通信电子线路 课件 第7章 混频器

第7章混频器7.1概述7.2混频电路7.3混频干扰7.4三极管混频器应用举例

【应用背景】

在广播、电视及通信技术中，混频是一种被广泛应用的技术。混频器是超外差式接收机的重要组成部分，如图7-1所示阴影框图。混频器把经过输入回路选择的、载频为高频

的已调信号不失真地变换为载频为中频的已调信号。例如，中波调幅广播收音机把外来调幅信号(频率范围是535~1605kHz)变换为频率为465kHz的低中频调幅信号。因为中频频率比较低且固定，中频放大器可以获得较大的电压增益和较好选择性。另外，混频器也是频率合成器等电子设备的重要组成部分，用来实现频率加、减运算功能。图7-1混频器应用示例

7.1概述

7.1.1混频器的组成框图及波形、频谱超外差接收机中的混频器通常由非线性器件、本地振荡器和中频滤波器三部分组成，如图7-2所示。

图7-2混频器组成框图

图7-3(a)为混频器的输入、输出波形。可见混频前后波形的包络形状没变，只是信号的载频由高频fS变为中频fI。图7-3(b)为混频器的输入、输出频谱。可见混频前后频谱结构没有变化，只是中心频率由高频fS变为中频fI。所以，混频

前后调制规律不变，只是中心频率由高频变为中频。混频器也是一种频谱线性搬移电路。

图7-3混频器的波形和频谱

非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器等；中频滤波器可以是LC谐振回路，也可以是集中选择的滤波器，如陶瓷滤波器等；本地振荡器可以是单独的振荡器，如果节省一只晶体管，也可用混频管兼作振荡管用(如一般调幅收音机就是这样)，通常把前者称为混频器，而把后者称为变频器。习惯上混频器和变频器这两个名词往往通用，所以在此统称为混频器。

7.2混频电路

7.2.1三极管混频器根据晶体管组态和本振电压注入点的不同，三极管混频器可分为四种基本电路形式，如图7-4所示。其中，图7-4(a)是共发射极电路，本振电压uL从基极注入；图7-4(b)是共发射极电路，本振电压从发射极注入；图7-4(c)和图7-4(d)都是共基极电路，本振电压注入则不同，图7-4(c)是从基极注入，图7-4(d)是从发射极注入。

图7-4三极管混频电路的几种基本形式

1.电路分析

三极管混频器如图7-5所示。图7-5三极管混频器

由6.3.2节介绍的线性时变分析方法得到如图7-5所示的集电极电流为

式中，I0(t)=f(EB+uL)是三极管的时变静态电流；g(t)=f'(EB+uL)是三极管的时变静态跨导，均受本振信号uL=ULmcosωLt控制。I0(t)和g(t)的波形分别如图7-6和图7-7所示。

图7-6时变静态电流I0(t)波形

图7-7-时变静态跨导g(t)波形

可见ic中有众多频率分量。由于负载LC谐振回路谐振在中频ωI=ωL-ωS上，因此ic中唯有中频分量ωI=ωL-ωS才会输出，并在LC回路两端产生中频电压。设LC回路谐振电阻为RP，则输出中频电流和电压分别为

2.性能指标分析计算

1)混频电压增益Kuc

由式(7-5)可知，输出中频电压振幅为

根据混频电压增益定义，得到

2)混频跨导gc

为了衡量混频三极管把输入高频信号电压转换为中频电流的能力，引入混频跨导gc这个参量。gc定义为输出的中频电流振幅IIm与输入高频信号电压振幅USm之比，即

由式(7-4)可知，输出中频电流振幅为

则三极管混频电路的混频跨导为

7.2.2二极管混频器

1.单二极管混频器

图7-8是一个单二极管混频器原理电路。由图可见，二极管混频器的输出中频回路直接与晶体二极管、输入信号回路、本振电压uL串接，因而与晶体三极管混频器不同，它的输出中频电压uI将全部反作用于二极管两端。根据图中标注的电压方向，实际加到二极管两端的电压uD=uS+uL-uI。图7-8单二极管混频器原理电路

2.二极管平衡混频器和二极管环形混频器

图7-9是一个二极管平衡混频器原理电路。信号电压uS经高频变压器Tr1加到二极管VD1和VD2上，本振电压uL加在两个变压器Tr1和Tr2的中点，中频信号通过中频变压器Tr2输出。图7-9二极管平衡混频器原理电路

