摘 要：混頻器已經(jīng)在諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，其技術(shù)指標(biāo)的好壞直接影響到整機(jī)性能的發(fā)揮。從混頻器的基本概念出發(fā)，分析了混頻器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，如噪聲系數(shù)、變頻損耗、動(dòng)態(tài)范圍、隔離度、混頻失真等對(duì)接收機(jī)性能的影響，并從工程角度出發(fā)，指出在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的要點(diǎn)。本文所得結(jié)論在工程應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：混頻器；噪聲系數(shù)；動(dòng)態(tài)范圍；隔離度；混頻失真

中圖分類號(hào)：TN773 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2008)0509504

Study of Key Technology in Mixer Design

LI Yanhui1，HU Dongliang2，PAN Yingfeng1

(1.Air Force Radar College，Wuhan，430019，China;2.College of Electrical and Information Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan，430033，China)

Abstract：The mixer is applied widely in some fields，technology standard affects the whole performance.This paper describes the basic conception of mixer.After analyzing some factors influencing the receiver performance，for example，noise factor，frequency conversion loss，dynamic range，isolation degree，mixing distortion.A kind of viewpoint that we should to debase noise factor，to degrade the frequency conversion loss and to increase the isolation degree can be advanced.

Keywords：mixer；noise factor；dynamic range；isolation degree；mixing distortion

混頻器作為超外差接收機(jī)的重要組成部分，已經(jīng)在雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、廣播電視、遙控遙測(cè)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用^[1]。其技術(shù)指標(biāo)的好壞直接影響到整機(jī)性能的發(fā)揮。本文從工程角度出發(fā)，著重分析了混頻器設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的幾個(gè)關(guān)鍵問題。

1 混頻器的基本概念

混頻是指將信號(hào)從一個(gè)頻率變換到另外一個(gè)頻率的過程，其實(shí)質(zhì)是頻譜線性搬移的過程。在超外差接收機(jī)中，混頻的目的是保證接收機(jī)獲得較高的靈敏度，足夠的放大量和適當(dāng)?shù)耐l帶，同時(shí)又能穩(wěn)定地工作?；祛l電路包括三個(gè)組成部分：本機(jī)振蕩器、非線性器件、帶通濾波器，如圖1所示。

由于非線性元件(如二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等)的作用，混頻過程中會(huì)產(chǎn)生很多的組合頻率分量：|pf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(chǎn)生中頻的方式稱為高差式混頻，后者稱為低差式混頻。在這里，混頻過程中產(chǎn)生的一系列組合頻率分量經(jīng)過帶通濾波器即可以選擇輸出相應(yīng)的中頻，而其他的頻率分量會(huì)得到抑制。

2 混頻器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 [ZK(]盡量選擇噪聲系數(shù)小、變頻損耗小或變頻增益大的混頻器

噪聲系數(shù)是衡量接收機(jī)內(nèi)部噪聲對(duì)靈敏度影響程度的一個(gè)指標(biāo)。接收機(jī)的總噪聲系數(shù)為：

式中：F0表示接收機(jī)的總噪聲系數(shù)；FR表示高頻放大器的噪聲系數(shù)；FC表示混頻器的噪聲系數(shù)；FI表示中頻放大器的噪聲系數(shù)；kpaR表示高頻放大器額定功率放大量；kpaC表示混頻器額定功率放大量(kpaC＞1時(shí))或額定功率傳輸系數(shù)(kpaC＜1時(shí))。

為了提高接收機(jī)的靈敏度，必須使總噪聲系數(shù)F0要小，而接收機(jī)多級(jí)電路總噪聲系數(shù)主要由第一級(jí)高頻放大器決定，也就是說，要保證高放噪聲系數(shù)小和額定功率放大量大的要求。

混頻器位于接收機(jī)的第二級(jí)，其噪聲系數(shù)、額定功率放大量或額定功率傳輸系數(shù)對(duì)整機(jī)噪聲系數(shù)也存在一定的影響，特別是對(duì)于無高放的接收機(jī)，混頻器噪聲系數(shù)、額定功率放大量(或額定功率傳輸系數(shù))及對(duì)整機(jī)噪聲系數(shù)的影響更大。

對(duì)于采用二極管等不具備放大作用的混頻元件，常使用變頻損耗來代替混頻器額定功率傳輸系數(shù)，他定義為額定功率傳輸系數(shù)的倒數(shù)。即有：

式中l(wèi)C表示變頻損耗。

由于二極管無放大作用，使得混頻器輸出中頻信號(hào)功率小于混頻器輸入端的高頻信號(hào)功率。當(dāng)高放的額定功率增益不是很大時(shí)，他和變頻損耗的乘積可能比較小，因此混頻器的噪聲分量在整機(jī)的噪聲分量中占的比重變大，這時(shí)應(yīng)保證使變頻損耗不宜過大。

