微波電子線路第四章4

1、第四講：微波混頻器的主要指標(biāo),任何一個(gè)電路部件都必須用一些指標(biāo)來(lái)表示及性能.這些指標(biāo)既是電路性能好壞的量度,又是電路設(shè)計(jì)與調(diào)試的依據(jù)。對(duì)微波混頻器來(lái)講,這些指標(biāo)是:變頻損耗,噪聲系數(shù),端口隔離,輸入駐波比,動(dòng)態(tài)范圍和頻帶寬度等.其中變頻損耗和噪聲系數(shù)是重要的指標(biāo).我們本節(jié)予以重點(diǎn)討論. 一、變頻損耗L 微波混頻器的作用是將微波信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，頻率變換后的能量損耗即為變頻損耗。微波混頻器的小信號(hào)傳輸特性的研究任務(wù)包括： (1) 輸入信號(hào)功率經(jīng)過(guò)混頻器后有多少功率轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)功率，即變頻損耗。(2) 當(dāng)混頻器的源電導(dǎo)Gg和輸出電導(dǎo)G0為何值時(shí)，變頻損耗最小。,微波混頻器的主要指標(biāo),定義:混頻

2、器的輸入微波資用功率與輸出中頻資用功率之比.,或,損耗來(lái)源及組成部分： 寄生頻率所產(chǎn)生的凈變頻損耗L1。 二極管寄生參數(shù)Rs,Cj所引起的管內(nèi)損耗L2.,微波混頻器的主要指標(biāo),輸入、輸出端不匹配所引起的失配損耗L3. 電路連線產(chǎn)生的熱損耗L4. 凈變頻損耗L1,一般混頻器中，L40.2db，我們重點(diǎn)討論前三項(xiàng):,混頻器中寄生頻率雖然很多、在設(shè)計(jì)良好混頻器中絕大部分寄生頻率可被有效短路,惟獨(dú)鏡像頻率和信號(hào)不易分開(kāi),一般不容易被輕易濾掉.由三端口等效電路可知,鏡頻端口的端接情況直接影響信號(hào)功率能否有效地轉(zhuǎn)移到中頻上.所以凈變頻損耗對(duì)鏡頻阻抗依賴很大.我們首先研究在一般情況下,凈變頻損耗與鏡頻阻抗的

3、關(guān)系:,在三階導(dǎo)納矩陣中，令,微波混頻器的主要指標(biāo),則第三式為： 可解出 ，將此關(guān)系代入前面 二式中有： 其中,即,上式意味著,原來(lái)的三端口網(wǎng)絡(luò)可化成含有參數(shù)Gi的二端口網(wǎng)絡(luò)，如圖4-1。為了求出凈變頻損耗，首先要求出信號(hào)源資用功率和中頻輸出資用功率。,微波混頻器的主要指標(biāo),圖4-1混頻器等效二端口網(wǎng)絡(luò),微波混頻器的主要指標(biāo),圖4-1中，信號(hào)源為電流源 ，內(nèi)電導(dǎo)為 ，其資用功率 為： 為了求得中頻資用功率，應(yīng)用戴維寧定理，將中頻負(fù)載 短路： 再將 斷開(kāi)， ，求得從中頻端口看進(jìn)去的總導(dǎo) 納為：,可得：,微波混頻器的主要指標(biāo),所以中頻負(fù)載的等效電流源的電流為 ，內(nèi)電導(dǎo)為 ， 則資用功率為 ：,凈變

4、頻損耗： 實(shí)際的變頻器中，鏡端口負(fù)載可能為匹配、短路、開(kāi)路三種情況：,鏡像匹配混頻器：將 代入上式，并令,微波混頻器的主要指標(biāo),可得：最小凈變損耗： 最佳源電導(dǎo)： 最佳輸出電導(dǎo)： 鏡像短路混頻器：將 代入上式，令,微波混頻器的主要指標(biāo),可得：最小凈變損耗：,最佳源電導(dǎo)：,最佳輸出電導(dǎo)：,鏡像開(kāi)路混頻器：將 代入上式，令 ， 可得：最小凈變損耗：,微波混頻器的主要指標(biāo),最佳輸出電導(dǎo)：,最佳源電導(dǎo)：,微波混頻器的主要指標(biāo),這三種凈變頻損耗與本振峰值電壓關(guān)系為： 隨著 一致下降； 管子寄生損耗L2, 一般 ；, 的實(shí)際改善度再0.52db之間；,隨著 ；,信號(hào)功率加到混頻二極管上并不等于全部加到非線

