混频器

由非线性元件和选频回路构成的电路

混频器是输出信号频率等于两输入信号频率之和、差或为两者其他组合的电路。混频器通常由非线性元件和选频回路构成。

简介

变频，是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为变频器（或混频器）。

一般用混频器产生中频信号：

混频器将天线上接收到的射频信号与本振产生的信号相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2

可以这样理解，α为射频信号频率量，β为本振频率量，产生和差频。当混频的频率等于中频时，这个信号可以通过中频放大器，被放大后，进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大，然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化，因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。

当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时，屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度，将不同频率上信号的幅度记录下来，就得到了被测信号的频谱。

从频谱观点看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真地从fc搬移到中频的位置上，因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来实现这种搬移。

基本概念

混频是指将信号从一个频率变换到另外一个频率的过程 ,其实质是频谱线性搬移的过程。在超外差接收机中 ,混频的目的是保证接收机获得较高的灵敏度 ,足够的放大量和适当的通频带 ,同时又能稳定地工作。混频电路包括三个组成部分 : 本机振荡器、非线性器件、带通滤波器。

由于非线性元件( 如二极管、三极管、场效应管等) 的作用,混频过程中会产生很多的组合频率分量 : p f L ±qf S 。一般来讲 ,其中满足需要的仅仅是 f I =f L -f S 或者是f I =f S -f L 。前者产生中频的方式称为高差式混频 , 后者称为低差式混频。在这里 ,混频过程中产生的一系列组合频率分量经过带通滤波器即可以选择输出相应的中频 ,而其他的频率分量会得到抑制。

分类

从工作性质可分为二类，即加法混频器和减法混频器分别得到和频及差频。从电路元件也可分为三极管混频器和二极管混频器。从电路工作方式可分为有源混频器和无源混频器。

混频器和频率混合器是有区别的。后者是把几个频率的信号线性的迭加在一起，不产生新的频率。

斜率鉴频器

利用线性网络的幅频特性把调频波变换为调幅一调频波的鉴频器。图1中(a)所示的是这种鉴频器的原理电路图。晶体管VT和LC回路构成一个调谐放大器，但回路的谐振频率f0和调频波的中心频率fc是失谐的，如图1中(b)所示。因此当调频波瞬时频率变化时，其幅度也随之变化，LC回路的输出是一个调幅一调频波。利用由二极管VD和RC并联电阻所构成的包络检波器，就可以检出所需的原来的调制信号，实现频率检波。斜率鉴频器的电路简单，但回路的幅频特性不是线性，因而鉴频特性的线性差。此外，这种鉴频器没有抑制寄生调幅干扰的能力，通常必须在鉴频之前,对调频波进行限幅，使其幅度保持不变，以减小寄生调幅的影响。

相位鉴频器

利用线性移相网络把调频波变换为调相一调频波的鉴频器。图2中(a)是这种鉴频器的电路。初次级回路L1C1和L2C2都和调频波的中心频率fc调谐，即fc=f1=f2=f0；耦合电容C0将初级回路电压u1加到次级回路线圈的中心抽头上，因此两个二极管检波器的输入电压分别是：

鉴频器输出电压u则是检波器负载电阻R1和R2的电压差。图2中(b)画出了u2三种不同相位时加到两个检波器的电压变化。当调频波瞬时频率f=f0时，U1与U2互相垂直，因而|UVD1|=|UVD2|，这时鉴频器输出等于零。当f>f0时，U2滞后于U1的相位大于90°，|UVD1|<|UVD2| ，鉴频器的输出大于零；反之，当f0时，U 2相对于U 1的相位滞后小于90°，|UVD1|>|UVD2|，因而鉴频器的输出小于零。鉴频器输出电压对输入信号频率f的关系曲线，叫做鉴频特性曲线。相位鉴频器的线性较好，鉴频灵敏度（单位频率变化时所产生的输出电压）也较高，但抗寄生调幅干扰性能较差。采用具有自限幅能力的比例鉴频器是解决这个问题的较理想的办法。

应用

频率变换

这是混频器的一个众所周知的用途。常用的有双平衡混频器和三平衡混频器。三平衡混频器由于采用了两个二极管电桥。三端口都有变压器，因此其本振、射频及中频带宽可达几个倍频程，且动态范围大，失真小，隔离度高。但其制造成本高，工艺复杂，因而价格较高。

鉴相

理论上所有中频是直流耦合的混频器均可作为鉴相器使用。将两个频率相同，幅度一致的射频信号加到混频器的本振和射频端口，中频端将输出随两信号相差而变的直流电压。当两信号是正弦时，鉴相输出随相差变化为正弦，当两输入信号是方波时，鉴相输出则为三角波。使用功率推荐在标准本振功率附近，输入功率太大，会增加直流偏差电压，太小则使输出电平太低。

可变衰减器

此类混频器也要求中频直流耦合。信号在混频器本振端口和射频端口间的传输损耗是有中频电流大小控制的。当控制电流为零时，传输损耗即为本振到射频的隔离，当控制电流在20mA以上时，传输损耗即混频器的插入损耗。这样，就可用正或负电流连续控制以形成约30dB变化范围的可变衰减器，且在整个变化范围内端口驻波变化很小。同理，用方波控制就可形成开关。

相位调制器

（BPSK）此类混频器也要求中频直流耦合。信号在混频器本振端口和射频端口间传输相位是由中频电流的极性控制的。在中频端口交替地改变控制电流极性，输出射频信号的相位会随之在0°和180° 两种状态下交替变化。

