[工学]第12章微波混频器设计课件.ppt

1、Microwave Series第第12章章 微波混频器微波混频器1.1. 理解微波混频器的主要性能指标；理解微波混频器的主要性能指标；2.2. 掌握微波混频器的分析方法及基本应用；掌握微波混频器的分析方法及基本应用；3.3. 掌握单端微波二极管和掌握单端微波二极管和FETFET混频器结构特点、电路形混频器结构特点、电路形式和工作原理；式和工作原理；4.4. 掌握微波平衡混频器的结构特点、电路形式和工作原掌握微波平衡混频器的结构特点、电路形式和工作原理；理；5.5. 掌握微波镜像抑制混频器的结构特点、电路形式和工掌握微波镜像抑制混频器的结构特点、电路形式和工作原理。作原理。Microwave

2、Series微波混频器概述微波混频器概述n 混频器是微波集成电路收混频器是微波集成电路收/ /发系统中必不可少的部件。发系统中必不可少的部件。n 无论是微波通信、雷达、遥控、遥感、还是侦察与电无论是微波通信、雷达、遥控、遥感、还是侦察与电子对抗，以及许多微波测量系统，都必须把子对抗，以及许多微波测量系统，都必须把微波信号微波信号用混频器用混频器降降到到中低频中低频来进行处理或将来进行处理或将中频信号中频信号调制到调制到射频载波射频载波进行发射。进行发射。n 混频器必须有三个组成部分：混频器必须有三个组成部分：本地振荡器本地振荡器（泵源）、（泵源）、一个或多个一个或多个非线性器件非线性器件、滤波

3、器滤波器。Microwave Series微波混频器分类微波混频器分类n 按非线性器件的不同性质分类：按非线性器件的不同性质分类：有源有源和和无源无源混频器。混频器。n 有源混频器：有源混频器：采用晶体管或场效应管作为非线性器件采用晶体管或场效应管作为非线性器件的混频器。的混频器。n 优点优点：有混频增益（最大优点）、端口间固有隔离、：有混频增益（最大优点）、端口间固有隔离、本振激励功率低、输出压缩点高、动态范围大、伏安本振激励功率低、输出压缩点高、动态范围大、伏安特性曲线为平方律、交调干扰小、输入阻抗高、抗镜特性曲线为平方律、交调干扰小、输入阻抗高、抗镜频干扰能力强。频干扰能力强。n 缺点缺

4、点：噪声较高，电路复杂，需要直流偏置，设计理：噪声较高，电路复杂，需要直流偏置，设计理论比较复杂。论比较复杂。Microwave Series微波混频器分类微波混频器分类n 无源混频器：无源混频器：采用二极管作为非线性器件的混频器。采用二极管作为非线性器件的混频器。n “阻性阻性”混频器：混频器：混频过程主要由混频过程主要由非线性电阻非线性电阻完成。完成。n “参量参量”混频器：混频器：混频过程主要由混频过程主要由非线性电容非线性电容完成。完成。n 优点优点：灵敏度高、结构简单、便于集成化、工作稳定、：灵敏度高、结构简单、便于集成化、工作稳定、工作频带宽、动态范围大。工作频带宽、动态范围大。n

5、 缺点缺点：有一定的混频损耗。：有一定的混频损耗。Microwave Series微波混频器概述微波混频器概述n 混频器混频器研究热点研究热点：微波混频器的：微波混频器的性能性能和和可靠性可靠性对系统影响对系统影响也很大，因而研究性能优良的微波混频器是也很大，因而研究性能优良的微波混频器是改善系统性能改善系统性能、提高系统应用能力提高系统应用能力的重要方面，多年来一直是研究的热点。的重要方面，多年来一直是研究的热点。n 混频器混频器分析方法分析方法：随着混频器技术发展，混频器：随着混频器技术发展，混频器理论研究理论研究得到了很大发展，目前多用得到了很大发展，目前多用谐波平衡法谐波平衡法和和变换

