微波混频器的主要指标教学课件PPT.ppt

第4章微波混频器的主要指标 西安电子科技大学电子工程学院微波技术研究所雷振亚 李磊 1 本章内容 复习变频损耗噪声系数其他电气指标 2 复习 混频器的本振激励特性 混频跨导 电流 大宗量近似 本振激励功率为 本振电导 可通过和来调节 3 复习 小信号一次混频结果 1通过非线性器件产生了新的频率成分 2中频输出信号 中频输出幅度与信号成正比 可以看成准线性器件 3关于和对称 称作镜像频率 谐波次数低时 携带较大功率 和再次混频产生中频 可回收 距很近 2个 易和信号共同通道成为寄生频率 4称作和频 也携带不少功率 和再次混频也是中频 也可回收 大信号的频谱 较大时 平方以上不能忽略 4 复习 混频器中 本振信号体现为变频跨导 信号 中频 镜频三个频率信号应是重点关注的 将含有非线性元件 混频二极管 的单端口网络表示为一个三端口的线性网络 在感兴趣的频率上等效为 镜频端口负载对混频器性能有影响 典型负载为短路 开路 匹配 等效条件 小信号 忽略 5 引言 任何一个电路部件都必须用一些指标来表示及性能 这些指标既是电路性能好坏的量度 又是电路设计与调试的依据 对微波混频器来讲 这些指标是 变频损耗 噪声系数 端口隔离 输入驻波比 动态范围和频带宽度等 其中 变频损耗和噪声系数是重要的指标 我们本节予以重点讨论 6 变频损耗 变频损耗 定义 混频器的输入微波资用功率与输出中频资用功率之比 损耗来源及组成部分 1 寄生频率所产生的净变频损耗L1 2 二极管寄生参数Rs Cj所引起的管内损耗L2 3 输入 输出端不匹配所引起的失配损耗L3 4 电路连线产生的热损耗L4 一般混频器中L4 0 2dB 我们重点讨论前三项 7 变频损耗 净变频损耗L1 混频器中寄生频率虽然很多 在设计良好混频器中大部分寄生频率可被有效短路 惟独镜像频率和信号不易分开 一般不容易被轻易滤掉 由三端口等效电路可知 镜频端口的端接情况直接影响信号功率能否有效地转移到中频上 所以净变频损耗对镜频阻抗依赖很大 首先研究在一般情况下 净变频损耗与镜频阻抗的关系 8 变频损耗 净变频损耗L1 m11 m21 m12 m22 上式意味着 原来的三端口网络可化成含有参数Gi的二端口网络 9 变频损耗 为了求出净变频损耗 首先求出信号源资用功率和中频输出资用功率 为求得混频器输出的中频信号资用功率 在中频端口使用戴维南定理 把输出端口以左的电流等效成一个新的恒流源输出口 中频负载短路 输入口 电流源的输出资用功率为 是信号源电流幅度 10 变频损耗 混频器的中频输出电导是中频负载开路 IA 0 由输出端向左看过去的等效电导 等效中频电流源输出的资用功率 11 可见 净变频损耗是信号源电导Gg与网络参数m矩阵 Gi 的函数 当混频器的激励状态一定 L1随Gi变化 调整Gg可以使L1达到最小 实际混频器 镜频口可能有 匹配 短路 开路三种情况 变频损耗 净变频损耗L1 输入口 电流源的输出资用功率为 等效中频电流源的资用功率 净变频损耗 12 当混频器输入回路的带宽相对于中频来说足够宽时 输入回路对镜频呈现的电导Gi和信号频率呈现的电导差不多时 Gi Gg 这种情况称为镜像匹配 在镜像匹配的混频器中 镜像电压和镜像电流都不等于零 变频损耗 镜频匹配时的净变频损耗 最小净变频损耗 最佳源电导 最佳输出电导 13 如果在输入端加入对镜频短路的窄带滤波器 使输入回路对镜频呈现短路 则被称为镜像短路混频器 在镜像短路混频器中 由于镜像电流没有流过信号源内阻 因此镜频能量不但不消耗 反而反射回混频器 所以净变频损耗比镜像匹配时要小 变频损耗 镜频短路的净变频损耗 最小净变频损耗 最佳源电导 最佳输出电导 14 如果在输入端与二极管之间嵌入一个镜频抑制滤波回路 则形成镜像开路 在镜像开路混频器中 由于镜频电流为0 因此不消耗镜频能量 而将镜频能量存储起来 镜频抑制滤波器的两端形成镜频电压 该电压又与本振基波混频 得到有用的中频能量 所以镜像开路混频器具有最低的净变频损耗 变频损耗 