射频通信电路6_混频器

杨远望 yuanwangyang@uestc.edu.cn
&6.2 混频器主要性能指标
1. 频率变换-变频增益
输出变频信号的大小与输入RF信号大小之比。
电压增益
功率增益
Av Gp
VIF V 20lg IF (dB) VRF VRF PIF P 10lg IF ( dB) PRF PRF
ωIF
非线性失真小，噪声小,适用于窄带信号变频。
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二、有源混频器
• 单管跨导型混频器
实质上就是（大信号）非线性放大器，与无源 混频器相比，只不过具有一定的增益。
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• 单平衡有源混频器
大信号作差分放大器开关信号输入（VLO）， 小信号（VRF）调控差分射极衡流源。
• 下混（变）频器
用滤波器选出差频信号
f I f RF f Lo
RF Lo
f RF
• 上混（变）频器
用滤波器选出和频信号
f Lo
RF Lo
f RF
f Lo
f I f RF f Lo
混频器应仅实现频谱的线性搬移,输出信号与 输入RF信号的频谱结构（已调制谱）相同，不同 的是载波频率，因此，变频仅对载波进行。
第六章 射频混频器 (书中第六章)
电子科技大学 杨远望
杨远望 yuanwangyang@uestc.edu.cn
混频器就是变频器，起着频谱搬移作用, 它是电子通信系统中的重要组成部分之一。
RF IF1
BPF (1) LNA BPF (2) IF1 Amp (1)
IF1 IF 2
BPF (3) IF2 Amp (2) 解调
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解回路方程组，且利用单向开关函数，得到
2VRF (t ) (iD1 iD 2 ) S1 ( LOt ) 2 RL RD
（2）VLO负半周时 D1、D2截止，D3、D4导通， 等效电路如下
vLo + + vRF
iD 4
RL
D1
vLo +
高本振
fRF fLO
镜像干扰fim
fLO+fIF B f
中频信号 fIF =fLO-fRF 镜像干扰fim
fLO-fIF B
镜像干扰信号 fim=fLO+fIF
低本振
fLO fRF
f
中频信号 fIF =fRF-fLO
镜像干扰信号 fim=fLO-fIF 杨远望 yuanwangyang@uestc.edu.cn
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VRF cos IF t
(3) 环形混频器靠四只工作在线性时变状态的二 极管完成混频，当器件（包括线圈）对称性良好 时，不但能抑制载漏与交调，且端口间还有良好 的隔离度。是目前最为常用的无源混频器!
•无源三极管混频器
ωRF Lo
RF
IF
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&6.3 混频器电路及设计
一、无源混频器
• 单二极管混频器
vo
g gD vLo vRF
iD vD
iD
g(t) vD
vLo为大信号，对 二极管起开关控制 作用.
vLo t
伏安特性
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二极管变频跨导
寄生通道干扰和互调干扰中的高阶成分(干 扰)，主要从设计上考虑并降低. a.降低fRF的功率要求; b.选择线性范围大的非 线性器件(混频器) 。
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5. 隔离度
理想混频器信号的流向是确定的，但实际混频器存 在频谱泄露、反射（阻抗不匹配）、窜透等现象，各端 口间信号相互影响，严重时将会影响系统的正常工作。
混频器基波输出(中频)分量
VRF iIF (t ) cos IF t 2 RL RD 4
若
RL RD
VIF (t )
2
特点: (1) S2(ωt)无偶次分量，因此输出中没有VRF、 VLO的基波分量与偶次分量。 (2) 由于对称性，任意时刻流过本振与射频线 圈两个部分的电流均相向，从而，环形混频 还有良好的端口隔离特性。
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实际非线性器件不具有理想的平方特性 （乘法功能），因而会产生很多其它不需要 的频率分量，当某些频率分量一旦进入后接 滤波器的通带，将成为噪声,影响电路性能。 解决措施
1.选择特性较好的非线性器件及混频信号 的大小关系。 2. 系统设计中选好变频频率关系。
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(2) 干扰哨声
当|pfRF±qfLO| (p,q为整数)进入fI±B/2 时，会影响信号的传送，及在解调时产生 差频信号.对音频体现为单音（频）哨叫声， 故称为干扰哨声。解决措施是合理适当选 取fLO及fIF (3) 寄生通道干扰
当混频输入中伴有其他信道的干扰信号fm，若 |pfm±qfLO|进入滤波器通带时也会带来干扰。镜 像干扰是该类干扰中最严重的一种（p=q=1）， 若输入fRF信号较大时，还需考虑|pfm±qfRF|带来 的同类干扰。
噪声 信号频谱
测得噪声系数称为DSB NF 杨远望
RF