6、矩阵法变换矩阵法对混对混频器进行分析。频器进行分析。Microwave Series微波混频器电路分类微波混频器电路分类n 4 4种种基本电路：基本电路：单端混频器单端混频器，平衡混频器平衡混频器，双平衡混频器双平衡混频器，双双平衡混频器双双平衡混频器( (也称为也称为三平衡混频器三平衡混频器) )。n 单端混频器单端混频器：电路简单，但噪声高，抑制干扰能力差。：电路简单，但噪声高，抑制干扰能力差。n 平衡混频器平衡混频器：借助于平衡电桥，可使本振调幅噪声抵消，：借助于平衡电桥，可使本振调幅噪声抵消，中频输出功率增强。中频输出功率增强。n 双平衡混频器双平衡混频器：可以抵消本振引入调幅噪声所产

7、生的中频：可以抵消本振引入调幅噪声所产生的中频噪声；在中频输出端口能全部消除本振的偶次频率与信号噪声；在中频输出端口能全部消除本振的偶次频率与信号的偶次频率组成的组合干扰，使组合干扰的频谱密度减小的偶次频率组成的组合干扰，使组合干扰的频谱密度减小到单管混频器的到单管混频器的2525；动态范围大、互调干扰小、工作频；动态范围大、互调干扰小、工作频带宽。带宽。n 双双平衡混频器：双双平衡混频器：频带更宽、动态范围和交调抑制更高。频带更宽、动态范围和交调抑制更高。 Microwave Series微波混频器发展简介微波混频器发展简介n 第一只混频器第一只混频器由由ArmstrongArmstrong

8、和和SchottkySchottky分别在分别在19241924和和19251925年研制出。年研制出。n 第二次世界大战中，为了提高第二次世界大战中，为了提高接收机接收机的的灵敏度灵敏度，增加，增加雷达的作用距离（关键的地方在于降低接收机中混频雷达的作用距离（关键的地方在于降低接收机中混频器的噪声系数），人们对混频器进行了各种理论探讨器的噪声系数），人们对混频器进行了各种理论探讨与科学试验。与科学试验。n 但由于微波混频器是利用但由于微波混频器是利用变阻二极管变阻二极管或或肖特基势垒二肖特基势垒二极管极管等等非线性器件非线性器件来实现变频的一种微波电路，当时来实现变频的一种微波电路，当时微波

9、半导体器件微波半导体器件发展发展缓慢缓慢，影响了混频器的发展。，影响了混频器的发展。Microwave Series微波混频器发展简介微波混频器发展简介n 二极管微波混频器：二极管微波混频器：目前几乎都采用肖特基表面势垒目前几乎都采用肖特基表面势垒二极管作为混频元件。二极管作为混频元件。n 原因：原因：结构简单、便于集成、性能稳定、电特性一致结构简单、便于集成、性能稳定、电特性一致性较好、较低的变频损耗、极低的噪声温度比和高的性较好、较低的变频损耗、极低的噪声温度比和高的抗烧毁能力、频率范围达抗烧毁能力、频率范围达几个几个甚至甚至几十个倍频程几十个倍频程n 肖特基表面势垒二极管微波混频器肖特基

10、表面势垒二极管微波混频器在电子对抗等系统在电子对抗等系统中得到了广泛的应用。中得到了广泛的应用。n 梁式引线二极管：梁式引线二极管：减小了寄生参数，在毫米波及亚毫减小了寄生参数，在毫米波及亚毫米波获得了广泛的应用。米波获得了广泛的应用。n 发展重点发展重点：提高电性能、降低成本和减小体积。：提高电性能、降低成本和减小体积。Microwave Series微波混频器发展简介微波混频器发展简介n 从国外混频器的整个发展来看，从国外混频器的整个发展来看， 20世纪世纪70年代年代主要是主要是针对肖特基二极管的混频特性以及鳍线等毫米波传输针对肖特基二极管的混频特性以及鳍线等毫米波传输线进行大量线进行大

11、量理论分析理论分析及研究。及研究。n 国外对国外对双平衡混频器双平衡混频器的研究在的研究在20世纪世纪80年代年代就已经就已经成成熟熟，并有大量的文献报道，采用鳍线、共面线、悬置，并有大量的文献报道，采用鳍线、共面线、悬置微带等形式的混合集成微带等形式的混合集成毫米波混频器毫米波混频器发展迅速。发展迅速。n 美国美国M/A-COM公司公司1982年研制出一种新颖年研制出一种新颖宽带双平衡宽带双平衡混频器混频器，其频率覆盖，其频率覆盖1840GHz。其设计通过。其设计通过平衡槽平衡槽线线和和分支平衡微带线分支平衡微带线耦合耦合信号和本振信号和本振到到4个个封装在星形封装在星形结构中的结构中的肖特

