第三章混频器

第三章混频器3．1引言3．2 混频原理3．3 混频失真与干扰3．4 混频器的主要指标3．5混频器电路结构3．6 混频器的级联3．1引言

混频器（mixer）是通信系统的重要组成部分，用于在所有的射频和微波系统进行频率变换。频率变换应该是不失真的，原载频已调波的调制方式和所携带的信息不变。

混频器是一种频率变换器件，理想混频器是把两输入信号在时域中相乘：和频，上变频差频，下变频和频为上变频（Up-conversion）；差频为下变频（Down-conversion） 3．2混频原理

混频器为三端口器件。混频器有两个输入端：分别为射频（RF）与本振（LO,LocalOscillator）信号，一个输出端：中频（IF,IntermediateFrequency）。中频频率fI可以有两种关系式表达上混频下混频 3．2混频原理

3．2．2混频原理(时域)

从频域角度来看，混频是一种频谱的线性搬移，输出IF与输入RF的频谱结构相同。

射频信号本振信号混频输出3．2混频原理

3．2．2混频原理(频域)

非线性器件伏安特性为i=f(u),u=UQ+u1+u2,UQ为静态工作点电压,u1和u2分别为两个输入电压。用Taylor级数展开,得其中当m=1,n=2,有i=2a2u1u23．2混频原理

3．2．2混频原理非线性电路的混频功能把i=f(UQ+u1+u2)在(UQ+u1)上对u2Taylor展开若u2足够小，简化为

i与u2是线性关系，但它们的系数是时变，即线性时变工作状态。

线性时变工作状态下的混频器3．2混频原理

3．2．2混频原理当u1=U1mcosω1t时，g(u1)将是角频率为ω1的周期性函数，Fourier级数展开式为

代入电流表达式i=i0(u1)+g(u1)u2，得线性时变工作状态下的混频器3．2混频原理

3．2．2混频原理线性时变工作时产生的组合频率分量的频率通式为|±pω1±ω2|;消除了p为任意值，q=0和q>1的众多频率分量;对于|±pω1±ω2|的组合频率分量中，由于无用频率分量与所需的有用频率分量之间的频率间隔很大，可以降低对滤波器的要求;不存在（q=2、3、∙∙∙）的（ωc±2Ω，ωc±3Ω，∙∙∙）等的靠近上、下边频的失真边带分量。线性时变工作状态下的混频器3．2混频原理

3．2．2混频原理非线性系统输入两单音信号时，输出电流表达式为

3．3 混频失真与干扰组合频率分量幂次组合频率分量幂次ω113ω13ω213ω232ω12

|2ω1

±ω2|32ω22

|ω1

±2ω2|3|ω1±ω2|2±pω1±qω2n3．3 混频失真与干扰这个结果，可以看出如下规律：1）由于特性曲线的非线性，输出电流中产生了输入电压中没有的新频率成份：输入频率的各次谐波，以及输入频率及其谐波所形成的各种组合频率。2）所有组合频率都是成对出现的。3）输出电压的直流成分，偶次谐波以及系数之和（即p+q）为偶数的各种组合频率成分，其振幅均只与幂级数的偶次项系数（包括常数项）有关，而与奇次项系数无关；类似地，奇次谐波以及系数之和为奇数的各种组合频率成分，其振幅均只与幂级数的奇次项系数有关，而与偶次项系数无关。3．3 混频失真与干扰镜像频率（Images）

有一个射频输入信号fR一个干扰信号fIMG=fR＋2fI，与本振fL混频后可能产生频率相同的中频信号：

fL-fR=fI=fIMG-fL

产生两个中频信号，由干扰信号所产生的中频信号称为镜频，用fIMG表示。3．3 混频失真与干扰

3．3．1 失真与干扰的种类输入到混频器的射频信号与镜频干扰信号频谱本振信号频谱混频结果镜像频率的产生 3．3 混频失真与干扰

3．3．1 失真与干扰的种类镜频与接收有用信号关于本振对称！镜像频率的产生 3．3 混频失真与干扰

3．3．1 失真与干扰的种类这表明干扰信号的幅度调制信息转移到了有用信号的幅度上，这种干扰就是交叉调制失真。 若非线性电路输入有一个相对较弱的有用信号u1和一个较强的干扰信号u2，且干扰信号是振幅调制信号，即u2=U2m(1+mcosΩt)cosω2t，基波电流振幅分量为交叉调制（CrossModulation） 3．3 混频失真与干扰

