微波電子線路第三章上

第3章微波頻率變換器在雷達、通信及其它微波毫米波系統中要廣泛采用頻率變換器，它們是微波毫米波發(fā)射機和接收機的重要組成部分。頻率變換器是一個廣義的稱呼，其作用是對信號的頻譜進行“搬移”，針對特定的輸入信號按需要產生頻譜變化了的輸出信號，以利于實現無線電發(fā)射，或者進行進一步的放大、解調等信號處理。從頻率變換器的功能來看，其本質必然是非線性變換，需要利用非線性元件。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第1頁!固態(tài)電路中，采用的非線性元件一般是半導體二極管:非線性電阻二極管肖特基勢壘二極管非線性電容二極管變容管、階躍恢復二極管等頻譜搬移過程主要由非線性電阻完成、即核心元件是非線

性電阻的頻率變換器稱為“阻性變頻器”

頻譜搬移過程主要由非線性電抗完成、即核心元件是非線性電容的頻率變換器稱為“參量變頻器”。頻率變換器按照功能還可進一步劃分為：

下變頻器、上變頻器和倍頻器微波頻率變換器3.1概述

微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第2頁!包含一個或多個非線性元件的網絡微波下變頻器的組成微波頻率變換器本地振蕩信號中頻信號微波下變頻一般采用阻性變頻器工作頻帶可作得很寬，可達幾個甚至幾十個倍頻程，而且動態(tài)范圍比較大，總噪聲系數可以作得相當低

包含一個或多個非線性元件的網絡微波上變頻器的組成泵浦信號和頻信號微波上變頻一般采用參量變頻器它變頻效率高、絕對穩(wěn)定。

微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第3頁!微波頻率變換器3.2非線性電阻微波混頻器

非線性電阻微波混頻器的核心元件是肖特基勢壘二極管。常見的非線性電阻微波混頻器的基本電路有三種類型：單端混頻器采用一個混頻二極管，是最簡單的微波混頻器；單平衡混頻器采用兩個混頻二極管；雙平衡混頻器采用四個二極管。本節(jié)將以元件的特性為基礎，分析非線性電阻微波混頻器的工作原理及性能指標，包括電路時頻域關系、功率關系、變頻損耗、噪聲特性，并給出各種非線性電阻微波混頻器的電路實現（微帶電路結構）等。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第4頁!微波頻率變換器1.輸出電流頻譜（設）先假設、和均被短路;負載電壓（輸出電壓）加于二極管兩端的電壓為信號電壓、本振電壓及直流偏壓（或零偏壓）之和肖特基勢壘二極管的特性可以表示為:二極管電流為:（1）小信號情況信號電壓幅度遠小于本振電壓幅度,按臺勞級數在處展開為:微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第5頁!微波頻率變換器根據第二章第二節(jié)混頻二極管的交流激勵特性可知（忽略反向飽和電流）：（本振電流）（信號基波電流）（輸出中頻電流）微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第6頁!微波頻率變換器得出以下基本結論:在非線性電阻混頻過程中產生了無數的組合分量，其中包含有中頻分量，能夠實現混頻功能。可用中頻帶通濾波器

取出所需的中頻分量而將其它組合頻率濾掉。中頻電流的振幅為.它與輸入信號振幅成正比

例?；祛l器輸入端與輸出端分量振幅之間具有線性關系,這一點對信號接收時的保真無疑是非常有意義的。由于本振信號是強信號，在混頻過程中它通過二極管的非

線性作用而產生了無數的諧波，每一個諧波都包含了部分

有用的信號功率，是對信號功率的浪費，應該采取措施加

以回收利用，以提高從信號變換為中頻的變換效率。但各

諧波功率大約隨變化，因此混頻產物電路的組合分量

強度隨增加而很快減小。通常只有本振基波和二次諧波

等分量才足夠強，對混頻變換效率產生較大影響。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第7頁!微波頻率變換器信號電壓及其各次冪同樣可以寫成：表示為：混頻輸出電流的一般表達式微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第8頁!微波頻率變換器3.2.2電路功率關系與變頻損耗混頻器的變頻損耗一般可定義為：它表示混頻器中任意邊帶頻率到另一邊帶頻率之間的變頻損耗，和分別表示這兩個頻率上的資用功率。由于一般只關注輸出中頻的情況，可把混頻器的變頻損耗定義限定為：和分別為從信號源和中頻輸出端

得到的資用功率。1．混頻器的功率關系二極管這一非線性電阻中的瞬時功率可表示為：微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第9頁!微波頻率變換器可得出結論：對于非負的時變電阻和時變電導來說，混頻器中所有混頻產物所得到的總功率不大于信號源所供給的信號功率。變頻損耗不可能小于1，即不可能有變頻增益，因而我們所

