第11章混頻器和檢波器的設(shè)計

射頻電路理論與設(shè)計（第2版）

第11章混頻器和檢波器的設(shè)計

混頻器和檢波器都是頻率變換電路?；祛l器是一種將輸入信號的頻率升高或降低，同時完好保留原信號特性的器件，其頻率的變換可通過輸入信號與另一信號（本振信號）混頻而來；檢波器是一種解調(diào)已調(diào)制信號的器件，用于直接提取信號的包絡，可濾除載波成分，輸出調(diào)制信號。

混頻器11.1檢波器11.211.1混頻器

混頻器是射頻系統(tǒng)中用于頻率變換的部件，可以將輸入信號的頻率升高或降低而不改變原信號的特性。實際混頻器通常是以二極管或晶體管的非線性為基礎(chǔ)，非線性元件能產(chǎn)生眾多的其他頻率分量，然后通過濾波選取所需的頻率分量。

11.1.1混頻器的特性

混頻器是一個三端口器件，其中2個端口輸入，1個端口輸出?；祛l器采用非線性元件，可以將2個不同頻率的輸入信號變換為一系列不同頻率的輸出信號，輸出頻率分別為2個輸入頻率的和頻、差頻及諧波。

1.混頻器的功能

在射頻發(fā)射系統(tǒng)中，2個不同頻率的輸入端分別稱為中頻端（IF）和本振端（LO），輸出端稱為射頻端（RF）。

在射頻接收系統(tǒng)中，2個不同頻率的輸入端分別稱為射頻端（RF）和本振端（LO），輸出端稱為中頻端（IF）。

圖11.1混頻器的符號和功能

2.理想混頻器的頻譜

上變頻過程，理想混頻器輸出的RF信號包含輸入LO與IF信號的和頻和差頻。

下變頻過程，理想混頻器輸出的IF信號的頻率為RF與LO信號的和頻和差頻。

（a）上變頻（b）下變頻圖11.2理想上變頻和下變頻的頻譜

3.實際混頻器的頻率輸出

實際上，混頻器利用一個或多個非線性器件，產(chǎn)生基于這2個信號各次諧波的和頻與差頻。輸出信號的頻率為

11.1.2混頻器的種類

混頻器按照頻率變換的類型可以分為3類電路，分別為上變頻器、下變頻器和諧波混頻器，以適應不同的需求。

1.上變頻 混頻器符號的意思是輸出與2個輸入信號的乘積成比例。這里將會看到這是混頻器工作的理想化觀點，實際混頻器會產(chǎn)生大量輸入信號的各種諧波。

對于上變頻過程，本振LO信號連接混頻器的一個輸入端口，其可以表示為

中頻IF信號連接混頻器的另一個輸入端口，其可以表示為

2.下變頻 對于下變頻過程，與用在接收機中的一樣，RF信號為輸入信號，其形式為

射頻

稱為產(chǎn)生IF信號的“直接頻率”；射頻

稱為產(chǎn)生IF信號的“鏡像頻率”，稱為“鏡像響應”。鏡像響應是不希望看到的，能抑制鏡像響應的混頻器稱為鏡像抑制混頻器。

3.諧波混頻器

當只具有一個低頻LO，而欲對一個高頻RF信號進行下變頻時，可以采用諧波混頻器。即選用LO的適當諧波與RF信號進行混頻，以實現(xiàn)下變頻。

上面是對理想混頻器的討論，輸出信號的頻率僅為2個輸入信號的和頻和差頻。實際混頻器是由二極管或晶體管構(gòu)成的，由于二極管或晶體管的非線性，輸出會有眾多的其他頻率分量，需要用濾波器選取所需的頻率分量。

11.1.3混頻器主要技術(shù)指標

混頻器的主要技術(shù)指標有變頻損耗、噪聲系數(shù)、線性特性、本振激勵功率、端口隔離度和端口阻抗匹配等。

1.變頻損耗 混頻器的變頻損耗定義為可用RF輸入功率與可用IF輸出功率之比，用dB表示為

2.噪聲系數(shù)

混頻器的噪聲系數(shù)定義為輸入信號的信噪比與輸出信號的信噪比的比值。

3.線性特性

混頻器的射頻輸入信號一般遠小于本振信號，混頻器對于較小的射頻輸入信號是線性網(wǎng)絡。混頻器輸出的中頻信號與輸入的射頻信號在幅度上成正比關(guān)系，是一個線性的移頻器。

