第11章混频器和检波器的设计

射频电路理论与设计（第2版）

第11章混频器和检波器的设计

混频器和检波器都是频率变换电路。混频器是一种将输入信号的频率升高或降低，同时完好保留原信号特性的器件，其频率的变换可通过输入信号与另一信号（本振信号）混频而来；检波器是一种解调已调制信号的器件，用于直接提取信号的包络，可滤除载波成分，输出调制信号。

混频器11.1检波器11.211.1混频器

混频器是射频系统中用于频率变换的部件，可以将输入信号的频率升高或降低而不改变原信号的特性。实际混频器通常是以二极管或晶体管的非线性为基础，非线性元件能产生众多的其他频率分量，然后通过滤波选取所需的频率分量。

11.1.1混频器的特性

混频器是一个三端口器件，其中2个端口输入，1个端口输出。混频器采用非线性元件，可以将2个不同频率的输入信号变换为一系列不同频率的输出信号，输出频率分别为2个输入频率的和频、差频及谐波。

1.混频器的功能

在射频发射系统中，2个不同频率的输入端分别称为中频端（IF）和本振端（LO），输出端称为射频端（RF）。

在射频接收系统中，2个不同频率的输入端分别称为射频端（RF）和本振端（LO），输出端称为中频端（IF）。

图11.1混频器的符号和功能

2.理想混频器的频谱

上变频过程，理想混频器输出的RF信号包含输入LO与IF信号的和频和差频。

下变频过程，理想混频器输出的IF信号的频率为RF与LO信号的和频和差频。

（a）上变频（b）下变频图11.2理想上变频和下变频的频谱

3.实际混频器的频率输出

实际上，混频器利用一个或多个非线性器件，产生基于这2个信号各次谐波的和频与差频。输出信号的频率为

11.1.2混频器的种类

混频器按照频率变换的类型可以分为3类电路，分别为上变频器、下变频器和谐波混频器，以适应不同的需求。

1.上变频 混频器符号的意思是输出与2个输入信号的乘积成比例。这里将会看到这是混频器工作的理想化观点，实际混频器会产生大量输入信号的各种谐波。

对于上变频过程，本振LO信号连接混频器的一个输入端口，其可以表示为

中频IF信号连接混频器的另一个输入端口，其可以表示为

2.下变频 对于下变频过程，与用在接收机中的一样，RF信号为输入信号，其形式为

射频

称为产生IF信号的“直接频率”；射频

称为产生IF信号的“镜像频率”，称为“镜像响应”。镜像响应是不希望看到的，能抑制镜像响应的混频器称为镜像抑制混频器。

3.谐波混频器

当只具有一个低频LO，而欲对一个高频RF信号进行下变频时，可以采用谐波混频器。即选用LO的适当谐波与RF信号进行混频，以实现下变频。

上面是对理想混频器的讨论，输出信号的频率仅为2个输入信号的和频和差频。实际混频器是由二极管或晶体管构成的，由于二极管或晶体管的非线性，输出会有众多的其他频率分量，需要用滤波器选取所需的频率分量。

11.1.3混频器主要技术指标

混频器的主要技术指标有变频损耗、噪声系数、线性特性、本振激励功率、端口隔离度和端口阻抗匹配等。

1.变频损耗 混频器的变频损耗定义为可用RF输入功率与可用IF输出功率之比，用dB表示为

2.噪声系数

混频器的噪声系数定义为输入信号的信噪比与输出信号的信噪比的比值。

3.线性特性

混频器的射频输入信号一般远小于本振信号，混频器对于较小的射频输入信号是线性网络。混频器输出的中频信号与输入的射频信号在幅度上成正比关系，是一个线性的移频器。

4.本振激励功率

混频器的指标受本振功率控制。若本振功率不够，就会降低混频器的性能，甚至使混频器无法工作。因此，混频器要求给出本振激励功率的参数，以dBm为单位。

5.端口隔离度

混频器LO、RF、IF端口的频率不同，端口隔离度定义为一个端口的输入信号与其它端口得到的该频率信号功率的衰减量，以dB为单位，一般要高于20dB。

6.端口阻抗匹配

混频器的3个端口应配以适当的匹配电路，以求得最大转换效率。混频器端口阻抗匹配的原则是：对于该端口的工作频率的信号严格匹配，对于其他端口的工作频率的信号则需全反射。

11.1.4单端二极管混频器

仅用一个二极管产生所需IF信号的混频器称为单端二极管混频器。

图11.4单端二极管混频器的一般框图

2.二极管小信号分析

二极管是非线性的。通常可以将二极管视为一个非线性电阻，根据二极管的伏安特性，可以得到二极管电压和电流之间的关系为

二极管电流的前3项，称为“小信号近似”。

3.二极管非线性产生新的频率分量

二极管的非线性导致输出信号存在多个频率，新的频率分量为这里关心的是差频，

4.设计步骤

（1）选择合适的二极管。（2）测量大信号条件下二极管的阻抗值。（3）设计匹配电路。（4）电路优化。

11.1.5单平衡混频器 前面讨论的单端二极管混频器虽然容易实现，但在宽带应用中不易保持输入匹配及本振信号与射频信号之间相互隔离，为此提出单平衡混频器。

图11.8单平衡混频器

图11.8示出单平衡混频器的构成，2个单端混频器与一个3dB耦合器可以组成单平衡混频器，为简单起见，图中省略了对二极管的偏置电路。

2.IF输出

二极管的DC分量在合成时已经消去。经过低通滤波之后，IF输出信号为

3.RF和LO隔离

当3dB耦合器是900混合网络时，RF端口和LO端口之间的隔离。（1）RF端口和LO端口无反射。（2）RF端口与LO端口有强耦合。11.2检波器

检波器也是频率变换电路。检波器是将已经调制的信号进行解调，输出调制信号的电路。检波器主要应用在接收机的解调电路中，对调幅信号进行解调，实现峰值包络检波，输出信号与输入信号的包络相同。

11.2.1整流器与检波器

1.整流器

整流器是检波器的一个特例。整流器输入的是未调制的射频信号，也就是说输入的射频信号包络为直流。

2.检波器

检波器输入的是已调制的射频信号，也就是说输入的射频信号包络具有一定的波形，检波器输出包络的波形。

11.2.2二极管检波器

检波器是利用射频固态器件的非线性特性对输入射频信号进行频率变换。由于二极管有非线性，可以利用二极管实现幅度调制信号的检波。

1.检波器电路的构成

2.二极管的整流特性

电流输出为

3.二极管的检波特性

（1）二极管的输出电流（2）平方率检波（3）检波器的输出特性

11.2.3检波器的灵敏度

灵敏度是指输入信号较低时，检波器返回有用信息的能力。检波器灵敏度定义为输出电流与输入功率之比。

1.整流器的电流灵敏度

整流器的电流灵敏度定义为由于输入射频信号的变化引起的直流电流改变量与输入射频功率

之比，即

2.整流器的电压灵敏度电压灵敏度与负载相关，分开路电压灵敏度和有限负载灵敏度2种情况。

开路电压灵敏度定义为