討論的線性周期時變電阻網絡是無源的。由于其無源性，因而

它是絕對穩(wěn)定的，即在任何終端負載和本振條件下都不會產生

自激振蕩。在無窮多個混頻產物頻率中，我們一般僅需要輸出一種頻

率成分，即中頻。那些不需要輸出的混頻產物（稱為帶外閑頻）

在相應頻率的端口阻抗上造成功率損耗，如果能使混頻器對這些

無用邊帶頻率造成特殊的終端條件，則可減少有用功率的浪費，

減小變頻損耗。相當于在頻率為的端口上分別具有短路、開路和電抗終端微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第10頁!微波頻率變換器Y混頻器的電路方程表示為：或

由于表示時變電導各分量的復振幅，表示導納，因而矩陣是Y矩陣（導納矩陣），故把這種混頻器稱為Y混頻器。

以Y混頻器為例來具體分析變頻損耗。假設本振電壓的初相Y混頻器的矩陣方程式為：微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第11頁!微波頻率變換器①輸出電導一般混頻器等效電路②變頻損耗③最佳變頻損耗與最佳信號源電導及輸出電導當時，，這意味著在極限本振激勵下，信號輸入功率僅有一半變換為有用的中頻功率，而另一半會變成鏡像功率在信號源內導上消耗掉。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第12頁!微波頻率變換器（2）鏡像短路情況如果信號和本振輸入回路和都是窄帶的，對鏡像頻率它們具有很低的阻抗，可以使得鏡像電壓但鏡像電流，就會出現“鏡像短路”情況。加有鏡像短路濾波器的混頻器在實際電路中，一般是采用“嵌入”鏡像濾波器的辦法來構造鏡像短路，這種電路不要求輸入回路具有能區(qū)分信號頻率和鏡像頻率的窄帶特性，鏡像短路由專門的結構來實現。電路在二極管輸入口并聯一個窄帶的串聯諧振回路，諧振于鏡像頻率，根據串聯諧振的特性，該回路對鏡像頻率提供近似短路的低阻抗，但對信號頻率提供高阻抗，因此該回路對信號功率損耗很小微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第13頁!微波頻率變換器加有鏡像開路濾波器的混頻器當時,綜合三種類型鏡像終端Y混頻器的性能，可以得出一些重要結論：在同樣的本振激勵功率下，

鏡像開路的變頻損耗最小，

而鏡像匹配的損耗最大。鏡像開路混頻器所要求的最佳信號源

電導比鏡像短路混頻器的小的多，如果給定的信號源電阻較低

（約幾十歐），那么鏡像短路混頻器比較容易與信號源匹配，

實際上所得性能并不比鏡像開路混頻器差。鏡像匹配混頻器是寬帶混頻器，它具有存在于本振頻率兩側的

信號及鏡頻通道，是雙通道混頻器，如果在信號輸入端存在一

個頻率等于鏡像頻率的外來干擾信號，能夠在中頻輸出端造成

中頻干擾，使混頻器性能變壞。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第14頁!微波頻率變換器3.2.3噪聲特性混頻器的噪聲特性主要用“噪聲系數”和“噪聲比”來描述。針對混頻器輸出的核心變頻產物-中頻，混頻器的噪聲系數可定義為：為混頻器的變頻損耗;分別為混頻器輸入和輸出的噪聲資用功率。一般把混頻器的總輸出噪聲等效為溫度的電阻所產生的熱噪聲，稱為混頻器的等效噪聲溫度，并可定義混頻器的噪聲比為：為標準噪聲溫度，一般取常溫290K。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第15頁!微波頻率變換器2．鏡像匹配混頻器的噪聲系數這時混頻器是雙通道的，它是三端口有耗網絡。對于這種雙通道混頻器，當信號的邊帶結構不同時，如單邊帶（SSB）信號或雙邊帶（DSB）信號，其噪聲系數及噪聲比是不同的，必須分別討論。（1）單邊帶信號情況這時信號功率僅存在于信號通道，鏡像通道沒有信號，但由于鏡像通道也存在熱噪聲，因此將會有兩個通道的噪聲通過混頻產生中頻噪聲輸出，其噪聲性能將變壞。這時噪聲系數和噪聲比為：微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第16頁!微波頻率變換器3．混頻器-中放組件的噪聲系數在外差式微波接收機中，一般采用混頻器-中頻放大器組件作為接收前端。由于阻性混頻器本身沒有增益，其后面中頻放大器的噪聲影響不能忽略。因此，以混頻器作前端器件的整機噪聲系數取決于混頻器-中放組件的總和噪聲系數?？傇肼曄禂祵τ趩瓮ǖ阑祛l器，因若，可得：對于雙通道混頻器接收單邊帶信號情況:對于雙通道混頻器接收雙邊帶信號情況:微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第17頁!微波頻率變換器本振源輸出噪聲頻譜本振源有效噪聲頻譜在微波波段，噪聲系數增加大約2～3dB，這是一個可觀的數值，因此在電路設計中必須盡可能采取措施消去本振噪聲的影響。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第18頁!混頻器輸入端反射不僅導致失配損耗，而且當混頻器為接收機前置級時，由于反射信號在天線與接收機之間來回傳輸，使輸入端信號產生相位失真。在某些相位關系要求嚴格的系統里，對輸入駐波比有特別嚴格的要求，在一般情況下，要求輸入駐波比小于2。2．輸入駐波比微波頻率變換器3．動態(tài)范圍混頻器的動態(tài)范圍指能夠使混頻器有效工作的輸入電平范圍。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第19頁!微波頻率變換器包含一個或多個非線性元件的網絡微波倍頻器的組成