12、基梁式引线二极管肖特基梁式引线二极管上。利用这种设计方上。利用这种设计方法研制出了法研制出了1826.5GHz，26.540GHz，1840GHz宽带混频器，输出宽带混频器，输出中频信号中频信号为为0.58GHz。Microwave Series微波混频器发展简介微波混频器发展简介n 1990年年采用采用MESFET技术研制出的技术研制出的X波段单片双双平衡波段单片双双平衡混频器混频器具有具有20dBm的的三阶交调三阶交调输入，本振功率为输入，本振功率为20dBm时，其时，其ldB压缩点的输出功率为压缩点的输出功率为3.6dBm。在。在710GHz范范围内，变频损耗小于围内，变频损耗小于10d

13、B，中频为，中频为5GHz。n 这种这种高输入三阶交调混频器高输入三阶交调混频器是高动态范围接收机中的关是高动态范围接收机中的关键部件，它的成功研制推进了键部件，它的成功研制推进了单片接收机单片接收机的发展。的发展。Microwave Series微波混频器发展简介微波混频器发展简介n 90年代，新的年代，新的平面双双平衡平面双双平衡MMIC混频器混频器结构采用结构采用槽槽线线、共面波导共面波导和和共面线共面线的混合，将的混合，将8只只GaAs肖特基二肖特基二极管安装在一个极管安装在一个16mil厚的厚的GaAs基材上，制作的混频器基材上，制作的混频器射频频率为射频频率为620GHz，本振频率

14、为，本振频率为818GHZ，中频，中频频率为频率为27GHz，变频损耗为，变频损耗为6.29.8dB，射频到中频、，射频到中频、本振到射频和本振到中频的隔离分别是本振到射频和本振到中频的隔离分别是25dB、23dB和和20dB。n 这种混频器的研制成功，为平面结构这种混频器的研制成功，为平面结构双双平衡混频器双双平衡混频器的发展奠定了基础。的发展奠定了基础。Microwave Series微波混频器发展简介微波混频器发展简介n 随着随着砷化嫁工艺砷化嫁工艺和和单片技术单片技术的发展，对的发展，对亚毫米波亚毫米波和和毫毫米波集成混频电路米波集成混频电路的研究已成为热点。的研究已成为热点。n 混频

15、器的研制早己成为一门混频器的研制早己成为一门专门技术专门技术。在国外各种结。在国外各种结构的混频器都已出现，性能优良的构的混频器都已出现，性能优良的MMIC混频器混频器也不也不断出现，而且已经有多家生产混频器的专业公司，如断出现，而且已经有多家生产混频器的专业公司，如M/A-com、Marki Microwave、Eclipse等。等。n 目前，国内因在工艺、材料等方面的不足，和国外相目前，国内因在工艺、材料等方面的不足，和国外相比还有一定的距离。比还有一定的距离。n 现在国内的一些电子研究所和电子科技大学、东南大现在国内的一些电子研究所和电子科技大学、东南大学等高等院校的微波、毫米波研究人员

16、也开始重视对学等高等院校的微波、毫米波研究人员也开始重视对混频器的研究，渐渐地有了一些报道，也取得了一定混频器的研究，渐渐地有了一些报道，也取得了一定的成果。的成果。Microwave Series微波混频器主要性能指标微波混频器主要性能指标n 混频器用于不同的场合时，通常对其性能指标要求的混频器用于不同的场合时，通常对其性能指标要求的侧重点是不同的。根据工程应用实践，常用以下指标侧重点是不同的。根据工程应用实践，常用以下指标来衡量混频器的主要性能：来衡量混频器的主要性能：u变频损耗和变频增益变频损耗和变频增益u噪声系数噪声系数u端口隔离度端口隔离度u驻波比驻波比u动态范围动态范围u交调系数交