二极管环形混频器原理电路如图7-10所示。图7-10二极管环形混频器原理电路

7.2.3调幅、检波和混频电路小结

前面所介绍的调幅、检波和混频均属于频谱线性搬移电路，因此它们的原理和电路有相同和不同的方面。相同的方面是均可以采用二极管、三极管、场效应管、乘法器等非线性器件实现；不同的方面是调幅、检波和混频电路的输入、输出信号不同，采用的滤波器不同。

下面以单音调制DSB－SC信号为例，介绍频谱线性搬移电路的原理。其实现调制、解调和混频的原理框图如图7-11所示。设调制信号为uΩ、调制频率为F、发送载波频率为fc、本振频率为fL、中频频率为fI。调幅、检波和混频的比较如表7-1所示。

图7-11实现调制、解调和混频的原理框图

7.3混频干扰

图7-12是超外差接收机的电路框图。从图中可以看出，此电路分为混频器(非线性电路)、中频放大器(线性电路)、检波器(非线性电路)等三部分。正因为具有这样一种特定的结构，超外差接收机会产生某些特有的干扰，称为混频干扰。

图7-12混频器超外差接收机的电路框图

7.3.1干扰哨声

1.形成原因

干扰哨声是指由有用信号和本振信号组合而形成的干扰。

2.产生干扰哨声的频率

显然，式(7-19)只要满足以下关系

7.3.2副波道干扰

1.形成原因

副波道干扰是指由干扰信号和本振信号组合而形成的干扰。正常情况下，有用电台信号与本振信号混频得到中频fI=fL-fS，这种组合通道称为主通道或主波道。如果混频器之前的输入回路选择性不够好，使得干扰信号fN也进入混频器，其与本振频率fL进行组合并等于中频，形成对fS的干扰，这些组合通道不是主波道，而是副波道，又称为寄生波道，因此将这种干扰称为副波道干扰或寄生波道干扰。

2.产生副波道干扰的频率

若干扰频率fN与本振频率fL满足下列关系，即

由式(7-22)可以求出产生副波道干扰的干扰频率为

同理，能产生明显副波道干扰的干扰频率必须同时满足两点：

①能满足式(7-23)的干扰频率且在接收机工作频段之内；

②对应p+q值较小的干扰频率。

根据式(7-23)可以求出副波道干扰中最强的两个干扰频率，即中频干扰和镜像频率干扰。

1)中频干扰

在式(7-23)中取p=0，q=1时，干扰频率fN为

此时，由于干扰信号频率等于中频频率fI，故称为中频干扰。

当接收机前端电路的选择性不够好，致使中频干扰信号到达混频器的输入端时，由于混频器的输出回路调谐于中频fI，因此中频干扰信号就会被混频器和各级中频放大器放大，具有比有用信号更强的传输能力。

2)镜像频率干扰

当p=1，q=1时，干扰频率fN为

可见，该干扰信号比本振频率fL高一个中频，比信号频率fS高两个中频。也就是说，如果将本振频率fL看成是一面“镜子”，干扰信号fN与有用信号频率fS则成镜像关系，故称fN为镜像频率(简称镜频)干扰，如图7-13所示。图中虚线为输入回路的选频特性。

图7-13镜像频率干扰

了当fS一定(即接收机调谐一定)时，会产生副波道干扰的输入干扰频率。现在要问，当输入干扰频率fN一定时，有哪些fS(即接收机调谐在哪些频率时)使该干扰信号会形成副波道干扰呢?这个问题可以根据式(7-23)以及fL=fS+fI得到

7.3.3交叉调制干扰和互相调制干扰

1.交叉调制干扰(交调干扰)

当混频器输入端同时作用着有用信号uS和干扰信号uN时，混频器除了对某些特定频率的干扰信号形成副波道干扰外，还会对任意频率的干扰信号产生交调干扰。

2.互相调制干扰(互调干扰)

若接收机前端电路的选择性不好，致使角频率为ωN1和ωN2的两个干扰信号同时加到接收机输入端，在混频器非线性作用下，混频器输出端除了有用组合ωL-ωS=ωI外，还可能

存在

式(7-28)是两个干扰信号与本振信号组合产生的中频分量(m、n分别是干扰频率ωN1和ωN2的谐波次数)，这会引起混频器输出中频信号失真。通常将这种现象称为互相调制干扰。

7.3.4减小混频干扰的措施

总的来说，可以采取以下措施减小混频干扰：

(1)减小输入与本振信号幅度，可减小产生干扰哨声组合频率分量幅度。

(2)提高前端的电路选择性，例如，提高天线回路和高频放大器的滤波性能，并同时压低它们的增益，可以防止副波道干扰、交调干扰和互调干扰。

(3)合理选择中频。将中频设置在接收频段外，可避免产生最强的中频干扰；采用上混频或二次混频方案，可以