第11章频谱搬移电路无线通信射频电路技术与设计[文光

1第11章频谱搬移电路教学重点本章重点介绍了实现上、下变频的混频器电路的原理和结构：单端二极管、FET混频器，单平衡二极管有源混频器等；介绍了产生高本振频率的倍频器电路的原理和结构：非线性电抗器件倍频器、有源倍频器等；介绍了用于方便地产生特定频率的分频器电路原理和结构。教学重点教学重点掌握：实现上下变频的混频器电路的原理和结构：单端二极管、FET混频器，单平衡二极管、双平衡二极管有源混频器。了解：产生高本振频率的倍频器电路的原理和结构。熟悉：用于产生特定频率的分频器的电路原理和结构。能力要求2本章目录第一节频谱搬移原理及分析方法第二节射频混频器第三节射频倍频器第四节射频分频器3知识结构频谱搬移电路频谱搬移原理及分析方法混频器的特性抑制混频干扰和失真的方法单端二极管混频器射频混频器射频倍频器射频分频器单端FET混频器单平衡二极管混频器单平衡有源混频器双平衡二极管混频器吉尔伯特双平衡混频器混频器设计举例非线性电抗器件倍频器非线性电阻器件倍频器有源倍频器参量式二分频器再生式分频器数字式分频器注入锁相振荡器式分频器4§11.1频谱搬移原理及分析方法一般可以使用两种不同的分析方法对频谱搬移电路进行分析——非线性分析法和时变电路分析法。1.非线性分析法设为输入信号，为控制信号，则输出为：1u2u2n011221212nifuaauuauuauu设，则：111cosuAt222cosuAtp,q12p=-qcos()iCpqt可以看出输出信号包含无限多的频率分量：p,q12pqpq通常将称为组合频率的阶数。5§11.1频谱搬移原理及分析方法2.时变电路分析方法1u时变电路的分析方法是在幂级数展开分析方法的基础上，当足够小时的近似。设输入信号分别为：，，因为是周期函数，则电路的时变系数可化为：111cosuAt222cosuAt00001202202()coscos2cosnItIItItInt2u012222()coscos2cosngtggtgtgnt输出中只含有两种频率分量：，。i2n21n1u即时变电路的分析方法产生的频率与级数展开分析法产生的频率相比较，有部分频率分量在足够小的假设下忽略掉了，这在工程上是允许的。6§11.2射频混频器11.2.1混频器的特性1.频谱特性LOvLOIFvIFRFvRF混频器工作时分为上变频和下变频两种，假设有本振信号工作在频率，中频信号工作在频率，射频信号工作在频率，则当上变频时，输出信号为：RFLOIFvKvvLOIFcoscosKttLOIFLOIFcoscos2Ktt同理当下变频时，输出信号为：IFRFLOvKvvRFIFcoscosKttLORFLORFcoscos2KttK其中是混频器的变频损耗。7§11.2射频混频器2.变频增益PG变频增益定义为可用IF输出功率与可用RF输入功率之比，即：IFPRFPGP3.噪声系数单边带噪声输入对应于非零中频的情况，定义为：ioaddSSB2oicV042SNNFSNLAkTB双边带噪声输入对应于零中频的情况，定义为：ioaddDSB2oic041SNNFSNLKkTB8§11.2射频混频器in,1dBP定义混频器的线性动态范围为与噪声基底或灵敏度之比。4．线性动态范围11.2.2抑制混频干扰和失真的方法混频器的1dB压缩点和三阶截断点混频器是非线性器件，所以要产生非线性失真，输出中频频带内不易滤除的交调产物。抑制这些寄生频率的方法有三种：(1)使用理想乘法器（或平方律器件）：抑制高阶项产生的输出信号。(2)采用平衡电路结构：利用相互抵销原理，抑制高阶奇次项，从而抑制交调频率的产生。(3)采用线性时变工作状态：减少部分寄生频率分量。9§11.2射频混频器11.2.3单端二极管混频器常见的单端二极管混频器的结构如图所示：单端二极管混频器电路RFRFRFcosvVtLOLOLOcosvVt2dodRFLORFLO2GiIGvvvvIFRFLOdIFRFLOIFcos2GiVVt该电路的工作原理是：假设输入信号为和，根据二极管的小信号近似公式得到二极管的输出电流为：前两项是无用项，通过电路后只输出第三项，而这一项又包含多个频率分量，其中是有用信号，其它项通过电路后都被阻断。最终得到的输出为：即得到了IF分量，实现了混频。10§11.2射频混频器11.2.4单端FET混频器单端FET混频器的原理就是利用加在栅极上的LO信号驱动FET晶体管的跨导在高低间转换，提供所需要的频率。常用的电路结构如图所示，与单端二极管混频器一样，RF和LO信号首先输入到同相双工器中合成，再输入到FET晶体管的栅极上。漏极的LO电容用于提供LO信号的返回支路，而滤波器用于选择出所需要的IF频率分量。单端FET混频器电路单端FET混频器在RF和IF端口共轭匹配的情况下，具有最大的混频增益：21dc22RFgsi4gRGCRgsCdRiR其中是栅极－源极电容，是输出电阻，是输入电阻。11§11.2射频混频器11.2.5单平衡二极管混频器90单平衡二极管混频器的优点在于可以使RF信号的输入匹配，DC分量在IF端被抵消。如图所示，该电路使用了一个混合网络把两个单端口网络连接在一起。