采用三極管、場(chǎng)效應(yīng)管或者模擬乘法器混頻時(shí)，由于他們具有放大作用，混頻器輸出中頻信號(hào)功率會(huì)大于輸入高頻信號(hào)的功率，這時(shí)常常采用變頻增益，即額定功率放大量kpaC(kpaC＞1)來衡量混頻前后的功率變化。由于kpaC＞1，因此為了降低總噪聲系數(shù)，需要使變頻增益kpaC大一些。

2.2 確定混頻器的動(dòng)態(tài)范圍

混頻器的動(dòng)態(tài)范圍是指混頻器在規(guī)定的本振電平下，高頻信號(hào)輸入電平的可用范圍。設(shè)計(jì)時(shí)，要確定其下限和上限電平。

2.2.1 確定混頻器下限電平

混頻器下限電平由接收機(jī)的靈敏度決定。接收機(jī)靈敏度可以表示為：

式中k為波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J/K；T0為接收機(jī)工作環(huán)境的絕對(duì)溫度，單位K；B為接收機(jī)帶寬，單位為Hz；F0為接收機(jī)總的噪聲系數(shù)；Psmin為最小可以檢測(cè)的信號(hào)功率，單位W。

如果以dBm為單位，在室溫17 ℃(T0=290 K)條件下，式(3)變換為：

假設(shè)B=2×106 Hz，混頻器的噪聲系數(shù)為FC=6 dB，則Psmin為-105 dBm，如果系統(tǒng)中指示判據(jù)要求最小功率要高于噪聲電平10 dB，則混頻器的動(dòng)態(tài)范圍下限為-95 dBm。

2.2.2 確定混頻器的上限電平

混頻器的上限電平由1 dB壓縮電平?jīng)Q定。當(dāng)輸入信號(hào)功率比較小時(shí)，混頻后得到的輸出中頻功率隨著輸入信號(hào)功率線性地增大，但是當(dāng)輸入信號(hào)功率增加到某個(gè)電平時(shí)，輸出和輸入之間由于混頻器出現(xiàn)飽和趨勢(shì)而呈現(xiàn)非線性。當(dāng)輸出中頻功率比線性增漲低于1 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出中頻功率電平稱為1 dB壓縮電平，用PI1 dB表示，如圖2所示。事實(shí)上，1 dB壓縮電平隨著本振電平的增加而增加。

2.3 注意混頻器的隔離度

從理論上來看，混頻器各個(gè)端口之間是互相隔離的，任意一個(gè)端口上的功率都不會(huì)泄露到其他端口上。但實(shí)際上，總有部分功率在各個(gè)端口之間相互泄露。利用隔離度就可以評(píng)價(jià)這種泄露的程度。由于本振端口的功率最大，如果泄露到信號(hào)端口會(huì)形成向外的輻射損耗，嚴(yán)重地干擾附近的接收機(jī)，這種影響最壞，因此一般情況下只規(guī)定本振端口到其他端口的隔離度。具體的定義有兩個(gè)，一個(gè)是本振功率與其泄露到信號(hào)端口的功率之比；另外一個(gè)是本振功率與其泄露到中頻輸出端口的功率之比，兩者都用分貝數(shù)來表示。

2.4 減少混頻失真

混頻失真是混頻過程中非線性作用的結(jié)果，主要包括干擾哨聲、寄生通道干擾、交調(diào)失真、互調(diào)失真。

2.4.1 干擾哨聲

當(dāng)滿足下式:

式中，fM為干擾信號(hào)的頻率。f為可以聽到的音頻頻率，ffI，該音頻頻率可以順利地進(jìn)入中頻帶寬范圍之內(nèi)。于是在接收到有用信號(hào)的同時(shí)，還會(huì)聽到檢波器檢波出來的差拍干擾信號(hào)，即頻率為f的干擾。由于此干擾頻率比較低，聽起來如同哨聲，故稱其為干擾哨聲。

上式經(jīng)過推導(dǎo)可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)為:

理論上產(chǎn)生干擾哨聲的輸入信號(hào)頻率有無數(shù)個(gè)，但由于接收機(jī)接收頻段是有限的，因此只有落入接收頻段內(nèi)的信號(hào)才會(huì)產(chǎn)生干擾哨聲。同時(shí)在混頻過程中，只有p和q比較小的輸入信號(hào)才會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，而p和q比較大的輸入信號(hào)其組合頻率分量電流幅度較小，一般可以忽略不計(jì)。所以，只需將產(chǎn)生干擾哨聲最強(qiáng)的信號(hào)頻率移到接收頻段之外，就可以有效地減少這種干擾的影響。

