《射频电路设计》第5章 混频器电路设计.pptxVIP

5.1 混频器电路基础 混频器完成频率的变换，混频也称为变频。混频（变频）是将载频为fC的已调波变换为载频为fI的已调波，即进行频谱的搬移。混频器完成频率的变换要求保持原载频已调波的调制方式不变，携带的信息也不变，而且不产生失真。5.1.1 混频器电路模型及频谱搬移现象混频器电路模型如图5.1.1（a）、（b）所示，带通滤波器用来取出其有用频率分量，滤除不需要的无用频率分量。从频谱角度来看，混频实际上是保持已调波调制方式不变情况下的频谱搬移现象。实现频谱搬移的基本方法是将两个信号相乘。如图5.1.1（a）所示，将载频为fC的已调信号uS(t)和振荡频率为fL的本振信号uL (t)相乘。根据三角函数相乘关系可知，相乘后的输出信号频率必然是fL与fC的和差关系，即fI=fL+fC或fI=|fL?fC|，其中fI在工程中被称为中频频率，载频为fI的混频输出信号被称为中频信号ui (t)，由实践可知ui(t)必然保持uS (t)的调制方式和信息不变。图5.1.1 混频器电路模型及频谱搬移现象工程中将fI=fL+fC称为上混频，即上变频。在发射机中一般使用上变频，它将已调制的中频信号搬移到射频频段。将fI= |fL?fC| 称为下混频，即下变频。显然，下变频有两种可能：即fLfC时，fI=fL?fC；fLfC时，fI= fC?fL。接收机一般使用下变频，它将接收到的射频信号搬移到中频频段。混频器的频谱搬移现象如图5.1.1（c）所示，图中将已调波载频搬至高于本振频率?L，称为上变频，则中频?I=?L+?C称为高中频；把已调波载频搬至低于本振频率?L，称为下变频，?I=|?L??C| 称为低中频。5.1.2 混频失真与干扰实现信号相乘的方法有很多，如采用吉尔伯特乘法器电路，也可以采用工作在线性时变状态的非线性器件（如二极管、双极型三极管、场效应管）。二极管、双极型三极管、场效应管及它们的组合电路都能实现信号相乘作用，但都是非线性相乘。即便是在特定条件下能进行所谓线性相乘，那也是近似的。可见，在混频过程中必然会产生非线性失真和组合频率干扰。在无线收发电路中，前置的低噪声射频小信号放大器（LNA）和中频放大器（IFA）都属小信号线性放大，所引起的非线性失真远小于混频器的非线性失真。因此，无线收发电路中的非线性失真和组合频率干扰主要是由混频电路产生的。 工程中混频器的非线性特性常用如下展开式来描述 （5.1.1）式中，u为加在混频器输入端的总输入信号。设u由三个输入信号电压组成，即 u = u1cos?1t + u2cos?2t + u3cos?3t （5.1.2）代入式（5.1.1）中，并整理得 （5.1.3） 式（5.1.3）中的A0项为直流分量项，A1项为基波项，A2和A3为2次和3次谐波分量项，高次谐波分量已忽略。这些频率分量均由混频器后面连接的带通滤波器滤除，一般不会进入中频通道影响接收。Ap项和Aq项为有用的中频分量，应该进入接收通道正常接收。Am项和An项为三阶互调频率分量，它们也会进入接收中频通道形成干扰分量而影响正常接收。 由式（5.1.1）和式（5.1.3）可知，三阶互调项是由非线性特性的立方项产生的。工程中称这类干扰为三阶互调干扰，它们是难以由预选滤波器和中频通道滤波器滤除的。设计和生产出线性好的混频器件是减弱三阶互调的最有效的措施。集成的混频器件通常用输入三阶互调阻断点IP3来表示三阶互调这一指标，IP3（dBm）越大，表明该混频器件的混频线性越好。电路设计时，尽可能降低射频信号输入幅度，使混频工作在线性工作状态，也可以减少三阶互调分量。5.2 混频器电路主要技术指标 混频器电路的主要技术指标包含有变频增益Gc、1dB压缩点、三阶互调阻断点（三阶截点）IP3、噪声系数NF和隔离度等。 5.2.1 变频增益Gc射频输入功率电平与混频器中频输出功率电平之比称为变频增益Gc，即 （dB） （5.2.1）式中，射频输入功率PR和中频输出功率PI均以dBm为单位。P（dBm）=10lgP（mW），例如0dBm=1mW，3dBm=2mW，10dBm=10mW，20dBm=100mW等。对于无源二极管混频器，变频增益Gc1，此时存在变频损耗，用Lc表示。而对于有源混频器，例如三极管、FET、集成模拟相乘器等，变频增益Gc1。在测量变频增益Gc时，本振激励功率应该为某一固定功率电平。例如：对于50?输入、输出的二极管环形混频器，本振标准功率电平为7dBm。对于集成模拟乘法器MC1596，本振标准功率电平为20dBm。应用中应注意混频器三个端口的阻抗匹配。当混频器的射频端口通过镜像抑制滤波器与LNA相连时，为了保证滤波器的性能，混频器射频端口的输入阻抗必须与此滤波器的输出阻抗相匹配，滤波器的输出阻抗一般是50?。同