17、调系数 u镜频抑制度镜频抑制度u中频阻抗中频阻抗Microwave Series12.6.1 混频器特性混频器特性理想化理想化上变频上变频混频器符号：输出正比于两个输入信号乘积混频器符号：输出正比于两个输入信号乘积混频器输出混频器输出载波频率载波频率下边带下边带上边带上边带双边带双边带发射机发射机单边带单边带大量谐波及高阶产物大量谐波及高阶产物变频损耗引入的常量变频损耗引入的常量Microwave Series下变频下变频接收机接收机混频器输出混频器输出和频和频差频差频实际情况实际情况 用用滤波器滤波器滤掉其他产物滤掉其他产物Microwave Series镜像频率与镜频抑制度镜像频率与镜频抑

18、制度 n 多数微波系统中的混频器是单边带工作。多数微波系统中的混频器是单边带工作。n 镜频噪声镜频噪声使混频器的噪声系数使混频器的噪声系数恶化恶化，使单边带噪声系数比双，使单边带噪声系数比双边带噪声系数大边带噪声系数大3dB3dB。n 某些微波系统的镜频上可能存在干扰信号，会引起接收机的某些微波系统的镜频上可能存在干扰信号，会引起接收机的虚假响应虚假响应，因此需，因此需抑制镜频抑制镜频。IFLOIMIFLORFffffff n 镜像频率镜像频率接收机接收机镜频镜频射频射频思考思考: : 既定既定RFRF和和IF, IF, 如何选择如何选择LO?LO?Microwave Series镜像频率与镜

19、频抑制度镜像频率与镜频抑制度n 为了抑制镜频噪声和干扰，通常在混频器前接入为了抑制镜频噪声和干扰，通常在混频器前接入镜频抑制滤镜频抑制滤波器波器，阻止镜频信号进入混频器参与混频。，阻止镜频信号进入混频器参与混频。n 对于对于宽带系统宽带系统或或捷变频系统捷变频系统，采用镜频抑制滤波器会很困难，采用镜频抑制滤波器会很困难甚至不能实现，此时可采用甚至不能实现，此时可采用镜频抑制混频器镜频抑制混频器，通过特殊的电，通过特殊的电路实现路实现自适应自适应镜频抑制。镜频抑制。n 镜频抑制度镜频抑制度：表征混频器对镜频信号抑制程度的指标。：表征混频器对镜频信号抑制程度的指标。n 定义定义：在所用信号频率和镜

20、频上分别输入同样的功率信号时：在所用信号频率和镜频上分别输入同样的功率信号时所产生的中频信号幅度之比，通常用分贝表示。所产生的中频信号幅度之比，通常用分贝表示。Microwave Series变频损耗变频损耗n 混频过程伴随着信号能量的重新分配，导致中频信号混频过程伴随着信号能量的重新分配，导致中频信号幅度低于射频信号幅度。幅度低于射频信号幅度。n 引入混频器引入混频器变频损耗变频损耗指标指标LC，定义为输入射频信号的，定义为输入射频信号的资用功率资用功率 PRF 与输出中频信号资用功率与输出中频信号资用功率PIF 之比之比: n 对二极管阻性混频器，变频损耗由以下对二极管阻性混频器，变频损耗

21、由以下三部分三部分组成：组成：（1）非线性电导净变频损耗）非线性电导净变频损耗（2）混频二极管芯的结损耗）混频二极管芯的结损耗（3）电路的失配损耗）电路的失配损耗 )(log10dBPPLavailIFavailRFc 110GHz：47dB本振功率相关本振功率相关Microwave Series本振功率对双音交调分量的影响本振功率对双音交调分量的影响7dBm17dBm27dBmMicrowave Series变频增益变频增益n 对于采用三端器件的混频器，可能具有变频增益，即对于采用三端器件的混频器，可能具有变频增益，即输出信号功率大于输入信号功率。输出信号功率大于输入信号功率。n 此时此时变

22、频增益变频增益GC可表示为可表示为变频损耗变频损耗的倒数：的倒数： )(log101dBPPLGavailRFavailIFcc Microwave Series噪声系数噪声系数 n 类似线性网络噪声系数的定义，引入混频噪声系数类似线性网络噪声系数的定义，引入混频噪声系数NFNF，定义定义为输入信号噪声功率比为输入信号噪声功率比Si/NiSi/Ni与输出信号噪声功率与输出信号噪声功率比比So/NoSo/No的比值：的比值：n 注意注意：混频器输入输出信号频率是不同的，这是混频器：混频器输入输出信号频率是不同的，这是混频器与线性网络噪声系数定义的主要区别。与线性网络噪声系数定义的主要区别。)()