3．3．1 失真与干扰的种类三阶互调分量为2f1±f2和2f2±f1

互相调制（Intermodulation） 3．3 混频失真与干扰

3．3．1 失真与干扰的种类射频信号与本振的组合频率f=pfL±qfR，n=p+q，若组合频率接近接收中频附近，就会对接收机产生干扰。这类干扰是指在本振或是在射频信号基波频率上下对称分布。影响最大的是三阶组合干扰频率，即fL±2fR或2fL±fR。产生这种干扰的原因混频器的非线性或由于本振信号的频谱不纯，含有丰富的谐波成份，产生了这种组合频率的干扰。本振与射频的组合频率干扰 3．3 混频失真与干扰

3．3．1 失真与干扰的种类

理想振荡器输出频谱实际振荡器输出频谱互易混频输出频谱 3．3 混频失真与干扰

3．3．1 失真与干扰的种类互易混频（ReciprocalMixing）镜像频率的抑制采用高中频接收机方案例3.3.3某下混频接收机接收信号频率为14.090MHz，中频为41MHz，求本振频率和镜频干扰频率。高中频方案的缺点：接收机选择性差、提高对中放电路的要求 3．3 混频失真与干扰

3．3．2 失真与干扰的抑制消除或减少交调、互调干扰的方法：1)采用线性度好的混频器，选择合适静态工作点；2)降低射频信号输入幅度，使混频器工作在线性时变工作状态，减少混频的高次谐波分量;3)从电路结构上考虑，采用多个非线性器件构成平衡混频电路，抵消一部分无用的组合频率分量；4)采用补偿及负反馈技术实现接近理想的相乘运算。消除或减少互易混频干扰的方法：1)采用线性度较好的混频器2)提高本振信号频谱纯度混频器其它的干扰抑制 3．3 混频失真与干扰

3．3．2 失真与干扰的抑制变频增益或损耗（ConversionGainorLoss）变频压缩（Conversioncompression）三阶互调阻断点（IP3,ThirdOrderInterceptPoint）端口隔离度（LO与RF，LO与IF，RF与IF）

3．4 混频器的主要指标 混频器的变频增益Gc定义为在本振功率PLO不变的情况下，负载获得的最大中频功率PIF与射频输入功率PRF之比的对数，即

若变频增益Gc>0，则混频器有增益；反之为损耗。电压转换增益与功率转换增益

之间的关系变频增益或损耗（ConversionGainorLoss）3．4 混频器的主要指标 例3.4.1如图所示为一混频电路，射频信号源RF的内阻为RS（天线阻抗或LNA输出阻抗）。设混频器的输入阻抗为Ri，在混频器输入端口的电压为ui，求此混频器的变频增益。3．4 混频器的主要指标 变频增益或损耗（ConversionGainorLoss）变频压缩是指本振功率不变，中频输出功率随着射频输入功率的增长而线性增加，其转换增益为常数。3．4 混频器的主要指标 变频压缩（Conversioncompression）三阶互调阻断点是一个理论上的外推值，是表征混频器线性性能的重要指标。IP3是规定在标准本振功率下的参数。3．4 混频器的主要指标 三阶互调阻断点(IP3,ThirdOrderInterceptPoint)LO与RF、LO与IF、RF与IF之间的隔离;典型的混频器主要参数指标名称数值增益10dBNF12dBIIP3+5dBm输入阻抗50Ω口间隔离10-20dB3．4 混频器的主要指标 端口隔离度■下混频器都设计成为线性时变工作状态■混频电路类型I.无源混频器1)单二极管混频电路2)二极管平衡混频电路3)双平衡类型的二极管环形混频器II.有源混频器1)三极管混频电路2)单平衡混频电路3)吉尔伯特单元(GilbertCell)混频电路

3．5 混频器电路结构

通常由非线性器件或开关元件构成，电路简单不能提供变频增益，作为下变频的接收机电路为了得到更小的噪声系数，在前级一般要加LNA，由此会引起更多的互调失真。无源混频器的变压器通常会限制混频器的最高工作频率，从而影响带宽，且集成度差，体积较大 3．5 混频器电路结构

