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第六章第六章 混频器混频器6.1 6.1 混混频器概述器概述 发射机射机—上混上混频器器——将已将已调制中制中频信号搬移到射信号搬移到射频接接纳机机—下混下混频器器——将接将接纳到的射到的射频信号搬移到中信号搬移到中频本振信号：本振信号： 射频信号：射频信号： 相乘得：相乘得： 根本方法：根本方法：乘法器＋滤波器乘法器＋滤波器非线性器件＋滤波器非线性器件＋滤波器中频滤波器中频滤波器调幅接幅接纳机机——混混频器的构造框器的构造框图 混混频器构造：三个端口器构造：三个端口——输入信号、本振信号、中入信号、本振信号、中频信号信号时域特性域特性——输出、出、输入波形一入波形一样、、载频不同不同 混频本质混频本质线性频谱搬移线性频谱搬移频域特性域特性——输出、出、输入入频谱构造、构造、带宽一一样，， 载频不同不同混频电路的实现混频电路的实现1. 乘法器乘法器2. 非线性器件非线性器件双极晶体管双极晶体管场效应管场效应管二极管二极管为减少组合频率分量为减少组合频率分量任务于线性时变形状任务于线性时变形状混频器的主要目的混频器的主要目的 增益增益 10 dB NF 12 dB IIP3 +5 dBm 输入阻抗输入阻抗 50Ω口间隔离口间隔离 10 ~ 20 dB 变频增益变频增益 =输出中频输出中频输入射频输入射频1. 增益增益射频口阻抗射频口阻抗中频口阻抗中频口阻抗按增益划分混频器按增益划分混频器有源混有源混频器器——增益大于增益大于1无源混无源混频器器——增益小于增益小于1电压增益电压增益功率增益功率增益两者关系？两者关系？2. 噪声噪声讨论混频器噪声的意义讨论混频器噪声的意义接纳机前端，对系统噪声影响大接纳机前端，对系统噪声影响大对射频而言是线性，可用线性网络对射频而言是线性，可用线性网络噪声计算公式噪声计算公式混频器的噪声来源混频器的噪声来源电路器件噪声电路器件噪声两个输入噪声两个输入噪声射频输入射频输入本振输入本振输入混混频器的器的输出噪声出噪声——位于中位于中频段段频谱搬移频谱搬移低噪放低噪放 F1、、G1带通滤波器带通滤波器 F2、、G2混频器混频器F3、、G3混频器的单边噪声和双边噪声混频器的单边噪声和双边噪声 ——讨论射射频噪声的搬移噪声的搬移单边噪声噪声① ① 射射频信号位于本振的一信号位于本振的一边 ② ② 被搬移到中被搬移到中频的噪声的噪声射频信号段射频信号段镜像频段镜像频段双边噪声双边噪声射频信号位于本振的两边射频信号位于本振的两边不存在镜像频率〔如零中频方案〕不存在镜像频率〔如零中频方案〕单边噪声是单边噪声是双边的两倍双边的两倍〔高〔高3dB〕〕非线性非线性 器件器件本振本振 中频中频滤波器滤波器3. 失真失真混混频——频谱线性搬移性搬移——非非线性器件性器件——平方平方项非非线性器件性器件——高次方高次方项——产生生组合合频率率——干干扰、失真、失真〔〔1〕干〕干扰哨声哨声特征：接纳机音频出现哨叫特征：接纳机音频出现哨叫混频输入：仅有有用射频混频输入：仅有有用射频付波道中频付波道中频 主中频主中频付波道中频付波道中频进入入检波〔解波〔解调〕〕——构成哨叫构成哨叫主中频：主中频：〔二次方项〕〔二次方项〕组合频率组合频率〔〔 次方项次方项 〕〕〔〔2〕寄生通道干扰〕寄生通道干扰非线性非线性 器件器件本振本振 中频中频滤波器滤波器主中频：主中频：干扰信号与本振的组合频率干扰信号与本振的组合频率寄生通道干扰寄生通道干扰最主要的寄生通道干最主要的寄生通道干扰② ② 镜像像频率干率干扰特征：输入伴有干扰信号特征：输入伴有干扰信号变换才干与主中频一样变换才干与主中频一样① ① 中中频干干扰直通直通不需求混频不需求混频变换才干最强变换才干最强③③靠得最近的干靠得最近的干扰〔半中〔半中频干干扰〕〕 变换才干：变换才干： 由非线性器件的由非线性器件的4次方引起次方引起 0三种比三种比较较主要的寄生通道干主要的寄生通道干扰扰——见图见图〔〔3 3〕互调失真〕互调失真非线性非线性 器件器件本振本振 中频中频滤波器滤波器特征：输入端伴有多个干扰信号特征：输入端伴有多个干扰信号但是当组合频率但是当组合频率每个干扰和本振混频每个干扰和本振混频由非线性器件的由非线性器件的 次方项次方项 产生产生互调干扰互调干扰称称 三三阶互互调 ——满足满足或或4. 