混频器

混频器张宾宾•3.1引言•3.2混频原理•3.3混频失真与干扰•3.4混频器的主要指标•3.5混频器电路结构•3.6混频器的级联3.1引言•混频器（mixer）是通信系统的重要组成部分，用于在所有的射频和微波系统进行频率变换。•这种频率变换应该是不失真的，原载频已调波的调制方式和所携带的信息不变。•在发射系统中，混频器用于上变频；在接收系统中一般用作下变频。本振混频器中频滤波功放低噪声放大器解调中放•混频器是一种频率变换器件，理想混频器是把两输入信号在时域中相乘：和频，上变频差频，下变频•取出和频为上变频（Up-conversion）；•取出差频为下变频（Down-conversion）•必须通过滤波器滤除不需要的频率成分。3.2混频原理•混频器为三端口器件。•混频器有两个输入端：分别为射频（RF）与本振（LO,LocalOscillator）信号，一个输出端：中频（IF,IntermediateFrequency）。•中频频率fI可以有两种关系式表达上变频下变频3.2混频原理3.2.2混频原理(时域)•从频域角度来看，混频是一种频谱的线性搬移，输出IF与输入RF的频谱结构相同。射频信号本振信号混频输出0LL)(LH0RR)(RH0||RL)(IHLLLR||RLLR3.2混频原理3.2.2混频原理(频域)nnnnuuauuauuauuaauauauauaaufi)()()()()(21321322122110332210!)()(!1)(nUfduufdnaQnUunnnQmmnnmnuumnmnuu21021)!(!!)(•二极管或三极管等电路的非线性特性可以用幂级数来表示。当输入端同时作用着两个输入电压时，其表示式为：其中0210)!(!!nmmnnnmuuamnmni当m=1,n=2,有i=2a2u1u23.2混频原理——非线性电路的混频功能•把i=f(UQ+u1+u2)在(UQ+u1)上对u2Taylor展开221''21'121)(!21)()()(uuUfuuUfuUfuuUfiQQQQ•若u2足够小，简化为21'1)()(uuUfuUfiQQ2110)()(uuguI•i与u2是线性关系，但它们的系数是时变，即线性时变工作状态。3.2.2混频原理——线性时变工作状态下的混频器•当u1=U1mcosω1t时，u2=U2mcosω2t时，g(u1)将是角频率为ω1的周期性函数，Fourier级数展开式为tgtggtUgugm121101112coscos)cos()(•代入电流表达式i=i0(u1)+g(u1)u2，得ttUgttUgtUgtItIItUtgtggtItIIimmmmmmmm2122212122012110221211012110cos2coscoscoscos2coscoscos)2coscos()2coscos(3.2.2混频原理——线性时变工作状态下的混频器•线性时变工作时产生的组合频率分量的频率通式为|±pω1±ω2|;•当两个信号u1和u2同时作用于一个非线性电路时，若u1的幅度足够大，u2的幅度足够小，则输出电流i与u2成线性关系，而系数g1(u1)为时变参量，这种工作状态为线性工作状态，而u1为时变控制信号。在下面讨论的所有混频器电路中，都设计成这种工作状态。3.2混频原理——线性时变工作状态下的混频器•镜像频率（Images）即使是理想的下混频器，若有一个射频输入信号fR和一个干扰信号fIMG=fR＋2fI，与本振混频后可能产生频率相同的中频信号：fL-fR=fI=fIMG-fL上式中产生两个中频信号，由干扰信号所产生的中频信号称为镜频，用fIMG表示。3.3混频失真与干扰3.3.1失真与干扰的种类输入到混频器的射频信号与镜频干扰信号频谱本振信号频谱混频结果0R)(HILII0L)(H0)(HLRLIL23.3混频失真与干扰——镜像频率的产生3.3混频失真与干扰——互相调制（InterModulation）当射频输入端口有多个干扰信号fm1、fm2同时进入时，每个干扰信号与本振作用的组合频率并不等于中频，但可能会产生如下式的组合频率分量：IFLOmmffsfrf])[(21这些频率分量使混频器的输出中频失真。它是由非线性器件的(r+s+1)次方产生的。与线性放大器一样，这种由两个干扰信号互相作用而产生的干扰称为互调失真3.3混频失真与干扰——互相调制（InterModulation）•r和s的值越小，相应产生的寄生中频分量的幅度越大，互调失真就越严重•其中以r+s＝3最为严重，它由混频器非线性器件的4次方项产生•三阶互调干扰的信号频率与射频信号频率之间满足2fm1-fm2≈fRF或2fm2-fm1≈fRF•射频信号与本振的组合频率f=pfLqfR，n=p+q，若组合频率接近接收中频附近，就会对接收机产生干扰。•这类干扰是指在本振或是在射频信号频率上下对称分布。影响最大的是三阶组合干扰频率，即fL2fR或2fLfR。•产生这种干扰的原因是混频器的非线性或由于本振信号的频谱不纯，含有丰富的谐波成份，产生了这种组合频率的干扰。3.3混频失真与干扰——本振和射频的组合频率干扰Lff理想振荡器输出频谱实际振荡器输出频谱互易混频输出频谱Lff3.3混频失真与干扰——互易混频（ReciprocalMixing）fRfIfRfLfI•消除或减少交调、互调干扰的方法：•1)采用线性度好的混频器，选择合适静态工作点；•2)降低射频信号输入幅度，使混频器工作在线性时变工作状态，减少混频的高次谐波分量。•3)从电路结构上考虑，采用多个非线性器件构成平衡混频电路，抵消一部分无用的组合频率分量；•4)采用补偿及负反馈技术实现接近理想的相乘运算。