射频电路理论与技术-Lectrue 15(频率变换器1)

1、1南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系第第3 3章章 微波频率变换器微波频率变换器 在雷达、通信及其它微波毫米波系统中要广泛采在雷达、通信及其它微波毫米波系统中要广泛采用用频率变换器频率变换器，它们是，它们是微波毫米波发射机和接收机的微波毫米波发射机和接收机的重要组成部分重要组成部分。频率变换器是一个广义的称呼，其。频率变换器是一个广义的称呼，其作作用是对信号的频谱进行用是对信号的频谱进行“搬移搬移”，针对特定的输入信，针对特定的输入信号按需要产生频谱变化了的输出信号，以利于实现无号按需要产生频谱变化了的输出信号，以利于实现无线电发射，或者进行进一步的放大、解调等信号

2、处理。线电发射，或者进行进一步的放大、解调等信号处理。从频率变换器的功能来看，其本质必然是非线性变换，从频率变换器的功能来看，其本质必然是非线性变换，需要利用非线性元件。需要利用非线性元件。 2南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系固态电路中，采用的非线性元件一般是固态电路中，采用的非线性元件一般是半导体二极管半导体二极管: : 非线性电阻二极管非线性电阻二极管 肖特基势垒二极管肖特基势垒二极管 非线性电容二极管非线性电容二极管 变容管、阶跃恢复二极管等变容管、阶跃恢复二极管等 频谱搬移过程主要由非线性电阻完成、即核心元件是非线频谱搬移过程主要由非线性电阻完成、即核心元

3、件是非线性电阻的频率变换器称为性电阻的频率变换器称为“阻性变频器阻性变频器” 频谱搬移过程主要由非线性电抗完成、即核心元件是非线频谱搬移过程主要由非线性电抗完成、即核心元件是非线性电容的频率变换器称为性电容的频率变换器称为“参量变频器参量变频器”。 频率变换器按照功能还可进一步划分为：频率变换器按照功能还可进一步划分为： 下变频器、上变频器和倍频器下变频器、上变频器和倍频器微波频率变换器3.1 3.1 概述概述 3南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系包含一个或包含一个或多个非线性多个非线性元件的网络元件的网络微波下变频器的组成微波下变频器的组成微波频率变换器SLO本地

4、振本地振荡信号荡信号 LSif中频中频信号信号 微波下变频一般采用阻性变频器微波下变频一般采用阻性变频器工作频带可作得很宽，可达几工作频带可作得很宽，可达几个甚至几十个倍频程，而且动个甚至几十个倍频程，而且动态范围比较大，总噪声系数可态范围比较大，总噪声系数可以作得相当低以作得相当低 包含一个或包含一个或多个非线性多个非线性元件的网络元件的网络微波上变频器的组成微波上变频器的组成SOP泵浦泵浦信号信号 PSuSuSPuSu和频和频信号信号 微波上变频一般采用参量变频器微波上变频一般采用参量变频器它变频效率高、绝对稳定。它变频效率高、绝对稳定。 4南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信

5、信工工程程系系微波频率变换器包含一个或包含一个或多个非线性多个非线性元件的网络元件的网络微波倍频器的组成微波倍频器的组成SSn 微波倍频器微波倍频器也是微波毫米波系统中常用的部件，在一些微也是微波毫米波系统中常用的部件，在一些微波设备中，例如频率合成器和微波倍频链中，它更是不可缺少波设备中，例如频率合成器和微波倍频链中，它更是不可缺少的关键部件之一。的关键部件之一。 称为倍频次数称为倍频次数 n 原则上，各种原则上，各种半导体元件只要半导体元件只要具有非线性具有非线性，都可以用来构成倍频，都可以用来构成倍频器。器。 实际上，最常用的是实际上，最常用的是变容管倍变容管倍频器和阶跃管倍频器频器和阶

6、跃管倍频器。变容管倍频。变容管倍频器适用于低次倍频，其效率较高，器适用于低次倍频，其效率较高，如果忽略损耗电阻等寄生参量的影如果忽略损耗电阻等寄生参量的影响，效率甚至可以达到响，效率甚至可以达到100100；而阶；而阶跃管倍频器多用在高次倍频场合，跃管倍频器多用在高次倍频场合，其结构相对简单，倍频次数可达其结构相对简单，倍频次数可达100100以上。以上。 本章将讨论变容管倍频器和阶跃管倍频器的性能及电路结构。本章将讨论变容管倍频器和阶跃管倍频器的性能及电路结构。 5南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器3.2 3.2 非线性电阻微波混频器非线性电阻微波混

7、频器 非线性电阻微波混频器的核心元件是非线性电阻微波混频器的核心元件是肖特基势肖特基势垒二极管垒二极管。常见的非线性电阻微波混频器的基本电。常见的非线性电阻微波混频器的基本电路有路有三种类型三种类型：单端混频器采用一个混频二极管，单端混频器采用一个混频二极管，是最简单的微波混频器；单平衡混频器采用两个混是最简单的微波混频器；单平衡混频器采用两个混频二极管；双平衡混频器采用四个二极管频二极管；双平衡混频器采用四个二极管。 本节将以元件的特性为基础，分析非线性电阻微本节将以元件的特性为基础，分析非线性电阻微波混频器的工作原理及性能指标，包括电路时频域波混频器的工作原理及性能指标，包括电路时频域关系

