射频电路设计技术第九章

1、9.1 概 述 混频器是所有射频通信接收机、发射机和信号发生器的重要组成器件，其属于频谱的线性搬移器件。所以，设计该类器件的时候，必须注意线性度。混频器由于最终实现的频谱不同，可分为两类： 在发射机中一般用上混频器，它将已调制的中频信号搬移到射频频段。 接收机中一般用下混频器，它将接收到的射频信号搬移到中频。 从数学角度出发，实现频率变换仅需用频率为 的射频输入信号，与另一个频率为 的本振信号相乘，LO是指本地振荡器： RFLORFLORFLORFLO11coscoscoscos22tttttt9.2 混频器的工作原理 混频器有两个输出量： （1）输入信号频率与本地振荡器频率的差频： 在下变频

2、时，输入射频信号，理想的输出是低频信号； （2）输入信号频率与本地振荡器频率的和频： 在上变频时，输入低频信号，输出是射频信号。 由本地振荡器电压产生的时变波形包含了大量的本地振荡器谐波分量，将射频加载到时变波形上，将产生射频与本地振荡器的所有谐波的混合信号，这些信号的频率统一表示为： 除需要 信号外，同时产生了大量 其他的频率成分，称之为杂散信号或杂散响应。 RFLOnn 0,1, 2,3nRFLOn1n 使用非线性器件作为混频元件的一个主要缺点是：将产生大量不需要的杂散混合频率信号。 简单的单端混频器 9.3 非线性分析法9.3.1 非线性分析法理论依据2222bbLORF1()2IaVb

3、VaVb VVVbRFRF2cosabV Vt2RFRF1cos22bVtbLOLO(2)cosabV Vt2LOLO1cos22bVtLORFLORFcosbV VtLORFLORFcosbV Vt（直流信号） （射频信号） （射频信号的二次谐波） （本振信号） （本振信号的二次谐波） （和频） （差频或中频） 9.3.2 转换损耗 来自信号源的资用功率为： 进入负载的任一频率信号功率为： 从而得到转换损耗（CL）为：2avs8VpR2Lout2I RP22SLCL4VI R R9.3.3 输入与输出阻抗 对于不同的频率段，输入与输出阻抗的计算公式不同：（1）对于 和 ：（2）对于 到 ：R

4、FLOinsb12ZRabVLORFLORFoutLb1(2)ZRabV9.3.4 隔离度（IS） 端口之间的隔离度（IS）表示：在同一频率条件下，来自源端的资用功率与消耗在负载上的功率之比。对于 和 而言，隔离度为：RFLO2SLb1IS42R RabV9.4 转换损耗矩阵分析法 在这种方法中，假定只有本地振荡器承担混频功能。在此条件下，混频器分析可分为两个阶段：(1)非线性分析阶段，用于确定大信号性能；(2)线性分析阶段，用于确定小信号性能。9.4.1 转换损耗矩阵分析法理论依据 时变电导波形中流动的电流现可表示为：RFRFLOLObcos2cosIVt ab VtVbRFRF(2)cos

5、abV VtLORFLORFcosbV VtLORFLORFcosbV Vt（信号分量） （和频分量） （差频（IF）分量）9.4.2 转换损耗 转换损耗可表示为： 此结果与9.3.2节中给出的结果完全一致。 同理，输入和输出阻抗与信号隔离度的结果都与非线性分析法得到的结果完全一致。2SLLO1CL4R RbV9.5 场效应晶体管混频器9.5.1 有源场效应晶体管混频器的结构 有源场效应晶体管混频器提供了获得转换增益的能力。 其也要求较低的本地振荡器功率、较高的动态范围，以及与二极管混频器相当的噪声性能。 应用一个单栅场效应晶体管有源模式所具有的几种混频功能，可归结为有源场效应晶体管中的多种非

6、线性元件。 主要的非线性元件是栅-源间电容、跨导和漏极电导。取决于偏置条件，每个非线性元件都可用于混频。 根据本地振荡器加载于场效应晶体管的不同端，这些有源场效应晶体管混频器可以分类为栅极混频器、源极混频器和漏极混频器。 9.5.2 栅极混频器 当本地振荡器电压加载于栅极时，时变跨导起频率转换的作用。 栅极偏置在接近夹断电压处，漏极偏置电压为 ，以提供最佳的转换响应。 在这种情况下，模型中其他非线性元件的瞬时值近似于常量。ddV9.5.3 源极混频器 在源极混频器中，将场效应晶体管配置为共漏结构。场效应晶体管偏置于I-V特性曲线的中部，本地振荡器电压加载于源极，用于调制 和 。 从分析的角度来

7、看，这是实现混频的最复杂的模式，因为场效应晶体管模型中所有的非线性器件都是时变的。gsVdsV9.5.4 漏极混频器 漏极混频器利用I-V特性曲线上弯曲处的非线性实现混频功能。因此， 时，漏-源间偏置最佳。 本地振荡器加载于漏极时，频率转换主要来自于漏-源电阻的变化。dskneeVV9.5.5 场效应晶体管混频器的设计 由于时变跨导是频率转换的最主要贡献者，其他参数的影响最小。必须最小化栅极-源极间电容与漏极跨导的谐波效应。实现这些特性的最佳途径是：应用栅极混频器。 对于一个给定的器件，必须最大化跨导的波动，从而实现最小化噪声系数、最优化增益（对于一组给定的源阻抗与负载阻抗）、最小化随泵浦信号

8、电平变化的增益。达到这些目标的最重要条件是：场效应晶体管在整个泵浦周期内工作于饱和电流区。 9.6 二极管混频器9.6.1 二极管混频器的结构 肖特基势垒二极管是实现射频混频器的主要非线性器件： 9.6.2 二极管混频器的设计 在二极管混频器中，情况的确如此，这种非线性来自于二极管的电流-电压（I-V）指数特性。 二极管混频器的设计目标是：重新获得所需频率的输入信号、最小化信号损耗与优化噪声性能，并最小化其他杂散混频信号的功率电平。 1转换损耗 为了得到最小转换损耗，必须满足下列两个基本条件： （1）输入信号与混频后的频率信号在非线性元件中的消耗最小。 （2）所有带外的混合频率信号由电抗性负载吸收掉。 好的混频器可实现低功率的带外混频信号及交调信号，这类混频器可吸收掉带外混频产物。根据系统的具体要求，必须适当折中混频器的性能。 2噪声系数 值得注意的是，总损耗为的混频器，其噪声温度比的另一种定义如下： 得到与IF放大器（噪声系数为 ）相级联混频器的总噪声系数：mmmFtLifFtmifmifm(1)FFFLF L9.6