射頻電路理論與設(shè)計(jì)（第2版）

第11章混頻器和檢波器的設(shè)計(jì)

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

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(hào)的頻率升高或降低而不改變?cè)盘?hào)的特性。實(shí)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(guò)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(gè)三端口器件，其中2個(gè)端口輸入，1個(gè)端口輸出。混頻器采用非線性元件，可以將2個(gè)不同頻率的輸入信號(hào)變換為一系列不同頻率的輸出信號(hào)，輸出頻率分別為2個(gè)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(gè)不同頻率的輸入端分別稱(chēng)為中頻端（IF）和本振端（LO），輸出端稱(chēng)為射頻端（RF）。

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

圖11.1混頻器的符號(hào)和功能

2.理想混頻器的頻譜

上變頻過(guò)程，理想混頻器輸出的RF信號(hào)包含輸入LO與IF信號(hào)的和頻和差頻。

下變頻過(guò)程，理想混頻器輸出的IF信號(hào)的頻率為RF與LO信號(hào)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(shí)際混頻器的頻率輸出

實(shí)際上，混頻器利用一個(gè)或多個(gè)非線性器件，產(chǎn)生基于這2個(gè)信號(hào)各次諧波的和頻與差頻。輸出信號(hào)的頻率為

11.1.2混頻器的種類(lèi)

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

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

對(duì)于上變頻過(guò)程，本振LO信號(hào)連接混頻器的一個(gè)輸入端口，其可以表示為

中頻IF信號(hào)連接混頻器的另一個(gè)輸入端口，其可以表示為

2.下變頻 對(duì)于下變頻過(guò)程，與用在接收機(jī)中的一樣，RF信號(hào)為輸入信號(hào)，其形式為

射頻

稱(chēng)為產(chǎn)生IF信號(hào)的“直接頻率”；射頻

稱(chēng)為產(chǎn)生IF信號(hào)的“鏡像頻率”，稱(chēng)為“鏡像響應(yīng)”。鏡像響應(yīng)是不希望看到的，能抑制鏡像響應(yīng)的混頻器稱(chēng)為鏡像抑制混頻器。

3.諧波混頻器

當(dāng)只具有一個(gè)低頻LO，而欲對(duì)一個(gè)高頻RF信號(hào)進(jìn)行下變頻時(shí)，可以采用諧波混頻器。即選用LO的適當(dāng)諧波與RF信號(hào)進(jìn)行混頻，以實(shí)現(xiàn)下變頻。

上面是對(duì)理想混頻器的討論，輸出信號(hào)的頻率僅為2個(gè)輸入信號(hào)的和頻和差頻。實(shí)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(huì)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(biāo)

混頻器的主要技術(shù)指標(biāo)有變頻損耗、噪聲系數(shù)、線性特性、本振激勵(lì)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(hào)的信噪比與輸出信號(hào)的信噪比的比值。

3.線性特性

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

4.本振激勵(lì)功率

混頻器的指標(biāo)受本振功率控制。若本振功率不夠，就會(huì)降低混頻器的性能，甚至使混頻器無(wú)法工作。因此，混頻器要求給出本振激勵(lì)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(gè)端口的輸入信號(hào)與其它端口得到的該頻率信號(hào)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(gè)端口應(yīng)配以適當(dāng)?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(duì)于該端口的工作頻率的信號(hào)嚴(yán)格匹配，對(duì)于其他端口的工作頻率的信號(hào)則需全反射。

11.1.4單端二極管混頻器

僅用一個(gè)二極管產(chǎn)生所需IF信號(hào)的混頻器稱(chēng)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(hào)分析

二極管是非線性的。通常可以將二極管視為一個(gè)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(xiàng)，稱(chēng)為“小信號(hào)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(dǎo)致輸出信號(hào)存在多個(gè)頻率，新的頻率分量為這里關(guān)心的是差頻，

4.設(shè)計(jì)步驟

（1）選擇合適的二極管。（2）測(cè)量大信號(hào)條件下二極管的阻抗值。（3）設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，但在寬帶應(yīng)用中不易保持輸入匹配及本振信號(hào)與射頻信號(hào)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(gè)單端混頻器與一個(gè)3dB耦合器可以組成單平衡混頻器，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中省略了對(duì)二極管的偏置電路。

2.IF輸出

二極管的DC分量在合成時(shí)已經(jīng)消去。經(jīng)過(guò)低通濾波之后，IF輸出信號(hào)為

3.RF和LO隔離

當(dāng)3dB耦合器是900混合網(wǎng)絡(luò)時(shí)，RF端口和LO端口之間的隔離。（1）RF端口和LO端口無(wú)反射。（2）RF端口與LO端口有強(qiáng)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(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出調(diào)制信號(hào)的電路。檢波器主要應(yīng)用在接收機(jī)的解調(diào)電路中，對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，實(shí)現(xiàn)峰值包絡(luò)檢波，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的包絡(luò)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(gè)特例。整流器輸入的是未調(diào)制的射頻信號(hào)，也就是說(shuō)輸入的射頻信號(hào)包絡(luò)為直流。

2.檢波器

檢波器輸入的是已調(diào)制的射頻信號(hào)，也就是說(shuō)輸入的射頻信號(hào)包絡(luò)具有一定的波形，檢波器輸出包絡(luò)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(duì)輸入射頻信號(hào)進(jìn)行頻率變換。由于二極管有非線性，可以利用二極管實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制信號(hào)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(hào)較低時(shí)，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(hào)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(fù)載相關(guān)，分開(kāi)路電壓靈敏度和有限負(fù)載靈敏度2種情況。

開(kāi)路電壓靈敏度定義為