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1、1,重要性：混频器是微波集成电路接收系统中必不可少的部件。不论是微波通信、雷达、遥控、遥感、还是侦察与电子对抗，以及许多微波测量系统，都必须把微波信号用混频器降到中低频来进行处理。 集成电路混频器是主流：主要是因为集成式混频器体积小，性能稳定可靠，设计技术成熟，而且结构灵活多样，可以适合各种特殊应用。 采用肖特基势垒二极管做变频元件：虽然二极管混频必不可免有变频损耗，但是它结构简单，便于集成化，工作频带宽，可能达到几个甚至几十个倍频程。它的噪声较低而且工作稳定，动态范围大，不容易出现饱和。 电路结构形式：混频器有单管式混频，两管平衡式混频和多管式混频。单管混频只用一支二极管，结构简单，成本低，
2、但噪声高，抑制干扰能力差，在要求不高处可以采用；平衡式混频器借助于平衡电桥可使本机振荡器的噪声抵消，因而噪声性能得到改善，电桥又使信号与本振之间达到良好隔离，因此平衡混频器是最普遍采用的形式；还有多二极管的混频器，比如管堆式双平衡混频器，镜频抑制混频器等是为特殊要求而设计的，可用于多倍频程设备、镜频能量回收或自动抑制镜频干扰等。,第九讲 混频器设计,2,微波混频器技术指标与特性分析,一、噪声系数和等效噪声温度比 噪声系数的基本定义已在第四章低噪声放大器中有过介绍。但是混频器中存在多个频率，是多频率多端口网络。为适应多频多端口网络噪声分析，噪声系数定义改为式（9-1），其理论基础仍是式（6-1）
3、的原始定义，但此处的表示方式不仅适用于单频线性网络，也可适用于多频响应的外差电路系统，即 （9-1） 式中 Pno-当系统输入端噪声温度在所有频率上都是标准温度T0 = 290K时，系统传输到输出端的总噪声资用功率； Pns仅由有用信号输入所产生的那一部分输出的噪声资用功率。 根据混频器具体用途不同，噪声系数有两种。,3,一、噪声系数和等效噪声温度比,图9-1 混频器热噪声谱,4,一、噪声系数和等效噪声温度比,5,一、噪声系数和等效噪声温度比,6,一、噪声系数和等效噪声温度比,7,二、变频损耗,8,二、变频损耗,图9-2 混频管芯等效电路,9,二、变频损耗,路对各谐波端接情况，以及本振功率强度
4、等影响。当混频管参数及电路结构固定时，净变频损耗将随本振功率增加而降低，如图9-3所示。本振功率过大时，由于混频管电流散弹噪声加大，从而引起混频管噪声系数变坏。对于一般的肖特基势垒二极管，正向电流为l3mA时，噪声性能较好，变频损耗也不大。,图9-3 变频损耗、噪声系数对本振功率的关系,3、混频器的非线性电导净变频损耗 净变频损耗g取决于非线性器件中各谐波能量的分配关系，严格的计算要用计算机按多频多端口网络进行数值分析；但从宏观来看，净变频损耗将受混频二极管非线性特性、混频管电,10,三、动态范围,11,三、动态范围,（2）动态范围的上限受输出中频功率饱和所限。通常是指1dB压缩点的微波输入信
5、号功率Pmax，也有的产品给出的是1dB压缩点输出中频功率。二者差值是变频损耗。本振功率增加时，1dB压缩点值也随之增加。平衡混频器由2支混频管组成，原则上1dB压缩点功率比单管混频器时大3dB。对于同样结构的混频器，1dB,图9-4 混频器动态范围,压缩点取决于本振功率大小和二极管特性。一般平衡混频器动态范围的上限为210dBm。 混频器动态范围曲线如图9-4所示。,12,四、双频三阶交调与线性度,图9-5 混频器频谱分布,13,四、双频三阶交调与线性度,图9-6 混频器基波和三阶交调成分随信号功率的变化,14,四、双频三阶交调与线性度,2、三阶交调截止点 Mi值与微波输入信号强度有关，是个
