微波混頻器

微波混頻器是通信系統特別是無線通信收發機中的關鍵部件之一，也是其他微波測量系統中的關鍵部件之一。它影響並決定着系統的帶寬和動態範圍。對混頻器的最基本的要求是低噪聲、大動態範圍和低變頻損耗。這些都是混頻器電路設計與研究的難點，其中低噪聲是指要保證傳輸的信號要有良好的信噪比，使所需要的信號不會被電路產生的噪聲淹沒；較大的動態範圍是為了使較寬功率範圍內的信號對所需要信號的增益與頻率產生影響較小；變頻損耗是指要求輸出的信號相對於輸入信號的功率不能有大的功率損耗，這是一個優良的電路或者系統的基本要求。

混頻器由三個部分組成；

(1)耦合本振信號與射頻信號的輸入電路；

(2)中頻信號的 輸出電路；

(3)非線性器件網絡。 ^[1] 

廣泛應用於通信系統特別是無線移動通信系統的微波混頻器一般具有三個端口，即微波混頻器是三端口元器件，一般是兩個輸入端，一個輸出端。一般情況下，在接收機中一個輸入端口接收到微弱的空間信號，經低噪聲放大器LNA模塊放大。另一個輸入端口接到本地振盪器提供的本振LO信號，輸出端口輸出的是所需要進行低頻處理的中頻頻率。

通信系統的發射機中信號在混頻器中的變換機理與接收機中的混頻器是一樣的。只是在發射機中，是把系統產生的頻率較低的中頻IF信號與本振LO信號通過混頻器非線性器件的作用產生射頻信號，然後再通過系統的天線發射到空間中去。中頻IF和射頻RF與接收機中的混頻器輸入輸出端口恰好相反。這説明不是每種混頻器的輸入總為射頻RF，輸出總為中頻IF，這兩個哪個信號做輸入哪個信號做輸出只是個相對而言。在這裏，微波混頻器稱為上變頻器。 ^[2] 

微波混頻器有很多種分類方法，以下簡單介紹下幾種常見的分類方法。第一種分類是按混頻器電路的拓撲結構可以分為平衡型微波混頻器和非平衡型微波平衡器，典型的非平衡型混頻器有單管混頻器，而平衡型微波混頻器又分為單平衡型、雙平衡型以及雙雙平衡型。

1、單管混頻器

混頻器的輸入端口輸入的信號分別為射頻信號fS和本振信號fL，輸出端口輸出的信號為可供端電路可以處理的中頻信號fI。該微波混頻器的微波/射頻輸入信號和本振信號是從其定向耦合模塊的主端口和耦合端口輸入，然後通過微波傳輸線的匹配作用下在定向耦合模塊的另外一個端口加載到微波混頻器的非線性混頻器件上。由於定向耦合器的存在，使得射頻微波輸入信號與本振信號在一定程度上是相互隔離的，以防止兩個信號相互串擾；同時在定向耦合器的作用下，這兩個信號在定向耦合器四分之一工作波長耦合段的作用下在此後的微波電路中傳輸相應的能量。定向耦合器有耦合度、隔離度和方向性等重要技術指標。

單管混頻器具有結構簡單的優點，由於其隔離度、噪聲係數等微波混頻器的主要技術指標比其他形式微波混頻模塊的電路性能差，所以一般只是在某些混頻模塊的技術指標要求不高的情況下中才運用這種形式的電路。

2、單平衡混頻器

由兩隻微波非線性晶體管或者場效應管按一定的拓撲結構連接在一起就形成了被人們通常稱為的單平衡微波混頻電路模塊。通常情況下，單平衡微波混頻器的形式多種多樣，電路結構也形形色色，是一種應用非常廣泛的微波混頻器，是比較常見且普通的微波混頻器。單平衡微波混頻器可以按照加載在兩個微波晶體管或者場效應管上的信號與本振信號之間的相位關係分為兩種單平衡微波混頻器：二分之一波長型單平衡混頻器和180度的反相型單平衡混頻器。無論他們的結構或電路形式差別有多大，這兩種單平衡混頻器的原理都是相同的，不過這兩種單平衡混頻器也在某些特定的技術指標的應用上各自有各自的特點。 ^[2] 