5、形電阻Rj上,由二極管等效電路可知,Rs和本征參數(shù)串聯(lián),必然消耗一部分能量.同時(shí)電容Cj和Rj并聯(lián),還起到了分流作用。而真正加到Rj上的只是一部分功率.把Rs損耗和Cj分流作用統(tǒng)稱為二極管寄生損耗。,微波混頻器的主要指標(biāo),圖4-2 最小凈變頻損耗與本振電壓幅值的關(guān)系,微波混頻器的主要指標(biāo),由下圖可知，加到二極管上的總功率為：,圖4-3 考慮寄生參數(shù)影響時(shí)計(jì)算變頻損耗的電路,微波混頻器的主要指標(biāo),得到： 而加到 上，用于混頻的部分為： 寄生損耗： 調(diào)整 ，使 的最小寄生損耗為：,L1+L2為混頻二極管的總損耗。,微波混頻器的主要指標(biāo),圖4-4畫(huà)出了Rs、Cj及二極管總變頻損耗隨本振激勵(lì)功率的變化

6、曲線。可見(jiàn)，恰當(dāng)?shù)剡x擇本振幅度能使實(shí)際變頻損耗達(dá)到最小。,微波混頻器的主要指標(biāo),圖4-4 二極管總變頻損耗與本振激勵(lì)功率的關(guān)系,微波混頻器的主要指標(biāo),輸入、輸出端的失配損耗L3,由于輸入端不匹配,使信號(hào)功率部分反射、不能全部加到二極管上,而輸出端不匹配.使變頻后的中頻功率不能全部送給中頻負(fù)載.這兩部分的總損耗為： 實(shí)際混頻器的總變頻損耗為28db.,微波混頻器的主要指標(biāo),二、噪聲系數(shù),微波混頻器大都位于接收機(jī)前端.其噪聲性能對(duì)接收機(jī)靈敏度影響很大.盡可能降低噪聲是設(shè)計(jì)混頻器時(shí)必先考慮的.定義噪聲系數(shù)時(shí),把混頻器看成一個(gè)準(zhǔn)線形二端口網(wǎng)絡(luò).雖然輸入信號(hào)的頻率和輸出中頻信號(hào)的頻率是完全不同的.但輸出

7、中頻信號(hào)的幅度和輸入信號(hào)的幅度都是完全成線形比例關(guān)系的.因而包絡(luò)變化規(guī)律相同.,對(duì)線性二端口網(wǎng)絡(luò),噪聲系數(shù)是表示其出口端信噪比比入口端信噪比惡化的程度.即：,微波混頻器的主要指標(biāo),所以： 1、鏡像短路和開(kāi)路混頻器,其中， 為變頻損耗； 表示輸入、輸出端信號(hào),資用功率； 表示相應(yīng)的噪聲資用功率。,把混頻器看成衰減為L(zhǎng)m.處在絕對(duì)溫度下的二端口網(wǎng)絡(luò). 先假定系統(tǒng)都處在溫度下.則總輸出資用噪聲功率為：,微波混頻器的主要指標(biāo),圖4-5 鏡像短路（或開(kāi)路）混頻器噪聲等效電路,微波混頻器的主要指標(biāo),很顯然上式第一項(xiàng)為與輸入噪聲功率對(duì)應(yīng)的輸出，第二項(xiàng)必為內(nèi)部噪聲在溫度 下產(chǎn)生的附加輸出噪聲功率。把 換成 則

8、為實(shí)際內(nèi)部噪聲功率。 為混頻管的噪聲溫度比，由 所以噪聲系數(shù)為： 混頻器的等效噪聲溫度為：,微波混頻器的主要指標(biāo),相應(yīng)的噪聲溫度比為： 混頻器的噪聲系數(shù)可表示為： 2、鏡像匹配混頻器,在鏡像匹配時(shí),鏡像頻率附近的噪聲也加到混頻管上.混頻之后也成為中頻噪聲體現(xiàn)在總輸功噪聲功率中.總的輸出噪聲功率比短路、開(kāi)路混頻器增大.這一點(diǎn)是肯定的.,對(duì)于通常信號(hào)頻帶較窄的單端口接收情況：鏡頻端只進(jìn)噪聲,不進(jìn)信號(hào),則鏡頻噪聲功率等效于使混頻器內(nèi)部噪聲增加.在溫度 下總輸出資用功率為：,微波混頻器的主要指標(biāo),圖4-6 鏡像匹配（雙通道）混頻器,微波混頻器的主要指標(biāo),顯然第一項(xiàng)為信號(hào)與鏡頻端的噪聲的對(duì)應(yīng)的輸出,第二

