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二极管环形混频器的设计,毕业设计
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通信电路课程设计 二极管环形混频器 的 设计 nts 课程设计任务书 课程设计名称： 通信电路 课程设计 设计题目： 二极管环形混频器 的 设计 完成期限：自 2008 年 12 月 29 日至 2009 年 1 月 4 日共 1 周 设计任务及要求： 设计任务： 设计一款 二极管 环形 混频器 对 二极管 环形 混频器 电路进行分析 设计 确定 二极管 环形 混频器 性能指标 设计要求： 1、 设计出完整的电路图，并详述其工作原理。 2、 设计出电路布局并分析电路功能及性能指标。 3、 分析 组合频率干扰 的原因 并提出优化措施 。 指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期： 年 月 日 二极管环形混频器的设计 nts 摘 要 混频器在通信工程和无线电技术中 ,应用非常广泛 ,在调制系统中 ,输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。在解调过程中 ,接收的已调高频信号也要经过频率的转换 ,变成对应的中频信号。 本文 探讨了二极管环形混频电路的工作 原理 ,通过分析和计算，得出最终输出电流的组合频率分量，并给出二极管环形混频器的 主要 性能指标 。分析认为， 由于二极管特性不配 对，变压器中心抽头不对称， 各端口之间的隔离是不理想的，总会有极少量功率在各端口之间窜通， 提出了解决组合频率干扰问题的 3种措施。 二极管环形混频器广泛应用于高质量的通信接收设备中，其优点是电路结构简单，噪声低，工作频段宽，组合频率少。 关键词 ：混频电路 ， 二极管环形混频器 ， 本振信号 ， 中频信号 nts 目 录 一、 选题的意义和目的 . 1 二、总体设计方案 . 2 1、 二极管环形混频器工作原理 . 2 2、 二极管环形混频器电路特点 . 2 三、电路分析及优化 频率干扰的方法 . 3 1、 二极管环形混频器电路分析 . 3 2、 优化 频率干扰的方法 . 4 四、二极管环形混频器主要性能指标 . 4 1、 变频损耗和噪声系数 . 4 2、 变频压缩 . 5 3、 动态范围 . 5 4、 隔离度 . 6 5、 交调性能 . 6 五、结 论 . 7 六、总 结 . 7 参考文献 . 8 nts 第 1 页 共 8 页 一、选题的意义和目的 混频器在通信工程和无线电技术中 ,应用非常广泛 ,在调制系统中 ,输入的基带信号都要经过频率的转换变成高频已调信号。在解调过程中 ,接收 的已调高频信号也要经过频率的转换 ,变成对应的中频信号。特别是在超外差式接收机中 ,混频器应用较为广泛 , 如 AM 广播接收机将已调幅信号 535KHZ 1605KHZ 要变成为 465KHZ 中频信号电视接收机将已调 48.5M 870M 的图象信号要变 38MHZ的中频图象信号。移动通信中一次中频和二次中频等。在发射机中 ,为了提高发射频率的稳定度 ,采用多级式发射机。用一个频率较低石英晶体振荡器做为主振荡器 ,产生一个频率非常稳定的主振荡信号 ,然后经过频率的加、减、乘、除运算变换成射频 ,所以必须使 用混频电路 ,又如电视差转机收发频道的转换 ,卫星通讯中上行、下行频率的变换等 ,都必须采用混频器。由此可见 ,混频电路是应用电子技术和无线电专业必须掌握的关键电路。 混频电路 (Mixer)是超外差式接收机的重要组成部分 ，其作用是将载频为 的已调信号 S(t)不失真地变换为载频为 的已 调 信号 I(t)。通 常将 I(t)称为中频信号，相应的称为中频频率 (Intermediate Frequency， IF)，简称中频。 按采用的非线性器件不同，常用的混频器有三极管混频器、二极管混频器和集成模拟乘法器构成的混频器，此外，还有采用变容二极管等非线性元器件构成的参量混频器。其中，二极管混频器主要用于工作频率较高 的无线电超外差式接收机 (如米波段级微波接收机 )或仪器中。其优点是电路结构简单，噪声低，工作频段宽，组合频率少。它的电路形式有单管式、平衡式及环形式 (也称为双平衡式 )等。在此主要讨论二极管双平衡混频器，对其电路进行分析 设计 。 nts 第 2 页 共 8 页 二、总体设计方案 1、 二极管环形混频器工作原理 图 l二极管环形混频器 二极管 环形 混频器电路原理图如图 l所示。 4个二极管组成了一个环路，各二极管的极性沿环路一致。