微波混频器
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20
三、混频器的基本电路结构
RF IF
直流 偏置电路
LO
输入 匹配电路 输入 混合网络
非线性 器件
输出 匹配电路
中频 滤波电路
IF
RF LO
21
三、混频器的基本电路结构
• 混频管 — A nonlinear or time-varying element
通常非线性变频管采用二极管（非线性电阻二极管：肖特基势 垒二极管； 非线性电容二极管：变容管、阶跃恢复二极管等； 晶体管（微波场效应管，MESFET）。 采用肖特基势垒二极管做变频元件：变频损耗相对较高，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。
3） 镜像频率Image Frequency
down-conversion
f RF 1 = f L 0 + f IF
f RF 2 = f L 0 − f IF
They are indistinguishable at the IF stage, unless to reselect the signal and stop the noise or interference.
•
•
23
三、混频器的基本电路结构
•本振、射频信号的混合网络－使得本振和信号功率耦合 到混频管上，并有良好的驻波比和隔离度（可采用定向耦 合器、混合环等无源电路结构） • 滤波电路－提取所需要的射频和中频信号； • 直流偏置电路－从降低本振功率，改善混频器噪声性能 的目的出发，可以给混频管加适当的直流偏置；为了简化 电路结构，可以采用自偏置； • 匹配电路－为了改善变频损耗、抑制镜像频率等目的； 集成电路混频器是主流：主要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。
22
三、混频器的基本电路结构
电路结构形式：
•
混频器有单管式混频：单管混频只用一支二极管，结 构简单，成本低，但噪声高，抑制干扰能力差，在要 求不高处可以采用 两管平衡式混频：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 多管式混频：比如管对式双平衡混频器，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。
3
一、背景－应用
频谱分析仪
4
二、基本特性
1、混频器的典型参数 1）工作频率 2）变频损耗 Conversion Loss 3）镜像频率 Image Frequency 4）噪声系数 Noise Figure 5）交调失真 Intermediation Distortion 6）隔离度 Isolation 7）动态范围 Dynamic range 8）本振功率
f
5）交调失真 Intermediation Distortion
ωs1 ωs 2
RF IF
ωL ± ( nωs1 ± mωs 2 )
LO
定义 m + n = k 为交调失真的阶数，例如 k = 2（当 m = 1，n = 1）是二 阶交调，二阶交调产物有
ω m 2 = ω L ± ( ω s1 ± ω s 2 )
5
RF
IF
LO
1）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
wk.baidu.com
3） 镜像频率Image Frequency
9
4）噪声系数 Noise figure
① Noise is generated by diode or transistor elements, thermal sources due to resistive losses. ② Diode mixers generally achieve lower noise figures than transistor mixers.
1课时
1课时
• 谐波混频器 • 国内外发展现状
2
一、背景－应用
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。 在微波通信、雷达、遥控、遥感、侦察与电子对抗系统，以及 微波测量系统中，将微波信号用混频器降到中低频来进行处理。
Transmitter up-conversion
Receiver down-conversion
2、三阶交调截止点Ma：与输入信号强度无 关。1dB压缩点P1dB和三阶交调截止点常作 为混频器线性度的标志参数。 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，Mi将为–30dBc。 三阶交调特性及饱和点，都和本振功率及 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。混频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。
17
6）隔离度 Isolation
（3）信号（RF）至中频（IF）隔离度 该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15~20dB左右，较好者可达到30dB。