6、不固定的值。所以有时采用三阶交调截止点Ma对应的输入功率PM作为衡量交调特性的指标。 三阶交调截止点Ma是Pi直线和直线段延长的交点，此值和输入信号强度无关。1dB压缩点P1dB和三阶交调截止值PM都常作为混频器线性度的标志参数。有关三阶交调变化特性的改进可参见第六章，区别仅在于混额器的输出饱和是指中频功率。通常三阶交调截止值比1dB压缩点值高1015dB，微波低频端约高出15dB，微波高频段高10dB。 在混频器应用中，只要知道了三阶交调截止值就能计算出任何输入电平时的三阶交调系数。由于三阶交调截止值处，Mi为0dB，输入信号每减弱1dB，Mi就改善2dB，例如信号功率比PM小15dB时，M
7、i将为30dBc。 三阶交调特性及饱和点，都和使用时的本振功率及偏压有关。混频管加正偏压时，动态范围上限下降，三阶交调特性变坏，但可节省本振功率或改善变频损耗；加负偏压时，上述情况刚好相反。另外。混领管反向饱和电流越小，接触电位越大时，要求的本振功率大，此时1dB压缩点提高，三阶交调特性也较好。,15,五、工作频率,五、工作频率 混频器是多频率器件，除了应指明信号工作频带以外，还应该注明本振频率可用范围及中频频率。分支电桥式的集成混频器工作频带主要受电桥频带限制，相对频带约为10%30%，加补偿措施的平衡电桥混频器可做到相对频带为30%40%。双平衡混频器是宽频带型，工作频带可达多个倍频程。
8、六、隔离度 混濒器隔离度是指各频率端口之间的隔离度，该指标包括三项，信号与本振之间的隔离度，信号与中频之间的隔离度，本振与中频之间的隔离度。隔离度定义是本振或信号泄漏到其他端口的功率与原有功率之比，单位为dB。例如信号至本振的隔离度定义是 信号至本振隔离度是个重要指标，尤其是在共用本振的多通道接收系统中，当一个通道的信号泄漏到另一通道时，就会产生交叉干扰。例如，单脉冲雷达接收机中的合信号漏入差信号支路时将使跟踪精度变坏。在单通道系统中信号泄漏就要损失信号能量，对接收灵敏度也是不利的。,16,六、隔离度,本振至微波信号的隔离度不好时，本振功率可能从接收机信号端反向辐射或从天线反发射，造成对其他电
9、设备干扰，使电磁兼容指标达不到要求，而电磁兼容是当今工业产品的一项重要指标。此外，在发送设备中，变频电路是上变频器，它把中频信号混频成微波信号，这时本振至微波信号的隔离度有时要求高达80100dB。这是因为，上变频器中通常本振功率要比中频功率高10dB以上才能得到较好的线性变频。变频损耗可认为10dB，如果隔离度不到20dB，泄漏的本振将和有用微波信号相等甚至淹没了有用信号。所以还得外加一个滤波器来提高隔离度。 信号至中额隔离度指标在低中频系统中影响不大，但是在宽频带系统中就是个重要因素了。有时微波信号和中频信号都是很宽的频带，两个频带可能边沿靠近，甚至频带交叠，这时，如果隔离度不好，就造成直
10、接泄漏干扰。 单管混频器隔离度依靠定向耦合器，很难保证高指标，一般只有10dB量级。 平衡混频器则是依靠平衡电桥。微带式的集成电桥本身隔离度在窄频带内不难做到30dB量级，但由于混频管寄生参数、特性不对称、或匹配不良，不可能做到理想平衡。所以实际混频器总隔离度一般在1520dB左右，较好者可达到30dB。,17,七、镜频抑制度,在本节噪声系数论述中已提到过单边带混频器镜频噪声的影响，它将使噪声系数变坏3dB。在混频器之前如果有低噪声放大器，就更必须采取措施改善对镜频的抑制度。现在优良的低噪声放大器在C波段已能做到Nf = 0.5dB，若采用无镜频抑制功能的常规混频器，整机噪声将恶化到3.5dB
11、。此外，如果在镜频处有干扰，甚至可能破坏整机正常工作。 抑制镜频的方式大都是在混频器前加滤波器，可采用对镜频带阻式或对信频带通式。对于捷变频雷达则必须用自动抑制镜频的混频器，将在下节详述。 镜频抑制度一般是1020dB，对于抑制镜频噪声来说已经够用，详见第四章第二节。有些特殊场合，为抑制较强镜频干扰，则需25dB或更高。,18,八、本振功率与工作点,混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。 商品混频器通常要指定所用本振功率的数值范围，比如指定Pp = 1012dBm。这是因为，本振功率变化时将影响到混频器的许多项指标。本振功率不同时，混频二极管工作电流不同，阻抗也不同，这就会使本振、