8、、功率关系、变频损耗、噪声特性，并给出各关系、功率关系、变频损耗、噪声特性，并给出各种非线性电阻微波混频器的电路实现（微带电路结种非线性电阻微波混频器的电路实现（微带电路结构）等。构）等。 6南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器3.2.1 3.2.1 电路工作原理与时频域关系电路工作原理与时频域关系 微波混频器只采微波混频器只采用一个肖特基势垒混用一个肖特基势垒混频二极管，称为单端频二极管，称为单端混频器混频器 是信号源内阻抗，是信号源内阻抗，是本振源内阻抗，是本振源内阻抗，表示输出负载阻抗，表示输出负载阻抗，为直流偏压为直流偏压 SZLZOZdcV t

9、VtvSSScos tVtvLLLcos7南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器1. 1. 输出电流频谱（设输出电流频谱（设 ） SL先假设先假设 、 和和 均被短路均被短路; ;负载电压（输出电压）负载电压（输出电压） SZLZOZ 0tvO 加于二极管两端的电压为信号电压、本振电压及直流偏压加于二极管两端的电压为信号电压、本振电压及直流偏压（或零偏压）之和（或零偏压）之和 1expnkTqVIVfIs肖特基势垒二极管的特性可以表示为肖特基势垒二极管的特性可以表示为: : 二极管电流为二极管电流为 : : SLdcvvVfvfti（1 1）小信号情况）小

10、信号情况 信号电压幅度远小于本振电压幅度信号电压幅度远小于本振电压幅度 , ,按台劳级数在按台劳级数在 处展开为处展开为: : LdcvV lSLdclSLdcSLdcLdcvvVflvvVfvvVfvVfti!1! 212218南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器 LdcvVvllLdclvivVf, 3 , 2 , 1l由于信号电压的幅度很小，可将由于信号电压的幅度很小，可将 以上的各高次项忽略不计以上的各高次项忽略不计 2Sv SLdcSLdcLdcvtgvVfvvVfvVfti1二极管的时变电导二极管的时变电导 假设混频二极管对所有本振谐波电压都

11、是短路的，仅由正弦本振电压决定假设混频二极管对所有本振谐波电压都是短路的，仅由正弦本振电压决定 是仅加直流及本振电压时的二极管电流是仅加直流及本振电压时的二极管电流 LdcvVf 和和 都是本振频率都是本振频率 的周期函数的周期函数, ,利用傅立叶级数展开利用傅立叶级数展开 tgLdcvVfL 10cos2nLnntnggtg9南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器1cos2nLndcLdcntnIIvVf 根据第二章第二节混频二极管的交流激励特性可知根据第二章第二节混频二极管的交流激励特性可知（忽略反向饱和电流）：（忽略反向饱和电流）： LdcsaVJa

12、VaIg00expLndcsnaVJaVaIgexpLdcsdcVJVII0expLndcsnVJVIIexp SLdcvtgvVfti1cos2nLndcntnIItVgSScos0tVgLSScos1（本振电流）（本振电流） （信号基波电流）（信号基波电流） （输出中频电流）（输出中频电流） 10南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器2cosnLSSnntnVg1cosnLSSnntnVg（高次差频电流）（高次差频电流） （各次和频电流）（各次和频电流） 混频电流的主要频谱混频电流的主要频谱 频率称为和频，频率称为和频， 除称为中频外还称为差除称为中频

13、外还称为差频，频， 称为镜像频率。称为镜像频率。 LSuLSififLSLi 211南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器得出以下基本结论得出以下基本结论: : 在非线性电阻混频过程中产生了无数的组合分量，其中包在非线性电阻混频过程中产生了无数的组合分量，其中包 含有中频分量，能够实现混频功能。可用中频带通滤波器含有中频分量，能够实现混频功能。可用中频带通滤波器 取出所需的中频分量而将其它组合频率滤掉。取出所需的中频分量而将其它组合频率滤掉。 中频电流的振幅为中频电流的振幅为 . .它与输入信号振幅成正比它与输入信号振幅成正比 例。混频器输入端与输出端分量

14、振幅之间具有线性关系例。混频器输入端与输出端分量振幅之间具有线性关系, , 这一点对信号接收时的保真无疑是非常有意义的。这一点对信号接收时的保真无疑是非常有意义的。 SifVgI1 由于本振信号是强信号，在混频过程中它通过二极管的非由于本振信号是强信号，在混频过程中它通过二极管的非 线性作用而产生了无数的谐波，每一个谐波都包含了部分线性作用而产生了无数的谐波，每一个谐波都包含了部分 有用的信号功率，是对信号功率的浪费，应该采取措施加有用的信号功率，是对信号功率的浪费，应该采取措施加 以回收利用，以提高从信号变换为中频的变换效率。但各以回收利用，以提高从信号变换为中频的变换效率。但各 谐波功率大

15、约随谐波功率大约随 变化，因此混频产物电路的组合分量变化，因此混频产物电路的组合分量 强度随增加而很快减小。通常只有本振基波和二次谐波强度随增加而很快减小。通常只有本振基波和二次谐波 等分量才足够强，对混频变换效率产生较大影响。等分量才足够强，对混频变换效率产生较大影响。 21 n12南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器（2 2）大信号情况）大信号情况 如果混频器的输入信号是强信号（但可认为信号电压幅度仍如果混频器的输入信号是强信号（但可认为信号电压幅度仍远小于本振电压幅度），不能忽略远小于本振电压幅度），不能忽略 以上的各高次项。此时信号以上的各高次项

