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微波混频器

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  (一)单平衡混频器
  单平衡混频器是平衡混频器最基本的形式。实际上,它是由一对单二极管混频器组成。如图所示:
  单平衡混频器特点
  本振功率较高
  动态范围较大
  本振隔离较好
  对RF的偶次产物有抑制作用
  这种混频器在RF和IF端相对于LO端之间具有好的隔离度,所以对于IF滤波器的要求就低。由于加了一个二极管,故需要的LO功率就比单二极管混频器大,但它具有更大的工作范围。这种混频器对于由RF偶次谐波产生的交调失真具有较好的抑制。象单二极管混频器一样,因LO信号仅是单极性导通,所以单平衡混频器的工作比为50%
  (二)双平衡混频器简介
  混频器(亦称变频器或乘法器)是用来把信号从一个频率RF变到另一个频率IF的电路组件。混频器的输出频率包括:
  两个主要的边带:IF=LO±RF或IF=RF-LO(LO:本振频率);
  全部高次产物:mLO±nRF (m,n 为整数);直流分量。除了所需边带输出,其它输出都是假响应。当混频器用作下变频器时,感兴趣的频率是IF=LO-RF或IF=RF-LO。
  双平衡混频器的典型电路(如下图)它由精密配对的 4×N(N=1,2,3)个肖特基二极管和两个宽带传输线变压器组成,对于应用工程师而言,感兴趣的是电路外部三个端口所具有的特性。
  混频二极管的电流是由泰勒级数表示的完整的混频频谱项,双平衡混频器用作下变频器时在理论上对本振和射频的偶次谐波提供完全抑制,因此其频谱很纯。双平衡混频器具有以下三个重要特性,这些特性的意义表现在它不仅可作为混频器使用,还有许多其它重要功能。
  (1)宽带高隔离特性。当电路平衡时,本振对射频、中频间、射频对本振、中频间以及中频对本振、射频间的内在宽带隔离,而无需插入滤波电路给应用带来极大的方便。
  (2)中频直流耦合。
  (3)对射频输入的响应与射频的极性无关,对信号电压的极性失真是对称的。这意味着双平衡混频器对偶次谐波提供良好的抑制,而更重要的在于能够把双平衡混频器的输出表达为输入的方方成正比,对设计师而言,这可用于正确地估算三阶交调影响。
  (二)双平衡混频器主要电参数
  (1)变频损耗和噪声系数
  变频损耗(简称“变损”,下同)和噪声系数是混频器的两个重要参数。变损就是频率变换的效率,它等于单边带中频输出与射频输入的功率之比,用dB表示。
  混频器的噪声系数是混频器输入端的信噪比与混频器输出端的信噪比之比,用dB表示,混频器的噪声系数由以下几个部分组成:单边带变频损耗,二极管串联电阻上的热噪声以及当频率低于 10KHz时的二极管的1/f噪声,混频器的噪声系数通常比变频损耗大0.5~1dB,这个参数一般不测试。
  (2)变频压缩
  变频压缩是混频器线性运用状态下最大射频输入偏离线性某一压缩量来说明的,通常规定为 1dB,“称1dB压缩点”(如图二),混频器工作的输入电平比1dB压缩点相应的输入电平越小,混频器的失真产物越小,因此,应使混频器的输入电平小于1dB压缩点相应的输入电平。
  (3)动态范围
  动态范围是指混频器在规定本振电平下,射频输入电平的可用范围。一般认为动态范围的上限受 1dB压缩点限制。若1dB压缩点的输入电平为1dBm,即表示其射频输入功率最大不能超过1.25mw。
  为了扩大混频器动态范围的上限,以减少混频器的失真,要用高势垒或超高垫垒肖特基二极管。
  相应地、混频器的本振必须使用高电平或超高电平来激励。
  动态范围下限受接收机灵敏度限制,而接收机灵敏度又和其通带宽度成反比。
  例:若混频器噪声系数为 7dB,则通常最小可检测功率可达 -107dBm,如果系统中指示判据要求最小功率要高于判据10dB,则动态范围下为-97 dBm。
  (4)隔离度
  隔离度是混频器电路平衡度的一个量度,当电路很平衡时,各端口间的隔离度很好,信号的相互泄漏很小。对于很多应用,本振功率泄漏到射频端的指标是很重要的,因为它可以反映出本振信号从天线再辐射的强弱程度。
  当电路很平衡时,本振功率的大小不影响隔离度,但平衡度随频度提高而下降。通常,隔离度以每倍频程约5 dB的速度下降。
  (5)交调性能
  在混频器中,有两种主要形式的失真产物:单音交调和双音交调产物。单音交调产物是混频器本振信号和它的谐波对射频信号和它的谐波组合的结果,形成为 mLO±nRF,通常把它们分为“阶”。
  确保分配到二极管的射频和本振功率一致及相应的相位平衡以及二极管的更精密配对,是降低单音交调产物的有效途径。
  双音交调产物是射频端有两个信号同时加入的结果,这些信号可以产生谐波,互相组合,然后按(2RF1+RF2)±LO=IF(或)(RF1+2RF2)±LO=IF与本振组合。对这些产物感兴趣是由于它们有相对大的振幅,而其频率又刚好落在所需中频的两边,很难用滤波器消除。
  双音交调产物的输出是与输入电压的立方成正比的,因此又叫“双音三阶交调”。图三所示的是混频器的基本响应和三阶响应,两响应的交叉点称为“三阶交叉点”,有了这个点,任何输入电平下的三阶响应就可以估算,并可以比较部件的失真性能,交叉点与1dB压缩点有一定关系,(约比1dB压缩点高出10-15dB)。因此,一旦知道了1dB压缩点,就可确定混频器的动态范围并粗略估算交调电平。
  (6)混频器的选用
  实践证明,混频器的正确选择、安装及有效接地,对其性能及保证宽带特性很有关系。选择不当就可能承担不良后果,正确地选择混频器可总结为以下三个基本步骤: ·选择混频器所需要的本振激励电平或按最大射频电平(1dB压缩点)及允许失真水平确定本振激励电平。
  ·确定封装形式、电路连接关系及方式。
  ·根据频率范围选择型号。
  混频器的电性能是在规定本振电平及线性应用时,在50Ω系统下测试的。实际工作中,混频器的本振功率及源阻抗和负载阻抗允许与规范值有一定差别,其电参数也将略有变化双平衡混频器是一种宽带电路组件,其带宽通常以倍频程表示。混频器变损在频带中段是平坦的,为正确而方便地选择并掌握其性能,在电参数表中,将频率范围分为三段,定义 fL 为下边频、M(m)为中段、fU为上边频,则:L段fL~10fL M段:10fL~1/2fU U段:1/2fU~fU m段:2fL~1/2fU


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