线性范围线性范围问题:混混频是一种非是一种非线性功能，性功能，为什么有什么有“线性〞目的？性〞目的？混频混频射频射频本振本振中频中频混混频器的非器的非线性性—— 输出、出、输入入频率不同率不同混混频器的器的线性性—— 输出中出中频幅度幅度 输入射入射频幅度幅度 成正比成正比线性目的性目的变频增益下降变频增益下降1-dB1-dB时相应的输入〔或输出〕功率值时相应的输入〔或输出〕功率值 〔〔1 1〕〕 1-dB 1-dB 紧缩点紧缩点〔〔2 2〕三阶互调截点〕三阶互调截点混频混频射频射频本振本振中频中频输入信号输入信号有用信号有用信号干扰信号干扰信号〔设输入信号幅度一样〕〔设输入信号幅度一样〕互调信号产生互调信号产生 的中频的中频 主中频主中频幅幅度度相相等等，，三三阶截截点点截点对应的输入、输出截点对应的输入、输出〔〔3〕线性动态范围〕线性动态范围定义：定义：1-dB 1-dB 紧缩点与混频器的噪声基底之比，用紧缩点与混频器的噪声基底之比，用dBdB表示表示混混频器位于低噪放后，因此器位于低噪放后，因此对它它线性范性范围要求比低噪放高要求比低噪放高5. 口间隔离口间隔离射频口射频口本振口本振口中频口中频口本振走漏本振走漏影响影响LNA天线辐射天线辐射频率频率牵引牵引强信号强信号堵塞堵塞射频口射频口 中频口中频口普通情况普通情况射射频>>中中频，被，被滤除除零中零中频方案方案时低噪放的偶次低噪放的偶次谐波失真会波失真会窜入中入中频零中频方案中，射频口零中频方案中，射频口 中频口的影响中频口的影响信号强信号强频率相近频率相近射频输入为：射频输入为：设设LNA特性为：特性为：偶次方项产生的差拍偶次方项产生的差拍 差拍信号从射差拍信号从射频口口 中中频口口——干干扰直通走漏直通走漏6. 阻抗匹配阻抗匹配混频器混频器低噪放低噪放中频中频滤波器滤波器本振源本振源对混混频器三个口器三个口 的阻抗要求的阻抗要求① ① 匹配匹配————最正确最正确传输② ② 每个口每个口对另外两个口的信号另外两个口的信号 力求短路力求短路 —— ——减少口减少口间干干扰6. 2 6. 2 有源混频器电路有源混频器电路用双极型晶体管或场效应管构成用双极型晶体管或场效应管构成特征特征:混频增益混频增益 > 16.2.1 6.2.1 单管跨导型混频器单管跨导型混频器1. 任任务原理原理直流电源直流电源和偏置和偏置射频输入射频输入和本振和本振中频输出中频输出原理电路原理电路〔〔1〕任〕任务形状形状——线性性时变① ① 线性性时变必需必需满足的条件：足的条件：两个输入：两个输入：一大一小，且一大一小，且② ② 分析分析线性性时变的两要素的两要素〔〔a〕〕时变——时变偏置引出偏置引出时变跨跨导时变偏置：时变偏置：在时变任务点展开在时变任务点展开代入代入时变跨导富氏展开：时变跨导富氏展开：反复频率为反复频率为展开式展开式系数随时变偏置而时变系数随时变偏置而时变时变频率与时变偏置中的时变频率与时变偏置中的 一样一样时变跨导：时变跨导：〔〔b〕〕线性性——小信号与小信号与时变跨跨导相乘引出相乘引出频谱线性搬移性搬移漏极输出电流漏极输出电流条件：小信号条件：小信号相乘相乘定义：变频跨导定义：变频跨导时变跨导基波分量的一半时变跨导基波分量的一半输出中频电压输出中频电压滤波，得中频电流滤波，得中频电流变频增益变频增益〔〔2〕变频跨导的求法〕变频跨导的求法①①知器件的伏安特性曲知器件的伏安特性曲线 ②②根据跨根据跨导的定的定义 求出器件的求出器件的 关系曲线关系曲线 ③ ③ 代入混代入混频器的器的时变偏置偏置 变频跨导变频跨导 ④ ④ 经过曲曲线 画出画出时变跨跨导的波形的波形 ⑥ ⑥ 分析分析变频跨跨导与与本振幅度本振幅度 的的关系关系的基波分量最大的基波分量最大变频跨导的最大值变频跨导的最大值 变为方波变为方波⑤ ⑤ 对 富氏富氏级数分解数分解 求出基波分量幅度求出基波分量幅度 2. 