12、信号、中频三个端口的匹配状态变坏；此外也将改变动态范围和交调系数。 不同混频器工作状态所需本振功率不同。原则上本振功率愈大，则混频器动态范围增大，线性度改善，1dB压缩点上升，三阶交调系数改善。本振功率过大时，混频管电流加大，噪声性能要变坏。此外混频管性能不同时所需本振功率也不一样。截止频率高的混频管（即Q值高）所需功率小，砷化镓混频管比硅混频管需要较大功率激励。 本振功率在厘米波低端大约需25mW，在厘米波高端为510mW，毫米波段则需1020mW；双平衡混频器和镜频抑制混频器用4只混频管，所用功率自然要比单平衡混频管大一倍。在某些线性度要求很高、动态范围很大的混频器中，本振功率要求高达近百
13、毫瓦。,19,九、端口驻波比,九、端口驻波比 在处理混频器端口匹配问题时，常常受许多因素影响。在宽频带混频器中很难达到高指标，不仅要求电路和混频管高度平衡，还要有很好的端口隔离。比如中频端口失配，其反射波再混成信号，可能使信号口驻波比变坏，而且本振功率漂动就会同时使三个端口驻波变化。例如本振功率变化45dB时，混频管阻抗可能由500变到1000，从而引起三个端口驻波比同时出现明显变化。所以混频器驻波比指标一般都在22.5量级。 十、中频输出阻抗 在70MHz中频时，中频输出阻抗大多是200400，中频阻抗的匹配好坏也影响变频损耗。中频频率不同时，输出阻抗差别很大，有些微波高频段混频器的中频是1
14、GHz左右，其输出阻抗将低于100。 以上叙述的混频器指标参数是表征混频器主要性能的一些参数。对于一般商品微波集成混频器，在产品目录中所给出的特性指标并不齐全，当用于整机系统时，有些特性需要自己测量。详细测量方法将在本章最后一节介绍。,20,混频器电路结构与工作原理,耦合器的方向性，此时的方向性约510dB。第1口到第2口时隔离度是耦合度加方向性，即约为1520dB。第3口接匹配负载，以免影响隔离度。匹配电路由微带T形分支和两段不同阻抗的微带线组成，将混频管阻抗匹配到定向耦合器入口阻抗。 混频管Vj的右端用扇形线在S点构成交流接地点，由此点可将中频fif引出。为构成混频管直流通路，用一段g4高
15、阻微带线在G点与基片背面相通面构成直流接地；直流通路另一端将在中频放大器内形成。 单管混频器的隔离度、噪声系数都比其他形式混频电路差，只是结构简单，在某些要求不高之处仍有应用。,图9-7 单管混频器电路,微波集成混频器电路形式很多，适用于各种不同整机系统。 一、单管混频器 单管混频器只采用1只混频二极管，图9-7是典型的微带电路单管混频器。 信号由定向耦合器的第2口输入，经匹配电路加到混频管口，本振fp由定向耦合器第1口输入，耦合到4口然后加到混频器。定向耦合器作用是把本振与信号隔离，耦合段的长度约为四分之一波长。第1口到第4口的耦合度通常设计为10dB或略小，第4口与第2口本振耦合功率之比是
16、定向,21,二、平衡混频器,Vj2以相反极性安装，所以混频器的中频电流同相，构成迭加输出。 混频管与电桥之间的匹配电路将混频管阻抗匹配到50。电桥的4个口皆为Z0 = 50。电桥的12臂和34臂的特性阻抗是Z0，23臂和l4臂皆是。 本振的相位噪声是随本振一起由l口进入电桥，相位噪声在Vj1和Vj2中混成的中频噪声相位相反而抵消，因而本振噪声的影响被大大削弱。这是平衡混频器的重要特性。 平衡混频器中有一部分组合频率成分在中频端口相互抵消。此种分支电桥型被抵消的频率成分是m（fs + fp），其中m = l，2，3，。,图9-8 平衡混频器电路,1、分支电桥混频器 （1）均匀分支电桥混频器 图9-8是典型的分支电桥平衡混频器。电桥每臂长度为g4，g是本振和信号平均频 率的微带波长。一般情况下，中频很低，有fs fp，所以下文所述微带波长均不指明是针对fs还是fp。 本振fp由电桥第l口输入经电桥均分后加到两只混频管Vj1和Vj2信号fs由第2口输入也经电桥均分后加到Vj1和Vj2。两只混频管分别在Sl和S2点由低