16、。此时信号也将产生各次谐波，混频产物电流的频谱分量将大为增加。也将产生各次谐波，混频产物电流的频谱分量将大为增加。 2Sv 为使问题分析及表达简洁，可以借助欧拉公式把上述各三角为使问题分析及表达简洁，可以借助欧拉公式把上述各三角函数表示为指数形式函数表示为指数形式: : tjnytjnytjnjngtjnjngntngLnLnLnLnLnexpexp expexpexpexpcos2如果定义如果定义 ，则有：，则有： nnggnnnnyjngjngyexpexp00gy 从而，傅立叶展开的从而，傅立叶展开的g(t)g(t)可以写为：可以写为： 13南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通

17、信信工工程程系系微波频率变换器 nLnnLnLnnLnLnnLntjnytjnytjnyytjnytjnyyntnggtgexpexpexpexpexpcos2101010nLnnLnnLnnLndcLdctjnItjnjnIntnjIntnIIvVfexpexpexpexpcos21 nLlnvVvllLdcltjnyvivVfLdcexp,信号电压及其各次幂同样可以写成：信号电压及其各次幂同样可以写成： lSSlSllSSlStjtjVtVtvexpexp21cos 表示为：表示为： ti nmSLmntmnjItiexp,混频输出电流的一般表达式混频输出电流的一般表达式 14南南京京理理

18、工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器大信号下混频的基本结论：大信号下混频的基本结论： 在非线性电阻混频过程中产生了信号和本振所有可能的各次在非线性电阻混频过程中产生了信号和本振所有可能的各次 谐波组合分量，比小信号时丰富得多。其中包含有中频分量，谐波组合分量，比小信号时丰富得多。其中包含有中频分量， 能够实现混频功能。可用中频带通滤波器取出所需的中频分能够实现混频功能。可用中频带通滤波器取出所需的中频分 量而将其它组合频率滤掉。量而将其它组合频率滤掉。 二极管电流中包含中频分量为：二极管电流中包含中频分量为： tItjItjItiLSLSLSifcos2expexp

19、1, 11, 11, 1其振幅可计算出为：其振幅可计算出为： 33 , 11 , 11, 1812SSVgVgI 中频电流振幅不再与输入信号振幅成线性关系，将产生非线中频电流振幅不再与输入信号振幅成线性关系，将产生非线性失真。性失真。 由于信号也产生各次谐波，将有可能在输出端产生组合干扰。由于信号也产生各次谐波，将有可能在输出端产生组合干扰。ifLSnm15南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器2. 2. 电路时域与频域关系电路时域与频域关系 实际中电路中加在二极管两端的电压就不再仅是信号电压、实际中电路中加在二极管两端的电压就不再仅是信号电压、本振电压及

20、直流偏压，而是包含了各电阻的压降在内。本振电压及直流偏压，而是包含了各电阻的压降在内。 假设输入信号满足小信号条件，这时混频器对输入信号来假设输入信号满足小信号条件，这时混频器对输入信号来说是线性的，这种电路网络称为说是线性的，这种电路网络称为“线性周期时变电阻网络线性周期时变电阻网络”。 小信号条件下混频二极管的电流由两部分构成小信号条件下混频二极管的电流由两部分构成： (1)(1)由直流及本振电压激励起的由直流及本振电压激励起的 部分；部分； (2)(2)由加在二极管两端的其它压降由加在二极管两端的其它压降 激励起的电流，记为激励起的电流，记为 ， LdcvVfvi vtgi当假设电路中各

21、电阻均短路时，当假设电路中各电阻均短路时， 仅由仅由 构成，即：构成，即： v tvS tvtgiS设输入信号是复信号，即：设输入信号是复信号，即： tjVtvSSSexp16南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器nSLnnSLSntnjItnjVyiexpexp以以 带入上式，并且令带入上式，并且令 ，可得：，可得： ifLS1 nmmifLmmSLSmtmjItnjVyiexpexp1可把电流分量的频率记为可把电流分量的频率记为 ，当，当 为正时，为正时， ， 为负时，为负时， ，信号频率，信号频率 ，中频频率，中频频率 ，镜像频率，镜像频率 。 if

22、Lmmm0mm0mifLS10ififLifLi1 在电路中加入各电阻，电流在电路中加入各电阻，电流 的各个分量流过这些电阻，将在这些电阻的各个分量流过这些电阻，将在这些电阻两端产生电压降，这些电压降将连两端产生电压降，这些电压降将连 同一起加在二极管上，即这时的同一起加在二极管上，即这时的 将不再仅含有将不再仅含有 部分。部分。 i tvSv tvS由于这些电阻都是线性电阻，由于这些电阻都是线性电阻， 流过它们只能产生与流过它们只能产生与 具有相同频谱成分具有相同频谱成分的电压，不会增加新的频谱分量，已有的频谱分量也不会减少。的电压，不会增加新的频谱分量，已有的频谱分量也不会减少。 ii17

23、南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器二极管两端的总电压二极管两端的总电压 变化可表示为变化可表示为 mvmifLmmtmjVvexp mifLmmmtmjIvtgiexp简化描述公式简化描述公式 tvtgti称为小信号混频器的时域方程称为小信号混频器的时域方程 周期时变电导一端口周期时变电导一端口网络网络 tv ti tg代表了一个线性周期时变电导一端口网络代表了一个线性周期时变电导一端口网络 nLntjnytgexp kifLktkjVtvexp18南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器时变网络的频域关系时变网络的