混合网络的单端平衡二极管混频器电路RFRFRFcosvVtLOLOLOcosvVt假设输入的RF信号为：输入的LO信号为：12§11.2射频混频器两个二极管的输出为：2222211RFRFRFLORFLOLOLOsin2sincoscos2KiKvVtVVttVt2222222RFRFRFLOLORFLOLOcos2sincossin2KiKvVtVVttVt两电流再相加并化简，得到低通滤波器的输入电流：22RFRFRFLOIFLOLO(cos22sincos2)2KiVtVVtVt此电流再经过滤波器的选频就得到了IF信号：IFRFLOIFsinitKVVt13§11.2射频混频器11.2.6单平衡有源混频器单平衡有源混频器的一种结构是使用差分输入的本振LO信号源驱动两个BJT晶体管，并使两个晶体管分别工作在开态；再用另一线性放大晶体管对射频RF信号进行放大，其结构如图所示。单平衡BJT混频器电路1Qci工作在线性区，它的集电极输出电流是对射频RF信号的线性放大，且在每个瞬间可等效为恒流源。3Q2Q、组成差分放大电路。输出电流：cLO2T[1tanh]22iviUcLO3Ti[1tanh]22viU差分输出电流：LOo23cTtanh2viiiiU14§11.2射频混频器11.2.7双平衡二极管混频器双平衡混频器可以消除IF和LO信号中的所有偶次谐波，使各端口的隔离度得到进一步改善，缺点是需要较大的LO信号功率，且变频损耗较大。双平衡二极管混频器电路电压回路方程为：LORFD2D1LD1D()0vviiRiRLORFD2D1LD1D()0vviiRiR求解得：RFD1D21LOLD2()2viiStRRRFD3D41LOLD2()2viiStRR15§11.2射频混频器所以整个周期内IF电流的输出为：RFoD1D2D3D41LO1LOLD2()()2viiiiiStStRR2LO1LO1LO()()()StStSt因为所以输出电流还可以表示为：RFo2LOLD2()2viStRR最后通过滤波器取出IF分量得到：RFIFIFLD4cos2VitRRSi在本振信号两个不同的半周期内，感应到射频线圈上的两部分电流方向相反，所以总感应电流为：RFSD1D2D3D4LD22viiiiiRR16§11.2射频混频器11.2.8吉尔伯特双平衡混频器双平衡BJT混频器电路吉尔伯特双平衡混频器其电路结构可以看作由多个差分输入放大器组成。整个电路的差分输出电流：o13241234iiiiiiiii1Q2Q3Q4Q由于在、及、组成的对管中：2125Ttanh2uiiiU2346Ttanh2uiiiU所以有：2o56Ttanh2uiiiU17§11.2射频混频器6Q5Q同理在、组成的对管中：1560Ttanh2uiiIU所以最后总的输出电流为：12o0TTtanhtanh22uuiIUU采用双平衡有源结构的吉尔伯特混频器，提高了各个端口间的隔离性能。与单平衡混频器相比，双平衡结构抑制了本振信号对中频端口的泄漏。因为在双平衡结构中，输出电流是两个差分对电流以相反相位的叠加，抵消了本振信号向中频端的泄漏。吉尔伯特混频器的另一个优点是线性范围大。18§11.2射频混频器11.2.9混频器设计举例例题：设计双平衡二极管混频器，并通过ADS软件对设计进行优化，要求达到的指标：RF信号工作中心频率920MHz，工作频段902-928MHz，功率为-40dBm；LO信号工作中心频1170MHz,工作频段1152-1178MHz，功率为-4dBm；变频损耗小于5dB；噪声系数小于10dBv；3阶截断点对应的输入功率大于-15dBm；隔离度大于30dBm。解：首先确定基本电路，并使用ADS软件仿真，原理图如下：双平衡二极管混频器ADS仿真电路19§11.2射频混频器1:1.1其中1端口是射频输入，2端口是本振输入，3端口是中频输出。需要注意的是为了提高隔离度将把变压器初级的匝数比设置为。测量各端口的输入阻抗及反射系数，如下图所示：在添加了匹配网络后，各个端口的反射系数得到较大的改善。然后通过测量得到当RF信号的功率为-40dBm，LO信号的功率为-4dBm时，变频损耗为3.15dB，噪声系数为10.015dB，三阶截断点对应的输入功率为-15.763dBm，LO端口与RF端口和IF端口之间的隔离度分别为108.664dBm和104.708dBm。可以看出该混频器基本满足设计要求。匹配前各端口反射系数20§11.3射频倍频器11.3.1非线性电抗器件倍频器0f0nf0nf常见的非线性电抗器件倍频器的电路框图如图所示，通常采用变容二极管或阶跃恢复二极管。首先将频率为的信号输入到二极管上，利用二极管结电容的非线性效应输出谐波分量，除了需要的谐频外，其他所有频率都输出到电抗性负载上，并用带通滤波器滤出需要的频率为的谐波。二极管倍频器结构Manley－Rowe关系：nmn0m120nPnm0m对于非线性电抗器件倍频器，则是在的条件下的特殊情况：n010n2PP21§11.3射频倍频器11.3.2非线性电阻器件倍频器常用的电阻器件二倍频器如图所示，采用平衡式并联二极管结构，有利于输入和输出的隔离，提高输出功率，改进输入阻抗特性，并能消除不需要的偶次谐波。电阻器件二倍频器结构由于电阻性倍频器不是无耗的，它满足是Page－Pantell不等式：2mm00mP1PmP输入的基频分量功率与之间满足下面的关系式：m211PPm22§11.3射频倍频器11.3.3有源倍频器常见的使用FET器件的有源倍频器的等效电路图如下所示。有源倍频器的最大特点是可以产生大于100％的变换效率。使用FET放大器的倍频器电路dion将作傅立叶级数展开，可得到希望频率分量的表达式：nmaxo2cos4cos12nTiIntTT23§11.3射频倍频器maxnIInIni要达到