•消除或减少互易混频干扰的方法：•1)采用线性度较好的混频器•2)提高本振信号频谱纯度3.3混频失真与干扰3.3.2失真与干扰的抑制•变频增益或损耗（ConversionGainorLoss）••变频压缩点（Conversioncompression）•三阶互调阻断点（IP3,ThirdOrderInterceptPoint）•端口隔离度（LO与RF，LO与IF，RF与IF）3.4混频器的主要指标•混频器的变频增益Gc定义为在本振功率PLO不变的情况下，负载获得的最大中频功率PIF与射频输入功率PRF之比的对数，即)()()(log10dBWPWPGLOPRFIFc　　　　　常数•若变频增益Gc0，则混频器有增益；反之为损耗。3.4混频器的主要指标——变频增益或损耗（ConversionGainorLoss）•变频压缩是指本振功率不变，中频输出功率随着射频输入功率的增长而线性增加，其转换增益为常数。1dBPRF(dBm)PIF(dBm)1dB压缩点3.4混频器的主要指标——变频压缩（Conversioncompression）•混频器隔离度是指各频率端口间的相互隔离，包括本振与射频，本振与中频，及射频与中频之间的隔离。隔离度定义为本振或射频信号泄漏到其它端口的功率与输入功率之比，单位为dB。•泄露形成原因是混频器内部电路的不对称性3.4混频器的主要指标——隔离度•三阶互调阻断点是一个理论上的外推值，是表征混频器线性性能的重要指标。3.4混频器的主要指标——三阶互调阻断点(IP3,ThirdOrderInterceptPoint)它是由混频器非线性特性中的三次方项产生的2f1-f2或2f2-f1组合干扰频率信号，再与本振混频后位于中频带内的干扰，当三阶互调干扰分量增长到和中频基波分量相等时，混频器输入信号称为混频器的输入IP3。IP3越大，则表明混频器的线性动态范围越宽，本振功率不同，IP3的值也不同。通常混频器产品的IP3指标是规定在标准本振功率下的参数PRF(dBm)PIF(dBm)三阶互调产物3:1IP3IIP3OIP3所需线性信号1:1IP3是规定在标准本振功率下的参数。3.4混频器的主要指标——三阶互调阻断点(IP3,ThirdOrderInterceptPoint)•LO与RF、LO与IF、RF与IF之间的隔离;表3.4.1典型的混频器主要参数指标名称数值增益10dBNF12dBIIP3+5dBm输入阻抗50端口间隔离30-40dB3．4混频器的主要指标——端口隔离度■下混频器都设计成为线性时变工作状态。■混频电路类型I.无源混频器1)单二极管混频电路2)二极管平衡混频电路3)双平衡类型的二极管环形混频器II.有源混频器1)三极管混频电路2)单平衡混频电路3)吉尔伯特单元(GilbertCell)混频电路3．5混频器电路结构•通常由非线性器件或开关元件构成，电路简单。•不能提供变频增益，作为下变频的接收机电路为了得到更小的噪声系数，在前级一般要加LNA，由此会引起更多的互调失真。•无源混频器的变压器通常会限制混频器的最高工作频率，从而影响带宽，且集成度差，体积较大。3.5.1无源混频器iuuguωLtgDULmiD(t)g(t)π/2ππ/2πωLtωLt-π/2-π/2二极管的大信号开关工作状态单二极管混频电路3.5.1无源混频器•加在二极管上的信号电压幅度足够大，二极管的伏安特性可近似用从原点出发的斜直线表示•若cosmvVtmDDD1Dcos2202()VttRitviKtR则即1122,()cos()cos(3)...,23Kttt其中为单向开关函数•二极管的大信号开关等效电路二极管开关工作状态3.5.1无源混频器]3cos32cos221[)cos()()cos(1tttRRUtKRRtUiLLRLDRmLLDRRmD流经二极管的电流iD为uL(t)uR(t)RLuoDiDK1(ωt)RDuL(t)uR(t)RLuoDiDRF直通|±pfL±fR||fR±fL|3.5.1无源混频器tURRtiLORFRmLDIF)cos(11)(•优点：电路简单•缺点：1)如果在射频输入信号含有直流分量，本振信号直接馈通到输出端;2)输出频谱十分丰富，不能提供任何隔离，也不能提供混频增益。除了产生所需的混频结果外，还含有大量的组合频率分量。3.5.1无源混频器D1D2uL+uR-+uo-i1i2RLio+-Tr11:1Tr21:1uLuRi1K1(ωLt)RD+uO-uRi2K1(ωLt)RD+-+-+-RL1:1例3.5.1求二极管平衡混频器输出的中频电压uo表达式，设本振电压足够大，即ULmURm。二极管平衡混频电路3.5.1无源混频器例3.5.2二极管环形混频器电路如图所示，设本振电压足够大，即ULmURm。求:输出电压uo(t)表达式。+uL-+uR-D1D2D3D4RL+uI-1:11:1二极管平衡混频电路3.5.1无源混频器•有源混频器的应用更为广泛，特别是在射频集成电路（RFIC）中。•可以提供混频增益，采用有源平衡－非平衡转换电路，易于集成。•在有源混频器中，通常把射频电压转成电流信号，本振开关控制电流信号。•优点：1)通过端接适当负载，可以获得一定的电压增益；2)对本振的振幅要求降低；3)端口的隔离度更好，更适于低电压工作。•缺点：需要一定的偏置电流，带来了直流功耗和射频电压的直流分量，线性度也受到了限制。3.5.2有源混频器单管混频器电路结构单开关采样电路实现混频功能ULURURULURULUIRLULK1(ωLOt)π/2π-π/2三极管混频电路3.5.2有源混频器即由于该混频管和转移特性曲线具有良好的平方律特点，因此a1a2，a3a2，上述关系式可近似简化为ic≈a0+a2u2be。三极管混频电路3.5.2