【正文】 1 重要性 ：混頻器是微波集成電路接收系統(tǒng)中必不可少的部件 。 不論是微波通信 、 雷達(dá) 、 遙控 、 遙感 、 還是偵察與電子對(duì)抗 ， 以及許多微波測(cè)量系統(tǒng) ， 都必須把微波信號(hào)用混頻器降到中低頻來(lái)進(jìn)行處理 。 集成電路混頻器是主流 ：主要是因?yàn)榧墒交祛l器體積小 ， 性能穩(wěn)定可靠 ， 設(shè)計(jì)技術(shù)成熟 ， 而且結(jié)構(gòu)靈活多樣 ， 可以適合各種特殊應(yīng)用 。 采用肖特基勢(shì)壘二極管做變頻元件 ：雖然二極管混頻必不可免有變頻損耗 ， 但是它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 便于集成化 ， 工作頻帶寬 ， 可能達(dá)到幾個(gè)甚至幾十個(gè)倍頻程 。 它的噪聲較低而且工作穩(wěn)定 ， 動(dòng)態(tài)范圍大 ， 不容易出現(xiàn)飽和 。 電路結(jié)構(gòu)形式 ：混頻器有單管式混頻 ， 兩管平衡式混頻和多管式混頻 。單管混頻只用一支二極管 ， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 成本低 ， 但噪聲高 ， 抑制干擾能力差 ， 在要求不高處可以采用；平衡式混頻器借助于平衡電橋可使本機(jī)振蕩器的噪聲抵消 ， 因而噪聲性能得到改善 ， 電橋又使信號(hào)與本振之間達(dá)到良好隔離 ， 因此平衡混頻器是最普遍采用的形式；還有多二極管的混頻器 ， 比如管堆式雙平衡混頻器 ， 鏡頻抑制混頻器等是為特殊要求而設(shè)計(jì)的 ， 可用于多倍頻程設(shè)備 、 鏡頻能量回收或自動(dòng)抑制鏡頻干擾等 。 第九講 混頻器設(shè)計(jì) 2 微波混頻器技術(shù)指標(biāo)與特性分析 一 、 噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度比 噪聲系數(shù)的基本定義已在第四章低噪聲放大器中有過(guò)介紹 。 但是混頻器中存在多個(gè)頻率 ， 是多頻率多端口網(wǎng)絡(luò) 。 為適應(yīng)多頻多端口網(wǎng)絡(luò)噪聲分析 ， 噪聲系數(shù)定義改為式 （ 91） ， 其理論基礎(chǔ)仍是式 （ 61） 的原始定義 ， 但此處的表示方式不僅適用于單頻線性網(wǎng)絡(luò) ， 也可適用于多頻響應(yīng)的外差電路系統(tǒng) ， 即 （ 91） 式中 Pno——當(dāng)系統(tǒng)輸入端噪聲溫度在所有頻率上都是標(biāo)準(zhǔn)溫度 T0 = 290K時(shí) ， 系統(tǒng)傳輸?shù)捷敵龆说目傇肼曎Y用功率； Pns——僅由有用信號(hào)輸入所產(chǎn)生的那一部分輸出的噪聲資用功率 。 根據(jù)混頻器具體用途不同 ， 噪聲系數(shù)有兩種 。 nonsPFP?3 一、噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度比 圖 91 混頻器熱噪聲譜 1 、單邊帶噪聲系數(shù)在混頻器輸出端的中頻噪聲功率主要包括三部分：（ 1 ） 信號(hào)頻率 fs端口的信源熱噪聲是 kT0? f ，它經(jīng)過(guò)混頻器變換成中頻噪聲由中頻端口輸出。這部分輸出噪聲功率是mfkT??0式中 ? f — — 中頻放大器頻帶寬度； ?m—— 混頻器變頻損耗； T0—— 環(huán)境溫度，T0 = 293K 。（ 2 ） 由于熱噪聲是均勻白色頻譜，因此在鏡頻 fi附近 ? f 內(nèi)的熱噪聲與本振頻率 fp之差為中頻，也將變換成中頻噪聲輸出，如圖 9 1 所示。這部分噪聲功率也是 kT0? f ／ ?m。（ 3 ） 混頻器內(nèi)部損耗電阻熱噪聲以及混頻器電流的散彈噪聲，還有本機(jī)振蕩器所攜帶相位噪聲都將變換成輸出噪聲。這部分噪聲可用 Pnd表示。