微波混频器设计基础

第五讲：微波混频器电路一、混频器电路的构成原则及类型1、原则①信号和本振均能有效地加到混频器二极管上，本振幅度可调，信号损失少。②本振－信号－中频端口之间要充分隔离20db③信号、中频、直流均有自己的通路。④高次谐波能被充分滤除。2、类型具有上述功能的微波混频器电路有如下几种：①单端混频器:最简单的混频器电路。用于要求不高的场合②单平衡混频器:电路不复杂,性能好、应用最广泛。微波混频器电路③双平衡混频器:电路复杂、性能优越、在要求很高的场合应用。④双平衡混频器:电路复杂、性能优越、在要求很高的场合应用。以上电路中前三种电路都是镜像匹配混频器,重点掌握双管单平衡混频器电路形式、原理、分析与设计。二、单端混频器电路典型的微带单端平衡混频器电路如图4-1所示,信号和本振经定向耦合器加于肖特基管上,定向耦合器的耦合度一般取10db左右，太强了则信号损失严重;太弱了则本振功率要求太高.管子前面的相移段使管子复数阻抗变成纯电阻再经过/4g串联匹配降低输入端驻波比,管子后面低/4g微波混频器电路1—定向耦合器；2—阻抗变换器；3—相移线段；4—阻性混频二极管;5—高频旁路；6—半环电感及缝隙电容；7—中频和直流通路；8—匹配负载图5-1微带型微波单端混频器的电路结构微波混频器电路阻线对高频有效短路，使信号、本振与中频端口充分隔离,同时滤除一切高次谐波,偏压经变阻抗线加于管子上.终端可视为高频接地,中频也经此线形成回路。该电路简易，成本低性能不高。L和F较大,要求本振功率也大。电路中设计微带线长度时都是以信号频率对应的微带导内波长为基准的，一方面是由于信号频率和本振频率很接近，按信号波长设计对本振传输带来的影响不大；另一方面是由于信号功率比较弱，电路设计务必要保证信号的损失最小，因此只能牺牲部分本振功率。0V/4g微波混频器电路三、双管单平衡混频器电路平衡混频器电路的主要优点是:⑴抑制本振噪声及部分寄生频率⑵端口隔离度高⑶增大动态范围、提高管子抗烧毁能力⑷有效利用本振功率微波混频器电路1、反相型平衡混频器原理及电路在平衡混频器中，本振功率和信号功率经输入电路耦合等幅加于二个管子上。混频后两管的中频信号叠加输出。如果二极管上本振信号是反向的称为本振反相型平衡混频器。如果信号是反相的则称信号反相型平衡混频器。从有效抑制本振噪声角度看，前者比后者优越。故实际上多用本振反相型平衡混频器。本振反相型平衡混频器电路如图5-2所示由图可知：12cosSSSsUUVt1cosLLLUVt2cos()LLLUVt微波混频器电路1i2i1sv2sv1D2DgRsv信号中频图5-2本振反相型平衡混频器等效电路微波混频器电路两管的混频跨导分别为：流过两管的电流分别为：1()012costnLngggnt2()012cos()tnLngggntn11()012coscostsnLssniguggntVt22()012cos()costsnLssniguggntnVt微波混频器电路其中中频电流成分为：混频后产生的中频噪声输出为：0111002110cos()coscos()cosssLsssLsigVtgVtigVtgVt00102102cossiiigVt1cosnnnuVt2cos()nnnuVt总输出中频电流为：对随同本振进入的噪声：1110cos()cosnnnLnnigVtgVt微波混频器电路在输出端实际输出的噪声电流为：2110cos()()cosnnnLnnigVttgVt120Lnnniii本振是个大信号，其噪声电平较高，在输出端被有效抵消可有效改善噪声性能。对混频后产生的高次谐波电流：12cos()cos()nsLsnsLsigVntigVntn输出：122cos21nsLsiiigVitn为偶数的高次谐波电流被完全抵消，只剩下奇次谐波电流，所以电路本身抵消了一半高次谐波电流分量。下面几种电路都属于反相平衡混频器电路：微波混频器电路a）微带混合环反相平衡混频器微波混频器电路b）微带分支线反相平衡混频器微波混频器电路c）波导正交场平衡混频器微波混频器电路信号功率和本振功率分别以（a）（b）方式加入二管：可以看出，信号功率同相等幅加于二管，本振信号等幅反相加于二管。本振场和信号场是互相垂直的，名曰正交场，该混频器频带宽、隔离好图5-3混频腔内的电场分布(a)信号电场分布；(b)本振电场分布微波混频器电路2、π/2型（90°）移相型平衡混频器这种混频器的输入端是一个分交电桥，加到两管上的信号相位差为π/2。本振也是，故称π/2移相型平衡混频器。通过下面分析可知这类混频器也在输出端是混频中频电流叠加输出。由图5-4可知：1212coscos()2cos()2cos()ssssssLLLLLLuVtuVtuVtuVt微波混频器电路1D1D2D本振4g4g0usuLu信号中频输出图5-4微波混频器电路混频电导为：混频电流为：中频电流为：1()012cos()2tnLngggntn2()012cos()tnLngggntn11()1012cos()cos2tsnLssniguggntnVt22()2012cos()cos()2tsnLssniguggntnVt01110cos()cos()22ssLsigVtgVt微波混频器电路输出中频电流为：四、其它混频器电路1、双平衡混频器双平衡混频器原理电路如下图所示。四管位于环行桥四臂，本振和信号分别加于两臂，中频从两变压器次极中心抽头取出。如图5-5所示：0211001cos()cos()22ssLsigVtgVti00102011022cos()2siiiigVt进一步还可证明，该类混频器也能消除本振噪声和部分高次谐波分量。微波混频器电路图5-5双平衡混频器电路（a）低频电路（b）等效电路微波混频器电路优点：抑制本振噪声和高频互调干扰更有效。信号-本振更好隔离。管子动态范围大，抗烧毁更好。信号：上信号反相；上信号反相；和上相位差π。本振：上本振反相；上本振反相；和上相位差π。2、镜像回收混频器014cos()ssLigVt12DD、34DD、12DD、34DD、14DD、23DD、14DD、23DD、在管子输入端加并、串联谐振通路接地（或串、并联谐振通路接地），谐振频率为，形成镜频短（开）路，并且位置要调整到刚好使镜频和本振二次混频后的中频和一次混频的中频同相叠加，可回收镜频能量，提高混频器i微波混频器电路性能。如图5-6所示：图5-6镜像回收平衡混频器（a）镜像短路平衡混频器（b）镜像开路平衡混频器微波混频器电路3、宽带混频器五、微波混频器的设计1、设计依据其电路原理与一般混频器相同，但输入电路的功率耦合器和匹配电路必须按宽频特性设计。①中心频率及带宽②变频损耗与噪声系数③中频频率④标准阻抗及外部连接条件（波导、同轴、微带）⑤隔离度及其它12ff02ff微波混频器电路2、设计步骤①由上面“①④”选传输线类型②由“①③”等选用或设计本③由“①②④”选二极管测参数，平衡混频器的管子要配对。④确定电路类型：单端、平衡、镜像端接等⑤电路设计：a：设计输入电路：包括混合电路及阻抗匹配b：中频滤波器设计：包括滤波及匹配c：直流及中频接地线d：估算主要指标⑥制作与调试⑦改进及定型微波混频器电路现在市场上已有定型的标准混频器部件出售，一般用途可直接选择现有产品购买。