23、/log(10dBNSNSNFooii15 dB二极管混频器二极管混频器NF小于晶体管混频器小于晶体管混频器Microwave SeriesNFSSB和和NFDSBn 根据接收信号是单边带（根据接收信号是单边带（SSB）信号和双边带（）信号和双边带（DSB）信号，其噪）信号，其噪声系数分别称声系数分别称单边带噪声系数单边带噪声系数NFSSB和和双边带噪声系数双边带噪声系数NFDSB。（一般是指单边带噪声系数）（一般是指单边带噪声系数）双边双边带带DSB射频射频本振本振理想混频输出理想混频输出输入输入Microwave SeriesDSBDSB输入输入信号功率信号功率射频射频DSBDSB输出输出

24、信号功率信号功率中频中频NFDSB输入噪声输入噪声输出噪声输出噪声DSBDSB噪声系数噪声系数Microwave Series单边单边带带DSB射频射频本振本振理想混频输出理想混频输出输入输入SSBSSB输入信号功率输入信号功率SSBSSB输出信号功率输出信号功率NFSSB 噪 声 情 况噪 声 情 况与与DSBDSB相同相同SSBSSB噪声系数噪声系数Microwave SeriesLOfIFLOUSBfffIFLOLSBfff)(3dBNFNFDSBSSB)1 (402BkTNLKNSNSFaddedciooiSSBNFSSB和和NFDSBMicrowave Series混频器的端口匹配问

25、题混频器的端口匹配问题SSRLLR匹配匹配ifn 分析和设计混频器电路时要特别考虑：分析和设计混频器电路时要特别考虑：u信号信号 S、本振频率、本振频率 L、中频、中频 if和镜频和镜频 i之间的关系之间的关系u输出电路抑制掉输出电路抑制掉 S、 L、 i （由中频滤波器完成由中频滤波器完成）n 一般而言，本振二次谐波以上各分量很小，其频率往往在信号一般而言，本振二次谐波以上各分量很小，其频率往往在信号通带之外，简化分析时可以忽略不计。通带之外，简化分析时可以忽略不计。Microwave Series驻波比驻波比 n 反映了各特定端口阻抗在相应频率上与源或负载阻抗的反映了各特定端口阻抗在相应频

26、率上与源或负载阻抗的匹配匹配程度程度。n 驻波比太大驻波比太大不仅使变频损耗增加，同时可能导致不仅使变频损耗增加，同时可能导致前后级前后级电路电路性能变差性能变差甚至不能正常工作。甚至不能正常工作。n 与与本振功率本振功率和和直流偏置情况直流偏置情况有有密切关系密切关系（因本振功率和直流（因本振功率和直流偏置条件的变化会导致偏置条件的变化会导致混频二极管阻抗混频二极管阻抗变化）。变化）。n 三个端口驻波比互相影响。三个端口驻波比互相影响。n 通常：通常：1.53，否则需加，否则需加隔离器隔离器，以减小对前后级电路的影，以减小对前后级电路的影响。响。Microwave Series端口隔离度端口

27、隔离度 n 包括包括本振射频端口本振射频端口、射频中频端口射频中频端口、本振中频端口本振中频端口和和射频射频-本振端口本振端口的的隔离度隔离度。n 本振射频端口本振射频端口：输入本振功率与在射频信号端口测得的：输入本振功率与在射频信号端口测得的本振泄漏功率之比值，本振泄漏功率之比值，典型值典型值通常可达通常可达2040dB。n EMC问题问题：较强的本振信号泄漏至射频信号端口的功率：较强的本振信号泄漏至射频信号端口的功率将通过天线发射出去，对其它电子设备造成干扰。将通过天线发射出去，对其它电子设备造成干扰。n 通常在通常在射频端口接入滤波器射频端口接入滤波器来滤除泄漏的本振信号，提高来滤除泄漏

28、的本振信号，提高本振信号隔离度本振信号隔离度。n 提高提高本振射频端口隔离度本振射频端口隔离度，可采用，可采用平衡式混频器平衡式混频器电路，电路，利用电桥的隔离度提高利用电桥的隔离度提高本振射频端口的本振射频端口的隔离度。隔离度。Microwave Series动态范围动态范围 n 动态范围动态范围：混频器能正常工作的输入信号功率范围。：混频器能正常工作的输入信号功率范围。n 早期的超外差式接收机，混频器通常处于接收机第一级，早期的超外差式接收机，混频器通常处于接收机第一级，工作于小信号状态，要求混频器噪声系数尽可能小以提工作于小信号状态，要求混频器噪声系数尽可能小以提高接收灵敏度，对动态范围