4.本振激勵功率

混頻器的指標受本振功率控制。若本振功率不夠，就會降低混頻器的性能，甚至使混頻器無法工作。因此，混頻器要求給出本振激勵功率的參數(shù)，以dBm為單位。

5.端口隔離度

混頻器LO、RF、IF端口的頻率不同，端口隔離度定義為一個端口的輸入信號與其它端口得到的該頻率信號功率的衰減量，以dB為單位，一般要高于20dB。

6.端口阻抗匹配

混頻器的3個端口應配以適當?shù)钠ヅ潆娐罚郧蟮米畲筠D(zhuǎn)換效率。混頻器端口阻抗匹配的原則是：對于該端口的工作頻率的信號嚴格匹配，對于其他端口的工作頻率的信號則需全反射。

11.1.4單端二極管混頻器

僅用一個二極管產(chǎn)生所需IF信號的混頻器稱為單端二極管混頻器。

圖11.4單端二極管混頻器的一般框圖

2.二極管小信號分析

二極管是非線性的。通?？梢詫⒍O管視為一個非線性電阻，根據(jù)二極管的伏安特性，可以得到二極管電壓和電流之間的關(guān)系為

二極管電流的前3項，稱為“小信號近似”。

3.二極管非線性產(chǎn)生新的頻率分量

二極管的非線性導致輸出信號存在多個頻率，新的頻率分量為這里關(guān)心的是差頻，

4.設(shè)計步驟

（1）選擇合適的二極管。（2）測量大信號條件下二極管的阻抗值。（3）設(shè)計匹配電路。（4）電路優(yōu)化。

11.1.5單平衡混頻器 前面討論的單端二極管混頻器雖然容易實現(xiàn)，但在寬帶應用中不易保持輸入匹配及本振信號與射頻信號之間相互隔離，為此提出單平衡混頻器。

圖11.8單平衡混頻器

圖11.8示出單平衡混頻器的構(gòu)成，2個單端混頻器與一個3dB耦合器可以組成單平衡混頻器，為簡單起見，圖中省略了對二極管的偏置電路。

2.IF輸出

二極管的DC分量在合成時已經(jīng)消去。經(jīng)過低通濾波之后，IF輸出信號為

3.RF和LO隔離

當3dB耦合器是900混合網(wǎng)絡時，RF端口和LO端口之間的隔離。（1）RF端口和LO端口無反射。（2）RF端口與LO端口有強耦合。11.2檢波器

檢波器也是頻率變換電路。檢波器是將已經(jīng)調(diào)制的信號進行解調(diào)，輸出調(diào)制信號的電路。檢波器主要應用在接收機的解調(diào)電路中，對調(diào)幅信號進行解調(diào)，實現(xiàn)峰值包絡檢波，輸出信號與輸入信號的包絡相同。

11.2.1整流器與檢波器

1.整流器

整流器是檢波器的一個特例。整流器輸入的是未調(diào)制的射頻信號，也就是說輸入的射頻信號包絡為直流。

2.檢波器

檢波器輸入的是已調(diào)制的射頻信號，也就是說輸入的射頻信號包絡具有一定的波形，檢波器輸出包絡的波形。

11.2.2二極管檢波器

檢波器是利用射頻固態(tài)器件的非線性特性對輸入射頻信號進行頻率變換。由于二極管有非線性，可以利用二極管實現(xiàn)幅度調(diào)制信號的檢波。

1.檢波器電路的構(gòu)成

2.二極管的整流特性

電流輸出為

3.二極管的檢波特性

（1）二極管的輸出電流（2）平方率檢波（3）檢波器的輸出特性

11.2.3檢波器的靈敏度

靈敏度是指輸入信號較低時，檢波器返回有用信息的能力。檢波器靈敏度定義為輸出電流與輸入功率之比。

1.整流器的電流靈敏度

整流器的電流靈敏度定義為由于輸入射頻信號的變化引起的直流電流改變量與輸入射頻功率

之比，即

2.整流器的電壓靈敏度電壓靈敏度與負載相關(guān)，分開路電壓靈敏度和有限負載靈敏度2種情況。

開路電壓靈敏度定義為