射頻通信電路6-混頻器

第六章射頻混頻器

(書中第六章)電子科技大學(xué)楊遠(yuǎn)望

混頻器就是變頻器，起著頻譜搬移作用,它是電子通信系統(tǒng)中的重要組成部分之一。LNA本振1(LO1)

BPF(2)IF1Amp(1)BPF(3)解調(diào)BPF(1)本振2(LO2)IF2Amp(2)二次變頻超外差式接收機(jī)

混頻器工作原理就是將射頻信號(hào)與本振信號(hào)相乘，然后再利用濾波器選出相應(yīng)頻率的信號(hào)。&6.1混頻器工作原理射頻信號(hào)本振信號(hào)用濾波器選出差頻信號(hào)下混（變）頻器上混（變）頻器用濾波器選出和頻信號(hào)

混頻器應(yīng)僅實(shí)現(xiàn)頻譜的線性搬移,輸出信號(hào)與輸入RF信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)（已調(diào)制譜）相同，不同的是載波頻率，因此，變頻僅對(duì)載波進(jìn)行。

理想混頻器即乘法器，實(shí)現(xiàn)時(shí)可采用如吉爾伯特乘法器，也可以利用電子器件的非線性來完成相乘。前者動(dòng)態(tài)（幅度）范圍較小，故實(shí)際中較多的采用后者。混頻器的電路模型Mixer

要求vLo為大信號(hào)，起開關(guān)作用，此時(shí)混頻器表現(xiàn)為非線性器件;vRF為小信號(hào)，混頻器表現(xiàn)為線性器件,使輸出信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)與輸入信號(hào)相同。

實(shí)際非線性器件不具有理想的平方特性（乘法功能），因而會(huì)產(chǎn)生很多其它不需要的頻率分量，當(dāng)某些頻率分量一旦進(jìn)入后接濾波器的通帶，將成為噪聲,影響電路性能。解決措施1.選擇特性較好的非線性器件及混頻信號(hào)的大小關(guān)系。2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選好變頻頻率關(guān)系。&6.2混頻器主要性能指標(biāo)1.頻率變換-變頻增益

輸出變頻信號(hào)的大小與輸入RF信號(hào)大小之比。電壓增益功率增益當(dāng)混頻器輸入阻抗為Rin，輸出負(fù)載為RL時(shí)

對(duì)于二極管無源混頻器，通常Gp<1，工程上稱為變頻損耗，用Lp表示。常見二極管無源混頻器常見三極管有源混頻器

無源混頻器的線性范圍較有源混頻器大，損耗高，對(duì)后接電路噪聲特性要求較高;有源混頻器增益高，對(duì)后接部分噪聲要求低。2.噪聲系數(shù)（1）雙邊（DSB）噪聲系數(shù)

噪聲信號(hào)頻譜0ωLo=ωRF，混頻時(shí)將信號(hào)搬移至零中頻,變頻后無鏡像頻率.當(dāng)不考慮混頻器本身噪聲時(shí)，變頻前后信噪比不發(fā)生變化。測(cè)得噪聲系數(shù)稱為DSBNF（2）單邊(SSB)噪聲系數(shù)ωLo</>ωRF，混頻時(shí)將信號(hào)搬移至非零中頻。

存在鏡像頻率,其對(duì)應(yīng)通帶內(nèi)的噪聲也會(huì)被搬移到信號(hào)通帶內(nèi).若射頻和鏡像兩個(gè)通帶內(nèi)噪聲相同，則3.線性-動(dòng)態(tài)范圍（1）G1dB壓縮點(diǎn)（2）三階截點(diǎn)（3）線性范圍(1dB壓縮點(diǎn)與本地噪聲功率之比)（4）線性無雜散動(dòng)態(tài)范圍(三階截點(diǎn)與本地噪聲功率之比)4.失真（1）鏡像干擾BFP

當(dāng)輸入信號(hào)中存在鏡像信號(hào)fLo-fRF時(shí)，其與fLo的差信號(hào)也將進(jìn)入并通過BFP(通帶fIF±B/2),

構(gòu)成鏡像干擾。射頻信號(hào)與鏡像頻率信號(hào)的頻譜關(guān)系B高本振fRFfLOfLO+fIFf鏡像干擾fim中頻信號(hào)fIF=fLO-fRF鏡像干擾信號(hào)fim=fLO+fIFfRFfLOfLO-fIFBf鏡像干擾fim低本振中頻信號(hào)fIF=fRF-fLO鏡像干擾信號(hào)fim=fLO-fIF

干擾fim與fRF相對(duì)于fLO如同鏡像，故稱為鏡像干擾。要消除變頻的鏡像干擾，根本措施是不讓鏡像干擾進(jìn)入混頻器。常在混頻器之前加上預(yù)選頻濾波器BFPp將其濾除。BFPBFPpBFPp能否濾除鏡像信號(hào)，關(guān)鍵看其有載品質(zhì)因數(shù)QL。在高fRF時(shí)，則很難做到的高Q。BFPp調(diào)諧于fRF，若要求鏡像抑制60dB

