《高频电子线路》-第7章

7.1混频的基本原理1．混频电路的结构混频电路一般为三口网络，有两个输入端口，一个输出端口。以调幅波混频电路为例，其功能如图7-1所示。混频电路的两个输入端口分别接输入高频调幅波信号us

和本机振荡信号uL

，两个输入信号的角频率分别是ωc

和ωL

；输出调幅波信号uI

由带通滤波器选出，通常称为中频信号，其角频率为ωc

和ωL

的差频或和频，称为中频ωI

，ωI=ωc±ωL

。混频器输出取差频时，ωI=ωc-ωL(当ωc>ωL时)或ωI=ωL-ωc(当ωc<ωL

时)；混频器输出取和频时，ωI=ωc+ωL｡下一页返回7.1混频的基本原理2．混频电路的工作原理混频电路的作用是将不同载频的高频已调波信号变换为同一个固定载频(一般称为中频)的高频已调波信号，变换后新载频已调波的调制类型（调幅、调频等）和调制参数（如调制频率、调制系数）均不改变。例如，在超外差式广播接收机中，把载频位于535～1605kHz中波波段各电台的普通调幅信号变换为中频为465kHz的普通调幅信号；把载频位于10.8～88MHz的各调频台信号变换为中频为10.7MHz的调频信号；把载频位于四十几兆赫至近千兆赫频段内各电视台信号变换为中频为38MHz的视频信号。从频谱观点来看，混频的作用就是将已调波的频谱不失真地从载波角频率ωc搬移到中频ωI的位置上，因此混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器实现，如图7-2所示。上一页下一页返回7.1混频的基本原理3．混频电路的主要性能指标混频电路的性能指标主要有变频增益、噪声系数、选择性、失真与干扰等。上一页返回7.2混频电路混频电路的种类比较多，常见的有二极管混频电路、差分对模拟乘法器混频电路、晶体管混频电路等，各有特点。7.2.1二极管混频电路由二极管组成的平衡混频器和环形混频器具有工作频带宽（可达几千兆赫）、噪声系数低、混频失真小、动态范围大等优点，常应用于微波波段，在高性能通信设备中应用广泛。其主要缺点是没有混频增益，不便于集成化。下面分别介绍两种二极管混频器。下一页返回7.2混频电路1．二极管平衡混频器二极管平衡混频器电路如图7-3所示，其中图7-3(a)为原理电路，图7-3(b)为等效电路。输入信号电压us反相加在两个二极管VD1

和VD2上，本振电压uL

同相加在两个二极管VD1和VD2

上，设us

和uL

分别为上一页下一页返回7.2混频电路2．二极管环形混频器（双平衡混频器）为了进一步提高混频器的性能，可采用二极管环形混频器组件构成混频电路，其原理如图7-4所示。其中us

