射频通信电路第六章-混频器-6-1-1

第六章混频器6.1混频器概述发射机—上混频器——将已调制中频信号搬移到射频接收机—下混频器——将接收到的射频信号搬移到中频本振信号：tVtvLOLOLOcos)(射频信号：tVvRFRFRFcos相乘得：ttVVvvLORFLORFRFLORFLOcoscos21基本方法：乘法器＋滤波器非线性器件＋滤波器中频滤波器调幅接收机—混频器的结构框图混频器结构：三个端口——输入信号、本振信号、中频信号非线性器件带通滤波器本地振荡器LvSvIv时域特性——输出、输入波形相同、载频不同混频本质线性频谱搬移频域特性——输出、输入频谱结构、带宽相同，载频不同混频电路的实现1.乘法器2.非线性器件双极晶体管场效应管二极管为减少组合频率分量工作于线性时变状态混频器的主要指标增益10dBNF12dBIIP3+5dBm输入阻抗50Ω口间隔离10~20dB1.增益变频增益=输出中频输入射频射频口阻抗中频口阻抗按增益划分混频器有源混频器——增益大于1无源混频器——增益小于1电压增益功率增益RFIFVVVARFIFPPPG两者关系？LSVSRFLIFRFIFPRRARVRVPPG222//2.噪声讨论混频器噪声的意义接收机前端，对系统噪声影响大对射频而言是线性，可用线性网络噪声计算公式混频器的噪声来源电路器件噪声两个输入噪声射频输入本振输入混频器的输出噪声——位于中频段频谱搬移低噪放F1、G1带通滤波器F2、G2混频器F3、G332111211FFFFGGG混频器的单边噪声和双边噪声——讨论射频噪声的搬移单边噪声①射频信号位于本振的一边②被搬移到中频的噪声射频信号段镜像频段双边噪声射频信号位于本振的两边不存在镜像频率（如零中频方案）单边噪声是双边的两倍（高3dB）非线性器件本振中频滤波器RFfIFfIFf3.失真混频——频谱线性搬移——非线性器件——平方项非线性器件——高次方项——产生组合频率——干扰、失真（1）干扰哨声特征：接收机音频出现哨叫混频输入：仅有有用射频RFfIFfF付波道中频主中频付波道中频进入检波（解调）——形成哨叫主中频：LORFIFfff（二次方项）组合频率RFLOpfqfnpq（次方项）（2）寄生通道干扰非线性器件本振中频滤波器RFfIFfIFf主中频：LORFIFfff干扰信号与本振的组合频率LOmqfpfIFf寄生通道干扰最主要的寄生通道干扰1,0pq②镜像频率干扰IFLOmfffRFfLOfmf特征：输入伴有干扰信号mf1,1pq变换能力与主中频一样2npq①中频干扰IFmff直通不需要混频变换能力最强③靠得最近的干扰（半中频干扰）RFfLOf2RFLOmfffLOmqfpf2,2qp22222LORFLOmLOIFffffff4npq变换能力：由非线性器件的4次方引起mf0IFf三种比较主要的寄生通道干扰——见图（3）互调失真非线性器件本振中频滤波器RFfIFfIFf特征：输入端伴有多个干扰信号1mf2mf但是当组合频率11()mmRFrfsff每个干扰和本振混频1LOmIFqfpff2LOmIFqfpff由非线性器件的次方项产生1nrsIFLOmmffsfrf)(11互调干扰称三阶互调——3sr4n满足RFmmfff212或RFmmfff1224.线性范围问题:混频是一种非线性功能，为什么有“线性”指标？混频射频本振中频混频器的非线性——输出、输入频率不同混频器的线性——输出中频幅度输入射频幅度成正比线性指标变频增益下降1-dB时相应的输入（或输出）功率值（1）1-dB压缩点（2）三阶互调截点混频射频本振中频1RFf2RFfRFf输入信号有用信号RFf1RFf2RFf干扰信号（设输入信号幅度相同）互调信号产生的中频12(2)RFRFLOIFffff主中频LORFIFfff幅度相等，三阶截点截点对应的输入、输出（3）线性动态范围定义：1-dB压缩点与混频器的噪声基底之比，用dB表示混频器位于低噪放后，因此对它线性范围要求比低噪放高5.口间隔离射频口本振口中频口本振泄漏影响LNA天线辐射频率牵引强信号堵塞射频口中频口一般情况射频中频，被滤除零中频方案时低噪放的偶次谐波失真会窜入中频零中频方案中，射频口中频口的影响信号强频率相近tVtv111cos)(tVtv222cos)(射频输入为：)()()()(21tvtvtvtvRF设LNA特性为：)()()(221tvatvati偶次方项产生的差拍)cos(21212VVa差拍信号从射频口中频口——干扰直通泄漏6.阻抗匹配混频器低噪放中频滤波器本振源对混频器三个口的阻抗要求①匹配——最佳传输②每个口对另外两个口的信号力求短路——减少口间干扰6.2有源混频器电路用双极型晶体管或场效应管构成特征:混频增益16.2.1单管跨导型混频器1.