镜像匹配时：信号输入功率有一部分会变成镜像功率在信号源内导上 消耗掉——变频损耗大。主要应用在宽带接收机或双 边带接收 镜像开路或短路时：输入信号的镜像频率被短路或开路抑制，而没有 损耗——变频损耗小。主要应用在窄带接收机或单边 带接收
11
镜像短路或开路混频器的噪声系数近似等于变频损耗
P
本振
Pas Paif=Pas/L Nas Nas
《微波器件与电路》
——第五章 微波混频器（上）
东南大学毫米波国家重点实验室 陈 墨 2010-11-11
本章基本内容
• • • •
背景 混频器的基本特性（P528—§12.6.1） 混频器的工作原理（P528—§12.6.1） 典型的混频器电路
单端混频器（P532—§12.6.2～§12.6.3 ） 平衡混频器（P535—§12.6.4 ） 镜像抑制混频器（P537—§12.6.5） 其它结构的混频器（P539—§12.6.6）
（1）信号（RF）至本振（LO）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。 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
6）隔离度 Isolation
（2）本振（LO）至信号（RF）的隔离度 本振功率可能从接收机信号端反向辐射或从天线 反发射，造成对其他电设备干扰，使电磁兼容指标达 不到要求。 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80~100dB。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。
15
6）隔离度 Isolation
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：
Lsp = 10 lg
信号输入到混频器的功率 在本振端口测得的信号功率
N aif S as / N as F= =L S aif / N aif N as
10
4）噪声系数 Noise figure
③
F = 2FDSB SSB
本振
Depends On：电路结构和信号边带！
混频电流分量振幅
Idc
镜频 中频 中频滤波
信号 和频
f f if = fS - f L f i= fL - fif f L f S 3fL- f S 2f L f u= fS +fL 3f L
0 P
本振
f
另一边带的 的噪声被抑 制了
0
滤波 Pas Paif=Pas/L Naif=Nas Nas
f
镜像匹配混频器接收单边带信号，噪声系数恶化3dB
P
本振
Pas Paif=Pas/L Nas Nas
0 P
本振
f
负频率上的 噪声翻转到 中频上
0
Paif=Pas/L Naif=2Nas
Pas
Nas
24
四、工作原理
25
1、二极管的应用
26
1、二极管的应用
27
1、二极管的应用
28
1、二极管的应用－混频
29
2、低射频信号、高本振信号
i ( t ) = f ( v ) = f (Vdc + vRF + vLO )
i ( t ) = f (Vdc + vLO ) + f (1) (Vdc + vLO ) vRF 1 (2) 1 (n) 2 + f (Vdc + vLO ) v RF + L + f (Vdc + vLO ) v n + L RF n! 2!
由于信号幅度比较小，可以省略二次方以上各项高次项，因此可 以得到： 由本振决定，可以表示为本振的周期函数
i ( t ) = f (Vdc + vLO ) + f (1) (Vdc + vLO ) vRF = f (Vdc + vLO ) + g ( t ) vRF
当 k = 3 时是三阶交调，其中有两项
ωm3 = ωL − ( 2ωs1 − ωs 2 )
和
ωm3 = ωL − ( 2ωs 2 − ωs1 )
14
5）交调失真 Intermediation Distortion
三阶交调系数
Pω m 3 ⎛ 三阶交调分量功率 ⎞ M i (dB ) = 10 lg⎜ ⎟ = 10 lg Pif ⎝ 有用信号功率 ⎠
6
2）变频损耗 Conversion loss
PRF LC = 10 lg PIF
① 产生的原因：电阻损耗（resistive losses） 、频率变换 （frequency conversion） ② 二极管混频器的变频损耗约几个dB ③ 三极管混频器可以有变频增益 ④ 当本振功率比较高时（5~13dBm），混频器具有较低 的变频损耗，但是这时候需要采用非线性方法对混频器 进行分析。
假设接收机带宽为2MHz，噪声系数为6dB，则对应噪声电平为-105dBm，如果 要求最小功率高于噪声电平10dB，则混频器动态范围的下限为-95dBm。
8）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。 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 = 10~12dBm。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、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。
Solved by BPF or Amplifier.