微波倍頻器也是微波毫米波系統中常用的部件，在一些微

波設備中，例如頻率合成器和微波倍頻鏈中，它更是不可缺少的關鍵部件之一。稱為倍頻次數原則上，各種半導體元件只要具有非線性，都可以用來構成倍頻器。實際上，最常用的是變容管倍頻器和階躍管倍頻器。變容管倍頻器適用于低次倍頻，其效率較高，如果忽略損耗電阻等寄生參量的影響，效率甚至可以達到100％；而階躍管倍頻器多用在高次倍頻場合，其結構相對簡單，倍頻次數可達100以上。本章將討論變容管倍頻器和階躍管倍頻器的性能及電路結構。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第20頁!微波頻率變換器3.2.1電路工作原理與時頻域關系微波混頻器只采用一個肖特基勢壘混頻二極管，稱為單端混頻器是信號源內阻抗，是本振源內阻抗，表示輸出負載阻抗，為直流偏壓微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第21頁!微波頻率變換器由于信號電壓的幅度很小，可將以上的各高次項忽略不計二極管的時變電導假設混頻二極管對所有本振諧波電壓都是短路的，僅由正弦本振電壓決定是僅加直流及本振電壓時的二極管電流和都是本振頻率的周期函數,利用傅立葉級數展開微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第22頁!微波頻率變換器（高次差頻電流）（各次和頻電流）混頻電流的主要頻譜

頻率稱為和頻，除稱為中頻外還稱為差頻，稱為鏡像頻率。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第23頁!微波頻率變換器（2）大信號情況如果混頻器的輸入信號是強信號（但可認為信號電壓幅度仍

遠小于本振電壓幅度），不能忽略以上的各高次項。此時信號

也將產生各次諧波，混頻產物電流的頻譜分量將大為增加。為使問題分析及表達簡潔，可以借助歐拉公式把上述各三角

函數表示為指數形式:如果定義，則有：從而，傅立葉展開的g(t)可以寫為：微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第24頁!微波頻率變換器大信號下混頻的基本結論：在非線性電阻混頻過程中產生了信號和本振所有可能的各次

諧波組合分量，比小信號時豐富得多。其中包含有中頻分量，

能夠實現混頻功能?？捎弥蓄l帶通濾波器取出所需的中頻分

量而將其它組合頻率濾掉。二極管電流中包含中頻分量為：其振幅可計算出為：中頻電流振幅不再與輸入信號振幅成線性關系，將產生非線

性失真。由于信號也產生各次諧波，將有可能在輸出端產生組合干擾。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第25頁!微波頻率變換器平均功率一般可表示為：當時，積分項為1，當時，積分項為0對于阻性二極管來說，是時間的實函數，而且對所有的時