這三部分噪聲功率在混頻器輸出端相互疊加構(gòu)成混頻器輸出端總噪聲功率 PnondmmnoPfkTfkTP ????? ?? //004 一、噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度比 1 、單邊帶噪聲系數(shù)ndmmnoPfkTfkTP ????? ?? //00把 Pno等效為混頻器輸出電阻在溫度為 Tm時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲功率，即 Pno =kTm? f ， Tm稱(chēng)混頻器等效噪聲溫度。 kTm? f 和理想電阻熱噪聲功率之比定義為混頻器噪聲溫度比，即00TTfkTPtmnom???按照定義公式 （ 9 1 ） 規(guī)定，可得混頻器單邊帶工作時(shí)的噪聲系數(shù)為nsmnsnoS S BPfkTPPF???在混頻器技術(shù)手冊(cè)中常用 FSS B表示單邊帶噪聲系數(shù)，其中 SS B 是 Si n g al Si deB and 的縮寫(xiě)。 Pns是信號(hào)邊帶熱噪聲 （ 隨信號(hào)一起進(jìn)入混頻器 ） 傳到輸出端的噪聲功率，它等于 kT0? f ／ ?m。因此可得單邊帶噪聲系數(shù)是mmmmS S BtLfkTfkTF ?????05 一、噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度比 2 、雙邊帶噪聲系數(shù)在遙感探測(cè)、射電天文等領(lǐng)域，接收信號(hào)是均勻譜輻射信號(hào)，存在于兩個(gè)邊帶，這種應(yīng)用時(shí)的噪聲系數(shù)稱(chēng)為雙邊帶噪聲系數(shù)。此時(shí)上下兩個(gè)邊帶都有噪聲輸入，因此 Pns = kT0? f ／ ?m。按定義可寫(xiě)出雙邊帶噪聲系數(shù)mmmnoD S BtafTkPF21/39。20????（ 9 5 ）式中 DS B 是 D oub l e Si de Ba nd 的縮寫(xiě)。將公式 （ 9 4 ） 和 （ 9 5 ） 相比較可知，由于鏡像噪聲的影響，混頻器單邊帶噪聲系數(shù)比雙邊帶噪聲系數(shù)大一倍，即高出 3 dB 。為了減小鏡像噪聲，有些混頻器帶有鏡頻回收濾波器或鏡像抑制濾波器。因此在使用商品混頻器時(shí)應(yīng)注意：（ 1 ） 給出的噪聲系數(shù)是單邊帶噪聲還是雙邊帶噪聲，在不特別說(shuō)明時(shí)，往往是指單邊帶噪聲系數(shù)。（ 2 ） 鏡頻回收或鏡頻抑制混頻器不宜用于雙邊帶信號(hào)接收，否則將增大 3d B 噪聲。（ 此類(lèi)混頻器將在第二節(jié)鏡頻抑制混頻器中詳述 ）（ 3 ） 測(cè)量混頻器噪聲系數(shù)時(shí)，通常采用寬頻帶熱噪聲源，此時(shí)測(cè)得的噪聲系數(shù)是雙邊帶噪聲系數(shù)。6 一、噪聲系數(shù)和等效噪聲溫度比 2 、雙邊帶噪聲系數(shù)在商品混頻器技術(shù)指標(biāo)中常給出整機(jī)噪聲系數(shù)，這是指包括中頻放大器噪聲在內(nèi)的總噪聲系數(shù)。由于各類(lèi)用戶的中頻放大器噪聲系數(shù)并不相同，因此通常還注明該指標(biāo)是在中頻放大器噪聲系數(shù)多大時(shí)所測(cè)得的?；祛l器和中頻放大器的總噪聲系數(shù)是? ?10???ifmmFtF ?式中 Fif—— 中頻放大器噪聲系數(shù)； ?m—— 混頻器變頻損耗； tm—— 混頻器等效噪聲溫度比。tm值主要由混頻器性能決定，也和電路端接負(fù)載有關(guān)。 tm的范圍大約是厘米波段 tm = 1 . 1 ~ 1 . 2毫米波段 tm = 1 . 2 ~ 1 . 5在厘米波段，由于 tm ? 1 ，所以可粗估整機(jī)噪聲是ifmFF ??07 二、變頻損耗 混頻器的變頻損耗定義是：混頻器輸入端的微波信號(hào)功率與輸出端中頻功率之比，以分貝為單位時(shí)，表示式是? ?? ? ? ? ? ?dBdBdBdBgrm?????????