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1、第3章微波混频器3.2微波混微波混频器的小信号器的小信号传输特性特性变频损耗耗微波混微波混频器的作用是将微波信号器的作用是将微波信号转换为中中频信号，信号，频率率变换后的能量后的能量损耗即耗即为变频损耗。微波混耗。微波混频器的小信号器的小信号传输特性的研特性的研讨义务包括：包括：(1) 输入信号功率入信号功率经过混混频器后有多少功器后有多少功率率转换成中成中频信号功率，即信号功率，即变频损耗。耗。(2) 当混当混频器的源器的源电导Gg和和输出出电导G0为何何值时，变频损耗最小。耗最小。变频损耗定耗定义为微波信号微波信号资用功率用功率Psa与与输出中出中频资用功率用功率Poa之比，常用分之比，常
2、用分贝表示，表示，即即 第3章微波混频器变频损耗主要包括以下三部分：(1) 由寄生频率产生的净变频损耗L0。(2) 由混频二极管寄生参量引起的结损耗Lj。(3) 混频器输入/输出端的失配损耗La。 (3-19)第3章微波混频器3.2.1净变频损耗净变频损耗在混频过程中产生的寄生频率都含有一部分信号功率，在混频过程中产生的寄生频率都含有一部分信号功率，假设它们耗费在电阻上，就会呵斥损耗，这些损耗称为净变假设它们耗费在电阻上，就会呵斥损耗，这些损耗称为净变频损耗。计算净变频损耗时，以为混频器输入、输出端口均频损耗。计算净变频损耗时，以为混频器输入、输出端口均已匹配，且将二极管只看做是一个受本振电压
3、控制的时变电已匹配，且将二极管只看做是一个受本振电压控制的时变电导导g(t)。混频器的等效电路是一个三端口网络，净变频损耗不但混频器的等效电路是一个三端口网络，净变频损耗不但与二极管的特性有关，还与各端口的负载阻抗有关。实践运与二极管的特性有关，还与各端口的负载阻抗有关。实践运用中，最关怀的是镜像短路、镜像匹配和镜像开路这三种混用中，最关怀的是镜像短路、镜像匹配和镜像开路这三种混频器的净变频损耗。为普遍起见，首先讨论镜像端口负载电频器的净变频损耗。为普遍起见，首先讨论镜像端口负载电导导Gi为恣意值时的净变频损耗，然后再讨论三种主要混频为恣意值时的净变频损耗，然后再讨论三种主要混频器的净变频损耗
4、。器的净变频损耗。 第3章微波混频器1. Gi为恣意值时的净变频损耗为恣意值时的净变频损耗 混频器的等效电路如图混频器的等效电路如图3-6(b)所示，根据网络方程式所示，根据网络方程式(3-16)，由镜像端口得，由镜像端口得Ii=GiUi (3-20)对式对式(3-16)和式和式(3-20)联立求解，得联立求解，得IS=m11US+m12U0I0=m21US+m22U0 用矩阵表示为用矩阵表示为(3-21)(3-22)第3章微波混频器式中：于是把三端口网络简化成二端口网络，如图3-7所示。网络参数与镜像端口的负载电导Gi有关。 (3-23)第3章微波混频器图 3-7镜像电导G为恣意值时的混频器
5、等效电路第3章微波混频器为计算净变频损耗，首先应求出信号源的资用功率和混频器输出的中频资用功率，然后求两者之比。信号源的资用功率(Gi=Gg时)为 式中：IA是信号的电流幅值。为求得混频器输出的中频资用功率，在中频端口运用戴维南定理，把输出端口以左的电流等效成一个新的恒流源，如图3-8所示。 (3-24)第3章微波混频器图 3-8中频输出端等效电路第3章微波混频器图3-8中，Ie是恒流源电流，即输出端短路电流的幅值；G0是恒流源的内电导，即获取的中频输出电导。当中频端口短路时，Ie=I0，混频器的外部方程为IS=IAUSGgU0=0将式(3-25)和式(3-23)联立求解，得 (3-25)(3
6、-26)第3章微波混频器混频器的中频输出电导G0是输入端恒流源IA开路时(即IA0)由输出端向左看过去的等效电导。当IA0时，IS=USGg，代入式(3-23)得 于是混频器输出的中频资用功率为(3-27)(3-28)第3章微波混频器因此，镜频端口的负载电导Gi为恣意值时，混频器的净变频损耗为可见，净变频损耗是信号源电导Gg与网络参数m的函数。当混频器的鼓励形状一定时，L0随Gg变化。调整Gg可使L0到达最小。令，即可求得最小变频损耗及其相应的最正确源电导和最正确输出电导，即 (3-29)第3章微波混频器(3-30)(3-31)(3-32)第3章微波混频器2. 镜像匹配镜像匹配(GiGg)时的