构成的二极管环形混频器中，各二极管均工作在受参考信号控制的开关状态，它是另一类开关工作的乘法器。 2、 二极管环形混频器电路特 点 （ 1） 结构上 4个二极管按相同极性接成环形。作为混频时，环形的两个对角端 AB和 CD分别通过变压器接 入 本振信号 VL和有用信号 VS。其中，接人本振信号的端口称为 L端，接人有用信号的端口称为 R端，变压器中心抽头 之间接输出负载电阻 RL ，输出中频信号称为 I端。 （ 2） 参考信号 VI(混频时为 VL，调幅时为 VC )为大信号， 4个二极管工作在 VI受控制的开关状态。其中， D2， D3 在 VI 的正半周导通， D1， D4 在 VI的负半周导通。通过 分析，导出的输出电流 )(2220 twKRRviLDL S。 （ 3） 如果 电路平衡，则各端口是相互隔离的，即 L端口的本振信号不会通到 R端，R端 口 的有用信号不会窜人 L端，有用信号和本振信号均不会通到 I端。 （ 4） 没有增益，存在损耗。作为混频器时，混频损耗的理论值为 4dB。 nts 第 3 页 共 8 页 三、电路分析 及优化 频率干扰的方法 1、 二极管环形混频器电路分析 在图 l中，作为混频器时， s=VSmcosct为输入信号电压，相应的端口称为 R端口；L=VLmcosLt为本振电压，相应的端口称为 L端口； RL为输出负载电阻，取出中频信号，相应的端口称为 I端口。 Tr1和 Tr2为带有中心抽头的宽频带变压器 (例如传 输线变压器 )，其初、次级绕组的匝数比为 1： 1。 D1 D4为 4只二极管，它们一般为肖特基表面势垒二极管或砷化镓器件。若 VLm足够大，且其值远大于 VSm ，则可认为各二极管均工作在受VL控制的开关状态。 在 VL正半周期间， D2 和 D3 管导通。在 VL负半周期间， D1和 D4 管导通。将二极管用开关等效，设 i2和 i3分别为通过 D2 和 D3的电流， i1和 i4分别为通过 D1和 D4的电流， RD为二极管导通内阻，且 RD远小于 RL。则在 VL正半周期间，开关闭合，上、下两回路的方程为 ： 0)( 322 LDLS RiiRivv 0)( 233 LDLS RiiRivv 消去Lv求得： DLs RR vii 2 232（ 1） 相应的开关函数为 )(1 twK L ，因而式 (1)可写成下列一般形式： )(2 2 132 twKRR vii LDLs（ 2） 同理，在 L负半周期间，相应的开关函数为 )(1 twK L ，用同样的分析方法可求得： )(2 2 141 twKRR vii LDDs（ 3） 因而，通过 RL的总电流为： nts 第 4 页 共 8 页 twtwRRtwVtwKRRtwVtwKtwKRRviiiiiLLDLCSmLDLCSmLLDLsc o s34c o s42c o s2)(2c o s2)()(22)()(21132410（ 4） 由式 (4)可见，环形混频器的输出电流中仅包含 (pL c)( p为奇数 )的组合频率分量，而抵消了 L， c以及 p为偶数、 q 1的众多组合频率分量。与二极管平衡混频器相比，其输出电流中包含的组合频率分量还要少一个 c分量。若令叫 I=L-c，则其中通过 RL的中频电流分量 twwRRViCLDL Sm )c os (241 。 2、 优化 频率干扰的方法 本振电压与输入信号电压不会通到中频输出端，表明 L端口和 R端口对 I端口是隔离的。实际上，由于二极管特性不配对，变压器中心抽头不对称，各端口之间的隔离是不理想的，总会有极少量功率在各端口之间窜通，再加之还有可能从天线进来外来干扰信号，这样就会产生组合频率干扰。 通过分析 解决组合频率干扰问题 可以采取以下 3种措施 ： (1） 选择合适的中频。如果将中频选在接收信号频段之外，可以避免中频干扰和最强的干扰哨声 。尤其是采用高中频，还可以避免镜像干扰和其它一些寄生通道干扰。 (2） 提高混频电路之前选频网络的选择 性，减少进入混频电路的外来干扰，这样可减小交调干扰和互调干扰。 (3） 采用具有平方律特性的场效应管、模拟乘法器或利用平衡抵消原理组成的平衡混频电路，可以大大减少无用组合频率分量的数目，尤其是靠近有用频谱的无用组合频率分量，从而降低了各种组合频率干扰产生的可能性。 四 、 二极管环形 混频器主要 性能指标 1、 变频损耗和噪声系数 变频损耗（简称 “ 变损 ” ）和噪声系数是混频器的两个重要参数。变损就是频率变换的效率，它等于单边带中频输出与射频输入的功率之比，用 dB表示。 nts 第 5 页 共 8 页 混频器的噪声系数是混 频器输入端的信噪比与混频器输出端的信噪比之比，用 dB表示，混频器的噪声系数由以下几个部分组成：单边带变频损耗，二极管串联电阻上的热噪声以及当频率低于 10KHz时的二极管的 1/f噪声，混频器的噪声系数通常比变频损耗大 0.5 1dB，这个参数一般不测试。 