24、频域关系: : nkifLknkifLknLntknjVytkjVtjnytiexpexpexp令令 knm mifLkkkmtmjVytiexp mifLmtmjItiexpkkkmmVyI, 2, 1, 0m给定不同的给定不同的 m m 值，将上式展开，可得到无限多个线性方程，可值，将上式展开，可得到无限多个线性方程，可将它们表示成矩阵形式：将它们表示成矩阵形式： VyI19南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器21012012341012321012321014321021012VVVVVyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyIIIII

25、表明包含非线性元件的物理单端口网络在频域上是一个具有无表明包含非线性元件的物理单端口网络在频域上是一个具有无穷多个频率及端口的线性网络，该多频多端口网络既反映了混频器穷多个频率及端口的线性网络，该多频多端口网络既反映了混频器的非线性频率变换作用，又给出了频率变换后的各小信号成分幅度的非线性频率变换作用，又给出了频率变换后的各小信号成分幅度之间的线性关系。之间的线性关系。 该网络的变换矩阵该网络的变换矩阵 仅由二极管特性和二极管的直流、本振激仅由二极管特性和二极管的直流、本振激励条件决定，而与电路中小信号成分（励条件决定，而与电路中小信号成分（ 、 ）的幅度大小无关）的幅度大小无关。也就是说，也

26、就是说，直流偏置与本振激励的作用是使混频二极管体现出混频直流偏置与本振激励的作用是使混频二极管体现出混频所需的非线性电导（电阻）特性所需的非线性电导（电阻）特性 ，在此基础上，在此基础上，对加在二极管对加在二极管上的任何输入信号上的任何输入信号 及由及由 导致的导致的 产生非线性混频作用，产生产生非线性混频作用，产生中频输出。中频输出。 ymimv tg tvS tvSmv20南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器 显然显然 和和 表示信号频率表示信号频率 的电流、电压复振幅的电流、电压复振幅 和和 ； 和和 表示中频频率表示中频频率 的电流、电压复振幅的

27、电流、电压复振幅 和和 ；而；而 和和 表示负镜像频率表示负镜像频率 的电流、电压复振幅，的电流、电压复振幅，在复信号表示系统中，它们与正镜像频率电流、电压复振幅是互在复信号表示系统中，它们与正镜像频率电流、电压复振幅是互为共轭的，即为共轭的，即 ， 。 直流和本振的作用由于已体现为使混频二极管呈现非线性电导直流和本振的作用由于已体现为使混频二极管呈现非线性电导（电阻）特性（电阻）特性 ，故不再存在直流和本振端口。，故不再存在直流和本振端口。 1I1V1SSISV0I0V0ififIifV1I1V1iiII1iVV1 tg3 3混频二极管非线性结电容混频二极管非线性结电容 的非线性变频效应的非

28、线性变频效应 jC实际上寄生参量实际上寄生参量 , , 对于混频必然是有影响的，尤其是非对于混频必然是有影响的，尤其是非线性结电容线性结电容 的变频效应。的变频效应。 jCsRjC 2110VCVCjj与与 特性的变频原理类似，该特性的变频原理类似，该 特性也特性也会产生会产生 的各组合频率成分，但是的各组合频率成分，但是应根据电容应根据电容 求出流过电容的电流。求出流过电容的电流。 vi vc SLmndtdqi 21南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器vc vq vi 假设混频器工作在小信号下，认为二极管工作点随本振大信号假设混频器工作在小信号下，认

29、为二极管工作点随本振大信号电压而变化，然后在工作点展开为台劳级数，可求得二极管势垒电电压而变化，然后在工作点展开为台劳级数，可求得二极管势垒电容储存电荷的瞬时值为：容储存电荷的瞬时值为： lSLdclSLdcSLdcLdcSLdcvvVflvvVfvvVfvVfvvVfvq!1! 21221 展开式中第一项包含直流项和本振基波及其谐波项，相应的展开式中第一项包含直流项和本振基波及其谐波项，相应的容性电流为：容性电流为： dttdvtCdtdvvCdtdvdvvVdfvVfdtdtiLjtVVvjtVVvLdctVVvLdcLLdcLLdcLLdccoscoscos 称为时变电容，反映当本振电压

30、随时间作周期性称为时变电容，反映当本振电压随时间作周期性变化时，瞬时电容也随时间作周期变化。变化时，瞬时电容也随时间作周期变化。 tCj22南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器混频器工作在小信号下，可忽略混频器工作在小信号下，可忽略 以上各项，考虑到：以上各项，考虑到： 2Sv tCdvvdqvVfjtVVvLdcLLdccos1流过电容的这部分容性电流为：流过电容的这部分容性电流为： dttdCtvdttdvtCtvtCdtdtvvVfdtdtijSSjSjSLdc1LLnSLn必须考虑其非线性变频效应必须考虑其非线性变频效应 可求得非线性电容具有的时

31、域、频域关系可求得非线性电容具有的时域、频域关系 由于二极管肖特基结的非线性特性，即使外加正弦本振电压，由于二极管肖特基结的非线性特性，即使外加正弦本振电压，二极管的结电压和结电流波形也不是正弦的，该波形还受到二极管二极管的结电压和结电流波形也不是正弦的，该波形还受到二极管寄生参量、封装参量及外电路阻抗的影响。严格的理论分析应首先寄生参量、封装参量及外电路阻抗的影响。严格的理论分析应首先求出二极管上实际结电压（结电流）波形，在此基础上求出时变电求出二极管上实际结电压（结电流）波形，在此基础上求出时变电导和时变电容、及它们的各次谐波分量幅度，这种分析称为混频器导和时变电容、及它们的各次谐波分量幅

