射频模拟电路_No7_第五章 频谱搬移-混频器

1、第五章 频谱搬移-混频器 电子科技大学 电子工程学院第五章 混频器混频电路是超外差接收机、发射机及频率合成技术中重要的组成部分，在收发信道中它扮演了重要的角色，其作用是将载频为 的已调信号(或单频载波)不失真地变频为 的信号。称为中间频率或中频。超外差式接收机方框图 变频或混频就是把两个不同的信号加到非线性器件上进行频率组合后取出和频或差频 的过程。 它的的基本功能均是将输入频带信号的频谱位移到新的频率范围内，即频谱的线性般移，这类似于调制信号经调幅变换前后的频谱变换关系。如果所用本振信号是变频电路自身产生，则称为自激式混频器，或简称为变频器。 如果本振信号由外部其它电路提供，则称变频电路为它

2、激式混频器，或简称为混频器；一、混频的概念第五章 混频器二、混频的应用一是频率合成系统中实现升降频。二是通信系统中降低对滤波器的要求。三是卫星信号传送中的二次变频 应用。鉴相、相位调制器 等主要例子有：利用变频器可以实现，将波段内的已调信号变为与输入载波无关的、并具有固定载频的中频信号，并在此基础上进行高性能的选频放大，最后再检波的超外差式接收解调方案在发射设备中经常利用变频器来改变载频频率的大小在频率合成器中，也常用变频器来完成频率加减运算，从而由基本频率信号得到各种不同于原频率的新信号第五章 混频器混频模型及频谱第五章 混频器调幅是把基带频谱搬移到载频两边，混频则是信号频谱搬移到中频，但本

3、质上它们都是频谱的搬移，因而实现的模型是相同的，可用模拟乘法器实现，也可用平方律器件、指数特性器件、折线型器件等实现。 变换关系是：上混频 高本振下混频 低本振下混频 下混频第五章 混频器混频器有两个输入口与一个输出口，其中一个输人口为RF端另一个输入口为LO端，输出口为IF端(RF为射频，LO为本振，IF为中频)。它与只有输入、输出口的放大器是不一样的。但是放大器有直流电源输入，只要把混频器的本振输入看成是“泵”或“源”混频器与放大器就有类比性(三极管、场效应管混频还要加上直流偏置)，RF看成是输入，IF看成是输出，但输入和输出的频率是不同的，定义混频器的一些指标与放大器相比有相同的也有不同

4、的。 第五章 混频器混频可用双极晶体管、场效应管、模拟乘法器、二极管等器件完成。在甚高频及超高频频段，主要用二极管完成混频。下述混频器指标以二极管混频为主。 1.变频增益(损耗)2.噪声系数3.动态范围4.双音三阶交调与线性度5.工作频率隔离度7.镜像频率抑制度8.本振功率端口性能 5.1 混频器的性能指标1.变频增益(损耗)（注：教材上公式有错）变频损耗指混频器输入端（RF）的信号功率与输出端（IF）的信号功率之比。可以用 电压增益也可用功率增益表示其放大能力。常用分贝表示。5.1 混频器的性能指标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。 2.噪声系数5.1 混频

5、器的性能指标定义为： 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即T0=290K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。 3.动态范围5.1 混频器的性能指标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。 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

6、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、混频器的双音三阶交调与线性度.5.1 混频器的性能指标如果有两个频率相近的信号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。三阶互调产物是由放大器或混频器的非线性特性造成的对两个音频输入相互混频(或调制)的结果。这两个

7、IM3产物是： fIM3_1 = 2 * f1 - f2, f IM3_2 = 2 * f2 - f1,i.e. 900 * 2 - 901 = 899MHz i.e. 901 * 2 - 900 = 902MHz 5.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。 6、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）。 7、端口电压驻波比 端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它

8、是一个随功率、频率变化的参数。 8、镜像抑制度5.1 混频器的性能指标1.用乘法器实现混频是最好的方法之一5.2 混频器的实现模型（P331）由模拟乘法器（有源混频） 实现乘积型混频器由双极晶体管（有源混频）、场效应管（有源混频） 、二极管（无源混频） 实现叠加型混频器两种电路都含有许多组合频率分量。5.3 有源混频器电路（P332）1.主要器件石英晶体：17.73MHz 三极管： 9018 中周： 6.5MHz 电阻电容：若干2.技术指标要求：1） 接收频率（点频）11.23MHz 2） 本振频率： 17.73MHz3） 混频输出（中频）：6.5MHz直流偏置电压 本振电压 信号电压 可把本

9、振电压看成是晶体管偏置电压的一部分，但这种偏置是时变偏置 5.3.1 晶体管混频器近似分析方法-线性时变分析方法在本振电压作用下，工作点随时间而移动。由于信号电压振幅值很小，在任何时刻的工作点上，对信号而言都可以看成是线性的。这种分析问题的方法称为线性时变分析法。 5.3.1 晶体管混频器近似分析方法-线性时变分析方法在时变工作点上的泰勒级数展开式为：很小时变电导 是转移持性上随本振电压变化的时变工作点 切线的斜率。 时变的工作点5.3.1 晶体管混频器近似分析方法-线性时变分析方法时变电导 时变电导是转移持性上随本振电压变化的时变工作点切线的斜率。 5.3.1 晶体管混频器近似分析方法-线性