2、 变频压缩 变频压缩是混频器线性运用状态下最大射频输入偏离线性某一压缩量来说明的，通常规定为 1dB， “ 称 1dB 压缩点 ” ，混频器工作的输入电平比 1dB压缩点相应的输入电平越小，混频器的失真产物越小，因此，应使混频器的输入电平小于 1dB压缩点相应的输入电平。 3、 动态范围 动态范围是指混频器在规定本振电平下，射频输入电平的可用范围。一般认为动态范围的上限受 1dB压缩点限制。若 1dB压缩点的输入电平为 1dBm，即表示其射频输入功率最大不能超过 1.25mw。 为了扩大混频器动态范围的上限，以减少混频器的失真，要用高势垒或超高垫垒肖特基二极管。 相应地、混频器的本振必须使用高电平或超高电平来激励。 动态范围下限受接收机灵敏度限制，而接收机灵敏度又和其通带宽度成反比。 例：若混频器噪声系数为 7dB，则通常最小可检测功率可达 -107dBm，如果系统中指示判据要求最小功率要高于判据 10dB，则动态范围下为 -97dBm。 nts 第 6 页 共 8 页 4、隔离度 隔离度是混频器电路平衡度的一个量度，当电路很平衡 时，各端口间的隔离度很好，信号的相互泄漏很小。对于很多应用，本振功率泄漏到射频端的指标是很重要的，因为它可以反映出本振信号从天线再辐射的强弱程度。 当电路很平衡时，本振功率的大小不影响隔离度，但平衡度随频度提高而下降。通常，隔离度以每倍频程约 5 dB的速度下降。 5、 交调性能 在混频器中，有两种主要形式的失真产物：单音交调和双音交调产物。单音交调产物是混频器本振信号和它的谐波对射频信号和它的谐波组合的结果，形成为 mLOnRF ，通常把它们分为 “ 阶 ” 。 确保分配到二极管的射频和本振功率一致及相应的相位平衡以 及二极管的更精密配对，是降低单音交调产物的有效途径。 双音交调产物是射频端有两个信号同时加入的结果，这些信号可以产生谐波，互相组合，然后按（ 2RF1 RF2） LO IF（或）（ RF1 2RF2） LO IF 与本振组合。对这些产物感兴趣是由于它们有相对大的振幅，而其频率又刚好落在所需中频的两边，很难用滤波器消除。 双音交调产物的输出是与输入电压的立方成正比的，因此又叫 “ 双音三阶交调 ” 。所示的是混频器的基本响应和三阶响应，两响应的交叉点称为 “ 三阶交叉点 ” ，有了这个点，任何输入电平下的三阶响应就可以估算，并可以比较部件的失真性能，交叉点与1dB压缩点有一定关系，（约比 1dB压缩点高出 10-15dB）。因此，一旦知道了 1dB压缩点，就可确定混频器的动态范围并粗略估算交调电平。 nts 第 7 页 共 8 页 五、结 论 混频电路是超外差式接收机的重要组成部分，其作用是将天线上感生的输入高频信号 (经滤波、放大 )变换为频率固定的中频信号，混频电路靠近接收天线，它的性能直接影响接收机动态范围等性能。目前，二极管环形混频器广泛应用于高质量的通信接收设备中，其优点是电路结构简单，噪声低，工作频段宽，组合频率少。 六、总 结 通过这次的课程设计让我了解了 二极管环形混频电路的工作原理 ， 我认识到无论做什么，都需要踏实，勤奋，严谨的态度，这对我以后的工作将产生深远的影响。 通过分析和计算，得出最终输出电流的组合频率分量，并给出 二极管环形 混频器主要电参数 。分析认为， 由于二极管特性不配 对，变压器中心抽头不对称， 各端口之间的隔离是不理想的，总会有极少量功率在各端口之间窜通。提出了解决组合频率干扰问题的 3种措施。 作为一个电子方面的大学生，在今后的工作中难免需要很强的实践动手能力，所以这次课程设计实践对我来说是很值得珍惜的好机会。这次课程设计，虽然短暂，但却给了我一次自主设计电路的机会。在设计过程中，以前书本上的内容第一次完完全全的在实际中实现，并且遇到了书本中不曾学到的情况。 通过本次设 计，留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心，要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是 在对二极管混频器电路设计和分析以及主要电参数的确定过程 。在设计过程中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。实习过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出
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