29、高接收灵敏度，对动态范围要求较低要求较低。n 随着低噪声放大器的应用，混频器处于放大器后级，其随着低噪声放大器的应用，混频器处于放大器后级，其输入电平也相应提高，混频器的动态范围已成为限制接输入电平也相应提高，混频器的动态范围已成为限制接收机动态范围的主要因素之一。收机动态范围的主要因素之一。n 当输入信号强度过大时，将导致混频器烧毁。这时的信当输入信号强度过大时，将导致混频器烧毁。这时的信号功率称为混频器的号功率称为混频器的烧毁功率烧毁功率。对工作在强辐射和高功。对工作在强辐射和高功率干扰环境下的混频器，这是一个重要的指标。率干扰环境下的混频器，这是一个重要的指标。n 一般一般：-（1006

30、0）dBm10dBm。Microwave Series交调系数交调系数n 在输入信号包括两个以上的频率分量时，混频器输出信在输入信号包括两个以上的频率分量时，混频器输出信号中将产生号中将产生交调分量交调分量，出现，出现交调干扰交调干扰（IMD）。）。n 考虑两个频率分量情况，影响最大的是考虑两个频率分量情况，影响最大的是 3 阶阶交调分量，交调分量，因为在因为在处于中频附近处于中频附近或或中频通带内中频通带内的的交调产物交调产物中，中，3阶阶交调的交调的阶次最低阶次最低，幅度最大幅度最大。n 3阶阶交调系数交调系数Mi定义为：定义为：)(log103dBcPPMavailIFIMi n PIM

31、3和和PIF分别是分别是3阶阶交调信号功率交调信号功率和和中频信号功率中频信号功率。n dBc表表 3 阶交调分量功率阶交调分量功率比比有用信号（中频信号）功率有用信号（中频信号）功率小的分贝数。小的分贝数。 Microwave Series双音交调分量与实际交调产物双音交调分量与实际交调产物Microwave Series中频阻抗中频阻抗 n 混频器中频阻抗是中频端口的输出阻抗，是设计混频器中频阻抗是中频端口的输出阻抗，是设计中频中频放大器放大器输入匹配输入匹配的重要条件。的重要条件。n 中频阻抗是中频阻抗是中频的函数中频的函数。n 不同的本振功率和直流偏置情况下，中频阻抗会发生不同的本振功

32、率和直流偏置情况下，中频阻抗会发生很大变化。很大变化。n 一般：一般：u低中频混频器，输出阻抗一般为低中频混频器，输出阻抗一般为100400 u较高中频：较高中频：50 Microwave Series微波混频器电路微波混频器电路n 微波混频器电路的要求：微波混频器电路的要求：u信号信号功率和功率和本振本振功率应功率应同时同时加到混频二极管上，二极管加到混频二极管上，二极管要有要有直流通路直流通路和中频输出通路；和中频输出通路；u二极管和信号回路应尽可能匹配，以便获得较大的信号二极管和信号回路应尽可能匹配，以便获得较大的信号功率；功率；u本机振荡器与混频器之间的本机振荡器与混频器之间的耦合量耦

33、合量应能应能调节调节，以便选择，以便选择合适合适的工作状态；的工作状态；u中频输出端应能中频输出端应能滤掉高频分量滤掉高频分量（信号和本振）（信号和本振）。例题例题 12.7Microwave SeriesMicrowave SeriesMicrowave SeriesMicrowave Series12.6.2 单端二极管混频器单端二极管混频器小信号近似（泰勒展开）小信号近似（泰勒展开）下变频下变频Microwave Series微带单端二极管混频器微带单端二极管混频器n 基本电路：基本电路：平面形式平面形式n 优点：优点：结构简单、制造容易、体积小、质量轻。结构简单、制造容易、体积小、质量