間來說，則可見為實數，而且恒有?？紤]到只有信號源對時變電阻饋給功率，故（信號頻率上進入的功率）是正的，而在其它頻率（）上均吸收功率，因而它們的功率均為負值。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第26頁!微波頻率變換器2．Y混頻器及其變頻損耗在各種減小變頻損耗的措施中，如果采取的是對所有帶外閑頻（）提供短路終端，構成的混頻器稱為Y混頻器。Y混頻器電路原理圖所有帶外閑頻（）都是嚴重失諧而呈現近似短路的終端阻抗。相當于前面線性分析中加在混頻二極管上的電壓只有三個：信號電壓、鏡頻電壓和中頻電壓，因此混頻器是三端口網絡。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第27頁!微波頻率變換器由于Y混頻器除信號端口和中頻端口之外，還有一個鏡頻端口?；祛l產生的鏡像頻率同樣包含有信號的有用功率，也會造成變頻損耗的降低，因此必須對鏡頻端口進一步施加特殊的終端條件，以利于回收鏡像頻率混頻產物中包含的有用信號功率，進一步降低變頻損耗。Y混頻器按照對于鏡頻端口采取措施與否及采取措施的不同，又可以分為三種類型：鏡像匹配、鏡像短路和鏡像開路，這三種鏡像終端由于終端條件不同會有不同的變頻損耗性能，為獲得最佳變頻損耗，對信號源電阻和負載電阻的要求也不同。（1）鏡像匹配情況

鏡頻距離信號頻率僅有二倍中頻從二極管向外電路看去，信號輸入回路對鏡頻的阻抗與對信號頻率的阻抗近似相等，這種混頻器稱為“鏡像匹配混頻器”。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第28頁!微波頻率變換器變頻損耗與本振電壓和鏡像終端類型的關系歸一化最佳電導與本振電壓和鏡像終端類型的關系微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第29頁!微波頻率變換器當時，，這是因為在鏡像短路情況下，包括鏡頻在內的所有高次閑頻分量均被短路而沒有功率損耗，故在極限本振激勵下，所有信號輸入功率都可變成中頻功率。當然，實際混頻器本振激勵是有限的，變頻損耗總是大于1，是有耗的。（3）鏡像開路情況如果在混頻器輸入端與二極管之間嵌入一個鏡像頻率的并聯諧振回路，它將在鏡像頻率上呈現高阻抗，使得鏡像電壓但鏡像電流，就會出現“鏡像開路”情況。

在鏡頻諧振回路兩端的鏡像電壓將又加在二極管上，并與本振再次混頻產生中頻，又得到有用的中頻能量。因此，這里鏡像頻率的并聯諧振回路相當于鏡頻的能量存儲器，并最終把鏡頻能量再轉化為中頻能量.

微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第30頁!微波頻率變換器鏡像短路與開路混頻器是窄帶混頻器，只在本振頻率一側存在

信號通道，是單通道混頻器，如果在信號輸入端存在一個頻率

等于鏡像頻率的外來干擾信號，它也會被輸入回路中的鏡像抑

制濾波器（短路或開路）所抑制，不能通過混頻器產生輸出。常用鏡像匹配混頻器來接收寬帶信號或調制產生的雙邊帶信號，

這時雖然每個通道的變頻損耗較大，但中頻功率可以是兩個通

道之和，這樣總變頻損耗并不會惡化太多；而用鏡像開路或短

路混頻器來接收窄帶或單邊帶信號。如果必須用鏡像匹配混頻

器來接收窄帶信號，就必須盡可能“抑制”或“關閉”鏡像通道以

減小中頻干擾?；祛l器對本振源的輸入電導與混頻器最佳信號源電導數

值相近，即混頻器與本振源電導匹配得到的性能與最佳性能

相近。因此實際設計寬帶混頻器時，常用來估計，這給

寬帶混頻器的設計提供了基礎和方便。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第31頁!微波頻率變換器混頻器的噪聲系數及噪聲比與混頻器的電路結構（單或雙通

道）及信號頻譜寬度（單或雙邊帶）有關。1．鏡像開路和短路混頻器的噪聲系數

這時混頻器是單通道的，它是二端口有耗網絡，其噪聲等效電路為：混頻器的輸出噪聲由兩部分構成：一部分是輸入噪聲經過混頻器衰減后的噪聲輸出功率，另一部分是混頻器內部噪聲產生的輸出功率。

下標“1”表示單通道混頻器。將噪聲系數用變頻損耗和噪聲比表示，可得：混頻器的噪聲系數近似等于變頻損耗，要獲得低噪聲系數，必須使混頻器的變頻損耗盡可能低，兩者是一致的。微波電子線路第三章上共36頁，您現在瀏覽的是第32頁!微波頻率變換器（2）雙邊帶信號情況信號和鏡像通道都存在信號功率，因此輸出中頻功率，而輸出的總中頻噪聲資用功率仍為，故輸出中頻的信噪比比單邊帶信號情況增加一倍；而輸入信噪比這時并沒有改變。噪聲系數為:如果用雙通道混頻器來接收“單邊帶”信號時，由于噪聲輸出是雙通道的，而信號是單通道的，噪聲系數要增大一倍，或者說輸出信噪比變壞3dB。為了降低混頻器的噪聲系數以改善靈敏度，應將鏡像通道抑制，這樣對信