18
7）动态范围 Dynamic range
定义变频损耗相对于低电平恒定值增加1dB时的输入电平为1dB压 缩点，混频器的动态范围上限即1dB压缩点，下限取决于噪声电平。
Pmin = kT0 BF0 = ⎡ −174 + 10 log ( B ) + 10 log ( F0 ) ⎤ dBm ⎣ ⎦
三、混频器的基本电路结构
RF IF
直流 偏置电路
LO
输入 匹配电路 输入 混合网络
非线性 器件
输出 匹配电路
中频 滤波电路
IF
RF LO
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三、混频器的基本电路结构
• 混频管 — A nonlinear or time-varying element
通常非线性变频管采用二极管（非线性电阻二极管：肖特基势 垒二极管； 非线性电容二极管：变容管、阶跃恢复二极管等； 晶体管（微波场效应管，MESFET）。 采用肖特基势垒二极管做变频元件：变频损耗相对较高，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。
3） 镜像频率Image Frequency
down-conversion
f RF 1 = f L 0 + f IF
f RF 2 = f L 0 − f IF
They are indistinguishable at the IF stage, unless to reselect the signal and stop the noise or interference.
•
•
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三、混频器的基本电路结构
•本振、射频信号的混合网络－使得本振和信号功率耦合 到混频管上，并有良好的驻波比和隔离度（可采用定向耦 合器、混合环等无源电路结构） • 滤波电路－提取所需要的射频和中频信号； • 直流偏置电路－从降低本振功率，改善混频器噪声性能 的目的出发，可以给混频管加适当的直流偏置；为了简化 电路结构，可以采用自偏置； • 匹配电路－为了改善变频损耗、抑制镜像频率等目的； 集成电路混频器是主流：主要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。
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三、混频器的基本电路结构
电路结构形式：
•
混频器有单管式混频：单管混频只用一支二极管，结 构简单，成本低，但噪声高，抑制干扰能力差，在要 求不高处可以采用 两管平衡式混频：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 多管式混频：比如管对式双平衡混频器，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。
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一、背景－应用
频谱分析仪
4
二、基本特性
1、混频器的典型参数 1）工作频率 2）变频损耗 Conversion Loss 3）镜像频率 Image Frequency 4）噪声系数 Noise Figure 5）交调失真 Intermediation Distortion 6）隔离度 Isolation 7）动态范围 Dynamic range 8）本振功率
f
5）交调失真 Intermediation Distortion
ωs1 ωs 2
RF IF
ωL ± ( nωs1 ± mωs 2 )
LO
定义 m + n = k 为交调失真的阶数，例如 k = 2（当 m = 1，n = 1）是二 阶交调，二阶交调产物有
ω m 2 = ω L ± ( ω s1 ± ω s 2 )
5
RF
IF
LO
1）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。
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wk.baidu.com
3） 镜像频率Image Frequency
9
4）噪声系数 Noise figure
① Noise is generated by diode or transistor elements, thermal sources due to resistive losses. ② Diode mixers generally achieve lower noise figures than transistor mixers.
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1课时
• 谐波混频器 • 国内外发展现状
2
一、背景－应用
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。 在微波通信、雷达、遥控、遥感、侦察与电子对抗系统，以及 微波测量系统中，将微波信号用混频器降到中低频来进行处理。
Transmitter up-conversion
Receiver down-conversion
2、三阶交调截止点Ma：与输入信号强度无 关。1dB压缩点P1dB和三阶交调截止点常作 为混频器线性度的标志参数。 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，Mi将为–30dBc。 三阶交调特性及饱和点，都和本振功率及 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。混频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。
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6）隔离度 Isolation
（3）信号（RF）至中频（IF）隔离度 该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15~20dB左右，较好者可达到30dB。
镜像匹配时：信号输入功率有一部分会变成镜像功率在信号源内导上 消耗掉——变频损耗大。主要应用在宽带接收机或双 边带接收 镜像开路或短路时：输入信号的镜像频率被短路或开路抑制，而没有 损耗——变频损耗小。主要应用在窄带接收机或单边 带接收
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镜像短路或开路混频器的噪声系数近似等于变频损耗
P
本振