32、度，这种分析称为混频器的的“非线性分析非线性分析”。 23南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器3.2.2 3.2.2 电路功率关系与变频损耗电路功率关系与变频损耗 混频器的变频损耗混频器的变频损耗 一般可定义为：一般可定义为： LanammnPPL 它表示混频器中任意边带频率它表示混频器中任意边带频率 到另一边带频率到另一边带频率 之间的之间的变频损耗，变频损耗， 和和 分别表示这两个频率上的资用功率。分别表示这两个频率上的资用功率。 mfnfamPanP 由于一般只关注输出中频的情况，可把混频器的变频损耗由于一般只关注输出中频的情况，可把混频器的变频损

33、耗定义限定为：定义限定为： 01PPPPLaifaS 和和 分别为从信号源和中频输出端分别为从信号源和中频输出端得到的资用功率。得到的资用功率。 aSPaifP1 1混频器的功率关系混频器的功率关系 二极管这一非线性电阻中的瞬时功率可表示为：二极管这一非线性电阻中的瞬时功率可表示为： titvtrtititrtitp224南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器平均功率一般可表示为：平均功率一般可表示为： titvtpPReRe kmLtmkjmktdeIVPL21Re当当 时，积分项为时，积分项为1 1，当，当 时，积分项为时，积分项为0 0mk mk m

34、mmmmPIVPRe对于阻性二极管来说，对于阻性二极管来说， 是时间的实函数，而且对所有的时是时间的实函数，而且对所有的时间来说间来说 ，则可见，则可见 为实数，而且恒有为实数，而且恒有 。 tr 0tr tp 0tp 0RemmPtptpP考虑到只有信号源对时变电阻考虑到只有信号源对时变电阻 馈给功率，故馈给功率，故 （信号频率上（信号频率上进入的功率）是正的，而在其它频率进入的功率）是正的，而在其它频率 （ ）上均吸收功率，）上均吸收功率，因而它们的功率因而它们的功率 均为负值。均为负值。 tr1Pm1mmP25南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器0

35、1 , 001mmmmmPPPP1 , 001mmmPPP 可得出结论：对于非负的时变电阻可得出结论：对于非负的时变电阻 和时变电导和时变电导 来说，来说，混频器中所有混频产物所得到的总功率不大于信号源所供给的混频器中所有混频产物所得到的总功率不大于信号源所供给的信号功率。信号功率。 tr tg 变频损耗不可能小于变频损耗不可能小于1 1，即不可能有变频增益，因而我们所，即不可能有变频增益，因而我们所讨论的线性周期时变电阻网络是无源的。由于其无源性，因而讨论的线性周期时变电阻网络是无源的。由于其无源性，因而它是绝对稳定的，即在任何终端负载和本振条件下都不会产生它是绝对稳定的，即在任何终端负载和

36、本振条件下都不会产生自激振荡。自激振荡。 在无穷多个混频产物频率中，我们一般仅需要输出一种频在无穷多个混频产物频率中，我们一般仅需要输出一种频率成分，即中频。那些不需要输出的混频产物（称为带外闲频）率成分，即中频。那些不需要输出的混频产物（称为带外闲频）在相应频率的端口阻抗上造成功率损耗，如果能使混频器对这些在相应频率的端口阻抗上造成功率损耗，如果能使混频器对这些无用边带频率造成特殊的终端条件，则可减少有用功率的浪费，无用边带频率造成特殊的终端条件，则可减少有用功率的浪费，减小变频损耗。减小变频损耗。 相当于在频率为相当于在频率为 的端口上分别具有短路、开路和电抗终端的端口上分别具有短路、开路

37、和电抗终端 m26南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器2 2Y Y混频器及其变频损耗混频器及其变频损耗 在各种减小变频损耗的措施中，如果采取的是对所有带外在各种减小变频损耗的措施中，如果采取的是对所有带外闲频闲频 （ ）提供短路终端，构成的混频器称为）提供短路终端，构成的混频器称为Y Y混频器。混频器。m1mY Y混频器电路原理图混频器电路原理图 SSCLLLCLififCLSLif所有带外闲频所有带外闲频 （ ）都是严重失谐而呈现近似都是严重失谐而呈现近似短路的终端阻抗。短路的终端阻抗。m1m相当于前面线性分析中加在混频相当于前面线性分析中加在混频二极

38、管上的电压只有三个：信号二极管上的电压只有三个：信号电压、镜频电压和中频电压，因电压、镜频电压和中频电压，因此混频器是三端口网络。此混频器是三端口网络。27南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器Y Y混频器的电路方程表示为：混频器的电路方程表示为： 101012101210101VVVyyyyyyyyyIII或或 iifSiifSVVVyyyyyyyyyIII012101210由于由于 表示时变电导表示时变电导 各分量的复振幅，表示导纳，因而各分量的复振幅，表示导纳，因而 矩阵矩阵是是Y Y矩阵（导纳矩阵），故把这种混频器称为矩阵（导纳矩阵），故把这种混频