9、項(xiàng)則為管子噪聲輸出.用 代替 后： 只有和信號(hào)一起輸入的噪聲可視為源噪聲、其功率為 所以：,微波混頻器的主要指標(biāo),相應(yīng)的：,對(duì)于射電天文接收和其它輻射計(jì)接收：測(cè)量對(duì)象是總輻射的等效亮度溫度,信號(hào)頻率極寬、鏡像頻率端口也和信號(hào)端口一樣進(jìn)信號(hào).這是鏡頻噪聲也稱為源噪聲.即,微波混頻器的主要指標(biāo),相應(yīng)的： 所以單通道接收機(jī)由于鏡像噪聲而使噪聲系數(shù)增大.為了改 善可在管子前面加鏡頻抑制濾波器. 3、混頻器中頻放大組件的噪聲系數(shù),混頻器后面接中頻放大器.接收機(jī)噪聲主要由這兩部分決定.,微波混頻器的主要指標(biāo),圖4-7 整機(jī)噪聲系數(shù)的計(jì)算,微波混頻器的主要指標(biāo),其中， 很大，則第三項(xiàng)影響很小。 由上式可知，

10、接收機(jī)的整機(jī)噪聲受 的影響極大， 對(duì) （中頻放大器噪聲系數(shù)）有極大作用。 4、 和 的量級(jí)概念,時(shí)， 和 數(shù)量相同。這時(shí),隨著 ，則 ，當(dāng) 時(shí)，,結(jié)論：F與鏡像通道有關(guān)（L2鏡像匹配雙通道混頻器Lm) 為使 ，則,微波混頻器的主要指標(biāo),三、其它電氣指標(biāo) 變頻損耗和噪聲系數(shù)是微波混頻器的關(guān)鍵指標(biāo)，是設(shè)計(jì)混頻器時(shí)必須謹(jǐn)慎考慮的。設(shè)計(jì)一個(gè)工程化的混頻器，還要正確處理下列指標(biāo)，才能滿足整機(jī)使用要求。 1、信號(hào)端口與本振端口的隔離度 如果信號(hào)端口與本振端口的隔離較差，信號(hào)能量將會(huì)泄漏到本振端口，造成能量損失，以及本振能量泄漏到信號(hào)端口，造成信號(hào)源的不穩(wěn)定及向外輻射能量，因此要求信號(hào)端口與本振端口之間具有

11、一定的隔離度。 用PS表示輸入信號(hào)功率，PLS表示信號(hào)泄漏到本振端口的功率，則隔離度定義為L(zhǎng)SL=10 lg(PS/PLS)。,微波混頻器的主要指標(biāo),也可用PL表示輸入本振功率，PSL表示本振泄漏到信號(hào)端口的功率，則隔離度定義為L(zhǎng)LS=10 lg(PL/PSL)。根據(jù)互易原理， 可得到LLS=LSL。一般信號(hào)端口與本振端口的隔離是通過(guò)采用特殊的電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如采用定向耦合器來(lái)接入信號(hào)及本振,微波混頻器的主要指標(biāo),2、輸入駐波比 混頻器的輸入端反射不僅導(dǎo)致失配損耗，而且當(dāng)混頻器為接收機(jī)前置級(jí)時(shí)，由于反射信號(hào)在天線與接收機(jī)之間來(lái)回傳輸，從而使輸入端信號(hào)產(chǎn)生相位失真。在某些相位關(guān)系要求較高的系統(tǒng)里，對(duì)輸入駐波比有特別嚴(yán)格的要求，在一般情況下，輸入駐波比應(yīng)小于2。 3、動(dòng)態(tài)范圍 混頻器的動(dòng)態(tài)范圍指能夠使混頻器有效工作的輸入電平范圍。 4、頻帶寬度 頻帶寬度是指滿足各項(xiàng)指標(biāo)的混頻器工作頻率范圍，它主要取決于二極管的寄生參量及組成電路各元件的頻帶寬