（1）變頻損耗和噪聲係數

變頻損耗（簡稱“變損”，下同）和噪聲係數是混頻器的兩個重要參數。變損就是頻率變換的效率，它等於單邊帶中頻輸出與射頻輸入的功率之比，用dB表示。

混頻器的噪聲係數是混頻器輸入端的信噪比與混頻器輸出端的信噪比之比，用dB表示，混頻器的噪聲係數由以下幾個部分組成：單邊帶變頻損耗，二極管串聯電阻上的熱噪聲以及當頻率低於 10KHz時的二極管的1/f噪聲，混頻器的噪聲係數通常比變頻損耗大0.5～1dB，這個參數一般不測試。

（2）變頻壓縮

變頻壓縮是混頻器線性運用狀態下最大射頻輸入偏離線性某一壓縮量來説明的，通常規定為 1dB，“稱1dB壓縮點”，混頻器工作的輸入電平比1dB壓縮點相應的輸入電平越小，混頻器的失真產物越小，因此，應使混頻器的輸入電平小於1dB壓縮點相應的輸入電平。

（3）動態範圍

動態範圍是指混頻器在規定本振電平下，射頻輸入電平的可用範圍。一般認為動態範圍的上限受 1dB壓縮點限制。若1dB壓縮點的輸入電平為1dBm，即表示其射頻輸入功率最大不能超過1.25mw。

為了擴大混頻器動態範圍的上限，以減少混頻器的失真，要用高勢壘或超高墊壘肖特基二極管。

相應地、混頻器的本振必須使用高電平或超高電平來激勵。

動態範圍下限受接收機靈敏度限制，而接收機靈敏度又和其通帶寬度成反比。

例：若混頻器噪聲係數為 7dB，則通常最小可檢測功率可達 -107dBm，如果系統中指示判據要求最小功率要高於判據10dB，則動態範圍下為-97 dBm。

（4）隔離度

隔離度是混頻器電路平衡度的一個量度，當電路很平衡時，各端口間的隔離度很好，信號的相互泄漏很小。對於很多應用，本振功率泄漏到射頻端的指標是很重要的，因為它可以反映出本振信號從天線再輻射的強弱程度。

當電路很平衡時，本振功率的大小不影響隔離度，但平衡度隨頻度提高而下降。通常，隔離度以每倍頻程約5 dB的速度下降。

（5）交調性能

在混頻器中，有兩種主要形式的失真產物：單音交調和雙音交調產物。單音交調產物是混頻器本振信號和它的諧波對射頻信號和它的諧波組合的結果，形成為 mLO±nRF，通常把它們分為“階”。

確保分配到二極管的射頻和本振功率一致及相應的相位平衡以及二極管的更精密配對，是降低單音交調產物的有效途徑。

雙音交調產物是射頻端有兩個信號同時加入的結果，這些信號可以產生諧波，互相組合，然後按（2RF1+RF2）±LO=IF（或）（RF1+2RF2）±LO=IF與本振組合。對這些產物感興趣是由於它們有相對大的振幅，而其頻率又剛好落在所需中頻的兩邊，很難用濾波器消除。

雙音交調產物的輸出是與輸入電壓的立方成正比的，因此又叫“雙音三階交調”。混頻器的基本響應和三階響應，兩響應的交叉點稱為“三階交叉點”，有了這個點，任何輸入電平下的三階響應就可以估算，並可以比較部件的失真性能，交叉點與1dB壓縮點有一定關係，（約比1dB壓縮點高出10-15dB）。因此，一旦知道了1dB壓縮點，就可確定混頻器的動態範圍並粗略估算交調電平。

（6）混頻器的選用

實踐證明，混頻器的正確選擇、安裝及有效接地，對其性能及保證寬帶特性很有關係。選擇不當就可能承擔不良後果，正確地選擇混頻器可總結為以下三個基本步驟： ·選擇混頻器所需要的本振激勵電平或按最大射頻電平（1dB壓縮點）及允許失真水平確定本振激勵電平。

·確定封裝形式、電路連接關係及方式。

·根據頻率範圍選擇型號。

混頻器的電性能是在規定本振電平及線性應用時，在50Ω系統下測試的。實際工作中，混頻器的本振功率及源阻抗和負載阻抗允許與規範值有一定差別，其電參數也將略有變化雙平衡混頻器是一種寬帶電路組件，其帶寬通常以倍頻程表示。混頻器變損在頻帶中段是平坦的，為正確而方便地選擇並掌握其性能，在電參數表中，將頻率範圍分為三段，定義 fL 為下邊頻、M（m）為中段、fU為上邊頻，則：L段fL～10fL M段：10fL～1/2fU U段：1/2fU～fU m段：2fL～1/2fU。 ^[2]