39、器称为Y Y混频器。混频器。 ny tg y以以Y Y混频器为例来具体分析变频损耗。假设本振电压的初相混频器为例来具体分析变频损耗。假设本振电压的初相 00nngy nnggY Y混频器的矩阵方程式为：混频器的矩阵方程式为： iifSiifSVVVgggggggggIII01210121028南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器 由于由于Y Y混频器除信号端口和中频端口之外，还有一个镜频端口。混频器除信号端口和中频端口之外，还有一个镜频端口。混频产生的镜像频率同样包含有信号的有用功率，也会造成变频损混频产生的镜像频率同样包含有信号的有用功率，也会造成变频

40、损耗的降低，因此必须对镜频端口进一步施加特殊的终端条件，以利耗的降低，因此必须对镜频端口进一步施加特殊的终端条件，以利于回收镜像频率混频产物中包含的有用信号功率，进一步降低变频于回收镜像频率混频产物中包含的有用信号功率，进一步降低变频损耗。损耗。 Y Y混频器按照对于镜频端口采取措施与否及采取措施的不同，混频器按照对于镜频端口采取措施与否及采取措施的不同，又可以分为三种类型：又可以分为三种类型：镜像匹配、镜像短路和镜像开路镜像匹配、镜像短路和镜像开路，这三种镜，这三种镜像终端由于终端条件不同会有不同的变频损耗性能，为获得最佳变像终端由于终端条件不同会有不同的变频损耗性能，为获得最佳变频损耗，对

41、信号源电阻和负载电阻的要求也不同。频损耗，对信号源电阻和负载电阻的要求也不同。 （1 1）镜像匹配情况）镜像匹配情况 Sif镜频距离信号频率仅有二倍中频镜频距离信号频率仅有二倍中频 从二极管向外电路看去，信号输入回路对镜频的阻抗与对信号频率的阻从二极管向外电路看去，信号输入回路对镜频的阻抗与对信号频率的阻抗近似相等，这种混频器称为抗近似相等，这种混频器称为“镜像匹配混频器镜像匹配混频器”。 29南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器输出电导输出电导 一般混频器等效电路一般混频器等效电路 outGififoutVIG变频损耗变频损耗 L最佳变频损耗最佳变频损

42、耗 与最佳信号源电导与最佳信号源电导 及输出电导及输出电导 optLoptSGoptoutG 当当 时，时， ，这意味着在极限本振激励，这意味着在极限本振激励下，信号输入功率仅有一半变换为有用的中频功率，而另一半下，信号输入功率仅有一半变换为有用的中频功率，而另一半会变成镜像功率在信号源内导上消耗掉。会变成镜像功率在信号源内导上消耗掉。 LV2匹LdB330南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器变频损耗与本振电压和变频损耗与本振电压和镜像终端类型的关系镜像终端类型的关系 归一化最佳电导与本振电压和归一化最佳电导与本振电压和镜像终端类型的关系镜像终端类型的关

43、系 31南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器（2 2）镜像短路情况）镜像短路情况 如果信号和本振输入回路如果信号和本振输入回路 和和 都是窄带的，对镜像都是窄带的，对镜像频率它们具有很低的阻抗，可以使得镜像电压频率它们具有很低的阻抗，可以使得镜像电压 但镜像电流但镜像电流 ，就会出现，就会出现“镜像短路镜像短路”情况。情况。 SSCLLLCL0iV0iI加有镜像短路滤波器的混频器加有镜像短路滤波器的混频器 在实际电路中，一般是采用在实际电路中，一般是采用“嵌入嵌入”镜像滤波器的办法来镜像滤波器的办法来构造镜像短路构造镜像短路，这种电路不，这种电路不要求输

44、入回路具有能区分信要求输入回路具有能区分信号频率和镜像频率的窄带特号频率和镜像频率的窄带特性，镜像短路由专门的结构性，镜像短路由专门的结构来实现。来实现。 电路在二极管输入口并联一个窄电路在二极管输入口并联一个窄带的串联谐振回路，谐振于镜像带的串联谐振回路，谐振于镜像频率，根据串联谐振的特性，该回路对镜像频率提供近似短路的频率，根据串联谐振的特性，该回路对镜像频率提供近似短路的低阻抗，但对信号频率提供高阻抗，因此该回路对信号功率损耗很小低阻抗，但对信号频率提供高阻抗，因此该回路对信号功率损耗很小32南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器 当当 时，时， ，

45、这是因为在镜像短路情况下，这是因为在镜像短路情况下，包括镜频在内的所有高次闲频分量均被短路而没有功率损耗，包括镜频在内的所有高次闲频分量均被短路而没有功率损耗，故在极限本振激励下，所有信号输入功率都可变成中频功率。故在极限本振激励下，所有信号输入功率都可变成中频功率。当然，实际混频器本振激励是有限的，变频损耗总是大于当然，实际混频器本振激励是有限的，变频损耗总是大于1 1，是，是有耗的。有耗的。 LV1短LdB0（3 3）镜像开路情况）镜像开路情况 如果在混频器输入端与二极管之间嵌入一个镜像频率的并如果在混频器输入端与二极管之间嵌入一个镜像频率的并联谐振回路，它将在镜像频率上呈现高阻抗，使得镜

46、像电压联谐振回路，它将在镜像频率上呈现高阻抗，使得镜像电压 但镜像电流但镜像电流 ，就会出现，就会出现“镜像开路镜像开路”情况。情况。 0iV0iI 在镜频谐振回路两端的镜像电压将又加在二极管上，并与本在镜频谐振回路两端的镜像电压将又加在二极管上，并与本振再次混频产生中频，又得到有用的中频能量。因此，这里镜振再次混频产生中频，又得到有用的中频能量。因此，这里镜像频率的并联谐振回路相当于镜频的能量存储器，并最终把镜像频率的并联谐振回路相当于镜频的能量存储器，并最终把镜频能量再转化为中频能量频能量再转化为中频能量. . 33南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换