分析式(6)可知，當(dāng)p=0，q=1時(shí)的干擾哨聲最強(qiáng)，這時(shí)fM=fI。因此為了防止該干擾哨聲的影響，在實(shí)際接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，接收機(jī)的中頻總是選擇在接收的頻段之外。

2.4.2 寄生通道干擾

在混頻器工作過程中，假設(shè)輸入端的有用信號(hào)頻率為fS，并且fI=fL－fS。如果混頻器輸入端還存在頻率為fM的干擾信號(hào)，該干擾和本振信號(hào)相作用就會(huì)產(chǎn)生許多組合頻率分量，當(dāng)滿足:

時(shí)，這時(shí)干擾信號(hào)產(chǎn)生的中頻干擾就可以順利地通過中頻放大器，這種干擾稱之為寄生通道干擾。

由于受fI=fL－fS的限制，由式(7)可得：

式(8)經(jīng)合并，可以得到寄生通道輸入干擾信號(hào)的頻率表達(dá)式:

p和q的取值理論上有無窮多個(gè)，但只有p和q較小的干擾信號(hào)才能形成較大的寄生通道干擾。主要的干擾頻率有兩個(gè)，即中頻干擾(p=0，q =1對(duì)應(yīng)的干擾頻率為fM=fI)和鏡像干擾(p =1，q=1對(duì)應(yīng)的干擾頻率為 fM= fL+ fI=fs+2fI)。

為了抑制寄生通道干擾，總的原則是加大寄生通道干擾信號(hào)與輸入有用信號(hào)間隔，使得寄生通道干擾信號(hào)能在混頻器之前的濾波器中得到濾除。為了濾除中頻干擾，中頻應(yīng)當(dāng)選擇在接收頻段之外，對(duì)于鏡像干擾的抑制可采取兩種方法:

(1) 采用二次混頻方案，即將高頻的信號(hào)首先變?yōu)轭l率較高的第一中頻信號(hào)，然后再將第一中頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率較低的第二中頻信號(hào)。這種方案由于第一中頻選得較高，故在第一級(jí)混頻器之前就可以將鏡像干擾頻率濾除掉。

(2) 采用高中頻方案，即將中頻選在高于接收頻段的范圍內(nèi)。這種方案的中頻很高，鏡像干擾頻率遠(yuǎn)高于有用信號(hào)頻率，可在混頻之前的濾波電路中被濾除。例如，某短波接收機(jī)的接收頻率范圍是2~30 MHz，高中頻頻率為70 MHz。

2.4.3 交調(diào)失真

假設(shè)混頻器的伏安特性為：

其中ULm，USm，URm分別為本振、有用信號(hào)和干擾電壓的振幅；fL，fS，fR分別為本振、有用信號(hào)和干擾的頻率。將其代入式(11)，得到的中頻分量中包括二次方項(xiàng)(2k1uLuS)、四次方項(xiàng)(4k4uL3 uS + 4k4uLuS3+ 12k4uLuSuR2 )以及更高偶次方項(xiàng)的分量。經(jīng)過計(jì)算可知，四次方項(xiàng)中的12k4uLuSuR2 產(chǎn)生的中頻分量振幅為：3k4uLmuSmuRm2 ，他與干擾有關(guān)，因此可以說，該中頻分量振幅中包含了干擾信號(hào)的包絡(luò)變化。這種由干擾信號(hào)包絡(luò)交叉調(diào)制到中頻信號(hào)上的失真稱為交調(diào)失真(或單音交調(diào)失真)。這種失真的特點(diǎn)是有用信號(hào)停止發(fā)送時(shí)，中頻輸出干擾也隨之消失。

2.4.4 互調(diào)失真

當(dāng)兩個(gè)頻率為fM1和fM2的干擾信號(hào)加到混頻器輸入端與本振信號(hào)作用，產(chǎn)生出的干擾信號(hào)滿足下式：

時(shí)，引起混頻器輸出中頻信號(hào)失真，這種失真稱為互調(diào)失真。顯然p和q數(shù)值越小，產(chǎn)生的中頻干擾就越大，互調(diào)失真就越大。當(dāng)p和q比較小時(shí)(p=1，q=2或p=2，q=1)產(chǎn)生的組合頻率有可能接近于fI。也就是滿足:

這時(shí)的干擾最嚴(yán)重，且很難用濾波器濾除。由這種干擾引起的失真也常被稱為三階互調(diào)失真。相對(duì)交調(diào)失真和其他非線性失真而言，三階互調(diào)失真危害最為嚴(yán)重。在混頻器的使用中，常常將其對(duì)應(yīng)的最大輸入干擾強(qiáng)度作為動(dòng)態(tài)范圍的上限，利用三階互調(diào)截點(diǎn)電平PIM3表示三階互調(diào)干擾的大小。PIM3比1 dB壓縮電平P1 dB高出10~15 dB，根據(jù)混頻器生產(chǎn)廠家使用說明中提供1 dB壓縮電平，就可方便地確定三階互調(diào)截點(diǎn)電平，以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求?；祛l器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免混頻器正常輸出中頻信號(hào)電平與三階截點(diǎn)電平距離太近，而是要使兩者之差留有一定余量。

