二极管开关混频器实验

高频电子线路实验
二极管开关混频器实验
专业：电子科学与技术
学生姓名：何文康
学号：138063
指导教师：庞晶
完成时间：2016年1月4日
一、实验目的 ..................................................................................... - 1 -
二、实验内容 ..................................................................................... - 1 -
三、实验仪器 ..................................................................................... - 1 -
四、实验原理 ..................................................................................... - 1 -
1、环形混频器的工作原理................................................................ - 1 -
2、实验电路原理图 ........................................................................... - 5 -
五、实验步骤 ..................................................................................... - 6 -
六、实验记录 ................................................................................... - 7 -
1.测量混频器输出 .............................................................................. - 7 -
2.测量混频器镜像干扰....................................................................... - 9 -
七、实验报告内容 ........................................................................... - 11 -
八、心得体会 .................................................................................. - 11 -
一、实验目的
1、进一步掌握变频原理及开关混频原理。

2、掌握环形开关混频器组合频率的测试方法。

3、了解环形开关混频器的优点。

二、实验内容
1、 观察环形混频器输出和陶瓷滤波器输出各点的波形。

2、 测量输出回路。

3、 观察混频器的镜像干扰。

三、实验仪器
1、频谱分析仪（选项） 一台
2、20MHz 双踪模拟示波器 一台
3、万用表 一块
4、调试工具 一套
四、实验原理
1、环形混频器的工作原理
变频器的原理方框图如图2-1所示。

图2—1 变频原理方框图
图中u i 为信号电压，u L 为本地振荡电压。

当这两个不同频率的正弦电压，同时作用到一个非线性元件上时，就会在它的输出电流中，产生许多组合频率分量，选用适当的滤波器取出所需的频率分量ωo ，此时就完成了频率变换，这就是变频原理。

根据所选用的非线性器件不同，可以组成不同的混频器。

如二极管混频器、晶体管混频器、场效应管混频器和差分对管混频器等。

这些混频器各有其优缺点。

随着生产和科学技术的发展，人们逐渐认识到由二极管组成的平衡混频器和环形混频器较之晶体管混频器具有：动态范围大、噪声小、本地振荡无辐射、组合频率少等优点，因而目前被广泛采用。

如果把本振电压取得较大（约0.6—1V ），使二极管工作在导通、截止的开关状态，则这种由二极管组成的混频器性能会更好。

二极管的开关作用可用以下单位开关函数式来描述：
⎩⎨
⎧<>=V
V V V t S L L 6.00
6.01
)(
则二极管的电流可表示成：
()D D u t s g i ⋅=
g D 为二极管的导通电导，u D 为加在二极管上的电压。

下面就以图2-2所示的环形混频器为例，分析它工作在开关状态的原理。

把本图与典型的环形混频器电路相比，本振输出与中频输出的位置互换了；D 1 ～D 4 是经挑选具有相同参数的二极管,则认为它们都有相同跨导g D ；两个高频变压器线圈匝数均为1∶2，所以次级电压为初级电压的两倍。

由于本振电压起着开关作用，在本振电压的正半周，D 2、D 3导通；负半周，D 1、D 4 导通，其等效电路如图2-3所示。

在本振电压正半周的输出电流为：
()()D s g t s u u i i i 0322-=-='
负半周的输出电流为：
()()D S g t s u u i i i *0142+-=-=''
所以，总的输出电流为：
()()[]()()[]
t s t s g u t s t s g u i i i D D s *0*22+--=''+'= （2-1）
式中的S *（t ）也是受本振电压控制的单位开关函数，只是S *（t ）的时间比S （t ）落后T 0/2（相位落后π）。

它们的变化周期就是本振电压u L 的周期，如图2-4所示。

图2-4 S （t ）与S *
（t ）的关系
设u s = V sm sinωs t u L = V Lm sinωL t (2-2) 则S （t ）和 S *（t ）可用付里叶级数展开为：
() ++++=
t t t t s L L L ωπ
ωπωπ5sin 523sin 32sin 221 （2-3） () +---=+++++++=
t t t t t t t s L L L L L L ωπωπωππωπ
πωππωπ5sin 523sin 32sin 221)55sin(52
)33sin(32)sin(221* （2-4）
由（2-3）、（2-4）式可得：
()()1*=+t s t s （2-5）
()())
(sin 4
5sin 54
3sin 34sin 4
1
*为奇整数n t n n t t t t s t s n L L L L ∑∞
==+++
=
-ωπωπ
ωπωπ
（2-6）
将（2-5）、（2-6）式代入（2-1）式得：
t V g t t V g t t V g t t V g n t V g t n t V g i m D s L s L sm D s L s L sm D s L s L sm D cm D L n s sm D 0001
sin 2])5cos()5[cos(54])3cos()3[cos(34
]
)cos()[cos(4
)(sin 2sin 4
sin 2ωωωωωπ
ωωωωπωωωωπ
ωωπω-++--++--++--=-=∑∞
= 为奇整数 （2-7）
从（2-7）式可以看出：环形开关混频器工作在开关状态时，输出电流中的组合频率只有本振电压的奇次谐波与信号电压频率的基波的组合，用一通式表示组合频率为
()S L P ωω±+12其中p=0、1、2、……
即使环形混频器不工作在开关状态，它的输出电流也只含有本振电压的奇次谐波与信号电压的奇次谐波的组合，也可用通式
()()s L q P ωω1212+±+来表示，其中
p 、q=0、1、2、3、……。

较之其它的混频器，
组合频率干扰少是其突出的优点之一。

从（2-7）式，我们还可以找出中频电流分量为：
()t g V t V g i D m s L sm D 000sin 2cos 4
ωωωπ
--=
(2-8)
式中第二项是负载电压反作用所引起的中频电流。

