射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)第九章

1、9.1 概 述 混頻器是所有射頻通信接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和信號(hào)發(fā)生器的重要組成器件，其屬于頻譜的線性搬移器件。所以，設(shè)計(jì)該類器件的時(shí)候，必須注意線性度?；祛l器由于最終實(shí)現(xiàn)的頻譜不同，可分為兩類： 在發(fā)射機(jī)中一般用上混頻器，它將已調(diào)制的中頻信號(hào)搬移到射頻頻段。 接收機(jī)中一般用下混頻器，它將接收到的射頻信號(hào)搬移到中頻。 從數(shù)學(xué)角度出發(fā)，實(shí)現(xiàn)頻率變換僅需用頻率為 的射頻輸入信號(hào)，與另一個(gè)頻率為 的本振信號(hào)相乘，LO是指本地振蕩器： RFLORFLORFLORFLO11coscoscoscos22tttttt9.2 混頻器的工作原理 混頻器有兩個(gè)輸出量： （1）輸入信號(hào)頻率與本地振蕩器頻率的差頻： 在下變頻

2、時(shí)，輸入射頻信號(hào)，理想的輸出是低頻信號(hào)； （2）輸入信號(hào)頻率與本地振蕩器頻率的和頻： 在上變頻時(shí)，輸入低頻信號(hào)，輸出是射頻信號(hào)。 由本地振蕩器電壓產(chǎn)生的時(shí)變波形包含了大量的本地振蕩器諧波分量，將射頻加載到時(shí)變波形上，將產(chǎn)生射頻與本地振蕩器的所有諧波的混合信號(hào)，這些信號(hào)的頻率統(tǒng)一表示為： 除需要 信號(hào)外，同時(shí)產(chǎn)生了大量 其他的頻率成分，稱之為雜散信號(hào)或雜散響應(yīng)。 RFLOnn 0,1, 2,3nRFLOn1n 使用非線性器件作為混頻元件的一個(gè)主要缺點(diǎn)是：將產(chǎn)生大量不需要的雜散混合頻率信號(hào)。 簡(jiǎn)單的單端混頻器 9.3 非線性分析法9.3.1 非線性分析法理論依據(jù)2222bbLORF1()2IaVb

3、VaVb VVVbRFRF2cosabV Vt2RFRF1cos22bVtbLOLO(2)cosabV Vt2LOLO1cos22bVtLORFLORFcosbV VtLORFLORFcosbV Vt（直流信號(hào)） （射頻信號(hào)） （射頻信號(hào)的二次諧波） （本振信號(hào)） （本振信號(hào)的二次諧波） （和頻） （差頻或中頻） 9.3.2 轉(zhuǎn)換損耗 來(lái)自信號(hào)源的資用功率為： 進(jìn)入負(fù)載的任一頻率信號(hào)功率為： 從而得到轉(zhuǎn)換損耗（CL）為：2avs8VpR2Lout2I RP22SLCL4VI R R9.3.3 輸入與輸出阻抗 對(duì)于不同的頻率段，輸入與輸出阻抗的計(jì)算公式不同：（1）對(duì)于 和 ：（2）對(duì)于 到 ：R

4、FLOinsb12ZRabVLORFLORFoutLb1(2)ZRabV9.3.4 隔離度（IS） 端口之間的隔離度（IS）表示：在同一頻率條件下，來(lái)自源端的資用功率與消耗在負(fù)載上的功率之比。對(duì)于 和 而言，隔離度為：RFLO2SLb1IS42R RabV9.4 轉(zhuǎn)換損耗矩陣分析法 在這種方法中，假定只有本地振蕩器承擔(dān)混頻功能。在此條件下，混頻器分析可分為兩個(gè)階段：(1)非線性分析階段，用于確定大信號(hào)性能；(2)線性分析階段，用于確定小信號(hào)性能。9.4.1 轉(zhuǎn)換損耗矩陣分析法理論依據(jù) 時(shí)變電導(dǎo)波形中流動(dòng)的電流現(xiàn)可表示為：RFRFLOLObcos2cosIVt ab VtVbRFRF(2)cos

5、abV VtLORFLORFcosbV VtLORFLORFcosbV Vt（信號(hào)分量） （和頻分量） （差頻（IF）分量）9.4.2 轉(zhuǎn)換損耗 轉(zhuǎn)換損耗可表示為： 此結(jié)果與9.3.2節(jié)中給出的結(jié)果完全一致。 同理，輸入和輸出阻抗與信號(hào)隔離度的結(jié)果都與非線性分析法得到的結(jié)果完全一致。2SLLO1CL4R RbV9.5 場(chǎng)效應(yīng)晶體管混頻器9.5.1 有源場(chǎng)效應(yīng)晶體管混頻器的結(jié)構(gòu) 有源場(chǎng)效應(yīng)晶體管混頻器提供了獲得轉(zhuǎn)換增益的能力。 其也要求較低的本地振蕩器功率、較高的動(dòng)態(tài)范圍，以及與二極管混頻器相當(dāng)?shù)脑肼曅阅堋?應(yīng)用一個(gè)單柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管有源模式所具有的幾種混頻功能，可歸結(jié)為有源場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的多種非