2.5 正確選用混頻器

混頻器一般可以分為三極管混頻器、場(chǎng)效應(yīng)管混頻器、模擬乘法器構(gòu)成的混頻器以及基于混頻二極管非線性元件構(gòu)成的混頻器。每種混頻器都有各自的適用場(chǎng)合。

三極管混頻器具有所需外圍元件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有一定的混頻增益、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，常用在如廣播收音機(jī)等要求不高的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是工作頻率較低，混頻失真較大，產(chǎn)生的組合頻率干擾較大。

場(chǎng)效應(yīng)管混頻器，特別是雙柵場(chǎng)效應(yīng)管混頻器，和三極管混頻器相比較，具有混頻失真小、動(dòng)態(tài)范圍大、工作頻率可以高達(dá)1 GHz的優(yōu)點(diǎn)。這種混頻器除了具有較低的噪聲系數(shù)之外，同時(shí)還具有變頻增益，另外可以保證本振和信號(hào)端口的良好隔離度，且可以容易實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)端口的匹配，同時(shí)還可以省掉耦合元件。

模擬乘法器采用差分對(duì)作為基本電路，理論上輸出中頻只有兩種頻率，即和頻fI=fL+fS和差頻fI=fL-fS，因此其組合頻率的干擾極小，特別是交調(diào)互調(diào)干擾小，對(duì)濾波器的外圍電路要求不高，電路比較簡(jiǎn)單。同時(shí)變頻增益較高，且對(duì)輸入的信號(hào)幅度要求不嚴(yán)格，既可以大信號(hào)工作，也可以小信號(hào)工作，因此動(dòng)態(tài)范圍大。這類混頻器的缺點(diǎn)是噪聲系數(shù)往往較大，工作頻率不高，最高一般為幾十兆赫茲，常常用于接收機(jī)的第二混頻器。

采用二極管的混頻器可以分為兩大類：?jiǎn)味嘶祛l器和平衡混頻器。單端混頻器和平衡混頻器的缺點(diǎn)是存在一定的變頻損耗。單端混頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作的帶寬較窄，往往需要較大的本振功率，且不能消除本振噪聲，這種混頻器目前已很少采用。平衡混頻器工作帶寬可以從幾十千赫茲到幾十千兆赫茲，動(dòng)態(tài)范圍較大，混頻失真小(信號(hào)的偶次諧波被抵消，特別是二次諧波，所以等大大地降低輸出組合頻率的干擾)。同時(shí)，這種混頻器很容易匹配，各個(gè)端口具有較高的隔離度(每個(gè)倍頻程下降為5 dB)。此外平衡混頻器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以抑制本振噪聲，改善混頻器的噪聲性能，因此平衡混頻器得到了廣泛的應(yīng)用。在選用平衡混頻器時(shí)，應(yīng)注意在滿足需要的前題下，盡量選用本振電平低的平衡混頻器，一方面是價(jià)格便宜，另外可以保證本振信號(hào)泄露很小，同時(shí)應(yīng)保證本振電平比信號(hào)電平大10 dB左右。

3 降低濾波器的設(shè)計(jì)難度

由前面分析可知，由于混頻器非線性作用的結(jié)果，產(chǎn)生出大量的組合頻率分量，這些頻率分量中除了正常輸出的中頻信號(hào)頻率外，往往還包括位于中頻帶寬范圍附近的

組合頻率分量。如果這些不需要的組合頻率距離中頻帶寬很近的話，則帶通濾波器很難將其濾除，或者即使能夠?yàn)V除也會(huì)由于對(duì)濾波器的帶外抑制度要求太高而使濾波器的設(shè)計(jì)難度以及成本大大增加。因此，在設(shè)計(jì)混頻器的時(shí)候，必須對(duì)混頻過程中產(chǎn)生的組合頻率分量進(jìn)行充分地分析。為此，要選擇合適的本振頻率和信號(hào)頻率，以使無用的組合頻率分量，特別是低階組合頻率分量盡量遠(yuǎn)離帶通濾波器的通帶。

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)混頻器時(shí)，必須綜合考慮各種因素對(duì)混頻器性能的影響。除了前面提到的幾個(gè)要求之外，設(shè)計(jì)中還必須確定混頻器的封裝形式、工作頻率、價(jià)格等其他因素。

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作者簡(jiǎn)介 李延輝 男，1972年出生，碩士。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)與電子對(duì)抗。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”