镜频开路的净变频损耗 最小净变频损耗 最佳源电导 最佳输出电导 15 VL三种净变频损耗一致 VLL1M3dB L1SL1O0L1SL1O的实际改善度在0 5 2dB一般地L1M L1S L1O 变频损耗 三种净变频损耗随本振功率的变化规律 16 信号功率加到混频二极管上并不等于全部加到非线形电阻Rj上 由二极管等效电路可知 Rs和本征参数串联 必然消耗一部分能量 同时电容Cj和Rj并联 还起到了分流作用 而真正加到Rj上的只是一部分功率 把Rs损耗和Cj分流作用统称为二极管寄生损耗 变频损耗 管子寄生损耗L2 17 变频损耗 管子寄生损耗L2 加到二极管上的总功率为 因为和都和本振电压有关 所以调节使时 可使结损耗最小 由此求得结损耗为 18 由于输入端不匹配 使信号功率部分反射 不能全部加到二极管上 而输出端不匹配 使变频后的中频功率不能全部送给中频负载 这两部分的总损耗为 变频损耗 输入 输出端的失配损耗L3 恰当地选择本振幅度 能使实际变频损耗达到最小 实际混频器的总变频损耗为2 8db 19 微波混频器大都位于接收机前端 其噪声性能对接收机灵敏度影响很大 尽可能降低噪声是设计混频器时必先考虑的 定义噪声系数时 把混频器看成一个准线形二端口网络 虽然输入信号的频率和输出中频信号的频率是完全不同的 但输出中频信号的幅度和输入信号的幅度都是完全成线形比例关系的 因而包络变化规律相同 对线形二端口网络 噪声系数是表示其出口端信噪比比入口端信噪比恶化的程度 即噪声系数F 输入端微波信号的信噪比 输出端微波信号的信噪比 微波混频器的噪声系数 为变频损耗表示入出端信号资用功率 表示相应的噪声资用功率 20 微波混频器的噪声系数 噪声系数具有明确的物理意义 它表示网络内部噪声的影响 对于理想线性系统 F 1 F越大 表示内部噪声越大 通常规定以信号源内阻在标准温度下T0 290K时产生的热噪声功率为输入噪声的标准功率 即 K波尔兹曼常数 测试设备的通频带 为标准输入额定噪声通过 理想线性网络 后 在输出端呈现的额定噪声功率 将总的输出噪声额定功率分为输入噪声和内部噪声 为线性网络的内部噪声等效到输出端的额定噪声功率 21 微波混频器的噪声系数 微波电子系统总是由许多网络级联而成 当已知各级的噪声系数和额定功率增益后 就可以求出系统的总噪声系数 级联网络输出的总的噪声额定功率 第一级的噪声在第二级输出端呈现的额定噪声功率是由第二级内部噪声在输出端呈现的额定噪声功率 22 在此类电路中 只有频率为的信号能通过混频器而变为中频信号 镜频信号不能通过混频器 因此输入端只存在一个信号通道 故成单通道混频器 微波混频器的噪声系数 镜像短路和开路混频器 设网络的衰减为 二极管的噪声温度为 信号源内阻的噪声温度 则混频器输出的噪声功率为 式中的第一项为标准输入噪声经混频器衰减后的输出噪声功率 第二项为混频器内部产生的噪声功率 23 为了求得温度下的混频器的内部噪声在输出端呈现的噪声功率 假定整个系统处于同一温度 即 于是混频器输出的总噪声功率为 微波混频器的噪声系数 镜像短路和开路混频器 故混频器的内部噪声功率为 混频器输出的总噪声功率为 为混频管的噪声比 24 微波混频器的噪声系数 镜像短路和开路混频器 所以噪声系数为 如果将等效为温度是的电阻所产生的热噪声资用功率 即 式中为混频器的等效噪声温度 并定义混频器的噪声比为 所以单通道混频器的噪声系数可表示为 由上式可知 混频器的噪声系数近似于变频损耗 要获得低噪声必须使混频器的变频损耗尽可能的低 25 镜像匹配混频器是宽带的 外来的镜频信号与微波信号一样能够通过混频器而变成中频信号 因此输入端存在信号和镜频两个通道 故称双通道混频器 镜像匹配混频器的噪声系数与接收的信号形式有关 分为窄带单边带 SSB 宽带双边带 DSB 在镜像匹配时 镜像频率附近的噪声也加到混频管上 混频之后也成为中频噪声体现在总输功噪声功率中 微波混频器的噪声系数 镜像匹配混频器 26 如果接收的信号是 窄带 或 单边带 SSB 信号 例如雷达 通信 