7、净变频损耗时的净变频损耗当混频器输入回路的带宽相对于中频来说足够宽时，输当混频器输入回路的带宽相对于中频来说足够宽时，输入回路对镜频呈现的电导入回路对镜频呈现的电导Gi和对信号频率所呈现的电导差和对信号频率所呈现的电导差不多相等，即不多相等，即GiGg，这种情况称为镜像匹配。在镜像匹，这种情况称为镜像匹配。在镜像匹配混频器中，镜频电压和镜频电流都不等于零。将配混频器中，镜频电压和镜频电流都不等于零。将GiGg代入式代入式(3-31)，得到镜像匹配混频器的最小变频损耗、最正，得到镜像匹配混频器的最小变频损耗、最正确源电导和最正确输出电导为确源电导和最正确输出电导为(3-33)第3章微波混频器(3
8、-34)(3-35)第3章微波混频器3. 镜像短路像短路(Gi)时的的净变频损耗耗假假设在在输入端参与入端参与对镜频短路的窄短路的窄带滤波器，使波器，使输入回入回路路对镜频呈呈现短路，那么称短路，那么称为镜像短路混像短路混频器，如器，如图3-9所所示。在示。在镜像短路混像短路混频器中，由于器中，由于镜频电流没有流流没有流过信号源内信号源内阻，因此阻，因此镜频能量没有耗能量没有耗费，而是被反射回混，而是被反射回混频器，所以器，所以净变频损耗比耗比镜像匹配像匹配时要小。将要小。将Gi代入式代入式(3-30)式式(3-32)求得求得镜像短路混像短路混频器的最小器的最小变频损耗、最正确源耗、最正确源电
9、导和和最正确最正确输出出电导为 第3章微波混频器(3-36)(3-37)第3章微波混频器图 3-9镜像短路混频器第3章微波混频器4. 镜像开路像开路(Gi0)时的的净变频损耗耗假假设在混在混频器的器的输入端与二极管之入端与二极管之间嵌入一个嵌入一个镜频抑制抑制滤波回路，那么构成波回路，那么构成镜像开路，如像开路，如图3-10所示。所示。在在镜像开路混像开路混频器中，由于器中，由于镜频电流流Ii0，因此不耗，因此不耗费镜频能量，而将能量，而将镜频能量能量储存起来，在存起来，在镜频抑制抑制滤波器的波器的两端构成两端构成镜频电压U，U又与本振基波混又与本振基波混频(Li=0)，得到有用的中得到有用的
10、中频能量，使能量，使输出的中出的中频功率添加。所以功率添加。所以镜像开像开路混路混频器具有最低的器具有最低的净变频损耗。耗。将将Gi0代入到式代入到式(3-30)式式(3-32)，得到，得到镜像开路混像开路混频器的最小器的最小净变频损耗、最正确信号源耗、最正确信号源电导和最正确和最正确输出出电导为 第3章微波混频器图 3-10镜像开路混频器第3章微波混频器(3-38)(3-39)第3章微波混频器图3-11是采用正弦电压鼓励时三种镜像形状的最小变频损耗和本振电压幅值的关系曲线。由图可见，镜像开路混频器和镜像短路混频器由于镜频能量回收，使得L开L短L1。(2) 当接纳宽带或“双边带信号时，Fm=L
11、2tm双/2，故整机噪声系数为 (3-64)第3章微波混频器当tm双1时，那么DSB：FmAL2+FIF3(dB)SSB：FmAL2+FIF (dB)3.3.4混频器的其他电气目的变频损耗和噪声系数是微波混频器的关键目的，是设计混频器时必需谨慎思索的。设计一个工程化的混频器，还要正确处置以下目的，才干满足整机运用要求。 第3章微波混频器1. 信号端口与本振端口的隔离度信号端口与本振端口的隔离度假设信号端口与本振端口的隔离较差，信号能量将会走假设信号端口与本振端口的隔离较差，信号能量将会走漏到本振端口，呵斥能量损失，以及本振能量走漏到信号端漏到本振端口，呵斥能量损失，以及本振能量走漏到信号端口，
12、呵斥信号源的不稳定及向外辐射能量，因此要求信号端口，呵斥信号源的不稳定及向外辐射能量，因此要求信号端口与本振端口之间具有一定的隔离度。口与本振端口之间具有一定的隔离度。用用PS表示输入信号功率，表示输入信号功率，PLS表示信号走漏到本振端口表示信号走漏到本振端口的功率，那么隔离度定义为的功率，那么隔离度定义为LSL=10 lg(PS/PLS)。也可用。也可用PL表示输入本振功率，表示输入本振功率，PSL表示本振走漏到信号端口的功率，表示本振走漏到信号端口的功率，那么隔离度定义为那么隔离度定义为LLS=10 lg(PL/PSL)。根据互易原理，。根据互易原理， 可可得到得到LLS=LSL。普通讯