6、線性元件。 主要的非線性元件是柵-源間電容、跨導(dǎo)和漏極電導(dǎo)。取決于偏置條件，每個(gè)非線性元件都可用于混頻。 根據(jù)本地振蕩器加載于場(chǎng)效應(yīng)晶體管的不同端，這些有源場(chǎng)效應(yīng)晶體管混頻器可以分類為柵極混頻器、源極混頻器和漏極混頻器。 9.5.2 柵極混頻器 當(dāng)本地振蕩器電壓加載于柵極時(shí)，時(shí)變跨導(dǎo)起頻率轉(zhuǎn)換的作用。 柵極偏置在接近夾斷電壓處，漏極偏置電壓為 ，以提供最佳的轉(zhuǎn)換響應(yīng)。 在這種情況下，模型中其他非線性元件的瞬時(shí)值近似于常量。ddV9.5.3 源極混頻器 在源極混頻器中，將場(chǎng)效應(yīng)晶體管配置為共漏結(jié)構(gòu)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管偏置于I-V特性曲線的中部，本地振蕩器電壓加載于源極，用于調(diào)制 和 。 從分析的角度來(lái)

7、看，這是實(shí)現(xiàn)混頻的最復(fù)雜的模式，因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)晶體管模型中所有的非線性器件都是時(shí)變的。gsVdsV9.5.4 漏極混頻器 漏極混頻器利用I-V特性曲線上彎曲處的非線性實(shí)現(xiàn)混頻功能。因此， 時(shí)，漏-源間偏置最佳。 本地振蕩器加載于漏極時(shí)，頻率轉(zhuǎn)換主要來(lái)自于漏-源電阻的變化。dskneeVV9.5.5 場(chǎng)效應(yīng)晶體管混頻器的設(shè)計(jì) 由于時(shí)變跨導(dǎo)是頻率轉(zhuǎn)換的最主要貢獻(xiàn)者，其他參數(shù)的影響最小。必須最小化柵極-源極間電容與漏極跨導(dǎo)的諧波效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)這些特性的最佳途徑是：應(yīng)用柵極混頻器。 對(duì)于一個(gè)給定的器件，必須最大化跨導(dǎo)的波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)最小化噪聲系數(shù)、最優(yōu)化增益（對(duì)于一組給定的源阻抗與負(fù)載阻抗）、最小化隨泵浦信號(hào)

8、電平變化的增益。達(dá)到這些目標(biāo)的最重要條件是：場(chǎng)效應(yīng)晶體管在整個(gè)泵浦周期內(nèi)工作于飽和電流區(qū)。 9.6 二極管混頻器9.6.1 二極管混頻器的結(jié)構(gòu) 肖特基勢(shì)壘二極管是實(shí)現(xiàn)射頻混頻器的主要非線性器件： 9.6.2 二極管混頻器的設(shè)計(jì) 在二極管混頻器中，情況的確如此，這種非線性來(lái)自于二極管的電流-電壓（I-V）指數(shù)特性。 二極管混頻器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：重新獲得所需頻率的輸入信號(hào)、最小化信號(hào)損耗與優(yōu)化噪聲性能，并最小化其他雜散混頻信號(hào)的功率電平。 1轉(zhuǎn)換損耗 為了得到最小轉(zhuǎn)換損耗，必須滿足下列兩個(gè)基本條件： （1）輸入信號(hào)與混頻后的頻率信號(hào)在非線性元件中的消耗最小。 （2）所有帶外的混合頻率信號(hào)由電抗性負(fù)載吸收掉。 好的混頻器可實(shí)現(xiàn)低功率的帶外混頻信號(hào)及交調(diào)信號(hào)，這類混頻器可吸收掉帶外混頻產(chǎn)物。根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，必須適當(dāng)折中混頻器的性能。 2噪聲系數(shù) 值得注意的是，總損耗為的混頻器，其噪聲溫度比的另一種定義如下： 得到與IF放大器（噪聲系數(shù)為 ）相級(jí)聯(lián)混頻器的總噪聲系數(shù)：mmmFtLifFtmifmifm(1)FFFLF L9.6