设计思索设计思索〔〔1 1〕〕RFRF口和口和LOLO口的口的设计 隔直流电容隔直流电容——匹配匹配问题：： RF口和口和LO口同接在口同接在栅极极 管子管子输入端与入端与谁匹配？匹配？主要思索与主要思索与RFRF口前低噪放口前低噪放 匹配匹配————保保证小信号小信号传输LO 口的耦合口的耦合电容很小，以使本振源不影响容很小，以使本振源不影响RF口的参数口的参数 晶体管作为混频器的等效电路？晶体管作为混频器的等效电路？与作与作为放大器的等效放大器的等效电路的路的 异同？异同？输入阻抗同输入阻抗同输出阻抗同输出阻抗同等效电流源不同等效电流源不同放大器放大器——混混频器器——变频跨导变频跨导〔〔2〕偏置〕偏置① ① 在一在一样的本振幅度下，偏置不同，的本振幅度下，偏置不同，时变跨跨导也不同也不同② ② 时变偏置偏置随本振电压随本振电压 变化时，变化时，应保证场效应管任务于饱和区应保证场效应管任务于饱和区措施措施——漏极加漏极加LO串串连回路回路漏极对本振的漏极对本振的交流阻抗为交流阻抗为0，，本振变化不影响本振变化不影响漏极电压漏极电压〔〔3〕输出回路〕输出回路中频输出回路功能：中频输出回路功能：① ① 选频滤波波② ② 阻抗阻抗变换〔〔4〕中频陷波〕中频陷波目的：目的： 为了减少混入输入端的中频干扰和噪声为了减少混入输入端的中频干扰和噪声方法：方法： FET的的栅极极应对中中频短路短路——中中频陷波器陷波器〔〔5〕本振注入方式〕本振注入方式② ② 从源极注入从源极注入优点点——LO ——LO 口与口与RFRF口的隔离加大口的隔离加大 ① ① 从从栅极注入极注入优点点——需求的本振功率小需求的本振功率小缺陷缺陷——LO ——LO 口与口与RFRF口的隔离差口的隔离差直流栅偏压直流栅偏压时变偏置时变偏置缺陷缺陷—— 本振源提供的功率比从栅极注入要大本振源提供的功率比从栅极注入要大 对射频对射频 的负反响，使混频增益下降的负反响，使混频增益下降3. 双栅双栅FET混频器混频器双栅混频器交流通路图双栅混频器交流通路图电路特点路特点① ① 场效效应管两个管两个栅极极② ② 本振信号接在本振信号接在 接近漏极的接近漏极的栅极极G2G2上上 ③ ③ 射射频信号接在信号接在 接近源极的接近源极的栅极极G1G1上上④ ④ 本振口和射本振口和射频口分口分别与本人的源阻抗匹配与本人的源阻抗匹配 ⑤ ⑤ 接本振信号的接本振信号的栅极极G2G2应对中中频短路短路 ⑥ ⑥ 漏极漏极应对本振和射本振和射频短路短路 双栅双栅FET混频器任务原理混频器任务原理〔〔1〕〕FET2任任务特征之一特征之一〔〔2〕〕FET1任任务特征特征② FET1② FET1管任管任务在可在可变电阻区阻区 〔条件〔条件 很小〕很小〕FET1的跨导：的跨导：与与 成线性成线性与与 成正比成正比时变跨跨导——反复反复频率率为① ① 输入入为本振信号本振信号① ① 输入入为射射频信号信号② ② 作作为跟随器任跟随器任务，源极，源极输出出 跟随跟随输入，即入，即③ FET1③ FET1的的输出出电流流与射频输入与射频输入关系？关系？〔〔3〕〕FET2任任务特征之二特征之二包含了频率包含了频率 ，实现了混频功能，实现了混频功能② FET2② FET2负载为中中频滤波器波器③ FET2③ FET2为共共栅中中频放大器放大器————足足够大的中大的中频增益增益双双栅场效效应管混管混频器器优点：口点：口间隔离好、易匹配、隔离好、易匹配、变频增益大增益大① FET2① FET2栅极中极中频短路短路FET2。