同理，可以从图2—3中分析得到，总的输入信号电流为：
()()[]
t s t s g u g u i i i D D s r r
r *022--=''+'=
从而可以得出信号电流成分为：
()t V g t g V i o L im D s D sm S ωωπ
ω--
=cos 4
sin 2 (2-9)
把（2-8）、（2-9）两式中的电流电压写成复数形式，得：
∙
∙∙
∙
-=
-
=00024
4
2v g v g i v g v g i D s D D s D s π
π
，
与它对应的等效电路如图2—5所示：
图2-5 等效电路图
图中：D g g ⎪⎭
⎫ ⎝⎛-
=π421D g g π42
= 网络特性阻抗2
212104
122π
-
=+=
D g g g g g
根据等效电路，不难求得此混频器的增益：
L
sm om V g g g g V V K ++=
=
212
0 当环形混频器的负载开路时，即R L →∞，g L →0这时
64.02
12
≈+=g g g K VC
由此可见,环形混频器没有变频增益，只有衰减，最大的VC K ≈0.64，这也是它的缺点。

在全匹配条件下，即0g g L =,0g g s =，功率增益最大为：
1.0)3
2.0(22
021
2
2=≈⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++==g g g g K K VC
PC dB dB K PC 10)(-≈
2、实验电路原理图，如附图G4
图中MIX41为集成环形开关混频器，型号为HSPL —1。

其内部电原理如图2-6。

图2—6 集成环形开关混频器内部电路原理图
封装外引脚功能如下：
其中，1脚为射频信号输入端，8脚为本振信号输入端，3脚、4脚为中频信号输出端，2、5、6、7接地。

图4.3 二极管开关混频器模块电原理图
本混频器的本振输入信号在+3dBm — +13 dBm 之间，用高频信号源输入本振信号，频率选为10.7MHz ，而射频信号是由正弦振荡部分产生的10.245 MHz 的信号。

输出取差频10.7-10.245=455KHz 信号，经过455KHz 的陶瓷滤波器FL1进行滤波，选取中频信号，因信号较弱，经Q3进行放大。

此放大电路的静态工作电流为CQ I =7mA(V E =3.36V)。

选R 21=R E =470Ω,取R C =R 19=560Ω。

R 18=3.6K 。

R 17=5.1K 。

W 3=5.1K 。

其中R 8，R 9，R 10；R 11，R 12，R 13；R 14，R 15，R 16组成三组隔离电路。

因为频率较高，信号较强，且信号引入较长，存在一定感应，在输出可能存在一定强度的本振信号和射频信号。

五、实验步骤
混频器是非线性器件，输出的组合频率较多，为了能更好地观察输出信号，建议使用频谱分析仪对混频器输出端的信号进行测试。

1、 熟悉频谱分析仪的使用。

2、 调整静态工作点：按下开关K41，则LED41亮。

调节电位器W41使三极管Q41发射极对地的电压U EQ =3.36V （即测P1与G 两焊点之间的电压）。

3、 接通射频信号：从IN42输入10.245MHz 的正弦波信号，此信号由正弦波振荡部分产生（产生方法：按下开关K51，连接跳线J5
4、J53，此时J52、J5
5、J56断开，调节CC52使TT51处输出信号的频率为10.245MHz ，调节W51使TT51输出信号峰峰值约400mV 左右）。

4、 输入本振信号：从IN41输入10.7MHz 的本振信号, 本振信号由高频信号源提供，产生方法参考高频信号源的使用，本振信号的峰峰值Vp-p 不小于300mV 。

5、 验证环形混频器输出组合频率的一般通式（选做）
用频谱仪在TT41处观察混频器的输出信号，验证环形开关混频器输出组合频率的一般通式为
()s f f P ±+112（p=0、1、2……）
同时用示波器在TT41处观察波形。

6、测量输出回路（选做）
用频谱仪在TT43处观察各频率分量，计算选频回路对除中频455KHz之外的信号的抑制度，同时用示波器在TT42处观察输出波形，比较TT41与TT42处波形形状。

7、观察混频器镜像干扰
IN41处信号频率不变，由正弦振荡单元的LC振荡部分产生11.155MHz的信号作为IN42处的输入信号。

11.155MHz信号的产生方法是：按下开关K51，连接跳线J52、J55，此时J53、J54、J56断开，调节CC51使TT51处输出信号的频率为11.155MHz，调节W51使TT51输出信号峰峰值约300mV左右）。

观察TT42处的信号是否也为455KHz。

此即为镜像干扰现象。

六、实验记录
1.测量混频器输出
F=102.5MHz振荡正弦部分
F=10.7MHz 本振信号
f=455KHZ TT42处频率分量2.测量混频器镜像干扰
f=11.155MHzLC振荡信号
F=10.7MHz本振信号
f=455KHZ TT42处频率分量
七、实验报告内容
1、整理本实验步骤5、6中所测得的各频率分量的大小，并计算选频回路对中频以外分量的抑制度。

2、绘制步骤5、6中分别从TT41、TT42处用示波器测出的波形。

3、说明镜像干扰引起的后果，如何减小镜像干扰？
答：镜像频率如果位于输入回路的通频带内，通过外差的变频作用就会把像频位置以及附近的信号搬移到中频带内，对接收信号形成干扰。

提高前端电路的选择性，合理选择中频，合理选用电子器件与工作点。

八、心得体会
1．实验过程中遇到的问题及解决方法
镜像不清楚。

测量的时候有误。

2．收获
输出的中频信号为信号源即IN41处信号和射频信号IN42处信号的差值，结果可能不是准确的455KHz，而在其附近。