大，因此用做混频时，本振电路容易起振，需要注入的本振功率比较小。缺点：因为信号输入电路与振荡电路相互影响比较大（直接耦合），可能产生牵引现象。特别当ws与wl的相对频差不大时，牵引现象比较严重，不宜采用此种电路。图 5-1 晶体管混频器的四种电路组态电路（b），信号电压由基极输入，本振电压由发射极注入优点：它的输入信号与本振电压分别从基极输入和发射极注入。互相影响产生牵引现象的可能性小。同时，对于本振电压来说是共基电路，其输入阻抗较小，不宜过激励，因此振荡波形好，失真小。缺点：需要较大的本振功率输入。电路（c）和（d）都是共基极混频器，分别为同极注入式和分极注入式。优点：在较高的频率工作时（几十兆赫），因为共基电路的比共发电路的要大很多，所以变频增益较大。因此在较高频率工作时也采用这种电路。缺点：在较低的频率工作时，变频增益低，输入阻抗也低，因此在频率较低时不宜采用此电路。第二节 三极管混频器的技术指标2.2.1 混频跨导混频跨导gc的定义为输出中频电流振幅Ilm与输入高频信号电压Usm之比，可得这说明混频器变频跨导gc等于时变跨导g（t）的傅里叶展开式中基波振幅gl的一半。在数值上，变频跨导是时变跨导g（t）的基波分量的一半，可以通过求g（t）的基波分量gl来求得变频跨导。而此时的混频增益为：由此可以看出在三极管工作在线性范围时混频增益与跨导成正比。且晶体管跨导与晶体管的静态工作点也存在一定的关系，下面为它们的关系曲线，其中图 6-2 混频管跨导随本振电压vL的变化2.2.2 混频增益从上面的介绍中我们已经知道了如何求混频跨导g，从而我们得出图2-2加电压后的晶体管转移特性曲线，也可以求出混频电压增益和混频功率增益。先画出混频电路的等效电路，如图2-3所示：图 7-3 晶体管混频器等效电路图2-3中，gic为输入跨导，goc为输出电导，gc为混频跨导，gL为负载电导。由图2-3可得混频电压增益：混频功率增益：当goc=gl时，混频器则可得到最大混频功率增益：2.2.3 选择性变频器的输出电流中包含很多频率分量，但其中只有中频分量是有用的。为了抑制其他各种不需要的频率分量，要求输出端的带通滤波器有较好的选择性，即希望有较理想的幅频特性，它的矩形系数尽可能接近于1。2.2.4 噪声系数因为变频器在接收机的最前端，主要是变频器的噪声决定接收机的噪声系数。因此，为了提高接收机的灵敏度，必须降低变频器噪声，即噪声系数应尽可能小。2.2.5 失真和干扰混频器除了有频率失真和非线性失真外，还会产生各种非线性干扰，如组合频率、交叉调制和互相调制、阻塞等干扰。所以对混频器不仅要求频率特性好，而且还要求非线性器件尽可能少产生一些不需要的频率分量，以减少造成干扰的可能。副波道干扰：由于接收机前端选择性不好，外界干扰信号窜入而引起的干扰（最强两个为中频干扰和镜像干扰）。交叉调制干扰：在有用中频信号的包络上叠加了干扰信号的包络而引起的互调干扰，干扰信号之间彼此混频而产生接近中频的信号而引起的组合频率的干扰：（一）干扰哨声：有用信号和本振产生的组合频率干扰。产生的原因：输入到混频器的有用信号与本振信号，由于非线性作用，除了产生有用的中频信号外，还产生许多无用的组合频率分量，如果它们中的有些频率分量正好接近中频（或落在中频通带内），则这些成分将和有用中频同时经过中放加到检波器上。通过检波器的非线性特性，这些接近中频的组合频率与有用中频差拍检波，产生差拍信号（可听音频），形成干扰哨声。（二）寄生通道干扰：外来干扰与本振的组合频率干扰。产生的原因：混频器输入回路选择性差，使fn信号输入，与本振频率fL经变频后产生许多频率分量，且满足时，该干扰将通过混频后由并经中放，在检波器中检波后在输出端产生且听到的干扰的声音。第三章 自激式变频器电路工作原理分析第一节 自激式变频器工作原理分析本节以收音机自激式变频器为例，来说明自激式变频器工作原理。图3-1是收音机自激式变频器，用于中波段。本地振荡器由三极管、振荡回路（Lc、C5、C6、C7）和反馈线圈Lf等构成的变压器耦合反馈振荡器。本地电压由Lc的抽头取出加到三极管发射极和加到基极的输入信号混频。自激式变频电路本振和混频由一只三极管承担，可节省管子。但由于中频电流通过反馈线圈Lf会引起中频负反馈，如果设计不当，就会使变频增益降低。由于变频器只是将信号频谱自高频搬移到中频，而各频谱分量的相对位置则保持不变，所以调频接收机与调幅接收机的变频器电路结构是完全相同的。图 8-1 自激式变频器第二节 自激式变频器与他激式变频器的比较自激式变频器与他激式变频器有相同点也有不同点，通过查阅资料后，总结其异同点如下：相同点：变频电路是将输入的已调信号变换为另一频率的已调（中频）信号实现信号频谱线性变换的一种电路，完成频谱在频率轴上的线性搬移。在频域上起着减（加）法器的作用。不同点：变频器（自激式变频器）是电路中自身产生控制信号（由一个非线性器件产生振荡和混频作用），即其中的晶体管除完成混频器外，本身还构成一个自激振荡器。而混频器（他激式变频器）需由外部的振荡器提供输入控制信号，即本振信号需要由外部振荡器提供。第四章 心得体会通过这次课程设计，加强了我们思考问题和解决问题的能力。我们的课题是对混频器原理进行分析，在这一周中我们更进一步了解了高频线路中各种分析方法，如非线性的分析方法，了解了混频器在实际电路中的应用，以及在实际电路中的产生的干扰等等。混频又称变频，也是一种频率的搬移过程，它使信号从某一个频率变换到另一个频率上。混频技术在电子通信、电视、仪器仪表等各个技