47、器加有镜像开路滤波器的混频器加有镜像开路滤波器的混频器 当当 时时, ,LV1短LdB0 综合三种类型镜像终综合三种类型镜像终端端Y Y混频器的性能，可以混频器的性能，可以得出一些重要结论：得出一些重要结论： 在同样的本振激励功率下，在同样的本振激励功率下， 镜像开路的变频损耗最小，镜像开路的变频损耗最小， 而镜像匹配的损耗最大。镜像开路混频器所要求的最佳信号源而镜像匹配的损耗最大。镜像开路混频器所要求的最佳信号源 电导比镜像短路混频器的小的多，如果给定的信号源电阻较低电导比镜像短路混频器的小的多，如果给定的信号源电阻较低 （约几十欧），那么镜像短路混频器比较容易与信号源匹配，（约几十欧），那

48、么镜像短路混频器比较容易与信号源匹配， 实际上所得性能并不比镜像开路混频器差。实际上所得性能并不比镜像开路混频器差。 镜像匹配混频器是宽带混频器，它具有存在于本振频率两侧的镜像匹配混频器是宽带混频器，它具有存在于本振频率两侧的 信号及镜频通道，是双通道混频器，如果在信号输入端存在一信号及镜频通道，是双通道混频器，如果在信号输入端存在一 个频率等于镜像频率的外来干扰信号，能够在中频输出端造成个频率等于镜像频率的外来干扰信号，能够在中频输出端造成 中频干扰，使混频器性能变坏。中频干扰，使混频器性能变坏。 34南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器 镜像短路与开

49、路混频器是窄带混频器，只在本振频率一侧存在镜像短路与开路混频器是窄带混频器，只在本振频率一侧存在 信号通道，是单通道混频器，如果在信号输入端存在一个频率信号通道，是单通道混频器，如果在信号输入端存在一个频率 等于镜像频率的外来干扰信号，它也会被输入回路中的镜像抑等于镜像频率的外来干扰信号，它也会被输入回路中的镜像抑 制滤波器（短路或开路）所抑制，不能通过混频器产生输出。制滤波器（短路或开路）所抑制，不能通过混频器产生输出。 常用镜像匹配混频器来接收宽带信号或调制产生的双边带信号，常用镜像匹配混频器来接收宽带信号或调制产生的双边带信号， 这时虽然每个通道的变频损耗较大，但中频功率可以是两个通这时

50、虽然每个通道的变频损耗较大，但中频功率可以是两个通 道之和，这样总变频损耗并不会恶化太多；而用镜像开路或短道之和，这样总变频损耗并不会恶化太多；而用镜像开路或短 路混频器来接收窄带或单边带信号。如果必须用镜像匹配混频路混频器来接收窄带或单边带信号。如果必须用镜像匹配混频 器来接收窄带信号，就必须尽可能器来接收窄带信号，就必须尽可能“抑制抑制”或或“关闭关闭”镜像通道以镜像通道以 减小中频干扰。减小中频干扰。 混频器对本振源的输入电导混频器对本振源的输入电导 与混频器最佳信号源电导与混频器最佳信号源电导 数数 值相近，即混频器与本振源电导值相近，即混频器与本振源电导 匹配得到的性能与最佳性能匹配

51、得到的性能与最佳性能 相近。因此实际设计宽带混频器时，常用相近。因此实际设计宽带混频器时，常用 来估计来估计 ，这给，这给 宽带混频器的设计提供了基础和方便。宽带混频器的设计提供了基础和方便。 LG匹SGLGLG匹SG35南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器3 3二极管寄生参量对变频损耗的影响二极管寄生参量对变频损耗的影响 二极管寄生参量二极管寄生参量 sRjC , , 对高频信号和中频信号都要起分流和对高频信号和中频信号都要起分流和分压作用，因此在理想混频器的输入和输出端都应接上并联电分压作用，因此在理想混频器的输入和输出端都应接上并联电容和串联电阻。

52、容和串联电阻。 实际混频器的变频损耗为：实际混频器的变频损耗为： inscSinsoutsBArGRGRGRLLLLL11236南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器 如果考虑二极管的寄生参量在内，总的变频损耗随本振电压如果考虑二极管的寄生参量在内，总的变频损耗随本振电压幅度变化的趋势就不再是单调变化，当本振电压幅度在某个数值范幅度变化的趋势就不再是单调变化，当本振电压幅度在某个数值范围内，会出现一个变频损耗最小值。因此变频损耗的最佳值不仅受围内，会出现一个变频损耗最小值。因此变频损耗的最佳值不仅受信号源内阻的影响，还会受到本振激励电压的影响。信号源内阻的

53、影响，还会受到本振激励电压的影响。 一般来说，为使寄生参量造成的附加损耗小，应使一般来说，为使寄生参量造成的附加损耗小，应使 和和 本本身的值较小，而且混频二极管的截止频率应满足身的值较小，而且混频二极管的截止频率应满足 。 sRjCSc20 在实际电路中，混频器的损耗还要包括输入和输出端的失配在实际电路中，混频器的损耗还要包括输入和输出端的失配损耗，及混频器电路其它元件的损耗，这些损耗是实际设计混频损耗，及混频器电路其它元件的损耗，这些损耗是实际设计混频器必须考虑的，实际得到的混频器变频损耗要比理论计算的高。器必须考虑的，实际得到的混频器变频损耗要比理论计算的高。 37南南京京理理工工大大学