系統(tǒng)解決方案則要求鏡像抑制濾波器有載品質(zhì)因數(shù)a.增大中頻fIF

如取fIF=70MHz,則Q≥3.2×103,下降約一個(gè)量級(jí).b.采用抑制鏡像干擾之系統(tǒng)方案(2)干擾哨聲(3)寄生通道干擾

當(dāng)|pfRF±qfLO|(p,q為整數(shù))進(jìn)入fI±B/2時(shí)，會(huì)影響信號(hào)的傳送，及在解調(diào)時(shí)產(chǎn)生差頻信號(hào).對(duì)音頻體現(xiàn)為單音（頻）哨叫聲，故稱為干擾哨聲。解決措施是合理適當(dāng)選取fLO及fIF

當(dāng)混頻輸入中伴有其他信道的干擾信號(hào)fm，若|pfm±qfLO|進(jìn)入濾波器通帶時(shí)也會(huì)帶來干擾。鏡像干擾是該類干擾中最嚴(yán)重的一種（p=q=1），若輸入fRF信號(hào)較大時(shí)，還需考慮|pfm±qfRF|帶來的同類干擾。(4)互調(diào)干擾

寄生通道干擾和互調(diào)干擾中的低階成分(干擾)，主要從系統(tǒng)方案上考慮并消除掉.

當(dāng)多個(gè)干擾信號(hào)fm1，fm2同時(shí)進(jìn)入混頻器時(shí)，若|pfm1±qfm2±rfLO|進(jìn)入混頻器后濾波器通帶時(shí)所產(chǎn)生的干擾稱為互調(diào)干擾。a.增大fIF;b.選特性好的BFP1p。

寄生通道干擾和互調(diào)干擾中的高階成分(干擾)，主要從設(shè)計(jì)上考慮并降低.a.降低fRF的功率要求;b.選擇線性范圍大的非線性器件(混頻器)。5.隔離度

理想混頻器信號(hào)的流向是確定的，但實(shí)際混頻器存在頻譜泄露、反射（阻抗不匹配）、竄透等現(xiàn)象，各端口間信號(hào)相互影響，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。fRF向fLO的竄通可能對(duì)之產(chǎn)生頻率牽引作用。fLO向fIF的泄露可能導(dǎo)致其后級(jí)電路發(fā)生阻塞。fLO

向fRF的竄通可能是本振大信號(hào)影響LNA的正常工作。6.端口阻抗匹配阻抗匹配要求對(duì)混頻器來講十分重要,要求（1）三個(gè)端口都應(yīng)匹配以減小反射;（2）每個(gè)端口相對(duì)其它兩個(gè)端口都應(yīng)盡可能呈現(xiàn)交流短路特性以減小相互間的竄擾。&6.3混頻器電路及設(shè)計(jì)一、無源混頻器vovLovRF

單二極管混頻器tvLogDgg(t)vDvDiDiDvLo為大信號(hào)，對(duì)二極管起開關(guān)控制作用.伏安特性二極管變頻跨導(dǎo)單二極管混頻器組合頻率分量太多。

二極管雙平衡（環(huán)形）混頻器RL+

VIF

_+VRF-+

VLO

_1:11:1+

VLO

_+

VLO

_D4D3D2D1

VLO>>VRF，VLO控制二極管開斷(開關(guān)特性)vLovRFvLoRL+--++-D2D1回路方程（1）VLO正半周時(shí)D1、D2導(dǎo)通，D3、D4截止，得到如下等效電路解回路方程組，且利用單向開關(guān)函數(shù)，得到（2）VLO負(fù)半周時(shí)D1、D2截止，D3、D4導(dǎo)通，等效電路如下vLovRFvLoRL+--++-D2D1回路方程解回路方程組，利用單向開關(guān)函數(shù)，得到(3)負(fù)載RL中流過的總電流混頻器基波輸出(中頻)分量若特點(diǎn):(1)S2(ωt)無偶次分量，因此輸出中沒有VRF、VLO的基波分量與偶次分量。(2)由于對(duì)稱性，任意時(shí)刻流過本振與射頻線圈兩個(gè)部分的電流均相向，從而，環(huán)形混頻還有良好的端口隔離特性。(3)環(huán)形混頻器靠四只工作在線性時(shí)變狀態(tài)的二極管完成混頻，當(dāng)器件（包括線圈）對(duì)稱性良好時(shí)，不但能抑制載漏與交調(diào)，且端口間還有良好的隔離度。是目前最為常用的無源混頻器!無源三極管混頻器LoRFIFωIFωRF非線性失真小，噪聲小,適用于窄帶信號(hào)變頻。二、有源混頻器

單管跨導(dǎo)型混頻器實(shí)質(zhì)上就是（大信號(hào)）非線性放大器，與無源混頻器相比，只不過具有一定的增益。

單平衡有源混頻器

大信號(hào)作差分放大器開關(guān)信號(hào)輸入（VLO），小信號(hào)（VRF）調(diào)控差分射極衡流源。

吉爾伯特（乘法）雙平衡混頻器利用可控跨導(dǎo)雙差分對(duì)已實(shí)現(xiàn)信號(hào)相乘。V2V1VccI0Q5Q6Q1Q2Q3Q4iIiIIv0i1i2i3i4i5i6+-+-輸出電流V1、V2均為小信號(hào)時(shí)輸出中僅有ω1±ω2頻率成分,但動(dòng)態(tài)范圍較小。V2為大信號(hào)（VLO），V1為小信號(hào)（VRF）大小與V1呈線性一般情況下要求V1、V2均為大信號(hào)時(shí)，都起開關(guān)作用