10、时变分析方法时变电导 时变工作点对应的 变化规律都与的变化规律一致。也是周期的。和和量纲是电导量纲是电流5.3.1 晶体管混频器近似分析方法-线性时变分析方法取下混频 变频跨导 ：中频电流振幅值 与信号电压振幅制之比5.3.1 晶体管混频器近似分析方法-线性时变分析方法若输入为调幅波：或 5.3.1 晶体管混频器近似分析方法-线性时变分析方法例题已知混频晶体三极管的近似特性如下图：VBB0=？g(t)=？VBB0=0Vgc=？中频电流由集电极中频谐振回路取出，混频器的电压增益为：不能混频!5.3.1 晶体管混频器近似分析方法-线性时变分析方法例题已知混频晶体三极管的近似特性如下图：二极管混频

11、晶体三极管混频动态范围小(信号电平范围仅为几十毫伏)，组合频率干扰大，本振泄漏严重。二极管混频则动态范围大，组合频率分量少，本振泄漏小，无变频增益。5.4 无源混频器电路（P353）5.4 无源混频器电路（P353）5.4.4 单二极管开关混频器的折线近似分析 二极管混频分小信号混频及开关混频。小信号混频，工作在二极管特性曲线的弯曲部分。开关混频，本振电压的幅度较大( )，可认为在本振电压的正半周，二极管导通；在本振电压的负半周，二极管截止。开关混频具有更好的性能。1.小信号二极管平衡混频器的工作原理 （P357）小信号状态下，工作在二极管特性的弯曲部分，二极管特性 可用级数展开：抵消部分非线

12、性分量，可采用平衡混频器，上下完全对称。5.4 无源混频器电路5.4 无源混频器电路抵消了许多组合频率分量，仍包含较丰富的频率分量。 平衡混频器小信号工作可实现混频包含( ) 分量 2二极管开关混频工作原理 二极管开关混频时可忽略二极管特性曲线的弯曲部分，用折线来代替二极管。 5.4 无源混频器电路开关函数 5.4 无源混频器电路2、二极管开关混频器工作原理包含的频率成分少了很多组合频率分量 相比与5.4 无源混频器电路2、二极管开关混频器工作原理 采用四只二极管组成的环形混频器可以进一步减少组合频率干扰。电路中二极管同样工作于受本振电压控制的开关状态。 输出电流中的组合频率成分少了很多。此外

13、，中频分量的振幅值是平衡混频器的两倍。因此，环形混频器的灵敏度和抑制干扰的能力都更优于平衡混频器。5.4 无源混频器电路3、二极管环形混频器四个二极管组成一个环环形混频器 环形混频器本振与信号端口具有良好的隔离，对本振而言，AB点是等电位，信号口无本振输出，对信号而言，CD点是等电位，本振口无信号输出。信号源端口的电流 ： 信号口的输入阻抗： 中频电流 二极管环形混频器5.4 无源混频器电路开关函数5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真1.组合频率干扰 组合频率干扰是混频器中的特有现象组合频率分量 混频器由非线性器件组成是形成干扰的源泉 中频信号 增大组合频率分量的振幅迅速减小 通过中频放

14、大通道送入检波电路无用的组合频率分量与 接近组合频率分量 F为音频 在检波电路中再次“混频”，差拍出频率为F的哨叫声，这种干扰称为干扰哨声 。组合频率分量 5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真在不同的 处产生干扰哨声要形成干扰哨声取不同的正整数干扰信号干扰信号进入中频通道后被放大最强的干扰 中频干扰5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真组合频率分量 镜像干扰 镜像干扰本振信号有用信号例：有一超外差式广播收音机，其中频试说明下面两种干扰现象各属于何种干扰？（1）当收听到 的电台播音时，还能听到强电台播音的干扰；（2）当收听频率 的电台播音时，还能听到强电台播音的干扰和啸叫声。5.5 混

15、频器中的组合频率干扰与非线性失真镜像干扰要形成干扰哨声组合频率干扰分析：（1）本振频率 镜像干扰干扰信号与本振的差频（2）本振频率 组合频率干扰干扰信号与外来信号的组合频率5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真四次项或更高的偶次项会产生中频电流调幅波 不能正确反映包络的变化规律 2非线性失真混频器输入端作用强的有用信号混频器工作在“强”线性状态5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真非线性与干扰阻塞产生交叉调制 偏置直流电压 信号基波电流 混频器输入端同时输入有用信号 及干扰信号5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真调幅信号 干扰信号转移的部分有用分量5.5 混频器中的组合频率干扰与

16、非线性失真信号基波电流 交叉调制交叉调制系数 (2) ，提高前端电路的选择性可克服交调。 (1)交叉调制是由非线性器件中的三次项或更高次非线性项产生的，与 成正比结论：(3)干扰信号的幅度与有用信号 的大小有关交叉干扰消失5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真混频器的三阶互调 5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真三阶互调两个干扰信号结论：（1）平方项(或更高偶次项)产生 分量，称为二阶互调。在窄带通信系统中， ， 是较靠近的两个频率。不会落在频带内。这种干扰可以不予考虑。（2）三次方项或更高奇次项产生 或分量，称为三阶互调。易落在带内很靠近时影响最严重，必须消除。5.5 混频器中的组合频率干扰与非线性失真(3)选用平方律特性器件或采用平衡或双平衡电路可改善三阶互调特性。 倒易混频（噪声调制） 与 相隔的噪声混频，把噪声搬移到中频的带内使信噪比恶化当本振谱不纯，存在杂散和边