0

yuanwangyang@uestc.edu.cn
（2）单边(SSB)噪声系数
ωLo</>ωRF，混频时将信号搬移至非零中频。
RF
Lo
Lo IF
IF

存在镜像频率,其对应通带内的噪声也会被搬移 到信号通带内.
Lo RF Lo IF Lo
当混频器输入阻抗为Rin，输出负载为RL时
PIF VIF 2 / RL 2 Rin 2 Gp A A ( Rin RL ) v v 2 PRF VRF / Rin RL
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对于二极管无源混频器，通常Gp<1，工程 上称为变频损耗，用Lp表示。 常见二极管无源混频器
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(4)互调干扰
当多个干扰信号fm1， fm2同时进入混频器时， 若|pfm1±qfm2 ± rfLO |进入混频器后滤波器通带 时所产生的干扰称为互调干扰。
寄生通道干扰和互调干扰中的低阶成分 (干扰)，主要从系统方案上考虑并消除掉. a.增大fIF; b.选特性好的BFP1p 。
VLO>>VRF，VLO控制二极管开断(开关特性)
（1）VLO正半周时 D1、D2导通，D3、D4截 止，得到如下等效电路
+ vLo + RL vRF
iD1
D1
+
vLo -
iD 2
D2
回路方程
VLO iD1RD (iD1 iD 2 ) RL VRF VLO iD 2 RD (iD 2 iD1 ) RL VRF
iD 3
D2
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回路方程
VLO iD 4 RD (iD 4 iD3 ) RL VRF VLO iD3 RD (iD3 iD 4 ) RL VRF
解回路方程组，利用单向开关函数，得到
2VRF (t ) (iD3 iD 4 ) S1 ( LOt ) 2 RL RD
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理想混频器即乘法器，实现时可采用如吉 尔伯特乘法器，也可以利用电子器件的非线性 来完成相乘。前者动态（幅度）范围较小，故 实际中较多的采用后者。
• 混频器的电路模型
vRF
Mixer
vLo
vI
要求vLo为大信号，起开关作用，此时混频器 表现为非线性器件; vRF为小信号，混频器表现为线 性器件,使输出信号的频谱结构与输入信号相同。
干扰fim与fRF相对于fLO如同镜像，故称为镜像 干扰。要消除变频的镜像干扰，根本措施是不让 镜像干扰进入混频器。常在混频器之前加上预选 频滤波器BFPp将其滤除。
f RF
BFPp
f Lo
BFP
BFPp能否滤除镜像信号，关键看其有载品质 因数QL。在高fRF时，则很难做到的高Q。
f RF 900MHz, f LO 910.7MHz f IF 10.7MHz, fim 921.4MHz
fRF向fLO的窜通可能对之产生频率牵引作用。 fLO向fIF的泄露可能导致其后级电路发生阻塞。 fLO 向fRF的窜通可能是本振大信号影响LNA的正常工 作。
6.端口阻抗匹配
阻抗匹配要求对混频器来讲十分重要,要求 （1）三个端口都应匹配以减小反射;（2）每个端口 相对其它两个端口都应尽可能呈现交流短路特性以减 小相互间的窜扰。
LO 1 1 本振
(LO1)
LO 2
本振2 (LO2)
二次变频超外差式接收机
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&6.1 混频器工作原理
混频器工作原理就是将射频信号与本振信号 相乘，然后再利用滤波器选出相应频率的信号。
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• 吉尔伯特（乘法）双平衡混频器
利用可控跨导双差分对已实现信号相乘。
Vcc
iI iII v0 i1 i2 i3 i4
+ V2 + V1 -
Q1
Q4
Q2
i5
Q3
i6
Q5 I0
Q6
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I IF 1 g fc gD VRF
1 gD RD
单二极管混频器组合频率分量太多。
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• 二极管双平衡（环形）混频器
1:1 + VLO _
+ VLO _ + VLO _
D4
D1
Fra Baidu bibliotekD3
D2 + VIF _
1:1
RL
+ VRF -
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(3) 负载RL中流过的总电流
i (iD1 iD 2 ) (iD 3 iD 4 ) 2VRF (t ) [ S1 ( Lot ) S1 ( Lot )] 2 RL RD 2VRF (t ) S2 ( Lot ) 2 RL RD
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Lp 5 ~ 8dB
常见三极管有源混频器
Gp 1
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无源混频器的线性范围较有源混频器大， 损耗高，对后接电路噪声特性要求较高;有源混 频器增益高，对后接部分噪声要求低。
2.噪声系数
（1）双边（DSB）噪声系数
ωLo=ωRF，混频时将信号搬移至零中频, 变 频后无镜像频率.当不考虑混频器本身噪声时， 变频前后信噪比不发生变化。
BFPp调谐于fRF，若要求镜像抑制 60dB 杨远望 yuanwangyang@uestc.edu.cn
2( fim f RF ) 2 60dB 20lg 1 Q ( ) f RF
2
则要求镜像抑制滤波器有载品质因数
Q 2.110
• 系统解决方案
4
a. 增大中频fIF 如取fIF=70MHz, 则Q≥3.2×103 , 下降 约一个量级. b. 采用抑制镜像干扰之系统方案
SSB _ NF DSB _ NF
若射频和镜像两个通带内噪声相同，则
DSB _ NF 3dB SSB _ NF
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3. 线性-动态范围
（1）G1dB压缩点 （2）三阶截点 （3）线性范围(1dB压缩点与本地噪声功率之比) （4）线性无杂散动态范围(三阶截点与本地噪
声功率之比)
4.失真
（1）镜像干扰
f RF
f I f RF f Lo
f Lo
BFP
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当输入信号中存在镜像信号fLo- fRF时， 其与fLo的差信号也将进入并通过BFP(通带 fIF±B/2), 构成镜像干扰。
射频信号与镜像频率信号的频谱关系
射频信号 本振信号
vRF VRF cos RF t vLo VLo cos Lot
vRF vLo VRF cos RF tVLo cos Lot
1 VRFVLo [cos(RF Lo )t cos(RF Lo )t ] 2
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