混頻器

混頻器是輸出信號頻率等於兩輸入信號頻率之和、差或為兩者其他組合的電路。混頻器通常由非線性元件和選頻迴路構成。

混頻器位於低噪聲放大器 (LNA )之後 , 直接處理 LNA 放大後的射頻信號。為實現混頻功能, 混頻器還需要接收來自壓控振盪器的本振 (LO)信號 ,其電路完全工作在射頻頻段。

基本介紹

• 中文名：混頻器
• 別名：變頻器
• 用途：產生中頻信號
• 套用：頻率變換等

簡介

變頻，是將信號頻率由一個量值變換為另一個量值的過程。具有這種功能的電路稱為變頻器（或混頻器）。

一般用混頻器產生中頻信號：

混頻器將天線上接收到的射頻信號與本振產生的信號相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2

可以這樣理解，α為射頻信號頻率量，β為本振頻率量，產生和差頻。當混頻的頻率等於中頻時，這個信號可以通過中頻放大器，被放大後，進行峰值檢波。檢波後的信號被視頻放大器進行放大，然後顯示出來。由於本振電路的振盪頻率隨著時間變化，因此頻譜分析儀在不同的時間接收的頻率是不同的。

當本振振盪器的頻率隨著時間進行掃描時，螢幕上就顯示出了被測信號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號的幅度記錄下來，就得到了被測信號的頻譜。

混頻器原理

從頻譜觀點看，混頻的作用就是將已調波的頻譜不失真地從fc搬移到中頻的位置上，因此，混頻電路是一種典型的頻譜搬移電路，可以用相乘器和帶通濾波器來實現這種搬移。

基本概念

混頻是指將信號從一個頻率變換到另外一個頻率的過程 ,其實質是頻譜線性搬移的過程 。 在超外差接收機中 ,混頻的目的是保證接收機獲得較高的靈敏度 ,足夠的放大量和適當的通頻帶 ,同時又能穩定地工作 。混頻電路包括三個組成部分 : 本機振盪器 、非線性器件 、帶通濾波器。

由於非線性元件( 如二極體 、三極體 、場效應管等) 的作用,混頻過程中會產生很多的組合頻率分量 : p f L ±qf S 。一般來講 ,其中滿足需要的僅僅是 f I =f L -f S 或者是f I =f S -f L 。前者產生中頻的方式稱為高差式混頻 , 後者稱為低差式混頻 。在這裡 ,混頻過程中產生的一系列組合頻率分量經過帶通濾波器即可以選擇輸出相應的中頻 ,而其他的頻率分量會得到抑制 。

分類

從工作性質可分為二類，即加法混頻器和減法混頻器分別得到和頻及差頻。從電路元件也可分為三極體混頻器和二極體混頻器。從電路工作方式可分為有源混頻器和無源混頻器。

混頻器

混頻器和頻率混合器是有區別的。後者是把幾個頻率的信號線性的迭加在一起，不產生新的頻率。

斜率鑒頻器

利用線性網路的幅頻特性把調頻波變換為調幅一調頻波的鑒頻器。圖1(a)所示的是這種鑒頻器的原理電路圖。電晶體VT和LC迴路構成一個調諧放大器，但迴路的諧振頻率f₀和調頻波的中心頻率f_c是失諧的，如圖l(b)所示。因此當調頻波瞬時頻率變化時，其幅度也隨之變化，LC迴路的輸出是一個調幅一調頻波。利用由二極體VD和RC並聯電阻所構成的包絡檢波器，就可以檢出所需的原來的調製信號，實現頻率檢波。斜率鑒頻器的電路簡單，但迴路的幅頻特性不是線性，因而鑒頻特性的線性差。此外，這種鑒頻器沒有抑制寄生調幅干擾的能力，通常必須在鑒頻之前,對調頻波進行限幅，使其幅度保持不變，以減小寄生調幅的影響。

相位鑒頻器

利用線性移相網路把調頻波變換為調相一調頻波的鑒頻器。圖2(a)是這種鑒頻器的電路。初次級迴路L₁C₁和L₂C₂都和調頻波的中心頻率f_c調諧，即f_c=f₁=f₂=f₀；耦合電容C₀將初級迴路電壓u₁加到次級迴路線圈的中心抽頭上，因此兩個二極體檢波器的輸入電壓分別是：