工作原理直流电源和偏置射频输入和本振中频输出原理电路（1）工作状态——线性时变①线性时变必须满足的条件：)()()(tvtvVtvRFLOGGGStVtvRFRFRFcos)(tVtvLOLOLOcos)(两个输入：RFLOVV一大一小，且②分析线性时变的两要素（a）时变——时变偏置引出时变跨导)()(tvVtVLOGGGSQ时变偏置：......))(())((2210tVvatVvaaiGSQGSGSQGSD在时变工作点展开Di.......2210RFRFDvavaai代入时变跨导富氏展开：......2coscos)(210tgtggtgLOmLOmmm重复频率为LOtdtggLOmm)(210ttditggLOLOmmicos)(1.......2210RFRFDvavaai展开式系数随时变偏置而时变.......)()()(2210RFRFDvtavtatai时变频率与时变偏置中的相同LO时变跨导：)(tgm)(1ta（b）线性——小信号与时变跨导相乘引出频谱线性搬移)()()(0tvtgtIiRFmDD漏极输出电流条件：小信号相乘1()()mRFgtvt()RFLO()RFLO定义：变频跨导121mRFIFfcgVIg时变跨导基波分量的一半输出中频电压11()cos2IFmLRFIFvtgRVt1111()cos()cos22IFmRFRFLOmRFIFitgVtgVt滤波，得中频电流变频增益LfcRFRFLmRFIFvRgVVRgVVA/211IFDi（2）变频跨导的求法②根据跨导的定义GSDmdvdig求出器件的关系曲线GSmvg~③代入混频器的时变偏置)()(tvVtvLOGGGSGGV()LOvt①已知器件的伏安特性曲线GSDvi~DiGSvGSoffv0变频跨导112fcmgg④通过曲线画出时变跨导的波形GSmvg~)(tgm⑥分析变频跨导与本振幅度的关系LOV1max2mmgg的基波分量最大)(tgm变频跨导的最大值max1fcmgg变为方波)(tgmmax1()()mmLOgtgSt⑤对富氏级数分解求出基波分量幅度)(tgm1mg2.设计考虑（1）RF口和LO口的设计隔直流电容——匹配问题：RF口和LO口同接在栅极管子输入端与谁匹配？主要考虑与RF口前低噪放匹配——保证小信号传输LO口的耦合电容很小，以使本振源不影响RF口的参数晶体管作为混频器的等效电路？dsr与作为放大器的等效电路的异同？输入阻抗同11iRFgsRFgsRCC输出阻抗同等效电流源不同mgsgvfcgsgv放大器——混频器——变频跨导（2）偏置①在相同的本振幅度下，偏置不同，时变跨导也不同②时变偏置)()(tvVtvLOGGGS)(tvLO随本振电压变化时，应保证场效应管工作于饱和区漏极对本振的交流阻抗为0，本振变化不影响漏极电压措施——漏极加LO串连回路（3）输出回路中频输出回路功能：①选频滤波（回路带宽与输入射频信号带宽相同）②阻抗变换（将中频负载变换到混频器输出漏极所需阻抗）（4）中频陷波目的：为了减少混入输入端的中频干扰和噪声方法：FET的栅极应对中频短路——中频陷波器（5）本振注入方式②从源极注入优点——LO口与RF口的隔离加大直流栅偏压SRGGVV时变偏置)()(tvVtVLORGSS缺点——本振源提供的功率比从栅极注入要大对射频的负反馈，使混频增益下降SR①从栅极注入优点——需要的本振功率小缺点——LO口与RF口的隔离差3.双栅FET混频器双栅混频器交流通路图电路特点①场效应管两个栅极②本振信号接在靠近漏极的栅极G2上③射频信号接在靠近源极的栅极G1上④本振口和射频口分别与自己的源阻抗匹配⑤接本振信号的栅极G2应对中频短路⑥漏极应对本振和射频短路双栅FET混频器工作原理（1）FET2工作特征之一（2）FET1工作特征②FET1管工作在可变电阻区（条件很小）1DSv1)(11)(DSthGSGSnDvVvi111GSDvig1DSnvFET1的跨导：1Di1()GSRFvvt与成线性与成正比1()DSLOvvt时变跨导——重复频率为LO①输入为本振信号)(tvLO①输入为射频信号)(tvRF②作为跟随器工作，源极输出跟随输入，即1DSv1()DSLOvvt1DSv③FET1的输出电流1Di与射频输入)(tvRF关系？11111()()DGSRFnDSRFnLORFigtvgtvvvvv（3）FET2工作特征之二LORF包含了频率，实现了混频功能②FET2负载为中频滤波器③FET2为共栅中频放大器——足够大的中频增益双栅场效应管混频器优点：口间隔离好、易匹配、变频增益大①FET2栅极中频短路FET2