混频器

第七章混频器通信与信息工程学院本章主要内容混频器概述混频器基本原理混频器电路设计混频器是收发信机的关键组成部分，在射频前端占据重要地位。本章重点讲解混频器的基本工作原理，混频的本质、混频器的结构，非线性器件、乘法器等混频器的基本实现方法。而难点在于单二极管混频器、二极管双平衡混频器等无源混频器的基本设计原理，有源混频器的基本设计原理及其设计考虑。本章学习重点和难点§7.1混频器概述混频器即变频器，频谱搬移作用，它是电子通信系统中的重要组成部分之一。例：二次变频超外差式接收机混频器是通信机的重要组成部件。在发射机中一般用上混频，它将已调制的中频信号搬移到射频段。接收机一般为下混频，它将接收机的射频信号搬移到中频上。§7.2混频器基本原理混频器工作原理就是将射频信号与本振信号相乘，然后再利用滤波器选出相应频率的信号。本振信号：()cosLOLOLOvtVt射频信号：cosRFRFRFvVt相乘得：1coscos2LORFLORFRFLORFLOvvVVtt调幅接收机——混频器的结构框图混频器结构：三个端口——输入信号、本振信号、中频信号时域特性——输出、输入波形相同、载频不同混频本质线性频谱搬移频域特性——输出、输入频谱结构、带宽相同，载频不同混频电路的实现1.乘法器2.非线性器件双极晶体管场效应管二极管为减少组合频率分量工作于线性时变状态混频器的典型指标增益10dBNF12dBIIP3+5dBm输入阻抗50Ω口间隔离10～20dB变频增益=输出中频输入射频1.增益按增益划分混频器有源混频器——增益大于1无源混频器——增益小于1电压增益功率增益IFVRFVAVIFPRFPGP混频电路的性能指标射频口阻抗中频口阻抗两者关系？222//SIFIFLPVRFRFSLRPVRGAPVRR2.噪声讨论混频器噪声的意义接收机前端，对系统噪声影响大对射频而言是线性，可用线性网络噪声计算公式低噪放F1、G1带通滤波器F2、G2混频器F3、G332111211FFFFGGG混频器的噪声来源电路器件噪声两个输入噪声射频输入本振输入混频器的输出噪声——位于中频段频谱搬移混频器的单边噪声和双边噪声单边噪声①射频信号位于本振的一边②被搬移到中频的噪声射频信号段镜像频段双边噪声射频信号位于本振的两边不存在镜像频率（如零中频方案）单边噪声是双边的两倍（高3dB）3.失真非线性电路系统幅度非线性的用泰勒级数加以模型化23123()()()()()noiiinivtkvtkvtkvtkvt()ivt()ovt，分别代表输入输出信号。123,,,nkkkk是由非线性特性所决定的实系数双音输入时，假设：1122()cos()cos()ivtAtAt22212211()22ovtkAkA321131312133()cos()42kAkAkAAt321232321233()cos()42kAkAkAAt2221122211cos(2)cos(2)22kAtkAt2121212[cos()cos()]kAAtt3331132211cos(3)cos(3)44kAtkAt22312123212133cos(2)cos(2)44kAAtkAAt22312123212133cos(2)cos(2)44kAAtkAAt三阶交调混频——频谱线性搬移——非线性器件——平方项2222212211()22ikvtkAkA2221122211cos(2)cos(2)22kAtkAt2121212[cos()cos()]kAAtt上变频下变频非线性器件——高次方项——产生组合频率——干扰、失真3331132211cos(3)cos(3)44kAtkAt22312123212133cos(2)cos(2)44kAAtkAAt22312123212133cos(2)cos(2)44kAAtkAAt232331312133()()cos()42ikvtkAkAAt3232321233()cos()42kAkAAt交调谐波（1）干扰哨声当进入，会影响信号的传送，及在解调时产生差频信号，对音频信号体现除单音（频）哨叫声，解决的措施是合理适当选取及。RFLOmfnf2IfBLOfIFf（2）寄生通道干扰当混频输入中伴有其他信道的干扰信号，若进入滤波器通道时也会带来干扰，镜像干扰是该类干扰中最严重的一种（m=n=1）,若输入信号较大时，还需考虑带来的同类干扰。mfRFLOmfnfRFfRFLOmfnf（3）互调干扰12mmwmfnfrf进入混频器后面的滤波器通带时所产生的干扰称为互调干扰。1mf2mf当多个干扰信号,同时进入混频器时，4.线性范围问题:混频是一种非线性功能，为什么有“线性”指标？混频器的非线性——输出、输入频率不同混频器的线性——输出中频幅度输入射频幅度成正比线性指标变频增益下降1-dB时相应的输入（或输出）功率值（1）1-dB压缩点（2）三阶互调截点输入信号有用信号RFf1RFf2RFf干扰信号（设输入信号幅度相同）互调信号产生的中频12(2)RFRFLOIFffff主中频IFRFLOfff幅度相等，三阶截点截点对应的输入、输出（3）线性动态范围定义：1-dB压缩点与混频器的噪声基底之比，用dB表示，混频器位于低噪放后，因此对它线性范围要求比低噪放高。5.口间隔离射频口本振口中频口本振泄漏影响LNA天线辐射频率牵引强信号堵塞射频口中频口一般情况射频中频，被滤除零中频方案时低噪放的偶次谐波失真会窜入中频6.阻抗匹配对混频器三个口的阻抗要求:混频器低噪放中频滤波器本振源①匹配——最佳传输②每个口对另外两个口的信号力求短路——减少口间干扰§7.3混频器电路设计一、无源混频器1.