、Rs1

为输入信号源，uL

、Rs2

为本地振荡信号源，RL

为中频输出信号的负载。上一页下一页返回7.2混频电路7.2.2差分对模拟乘法器混频电路在通信集成电路中，广泛采用集成模拟乘法器构成混频器。图7-5所示为由集成模拟乘法器MC1496构成的混频器电路，其中，电源VCC通过100μH电感接到6、12脚，并经两个1kΩ电阻分压后接至8脚，本地振荡信号uL=ULmcosωLt由10脚输入，振幅约为100mV；调幅信号电压us=Usm(1+macosΩt)cosωct由1脚输入，振幅最大值约为15mV。经混频后的中频电压（fI=9MHz）由中心频率9MHz、带宽约为450kHz的π形滤波器取出，同时该滤波器兼具阻抗变换作用，当输入调幅波载频fc=35MHz，本振频率fL=44MHz时，混频器的混频增益可达13dB。上一页下一页返回7.2混频电路集成模拟乘法器MC1496的1脚与4脚间接51kΩ电位器，构成平衡调节电路，使用时可适当调节该电位器以减小混频输出的失真。与二极管混频电路相比，由集成模拟乘法器构成的混频器具有输出信号组合频率分量少、端口之间隔离度高、对本振电压大小要求不严格、具有一定混频增益等优点。其主要缺点是噪声系数较大、带宽不够宽，但随着相关产品性能的不断完善和提高，集成模拟乘法器的应用越来越广泛。上一页下一页返回7.2混频电路7.2.3晶体管混频电路与二极管平衡和环形混频器及由集成模拟乘法器所构成的混频器相比，晶体管混频器的主要特点是混频增益高、要求的本振电压幅度较小。在以分立元件构成的无线接收机中，大都采用晶体管混频电路，双极型晶体管和场效应管都可以用来构成混频器，它们的工作原理基本相同。上一页返回7.3混频干扰由于混频器需要利用非线性器件实现，而器件的非线性又会导致各种干扰的产生。理想混频器的输出应该只有输入信号与本振信号混频后得到的中频信号fI=fL-fc或fI=fc-fL，称为混频器的主通道，由此得到有用输出信号。把除了有用输出信号外的其余变换通道称为寄生通道，所有无用信号统称为干扰。干扰形成的条件有两个：一是满足一定的频率关系；二是满足一定频率关系的分量的幅度足够大。在无线电接收机中，信号频率和本振频率的各次谐波之间、干扰信号与本振之间、干扰信号之间经非线性器件相互作用而产生众多组合频率分量。当其中某些频率分量接近中频，而同时又有一定幅度时，就会通过中频放大器放大，经解调后引起各种干扰，影响有用信号的接收。下一页返回7.3混频干扰常见的混频干扰有信号与本振的组合频率干扰、外来干扰与本振的组合频率干扰、外来干扰互相作用形成的互调干扰、外来干扰与信号形成的交叉调制干扰、阻塞干扰、倒易混频干扰等。7.3.1常见混频干扰1．信号与本振产生的组合频率干扰由于器件非线性的原因，混频器在信号电压和本振电压量共同作用下会产生众多组合频率分量，可表示为式中，p、q为任意正整数。上一页下一页返回7.3混频干扰2．干扰与本振产生的组合频率干扰外来干扰信号加到混频器输入端后，与本振信号混频后形成的组合频率若满足就会形成干扰。这种由外来干扰信号与本振信号经混频器后产生的组合频率干扰又称为寄生通道干扰，通常只有p、q较小时的干扰信号才会形成较强的寄生通道干扰，常见的寄生通道干扰有中频干扰和镜像干扰。上一页下一页返回7.3混频干扰3．交叉调制干扰（交调干扰）如接收机前端电路的选择性不好，有用信号与干扰信号会同时加到接收机输入端，若两个信号都为调幅波，则通过混频器的非线性作用就有可能产生交叉调制干扰。其表现为，当接收机调谐在有用信号频率上时，在输出端不仅可以收听到有用信号的声音，同时还能收听到干扰台的声音。若接收机对有用信号频率失谐时，干扰台的调制声也随之减弱，并随着有用信号的消失而消失，好像干扰台声音调制在有用信号的载波上，故称为交叉调制干扰。其形成原因为，强干扰信号与有用信号同时输入到混频器中，经非线性作用，使干扰台的原调制信号转移到有用信号的载频上，然后再与本振信号混频得到中频信号而形成干扰，交叉调制干扰与有用信号并存，并通过有用信号而起作用。其实质是通过非线性作用，将干扰信号的原调制信号解调出来，再调制到中频载波上，如图7-11所示。上一页下一页返回7.3混频干扰4．互相调制干扰（互调干扰）两个或多个干扰信号同时作用于混频器的输入端，经混频器的非线性作用，干扰信号与本振信号相互混频，产生了接近中频的组合频率分量，通过中频放大器的通频带，经检波器检波后产生干扰，称为互调干扰。5．其他干扰现象（1）阻塞干扰。当强干扰信号进入接收机后，会使混频器工作于严重的非线性状态，还会破坏放大器的正常工作，使有用信号幅度减小，信噪比下降，甚至无法接收到有用信号，这种现象称为阻塞干扰。上一页下一页返回7.3混频干扰（2）倒易混频。当混频器输入端存在强干扰信号，而本振的频谱纯度不高，存在杂散噪声时，干扰与本振噪声经混频器非线性作用后会使输出噪声加大，信噪比下降，这种现象称为倒易混频。干扰越强，本振噪声越大，倒易混频影响就越大。（3）包络失真。由于混频器的非线性原因，混频器输出电压的包络中产生了新的频率分量，使输出包络与输入包络不成正比，产生失真，称为包络失真。（4）外部干扰。外部干扰主要由各种电气设备工作时产生的电磁辐射形成的工业干扰和由一些自然现象（如雷电、雨雪等）形成的天电干扰组成。上一页下一页返回7.3混频干扰7.3.2抑制混频干扰的措施由前面分析可知，造成各种混频干扰的主要原因有混频器的非线性、前端电路的选择性不好、中频选择不当及电路动态范围小，故需要采取相应措施消除混频干扰。（1）采用相乘性较理想的相乘器构成混频电路，减少无用的组合频率分量，如采用抗干扰能力较强的平衡混频器和模拟相乘器混频电路；合理选用电子器件及设置合适工作点，使混频器的非线性高次方项尽可能减小；适当引入交流负反馈来扩大动态范围和减小器件的非线性。（2）提高前端电路的选择性，