第六章射頻混頻器

(書中第六章)電子科技大學楊遠望

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

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

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

混頻器應僅實現頻譜的線性搬移,輸出信號與輸入RF信號的頻譜結構（已調制譜）相同，不同的是載波頻率，因此，變頻僅對載波進行。

理想混頻器即乘法器，實現時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。前者動態（幅度）范圍較小，故實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，起開關作用，此時混頻器表現為非線性器件;vRF為小信號，混頻器表現為線性器件,使輸出信號的頻譜結構與輸入信號相同。

實際非線性器件不具有理想的平方特性（乘法功能），因而會產生很多其它不需要的頻率分量，當某些頻率分量一旦進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的大小關系。2.系統設計中選好變頻頻率關系。&6.2混頻器主要性能指標1.頻率變換-變頻增益

輸出變頻信號的大小與輸入RF信號大小之比。電壓增益功率增益當混頻器輸入阻抗為Rin，輸出負載為RL時

對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，對后接電路噪聲特性要求較高;有源混頻器增益高，對后接部分噪聲要求低。2.噪聲系數（1）雙邊（DSB）噪聲系數

噪聲信號頻譜0ωLo=ωRF，混頻時將信號搬移至零中頻,變頻后無鏡像頻率.當不考慮混頻器本身噪聲時，變頻前后信噪比不發生變化。測得噪聲系數稱為DSBNF（2）單邊(SSB)噪聲系數ωLo</>ωRF，混頻時將信號搬移至非零中頻。

存在鏡像頻率,其對應通帶內的噪聲也會被搬移到信號通帶內.若射頻和鏡像兩個通帶內噪聲相同，則3.線性-動態范圍（1）G1dB壓縮點（2）三階截點（3）線性范圍(1dB壓縮點與本地噪聲功率之比)（4）線性無雜散動態范圍(三階截點與本地噪聲功率之比)4.失真（1）鏡像干擾BFP

當輸入信號中存在鏡像信號fLo-fRF時，其與fLo的差信號也將進入并通過BFP(通帶fIF±B/2),

構成鏡像干擾。射頻信號與鏡像頻率信號的頻譜關系B高本振fRFfLOfLO+fIFf鏡像干擾fim中頻信號fIF=fLO-fRF鏡像干擾信號fim=fLO+fIFfRFfLOfLO-fIFBf鏡像干擾fim低本振中頻信號fIF=fRF-fLO鏡像干擾信號fim=fLO-fIF

干擾fim與fRF相對于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入混頻器。常在混頻器之前加上預選頻濾波器BFPp將其濾除。BFPBFPpBFPp能否濾除鏡像信號，關鍵看其有載品質因數QL。在高fRF時，則很難做到的高Q。BFPp調諧于fRF，若要求鏡像抑制60dB

系統解決方案則要求鏡像抑制濾波器有載品質因數a.增大中頻fIF

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

當|pfRF±qfLO|(p,q為整數)進入fI±B/2時，會影響信號的傳送，及在解調時產生差頻信號.對音頻體現為單音（頻）哨叫聲，故稱為干擾哨聲。解決措施是合理適當選取fLO及fIF

當混頻輸入中伴有其他信道的干擾信號fm，若|pfm±qfLO|進入濾波器通帶時也會帶來干擾。鏡像干擾是該類干擾中最嚴重的一種（p=q=1），若輸入fRF信號較大時，還需考慮|pfm±qfRF|帶來的同類干擾。(4)互調干擾

寄生通道干擾和互調干擾中的低階成分(干擾)，主要從系統方案上考慮并消除掉.

當多個干擾信號fm1，fm2同時進入混頻器時，若|pfm1±qfm2±rfLO|進入混頻器后濾波器通帶時所產生的干擾稱為互調干擾。a.增大fIF;b.選特性好的BFP1p。

寄生通道干擾和互調干擾中的高階成分(干擾)，主要從設計上考慮并降低.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

理想混頻器信號的流向是確定的，但實際混頻器存在頻譜泄露、反射（阻抗不匹配）、竄透等現象，各端口間信號相互影響，嚴重時將會影響系統的正常工作。fRF向fLO的竄通可能對之產生頻率牽引作用。fLO向fIF的泄露可能導致其后級電路發生阻塞。fLO

向fRF的竄通可能是本振大信號影響LNA的正常工作。6.端口阻抗匹配阻抗匹配要求對混頻器來講十分重要,要求（1）三個端口都應匹配以減小反射;（2）每個端口相對其它兩個端口都應盡可能呈現交流短路特性以減小相互間的竄擾。&6.3混頻器電路及設計一、無源混頻器vovLovRF

單二極管混頻器tvLogDgg(t)vDvDiDiDvLo為大信號，對二極管起開關控制作用.伏安特性二極管變頻跨導單二極管混頻器組合頻率分量太多。

二極管雙平衡（環形）混頻器RL+

VIF

_+VRF-+

VLO

_1:11:1+

VLO

_+

VLO

_D4D3D2D1

VLO>>VRF，VLO控制二極管開斷(開關特性)vLovRFvLoRL+--++-D2D1回路方程（1）VLO正半周時D1、D2導通，D3、D4截止，得到如下等效電路解回路方程組，且利用單向開關函數，得到（2）VLO負半周時D1、D2截止，D3、D4導通，等效電路如下vLovRFvLoRL+--++-D2D1回路方程解回路方程組，利用單向開關函數，得到(3)負載RL中流過的總電流混頻器基波輸出(中頻)分量若特點:(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)由于對稱性，任意時刻流過本振與射頻線圈兩個部分的電流均相向，從而，環形混頻還有良好的端口隔離特性。(3)環形混頻器靠四只工作在線性時變狀態的二極管完成混頻，當器件（包括線圈）對稱性良好時，不但能抑制載漏與交調，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,適用于窄帶信號變頻。二、有源混頻器

單管跨導型混頻器實質上就是（大信號）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

大信號作差分放大器開關信號輸入（VLO），小信號（VRF）調控差分射極衡流源。

吉爾伯特（乘法）雙平衡混頻器利用可控跨導雙差分對已實現信號相乘。V2V1VccI0Q5Q6Q1Q2Q3Q4iIiIIv0i1i2i3i4i5i6+-+-輸出電流V1、V2均為小信號時輸出中僅有ω1±ω2頻率成分,但動態范圍較小。V2為大信號（VLO），V1為小信號（VRF）大小與V1呈線性一般情況下要求V1、V2均為大信號時，都起開關作用