鑒頻器輸出電壓u則是檢波器負載電阻R₁和R₂的電壓差。圖2(b)畫出了u₂三種不同相位時加到兩個檢波器的電壓變化。當調頻波瞬時頻率f=f₀時，U1與U2互相垂直，因而|UVD1|=|UVD2|，這時鑒頻器輸出等於零。當f>f₀時，U2滯後於U1的相位大於90°，|UVD1|<|UVD2| ，鑒頻器的輸出大於零；反之，當f<f₀時，U 2相對於U 1的相位滯後小於90°，|UVD1|>|UVD2|，因而鑒頻器的輸出小於零。鑒頻器輸出電壓對輸入信號頻率f的關係曲線，叫做鑒頻特性曲線。相位鑒頻器的線性較好，鑒頻靈敏度（單位頻率變化時所產生的輸出電壓)也較高，但抗寄生調幅干擾性能較差。採用具有自限幅能力的比例鑒頻器是解決這個問題的較理想的 辦法。

圖2

套用

頻率變換

雙通道混頻器

這是混頻器的一個眾所周知的用途。常用的有雙平衡混頻器和三平衡混頻器。三平衡混頻器由於採用了兩個二極體電橋。三連線埠都有變壓器，因此其本振、射頻及中頻頻寬可達幾個倍頻程，且動態範圍大，失真小，隔離度高。但其製造成本高，工藝複雜，因而價格較高。

鑒相

理論上所有中頻是直流耦合的混頻器均可作為鑑相器使用。將兩個頻率相同，幅度一致的射頻信號加到混頻器的本振和射頻連線埠，中頻端將輸出隨兩信號相差而變的直流電壓。當兩信號是正弦時，鑒相輸出隨相差變化為正弦，當兩輸入信號是方波時，鑒相輸出則為三角波。使用功率推薦在標準本振功率附近，輸入功率太大，會增加直流偏差電壓，太小則使輸出電平太低。

混頻器面板

可變衰減器

此類混頻器也要求中頻直流耦合。信號在混頻器本振連線埠和射頻連線埠間的傳輸損耗是有中頻電流大小控制的。當控制電流為零時，傳輸損耗即為本振到射頻的隔離，當控制電流在20mA以上時，傳輸損耗即混頻器的插入損耗。這樣，就可用正或負電流連續控制以形成約30dB變化範圍的可變衰減器，且在整個變化範圍內連線埠駐波變化很小。同理，用方波控制就可形成開關。

相位調製器

混頻器

（BPSK）此類混頻器也要求中頻直流耦合。信號在混頻器本振連線埠和射頻連線埠間傳輸相位是由中頻電流的極性控制的。在中頻連線埠交替地改變控制電流極性，輸出射頻信號的相位會隨之在0°和180° 兩種狀態下交替變化。

參量混頻器

利用非線性電抗特性將輸入信號變換為中頻信號的電路。電抗元件在理想情況下既不消耗功率也不產生噪聲，所以參量混頻器具有變換效率高、噪聲小的優點。雷達和微波系統常用參量混頻來實現低噪聲接收。圖6為並聯電流型參量混頻電路。用高Q濾波器Fc、F1和Fi隔開的三個迴路,分別只允許信號電流ic、本振電流i1和差頻電流ii流過。非線性電抗元件一般由變容二極體構成,它在本振電壓(又稱泵電壓)的控制下,在輸入與輸出信號間起非線性變換作用。

混頻器

正交相移鍵控調製

QPSK是由兩個BPSK、一個90度電橋和一個0度功分器構成。I/Q調製/解調器調製與解調實為相互逆反的過程，在系統中是可逆。這裡主要介紹I/Q解調器，I/Q解調器由兩個混頻器、一個90度電橋和一個同相功分器構成。

鏡像抑制混頻器

新型高性能混頻器

抑制鏡像頻率的濾波器一般都是固定頻寬的。但當信號頻率改變時，鏡頻頻率也隨之改變，可能移出濾波器的抑制頻帶。在多信道接收系統或頻率捷變系統中，這種濾波器將失去作用。這時採用鏡頻抑制混頻器，本振頻率變化時，由於混頻器電路內部相位配合關係，被抑制的鏡頻範圍也將隨之改變，使其仍能起到鏡頻抑制的作用。由於電路不是完全理想特性，存在幅度不平衡和相位不平衡，可能使鏡像抑制混頻器的電性能發生惡化，下圖為幅度不平衡和相位不平衡對電性能響加以說明。

單邊帶調製器

在多信道發射系統中，由於基帶頻率很低若採用普通混頻器作頻譜搬移，則在信道頻寬內將有兩個邊帶，從而影響頻譜資源的利用。這時可採用單邊帶調製器來抑制不需要的邊帶，其基本結構為兩個混頻器、一個90度功分器和一個同相功分器。將基帶信號分解為正交兩路與本振的正交兩路信號混頻，採用相位抵銷技術來抑制不需要的邊帶，本振由於混頻器自身的隔離而得到抑制。

變頻混頻器

參數

（1）噪聲係數：混頻器的噪聲定義為：NF=Pno/Pso Pno是當輸入連線埠噪聲溫度在所有頻率上都是標準溫度即T0=290K時，傳輸到輸出連線埠的總噪聲資用功率。Pno主要包括信號源熱噪聲，內部損耗電阻熱噪聲，混頻器件電流散彈噪聲及本振相位噪聲。Pso為僅有有用信號輸入在輸出端產生的噪聲資用功率。