电子侦察等接收机中的混频器 信号只存在于信号通道 镜频通道没有信号 但两个通道的噪声都将产生镜频噪声输出 因此输出端的噪声功率为 微波混频器的噪声系数 窄带单边带 同前面一样分析 求得 故混频器输出端的总噪声功率为 27 微波混频器的噪声系数 窄带单边带 噪声比为 由于和应在同一通道中 因此计算时只考虑有信号的那个通道 即 故单边带噪声系数为 28 对于射电天文接收和其它辐射计接收 测量对象是总辐射的等效亮度温度 信号频率极宽 镜像频率端口也和信号端口一样进信号 此时输出的中频信号功率为接收单边带信号时的两倍 即 输出信号 噪声比值较前增加一倍 而信号输入端的信号 噪声比值仍然与前相同 因此镜像匹配混频器在接收 双边带 信号时的双边带噪声系数为 微波混频器的噪声系数 宽带双边带 29 微波混频器的噪声系数 宽带双边带 可见 镜像匹配混频器的单边带噪声系数是双边带噪声系数的两倍 即增加3dB 这是由于双通道混频器在单通道使用时 镜频通道 亦称空闲通道 不输入信号 但照样提供噪声 因而使噪声系数变坏 为了降低噪声系数 应将镜频通道抑制 通常在混频器前加一个镜频抑制滤波器 30 由于二极管混频器没有增益 后面中频放大器的噪声影响不能忽略 因此 以混频器作接收机前端的总噪声系数取决于混频器中放组件的总噪声系数 如图所示 微波混频器的噪声系数 混频器 中频放大器组件的噪声系数 设 分别为混频器的变频损耗和噪声系数 是中放噪声系数 则整机噪声系数为则整机噪声系数为 对于单通道混频器 故整机噪声系数为 31 对于双通道混频器来说 有两种情况 微波混频器的噪声系数 混频器 中频放大器组件的噪声系数 1 当窄带或 单边带 信号接收时 2 当宽带或 双边带 信号接收时 32 其他电气指标 信号端口与本振端口的隔离度 如果信号端口与本振端口的隔离较差 信号能量将会泄漏到本振端口 造成能量损失 以及本振能量泄漏到信号端口 造成信号源的不稳定及向外辐射能量 因此要求信号端与本振端之间具有一定的隔离度 用表示输入信号功率 表示信号泄漏到本振端口的功率 则隔离度定义为 也可用表示输入本振功率 表示本振泄漏到信号端口的功率 则隔离度定义为 根据互易原理 一般信号端口与本振端口的隔离是通过采用特殊的电路结构来实现的 如采用定向耦合器来接入信号及本振 33 其他电气指标 输入驻波比 混频器输入端反射不仅导致失配损耗 而且当混频器为接收机前置级时 由于反射信号在天线与接收机之间来回传输 使输入端信号产生相位失真 在某些相位关系要求严格的系统里 对输入驻波比有特别严格的要求 在一般情况下 要求输入驻波比小于2 34 其他电气指标 动态范围 混频器的动态范围指能够使混频器有效工作的输入电平范围 当输入电平较低时 输入功率与输出中频功率成线性关系 变频损耗也是常数 当输入功率增加到一定电平时 由于大信号作用 寄生频率增多 使变频损耗增加 定义变频损耗相对于低电平恒定值增大1dB时的输入电平为1dB压缩点 混频器的动态范围上限即是1dB压缩点 下限决定于噪声电平 35 其他电气指标 动态范围 混频器的动态范围也可用输入微波功率和输出中频功率的关系来描述 类似于饱和功率放大器 输入功率大于1dB压缩点 就存在交调干扰 IMD 的可能 如果输入为单一频率 则输出为中频的各次谐波 如果输入为两个接近的微波信号 就会出现高次双音交调 上IM边带 下IM边带 N 2 3 4 36 其他电气指标 动态范围 图3 17给出了双音IMD的频谱图 图中本振频率为10GHz 信号频率为9 9GHz 输出中频为100MHz 假定输入两个微波频率为9 89GHz和9 91GHz 可见 最显著的IMD是三阶输出 90MHz 110MHz 最容易出现在中频带宽内 37 其他电气指标 动态范围 图3 18给出了1dB压缩点与三阶交调的关系 输入信号大于1dB压缩点后 线性外推到基频响应与三阶IMD响应相交的点成为理论三阶截点 混频器的三阶截点值越大 对三阶IMD的抑制越好 典型值为大于1dB压缩点10dB左右 混频器应工作在输入功率小于1dB压缩