参量混频器

利用非线性电抗特性将输入信号变换为中频信号的电路。电抗元件在理想情况下既不消耗功率也不产生噪声，所以参量混频器具有变换效率高、噪声小的优点。雷达和微波系统常用参量混频来实现低噪声接收。在并联电流型参量混频电路中用高Q滤波器Fc、F1和Fi隔开的三个回路,分别只允许信号电流ic、本振电流i1和差频电流ii流过。非线性电抗元件一般由变容二极管构成,它在本振电压(又称泵电压)的控制下,在输入与输出信号间起非线性变换作用。

正交相移键控调制

QPSK是由两个BPSK、一个90度电桥和一个0度功分器构成。I/Q调制/解调器调制与解调实为相互逆反的过程，在系统中是可逆。这里主要介绍I/Q解调器，I/Q解调器由两个混频器、一个90度电桥和一个同相功分器构成。

镜像抑制混频器

抑制镜像频率的滤波器一般都是固定带宽的。但当信号频率改变时，镜频频率也随之改变，可能移出滤波器的抑制频带。在多信道接收系统或频率捷变系统中，这种滤波器将失去作用。这时采用镜频抑制混频器，本振频率变化时，由于混频器电路内部相位配合关系，被抑制的镜频范围也将随之改变，使其仍能起到镜频抑制的作用。由于电路不是完全理想特性，存在幅度不平衡和相位不平衡，可能使镜像抑制混频器的电性能发生恶化，下图为幅度不平衡和相位不平衡对电性能响加以说明。

单边带调制器

在多信道发射系统中，由于基带频率很低若采用普通混频器作频谱搬移，则在信道带宽内将有两个边带，从而影响频谱资源的利用。这时可采用单边带调制器来抑制不需要的边带，其基本结构为两个混频器、一个90度功分器和一个同相功分器。将基带信号分解为正交两路与本振的正交两路信号混频，采用相位抵销技术来抑制不需要的边带，本振由于混频器自身的隔离而得到抑制。

参数

（1）噪声系数：混频器的噪声定义为：NF=Pno/Pso Pno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0=290K时，传输到输出端口的总噪声资用功率。Pno主要包括信号源热噪声，内部损耗电阻热噪声，混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。

（2）变频损耗：混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。主要由电路失配损耗，二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。

（3）1dB压缩点：在正常工作情况下，射频输入电平远低于本振电平，此时中频输出将随射频输入线性变化，当射频电平增加到一定程度时，中频输出随射频输入增加的速度减慢，混频器出现饱和。当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。对于结构相同的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性，一般比本振功率低6dB。

（4）动态范围：动态范围是指混频器正常工作时的微波输入功率范围。其下限因混频器的应用环境不同而异，其上限受射频输入功率饱和所限，通常对应混频器的1dB压缩点。

（5）双音三阶交调：如果有两个频率相近的微波信号fs1和fs2和本振fLO一起输入到混频器，由于混频器的非线性作用，将产生交调，其中三阶交调可能出现在输出中频附近的地方，落入中频通带以内，造成干扰，通常用三阶交调抑制比来描述，即有用信号功率与三阶交调信号功率比值，常表示为dBc。因中频功率随输入功率成正比，当微波输入信号减小1dB时，三阶交调信号抑制比增加2dB。（6）隔离度：混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位dB。

（7）本振功率：混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。原则上本振功率愈大，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）。

（8）端口驻波比：端口驻波直接影响混频器在系统中的使用，它是一个随功率、频率变化的参数。

（9）中频剩余直流偏差电压：当混频器作鉴相器时，只有一个输入时，输出应为零。但由于混频管配对不理想或巴伦不平衡等原因，将在中频输出一个直流电压，即中频剩余直流偏差电压。这一剩余直流偏差电压将影响鉴相精度。

CMOS混频器

在降低射频产品成本的驱动下 , 如何采用成本低廉、集成度高的 CMOS 工艺实现高性能的射频集成电路 ,已成为射频集成电路设计研究的焦点。人们不断提出基于 CMOS工艺的射频电路结构及设计技术, 并逐渐推出成熟的 CMOS射频产品,取得了非常大的成绩。混频器作为接收机的关键模块 , 其CMOS设计技术的研究也是非常重要的课题之一。

因此, 混频器的设计通常需要考虑转换增益、线性度、噪声系数、端口之间的隔离度以及功耗等性能指标。1)为了弥补中频滤波器的损耗 ,以及降低混频器后续电路噪声对系统噪声的贡献, 混频器需要有一定的转换增益 ,但是 ,增益太大又会影响混频器的输出。 2)混频器的线性度是各项性能中最重要的性能 ,直接决定接收机的动态范围。当射频输入信号的功率过大 ,超过混频器的 1 dB压缩点时, 中频输出信号的功率就会比预期值有大幅度的衰减, 偏离原来的线性轨迹 ; 由于混频器存在三次非线性项,相邻频道的射频信号造成的三阶互调量会对中频输出信号造成严重的干扰 ,通常用 IIP3(inpu t th ird- orde r intercept point)或 O IP3(ou tpu t third- o rde r intercept point)来表征混频器对三阶互调量的抑制能力。3)为了降低系统噪声及减轻 LNA 的设计压力 , 混频器应该具有较低的噪声系数。 4)混频器中的本振信号 LO 摆幅通常比较大, 很容易造成信号馈通引起干扰 ,特别是馈通到射频输入端,影响其他接收机或引起自混频(对零中频接收机的性能影响非常大)。因此 ,混频器需要具有良好的隔离度。 5)功耗是所有模块必须考虑的问题,降低混频器的功耗,可有效地降低系统功耗。

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