单二极管混频器为大信号，对二极管起开关作用。LOV伏安特性可表示为1()()DDDigstvt伏安特性可表示为1()()DDDigstvt式中是由本振电压控制的单向开关，开关重复频率为，则LO1()st10()()DDLDigstvt代入0()()()DLRFvtvtvt得100()(()())DDLLRFigstvtvt将此时，对二极管的两个输入信号来说，二极管是工作在线性时变工作状态，它对大信号是非线性时变的，而对小信号是线性的。0Lv0()()()DRFiItgtvt0100()()()DLLItgswtvt其中时变跨导10()()DLgtgswt与射频电压相乘得到中频电流为将展开得10()Lst100001222()coscos3cos5...235LLLLstttt则0001222()(coscos3cos5...)235DLLLgtgttt时变跨导的基波分量为102()cosDLgtgt()gt()RFvt011()cos()cosIFDRFRFLDIFitgvtgt单二极管混频器的变频跨导为1IFfcDRFIggV二极管变频跨导1IFfcDRFIggV1DDgr单二极管混频器组合频率分量太多。2.二极管双平衡混频器思路:采用平衡电路抵消组合频率电路结构特点①四只二极管接成环形②三个端口射频口——不平衡平衡变换本振口——不平衡平衡变换中频口——单端二极管平衡混频器的特点:(1)无偶次分量，因此输出中没有无偶次分量，因此输出中没有、的基波分量与偶次分量。的基波分量与偶次分量。1()stLOVRFV(2)由于对称性，任意时刻流过本振与射频线圈两个部分的电流均相向，从而，环形混频还有良好的端口隔离特性。(3)环形混频器靠四只工作在线性时变状态的二极管完成混频，当器件（包括线圈）对称性良好时，不但能抑制载漏与交调，且端口间还有良好的隔离度。目前最为常用的无源混频器!美国mini-circuits公司生产的二极管双平衡混频器产品指标型号频率（MHz）LO/RFIF变频损耗（dB）(频带中段）LO-RF隔离(dB)LO-IF隔离(dB)RAY-15-500DC-5006.574040RAY-210-100DC-10006.894035ZMY-15-500DC-5006.624040ZAY-15-500DC-5006.574040本振功率+23dBm，射频最高可达+15dBm。二极管双平衡混频器小结1.通过四只工作在线性时变状态的二极管完成了混频功能。2.三个端口的隔离特性，靠四只二极管的性能一致性及变压器的对称性保证。3.无源混频器——变频损耗大于14.线性动态范围大5.由于其结构具有对称性，可以减小组合频率分量，性能优于单二极管混频器，大门结构较为复杂。二、有源混频器特征:用双极型晶体管或场效应管构成混频增益11.单管跨导型混频器1）工作原理直流电源和偏置射频输入和本振中频输出原理电路输入射频信号()cosRFRFRFvtvt本振000()cosLLLvtvt——大信号即0LRFvv场效应管的输入电压为0()()()GSGGLRFvtvvtvt大的本振电压与直流偏置电压一起作为FET的偏置，称为时变偏置。即GGv0()()GSQGGLvtvvt控制FET的跨导所以将这种混频器称为跨导型混频器。()GSQvt()mgt时变跨导用傅立叶级数展开：()mgt01020()coscos2...mmmLmLgtggtgt其中系数为001()2mmLggtdt001()cos2mimLLggttdt当RF小信号从栅极馈入时，漏极电流为()()()DDDmRFiItgtvt其中，是由时变偏置决定的时变静态电流，与射频输入信号无关。()DDIt101()cos()2IFmRFRFLitgvt变频跨导112IFfcmRFIggV假设中频回路的谐振阻抗是LR，则混频器的中频输出电压为101()cos()2IFmLRFRFLvtgRvt混频器电压增益为112RFRFVmLfcLIFRFVVAgRgRIV而时变跨导中的基波分量与射频信号相乘则得中频电流：()mgt()RFvt2）设计考虑①RF端口和LO端口设计隔直流电容——匹配问题：RF口和LO口同接在栅极管子输入端与谁匹配？主要考虑与RF口前低噪放匹配——保证小信号传输LO口的耦合电容很小，以使本振源不影响RF口的参数考虑：晶体管作为混频器的等效电路与作为放大器的等效电路的异同。输入阻抗相同11iRFGSRFGSRCC等效电流源不同mgsgvfcgsgv放大器——混频器——变频跨导②偏置电路设计a.在相同的本振幅度下，偏置不同，时变跨导也不同b.时变偏置()()GSGGLOvtVvt随本振电压变化时，()LOvt应保证场效应管工作于饱和区措施——漏极加LO串连回路漏极对本振的交流阻抗为0，本振变化不影响漏极电压③输出回路中频输出回路功能：a.选频滤波b.阻抗变换④中频陷波目的：为了减少混入输入端的中频干扰和噪声方法：FET的栅极应对中频短路——中频陷波器⑤本振注入b.从源极注入优点——LO口与RF口的隔离加大a.从栅极注入优点——需要的本振功率小缺点——LO口与RF口的隔离差直流栅偏压SGGRVV时变偏置()()SGSRLOVtVvt缺点——本振源提供的功率比从栅极注入要大对射频的负反馈，使混频增益下降SR目前有源混频器基本上都采用上述电路及其改进型，集成在IC中。MC13143DC--2.4GHz2.4GHz混频器，可用于无绳电话中。２.其它有源混频器1）单平衡混频器特点：可以抑制输出电流中的无用分量2）吉尔伯特双平衡混频器特点：利用模拟乘法器实现混频，端口之间的隔离度好，输出频谱大大改善。