34、轻。n 缺点：缺点：性能较差，应用不多。性能较差，应用不多。g/4Microwave Series微带单端二极管混频器微带单端二极管混频器n 镜频短路镜频短路单端混频器单端混频器g/4Microwave Series微带单端二极管混频器微带单端二极管混频器n 镜频开路镜频开路单端混频器单端混频器g/2Microwave Series12.6.3 单端单端FET混频器混频器几个几个FET参量有非线性，参量有非线性，gm非线性最强非线性最强共源结构的共源结构的FET栅极负偏压时可产生非线性效应栅极负偏压时可产生非线性效应原理：原理： 栅压接近夹断区，小的正栅压变化导致跨导大栅压接近夹断区，小的正栅

35、压变化导致跨导大改变，形成非线性效应，产生混频。改变，形成非线性效应，产生混频。Microwave Seriesn 电路形式电路形式Microwave Seriesn 工作原理工作原理:P534Microwave Series12.6.4 平衡混频器平衡混频器n 结构：结构： 混合网络混合网络 + 两个单口混频器两个单口混频器n 优点：优点：噪声系数低、信号动态范围大、本振功率小、无偶数阶产物噪声系数低、信号动态范围大、本振功率小、无偶数阶产物n 电桥作用电桥作用：（：（环形桥、分支线定向耦合器和正交场环形桥、分支线定向耦合器和正交场）u输入信号、本振功率平分加到两个混频管，得到充分利用输入信

36、号、本振功率平分加到两个混频管，得到充分利用u增加工作带宽增加工作带宽uRF端口实现完全匹配（端口实现完全匹配（90）uRF-LO完全隔离（完全隔离（180 ）u抑制谐波，减少失真、干扰与损耗抑制谐波，减少失真、干扰与损耗Microwave Series平衡混频器（平衡混频器（P P535-537535-537）Figure 12-35 Balanced mixer circuits. (a) Using a 90 hybrid. (b) Using a 180 hybrid.Microwave Series常见电桥常见电桥3Z33111222444ZZZZZZZZZZZZZ42Z2ZZ244

37、3等阻抗等分功率不等阻抗等分功率环形等阻抗等分功率环形不等阻抗ZR2ZR2RZRRRZ2ZRZRZMicrowave Series单平衡混频器单平衡混频器n 本振反相型（本振反相型（1800移相型移相型）混频器：）混频器：信号同相（信号同相（00）n 特点：特点：尺寸大、本振偶次谐波组合频率无输出、结构复杂。尺寸大、本振偶次谐波组合频率无输出、结构复杂。LfSfiff4344123441D2DMicrowave Series单平衡混频器单平衡混频器n 信号反相、本振同相信号反相、本振同相混频器混频器特点：特点：u尺寸小、偶次谐波抵消、避免线路交叉。尺寸小、偶次谐波抵消、避免线路交叉。u信号对本

38、振隔离度高：信号对本振隔离度高：4和和3端口反射的本振功率在端口反射的本振功率在1端口抵消。端口抵消。u信号端驻波比差：本振、信号的两管反射在各自输入端口叠加。信号端驻波比差：本振、信号的两管反射在各自输入端口叠加。Lf12344SfiffMicrowave Series单平衡混频器单平衡混频器n 9090度相移型平衡混频器：度相移型平衡混频器：u混频管两只，特性一致混频管两只，特性一致u混频管经匹配电路变为混频管经匹配电路变为 50 50欧姆欧姆u分支电桥，均分功率，隔离本振和信号分支电桥，均分功率，隔离本振和信号u微波接地用四分之一波长开路微带微波接地用四分之一波长开路微带u两混频管直流闭

39、合两混频管直流闭合u需中频通路需中频通路Microwave Series单平衡混频器单平衡混频器n 90度移相变阻抗电桥度移相变阻抗电桥u混频管阻抗经移相成纯阻混频管阻抗经移相成纯阻RDu变阻抗电桥变阻抗电桥 3，4 口阻抗为口阻抗为RDsfLf1234iff41D2D移相4Microwave Series平衡混频器平衡混频器Figure 12-36 Photograph of a 35 GHz microstrip monopulse radar receiver circuit. Three balanced mixers using ring hybrids are shown, alo

40、ng with three stepped-impedance low-pass filters, and six quadrature hybrids. Eight feedlines are aperture coupled to microstrip antennas on the reverse side. The circuit also contains a Gunn diode source for the local oscillator. Courtesy of Millitech Corporation.Microwave Series单平衡混频器二极管上的本振噪声单平衡混