中頻輸入信號(hào)功率微波輸入信號(hào)功率lg10（ 9 8 ）混頻器的變頻損耗由三部分組成：包括電路失配損耗 ??，混頻二極管芯的結(jié)損耗 ?r和非線性電導(dǎo)凈變頻損耗 ?g。1 、失配損耗失配損耗 ??取決于混頻器微波輸入和中頻輸出兩個(gè)端口的匹配程度。如果微波輸入端口的電壓駐波比為 ?s，中頻輸出端口的電壓駐波比為 ?i，則電路失配損耗是? ?? ? ? ?iissdB??????41lg1041lg1022???? （ 9 9 ）混頻器微波輸入口駐波比 ?s一般為 2 以下。 ??的典型值約為 0. 5 ~1 dB 。8 二、變頻損耗 2 、混頻二極管的管芯結(jié)損耗管芯的結(jié)損耗主要由電阻 Rs和電容 Cj引起，參見(jiàn)圖 9 2 。在混頻過(guò)程中，只有加在非線性結(jié)電阻 Rj上的信號(hào)功率才參與頻率變換，而 Rs和Cj對(duì) Rj的分壓和旁路作用將使信號(hào)功率被消耗一部分。結(jié)損耗可表示為? ????????????jsjsjsrRRCRRdB221lg10 ?? （ dB ）混頻器工作時(shí)， Cj和 Rj值都隨本振激勵(lì)功率 Pp大小而變化。 Pp很小時(shí)，Rj很大， Cj的分流損耗大；隨著 Pp加強(qiáng)， Rj減小， Cj的分流減小，但 Rs的分壓損耗要增長(zhǎng)。因此將存在一個(gè)最佳激勵(lì)功率。當(dāng)調(diào)整本振功率，使Rj = l／ ?sCj時(shí)，可以獲得最低結(jié)損耗，即? ? ? ?sjsrRCdB ?? 21lg10m i n?? （ dB ）可以看出，管芯結(jié)損耗隨工作頻率而增加，也隨 Rs和 Cj而增加。表示二極管損耗的另一個(gè)參數(shù)是截止頻率 fc為jscCRf?21?通常，混頻管的截止頻率 fc要足夠高，希望達(dá)到 ? ?scff 20~10? 。比如 fc = 20 fs時(shí)，將有?rm i n = 0. 4d B 。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，硅混頻二極管的結(jié)損耗最低點(diǎn)相應(yīng)的本振功率大約為 1 ~ 2m W ，砷化鎵混頻二極管最小結(jié)損耗相應(yīng)的本振功率約為 3 ~ 5 m W 。圖 92 混頻管芯等效電路 9 二、變頻損耗 路對(duì)各諧波端接情況 ， 以及本振功率強(qiáng)度等影響 。 當(dāng)混頻管參數(shù)及電路結(jié)構(gòu)固定時(shí) ， 凈變頻損耗將隨本振功率增加而降低 ，如圖 93所示 。 本振功率過(guò)大時(shí) ， 由于混頻管電流散彈噪聲加大 ，從而引起混頻管噪聲系數(shù)變壞 。 對(duì)于一般的肖特基勢(shì)壘二極管 ，正向電流為 l~3mA時(shí) ， 噪聲性能較好 ， 變頻損耗也不大 。 圖 93 變頻損耗、噪聲系數(shù)對(duì)本振功率的關(guān)系 混頻器的非線性電導(dǎo)凈變頻損耗 凈變頻損耗 ?g取決于非線性器件中各諧波能量的分配關(guān)系 ， 嚴(yán)格的計(jì)算要用計(jì)算機(jī)按多頻多端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)值分析；但從宏觀來(lái)看 ， 凈變頻損耗將受混頻二極管非線性特性 、 混頻管電 10 三、動(dòng)態(tài)范圍 動(dòng)態(tài)范圍是混頻器正常工作時(shí)的微波輸入功率范圍。（ 1 ） 動(dòng)態(tài)范圍的下限通常指信號(hào)與基噪聲電平相比擬時(shí)的功率。可用下式表示? ?ififmfFM k TP ?? ?0m i n式中 ?m—— 混頻器變頻損耗； Fif——中頻放大器噪聲系數(shù)； ? fif——中放帶寬； M —— 信號(hào)識(shí)別系數(shù)。例如混頻器有 ?m = 6d B ，中放噪聲系數(shù)為 Fif