混頻器原理

（2）變頻損耗：混頻器的變頻損耗定義為混頻器射頻輸入連線埠的微波信號功率與中頻輸出端信號功率之比。主要由電路失配損耗，二極體的固有結損耗及非線性電導淨變頻損耗等引起。

混頻器原理

（3）1dB壓縮點：在正常工作情況下，射頻輸入電平遠低於本振電平，此時中頻輸出將隨射頻輸入線性變化，當射頻電平增加到一定程度時，中頻輸出隨射頻輸入增加的速度減慢，混頻器出現飽和。當中頻輸出偏離線性1dB時的射頻輸入功率為混頻器的1dB壓縮點。對於結構相同的混頻器，1dB壓縮點取決於本振功率大小和二極體特性，一般比本振功率低6dB。

（4）動態範圍：動態範圍是指混頻器正常工作時的微波輸入功率範圍。其下限因混頻器的套用環境不同而異，其上限受射頻輸入功率飽和所限，通常對應混頻器的1dB壓縮點。

混頻器原理

（5）雙音三階交調：如果有兩個頻率相近的微波信號fs1和fs2和本振fLO一起輸入到混頻器，由於混頻器的非線性作用，將產生交調，其中三階交調可能出現在輸出中頻附近的地方，落入中頻通帶以內，造成干擾，通常用三階交調抑制比來描述，即有用信號功率與三階交調信號功率比值，常表示為dBc。因中頻功率隨輸入功率成正比，當微波輸入信號減小1dB時，三階交調信號抑制比增加2dB。（6）隔離度：混頻器隔離度是指各頻率連線埠間的相互隔離，包括本振與射頻，本振與中頻，及射頻與中頻之間的隔離。隔離度定義為本振或射頻信號泄漏到其它連線埠的功率與輸入功率之比，單位dB。

（7）本振功率：混頻器的本振功率是指最佳工作狀態時所需的本振功率。原則上本振功率愈大，動態範圍增大，線性度改善（1dB壓縮點上升，三階交調係數改善）。

混頻器原理

（8）連線埠駐波比：連線埠駐波直接影響混頻器在系統中的使用，它是一個隨功率、頻率變化的參數。

（9）中頻剩餘直流偏差電壓：當混頻器作鑒相器時，只有一個輸入時，輸出應為零。但由於混頻管配對不理想或巴倫不平衡等原因，將在中頻輸出一個直流電壓，即中頻剩餘直流偏差電壓。這一剩餘直流偏差電壓將影響鑒相精度。

變頻混頻器

CMOS混頻器

在降低射頻產品成本的驅動下 , 如何採用成本低廉、集成度高的 CMOS 工藝實現高性能的射頻積體電路 ,已成為射頻積體電路設計研究的焦點 。人們不斷提出基於 CMOS工藝的射頻電路結構及設計技術, 並逐漸推出成熟的 CMOS射頻產品,取得了非常大的成績。混頻器作為接收機的關鍵模組 , 其CMOS設計技術的研究也是非常重要的課題之一。

因此, 混頻器的設計通常需要考慮轉換增益、線性度、噪聲係數、連線埠之間的隔離度以及功耗等性能指標 。1)為了彌補中頻濾波器的損耗 ,以及降低混頻器後續電路噪聲對系統噪聲的貢獻, 混頻器需要有一定的轉換增益 ,但是 ,增益太大又會影響混頻器的輸出。 2)混頻器的線性度是各項性能中最重要的性能 ,直接決定接收機的動態範圍 。當射頻輸入信號的功率過大 ,超過混頻器的 1 dB壓縮點時, 中頻輸出信號的功率就會比預期值有大幅度的衰減, 偏離原來的線性軌跡 ; 由於混頻器存在三次非線性項,相鄰頻道的射頻信號造成的三階互調量會對中頻輸出信號造成嚴重的干擾 ,通常用 IIP3(inpu t th ird- orde r intercept point)或 O IP3(ou tpu t third- o rde r intercept point)來表征混頻器對三階互調量的抑制能力。3)為了降低系統噪聲及減輕 LNA 的設計壓力 , 混頻器應該具有較低的噪聲係數 。 4)混頻器中的本振信號 LO 擺幅通常比較大, 很容易造成信號饋通引起干擾 ,特別是饋通到射頻輸入端,影響其他接收機或引起自混頻(對零中頻接收機的性能影響非常大)。因此 ,混頻器需要具有良好的隔離度。 5)功耗是所有模組必須考慮的問題,降低混頻器的功耗,可有效地降低系統功耗 。