54、学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器3.2.3 3.2.3 噪声特性噪声特性 混频器的噪声特性主要用混频器的噪声特性主要用“噪声系数噪声系数”和和“噪声比噪声比”来描述。来描述。针对混频器输出的核心变频产物针对混频器输出的核心变频产物- -中频，混频器的噪声系数可中频，混频器的噪声系数可定义为：定义为： aSaifaifaifaSaSmNNLNPNPF输出中频噪声功率比输入信号噪声功率比aifaSPPL 为混频器的变频损耗为混频器的变频损耗; ; aSNaifN分别为混频器输入和输出的噪声资用功率。分别为混频器输入和输出的噪声资用功率。 一般把混频器的总输出噪声等效为温度一般

55、把混频器的总输出噪声等效为温度 的电阻所产生的热噪声，的电阻所产生的热噪声，称为混频器的等效噪声温度，并可定义混频器的噪声比称为混频器的等效噪声温度，并可定义混频器的噪声比 为：为： mTmt0TTtmm为标准噪声温度，一般取常温为标准噪声温度，一般取常温290K290K。 0T38南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器 混频器的噪声系数及噪声比与混频器的电路结构（单或双通混频器的噪声系数及噪声比与混频器的电路结构（单或双通道）及信号频谱宽度（单或双边带）有关。道）及信号频谱宽度（单或双边带）有关。 1 1镜像开路和短路混频器的噪声系数镜像开路和短路混频器

56、的噪声系数 这时混频器是单通道的，它是二端口有耗网络，其噪声等这时混频器是单通道的，它是二端口有耗网络，其噪声等效电路为：效电路为： 混频器的输出噪声由混频器的输出噪声由两部分构成：两部分构成：一部分一部分是输入噪声经过混频是输入噪声经过混频器衰减后的噪声输出器衰减后的噪声输出功率，另一部分是混频器内部噪声产生的输出功率。功率，另一部分是混频器内部噪声产生的输出功率。 下标下标“1”1”表示单通道混频器。将噪声系数用变频损耗和噪声表示单通道混频器。将噪声系数用变频损耗和噪声比表示，可得：比表示，可得： 1dt11mt1111LtLFmm 混频器的噪声系数近似等于变频损耗，要获得低噪声系数，混频

57、器的噪声系数近似等于变频损耗，要获得低噪声系数，必须使混频器的变频损耗尽可能低，两者是一致的。必须使混频器的变频损耗尽可能低，两者是一致的。 39南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器2 2镜像匹配混频器的噪声系数镜像匹配混频器的噪声系数 这时混频器是双通道的，它是三端口有耗网络。对于这种双通道这时混频器是双通道的，它是三端口有耗网络。对于这种双通道混频器，当信号的边带结构不同时，如单边带（混频器，当信号的边带结构不同时，如单边带（SSBSSB）信号或双边）信号或双边带（带（DSBDSB）信号，其噪声系数及噪声比是不同的，必须分别讨论。）信号，其噪声系数及

58、噪声比是不同的，必须分别讨论。 （1 1）单边带信号情况）单边带信号情况 这时信号功率仅存在于信号通道，这时信号功率仅存在于信号通道，镜像通道没有信号，但由于镜像镜像通道没有信号，但由于镜像通道也存在热噪声，因此将会有通道也存在热噪声，因此将会有两个通道的噪声通过混频产生中两个通道的噪声通过混频产生中频噪声输出，其噪声性能将变坏。频噪声输出，其噪声性能将变坏。 这时噪声系数和噪声比为：这时噪声系数和噪声比为： 22221212mdmtLtLSSBFdmmtLLTTt12122202240南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器（2 2）双边带信号情况）双边带

59、信号情况 信号和镜像通道都存在信号功率，因此输出中频功率信号和镜像通道都存在信号功率，因此输出中频功率 ，而输出的总中频噪声资用功率仍为，而输出的总中频噪声资用功率仍为 ，故输出中频的信噪比比单边带信号情况增加一倍；，故输出中频的信噪比比单边带信号情况增加一倍；而输入信噪比这时并没有改变。噪声系数为而输入信噪比这时并没有改变。噪声系数为: : SSBPDSBPaifaif22aifNdmmmtLtLSSBFDSBF121212122222 如果用双通道混频器来接收如果用双通道混频器来接收“单边带单边带”信号时，由于噪声信号时，由于噪声输出是双通道的，而信号是单通道的，噪声系数要增大一倍，输出是

60、双通道的，而信号是单通道的，噪声系数要增大一倍，或者说输出信噪比变坏或者说输出信噪比变坏3dB3dB。为了降低混频器的噪声系数以改。为了降低混频器的噪声系数以改善灵敏度，应将镜像通道抑制，这样对信号传输无影响，但善灵敏度，应将镜像通道抑制，这样对信号传输无影响，但可将噪声削弱可将噪声削弱3dB3dB。 41南南京京理理工工大大学学 电电光光学学院院通通信信工工程程系系微波频率变换器3 3混频器混频器- -中放组件的噪声系数中放组件的噪声系数 在外差式微波接收机中，一般采用混频器在外差式微波接收机中，一般采用混频器- -中频放大器组件作中频放大器组件作为接收前端。由于阻性混频器本身没有增益，其后