Pas Paif=Pas/L Nas Nas
《微波器件与电路》
——第五章 微波混频器（上）
东南大学毫米波国家重点实验室 陈 墨 2010-11-11
本章基本内容
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背景 混频器的基本特性（P528—§12.6.1） 混频器的工作原理（P528—§12.6.1） 典型的混频器电路
单端混频器（P532—§12.6.2～§12.6.3 ） 平衡混频器（P535—§12.6.4 ） 镜像抑制混频器（P537—§12.6.5） 其它结构的混频器（P539—§12.6.6）
（1）信号（RF）至本振（LO）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。 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。
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6）隔离度 Isolation
（2）本振（LO）至信号（RF）的隔离度 本振功率可能从接收机信号端反向辐射或从天线 反发射，造成对其他电设备干扰，使电磁兼容指标达 不到要求。 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80~100dB。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。
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6）隔离度 Isolation
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：
Lsp = 10 lg
信号输入到混频器的功率 在本振端口测得的信号功率
N aif S as / N as F= =L S aif / N aif N as
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4）噪声系数 Noise figure
③
F = 2FDSB SSB
本振
Depends On：电路结构和信号边带！
混频电流分量振幅
Idc
镜频 中频 中频滤波
信号 和频
f f if = fS - f L f i= fL - fif f L f S 3fL- f S 2f L f u= fS +fL 3f L
0 P
本振
f
另一边带的 的噪声被抑 制了
0
滤波 Pas Paif=Pas/L Naif=Nas Nas
f
镜像匹配混频器接收单边带信号，噪声系数恶化3dB
P
本振
Pas Paif=Pas/L Nas Nas
0 P
本振
f
负频率上的 噪声翻转到 中频上
0
Paif=Pas/L Naif=2Nas
Pas
Nas
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四、工作原理
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1、二极管的应用
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1、二极管的应用
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1、二极管的应用
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1、二极管的应用－混频
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2、低射频信号、高本振信号
i ( t ) = f ( v ) = f (Vdc + vRF + vLO )
i ( t ) = f (Vdc + vLO ) + f (1) (Vdc + vLO ) vRF 1 (2) 1 (n) 2 + f (Vdc + vLO ) v RF + L + f (Vdc + vLO ) v n + L RF n! 2!
由于信号幅度比较小，可以省略二次方以上各项高次项，因此可 以得到： 由本振决定，可以表示为本振的周期函数
i ( t ) = f (Vdc + vLO ) + f (1) (Vdc + vLO ) vRF = f (Vdc + vLO ) + g ( t ) vRF
当 k = 3 时是三阶交调，其中有两项
ωm3 = ωL − ( 2ωs1 − ωs 2 )
和
ωm3 = ωL − ( 2ωs 2 − ωs1 )
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5）交调失真 Intermediation Distortion
三阶交调系数
Pω m 3 ⎛ 三阶交调分量功率 ⎞ M i (dB ) = 10 lg⎜ ⎟ = 10 lg Pif ⎝ 有用信号功率 ⎠
6
2）变频损耗 Conversion loss
PRF LC = 10 lg PIF
① 产生的原因：电阻损耗（resistive losses） 、频率变换 （frequency conversion） ② 二极管混频器的变频损耗约几个dB ③ 三极管混频器可以有变频增益 ④ 当本振功率比较高时（5~13dBm），混频器具有较低 的变频损耗，但是这时候需要采用非线性方法对混频器 进行分析。
假设接收机带宽为2MHz，噪声系数为6dB，则对应噪声电平为-105dBm，如果 要求最小功率高于噪声电平10dB，则混频器动态范围的下限为-95dBm。
8）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。 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 = 10~12dBm。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、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。
Solved by BPF or Amplifier.
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7）动态范围 Dynamic range
定义变频损耗相对于低电平恒定值增加1dB时的输入电平为1dB压 缩点，混频器的动态范围上限即1dB压缩点，下限取决于噪声电平。
Pmin = kT0 BF0 = ⎡ −174 + 10 log ( B ) + 10 log ( F0 ) ⎤ dBm ⎣ ⎦