13、号端口与本振端口的隔离是经过采。普通讯号端口与本振端口的隔离是经过采用特殊的电路构造来实现的，如采用定向耦合器来接入信号用特殊的电路构造来实现的，如采用定向耦合器来接入信号及本振。及本振。 第3章微波混频器2. 输入驻波比输入驻波比 混频器的输入端反射不仅导致失配损耗，而且当混频器混频器的输入端反射不仅导致失配损耗，而且当混频器为接纳机前置级时，由于反射信号在天线与接纳机之间来回为接纳机前置级时，由于反射信号在天线与接纳机之间来回传输，从而使输入端信号产生相位失真。在某些相位关系要传输，从而使输入端信号产生相位失真。在某些相位关系要求较高的系统里，对输入驻波比有特别严厉的要求，在普通求较高的系
14、统里，对输入驻波比有特别严厉的要求，在普通情况下，输入驻波比应小于情况下，输入驻波比应小于2。第3章微波混频器3. 动态范围 混频器的动态范围指可以使混频器有效任务的输入电平范围。假设用图3-17来表示混频器变频损耗与输入功率的关系，结合前面对小信号混频器的讨论，可见当输入电平较低时，输入功率与输出中频功率成线性关系，变频损耗也是常数；当输入功率添加到一定电平常，由于大信号作用，寄生频率增多， 因此使变频损耗添加。定义变频损耗相对于低电平恒定值增大1 dB时的输入电平为1 dB紧缩点，混频器的动态范围上限即是1 dB紧缩点，下限决议于噪声电平。 第3章微波混频器图 3-17混频器的动态特性第3
15、章微波混频器混频器的动态范围也可用输入微波功率和输出中频功率的关系来描画，类似于饱和功率放大器，只需输入功率大于1 dB紧缩点，就存在交调干扰(IMD)的能够。假设输入为单一频率，那么输出为中频的各次谐波，即Nfi=NfLNfS假设输入为两个接近的微波信号，就会出现高次双音交调，即上IM边带：fLNfS1(N1)fS2下IM边带：fLNfS2(N1)fS1N2，3，4第3章微波混频器图3-18给出了双音IMD的频谱图，图中本振频率为10 GHz，信号频率为9.9 GHz，输出中频为100 MHz，假定输入的两个微波频率为9.89 GHz和9.91 GHz。可见，最显著的IMD是3阶输出fL(2
16、fS1fS2)70 MHz和fL(2fS2fS1)=130 MHz，最容易出如今中频带宽内。 第3章微波混频器图 3-18双音IMD的频谱图第3章微波混频器图3-19给出了1 dB紧缩点与三阶交调的关系。输入信号的功率大于1 dB紧缩点后，线性外推到基频呼应与三阶IMD呼应相交的点成为实际三阶截点。混频器的三阶截点值越大，对三阶IMD的抑制越好，典型值为大于1 dB紧缩点10 dB左右。混频器应任务在输入功率小于1 dB紧缩点的范围内，门限噪声电平与1 dB紧缩点的区间成为线性范围，普通应大于60 dB 。 第3章微波混频器图 3-191 dB紧缩点与三阶交调的关系第3章微波混频器对于普通接纳
17、机，动态范围的限制普通并不构成太大的影响，但对用于测试仪表的混频器，由于需用混频器输出来表征待丈量参数，因此输入、输出信号之间需坚持严厉的线性关系，动态范围就必需予以限制。对于运动目的系统，接纳机在近间隔时是大功率任务，动态范围直接影响系统的任务性能。4. 频带宽度 频带宽度是指满足各项目的的混频器任务频率范围，它主要取决于二极管的寄生参量及组成电路各元件的频带宽度。除了这些目的，由于运用场所的不同，对混频器还会有不同的要求，运用中应详细问题详细分析。 第3章微波混频器5. 构造尺寸和环境条件构造尺寸和环境条件混频器的外形构造及接口方式由整机给出，在此根底上混频器的外形构造及接口方式由整机给出，在此根底上来确定混频器的电路拓扑方式，并进展电气目的设计。来确定混频器的电路拓扑方式，并进展电气目的设计。 环环境条件包括温度、湿度、振动、冲击、加速度、盐雾和低气境条件包括温度、湿度、振动、冲击、加速度、盐雾和低气压等，应根据混频器的运用场所采取相应的措施，以保证混压等，应根据混频器的运用场所采取相应的措施，以保证混频器的电气目的。频器的电气目的。