3．5．1 无源混频器二极管的大信号开关工作状态

单二极管混频电路 3．5 混频器电路结构

3．5．1 无源混频器流经二极管的电流iD为RF直通|±pfL±fR|

|fR±fL| 3．5 混频器电路结构

3．5．1 无源混频器单二极管混频电路优点：电路简单缺点：1)如果在射频输入信号含有直流分量，本振信号直接馈通到输出端;2)输出频谱十分丰富，不能提供任何隔离，也不能提供混频增益。除了产生所需的混频结果外，还含有大量的组合频率分量。 3．5 混频器电路结构

3．5．1 无源混频器单二极管混频电路 3．5 混频器电路结构

3．5．1 无源混频器二极管平衡混频电路 3．5 混频器电路结构

3．5．1 无源混频器二极管环形混频电路 3．5 混频器电路结构

3．5．1 无源混频器二极管环形混频电路有源混频器的应用更为广泛，特别是在射频集成电路（RFIC）中。可以提供混频增益，采用有源平衡－非平衡转换电路，易于集成。在有源混频器中，通常把射频电压转成电流信号，本振开关控制电流信号。优点：1)通过端接适当负载，可以获得一定的电压增益；2)对本振的振幅要求降低；3)端口的隔离度更好，更适于低电压工作。缺点：需要一定的偏置电流，带来了直流功耗和射频电压的直流分量，线性度也受到了限制。 3．5 混频器电路结构

3．5．2 有源混频器单管混频器电路结构单开关采样电路实现混频功能三极管混频电路 3．5 混频器电路结构

3．5．2 有源混频器即由于该混频管和转移特性曲线具有良好的平方律特点，因此a1<<a2，a3<<a2，上述关系式可近似简化为ic≈a0+a2u2be。

3．5 混频器电路结构

3．5．2 有源混频器三极管混频电路把ube=uR+uL=URmcosωRt+ULmcosωLt，代入ic~ube近似关系可得变频跨导三极管混频电路 3．5 混频器电路结构

3．5．2 有源混频器三极管单平衡混频电路（SBM,SingleBalancedMixer） 3．5 混频器电路结构

3．5．2 有源混频器本振信号的开关函数为双向开关函数K2(ωLt)。单平衡混频器输出电压为：其中二次乘积项为

无直流馈通|ωR±pωL|

单平衡混频电路 3．5 混频器电路结构

3．5．2 有源混频器吉尔伯特单元(GilbertCell)混频电路 3．5 混频器电路结构

3．5．2 有源混频器输出电流为

3．5 混频器电路结构

3．5．2 有源混频器吉尔伯特单元(GilbertCell)混频电路在吉尔伯特单元混频器电路中，射频和本振信号的输入端都为差分形式，这两个端口都为平衡结构，吉尔伯特单元电路也称为双平衡混频器（DBM,DoubleBalancedMixer）。双平衡混频电路中的倒相开关使得差分中频输电压抵消掉了由于射频直流分量的存在而产生的本振输出分量。差分输出的电压幅度比单平衡混频器增加一倍。

3．5 混频器电路结构

3．5．2 有源混频器吉尔伯特单元(GilbertCell)混频电路例3.6.1假设端口A、B、C都是共轭匹配且阻抗都为50Ω。混频器的输出阻抗D为500Ω，第五级的中频滤波器源和负载阻抗E都是500Ω，若输入噪声电流忽略不计，求该接收系统的噪声系数。 3．6 混频器的级联

3．6．1 带混频器的级联系统噪声系数的计算在接收机的设计中，理想情况下前级电路输出阻抗和后级电路的输入阻抗相等；实际情况中往往前后级电路间的阻抗不匹配；噪声系数级联公式中的功率增益与电压增益不等，需要重新计算功率增益。 3．6 混频器的级联

3．6．1 带混频器的级联系统噪声系数的计算混频器与负载（通常为滤波器）连接时，可以直接连接；若对隔离或负载阻抗的匹配有要求，可以对混频器端接。

共基极放大器，输入阻抗Zin=1/