41、频器二极管上的本振噪声2)cos()()cos()(21tUtutUtuifLnnifLnntUgttUgtitUgttUgtiifnLifLnnifnLifLnncos)2(2)cos()(cos)()cos()(1121110)()()(21tititinnnLifisifn 本振携带的本振携带的信频噪声信频噪声分成分成 2 路加在两只混频管上路加在两只混频管上n 两管产生的两管产生的中频噪声中频噪声n 输出的中频噪声输出的中频噪声本振携带的本振携带的信频噪声信频噪声在两管产生的中频噪声在两管产生的中频噪声相互抵消相互抵消Microwave Series本振噪声的抑制本振噪声的抑制n 总结

42、总结Microwave Series)2(cos)()()2(cos)(21tntmUgtitntmUgtiLSSnLSSn nLSmnmnLSmnmtnmjnjItitnmnmjIti)(exp2exp)()expj()2(exp)(21 nLSmnmjnjmjntnmjItiti)2exp()2exp(exp)(exp)()(21两管输出端电流两管输出端电流表示成傅立叶表示成傅立叶级数级数总电流总电流um = n各项不存在各项不存在u相差相差2 的各项不存在的各项不存在 （例（例 m=1，n=3，.)单平衡混频器的组合频率单平衡混频器的组合频率Microwave Series分支电桥混频器

43、均匀分支电桥混频器均匀分支电桥混频器n 混频管在混频管在Sl和和S2点由低阻抗微带线构成微波接地。点由低阻抗微带线构成微波接地。n 匹配电路将混频管阻抗匹配到匹配电路将混频管阻抗匹配到50 。电桥的。电桥的4个口个口Z0 = 50 。n 电桥电桥12臂和臂和34臂特性阻抗是臂特性阻抗是Z0，23臂和臂和l4臂是臂是 。n 中频端口相互抵消的频率成分是：中频端口相互抵消的频率成分是：m(fs + fp)，m = l,2,3,。02ZMicrowave Series分支电桥混频器变阻抗分支电桥混频器变阻抗分支电桥混频器n 变阻抗式时混频管变阻抗式时混频管匹配电路可以简化匹配电路可以简化，使，使结构

44、更加紧凑结构更加紧凑。n 混频管阻抗混频管阻抗Rd+jXd，用长度为，用长度为l的微带线进行移相，使的微带线进行移相，使B点视点视入阻抗呈现为只有实部入阻抗呈现为只有实部Rb。只要电桥的。只要电桥的3口和口和4口特性阻抗设口特性阻抗设计成计成Rb即可获得匹配。即可获得匹配。n 大多数厘米波段混频二极管在大多数厘米波段混频二极管在50 系统中的阻抗是容性，取系统中的阻抗是容性，取移相线段移相线段l小于小于 g4为宜，这时阻抗实部为宜，这时阻抗实部Rb必小于必小于50 。当。当Rb50 时，驻波比是时，驻波比是 。50bRMicrowave Series分支电桥混频器变阻抗分支电桥混频器变阻抗分支

45、电桥混频器n 4个臂的特性阻抗是个臂的特性阻抗是50250504321ZZZZn 各臂各臂电电长度长度皆为皆为0.25或或90度（即度（即 g4），但是因为，但是因为各臂的各臂的特性阻抗特性阻抗不同，不同， g也不同（因为也不同（因为re不同！不同！），），故故各臂的机械长度不同。各臂的机械长度不同。n Z1阻抗最高，它的微带波长也最长。阻抗最高，它的微带波长也最长。n 此种变阻抗电桥有三个臂特性阻抗很低，微带宽度大，只能用于厘米此种变阻抗电桥有三个臂特性阻抗很低，微带宽度大，只能用于厘米波段的低端。波段的低端。n 扇形线用于微波接地的效果比扇形线用于微波接地的效果比g/4开路微带线要开路微带

46、线要好，好，扇形线尺寸也较扇形线尺寸也较小，频带可接近倍频程。小，频带可接近倍频程。50bRMicrowave Series分支电桥混频器有有移相臂移相臂的分支电桥混频器的分支电桥混频器n 本振与信号隔离度要求很高时，上述结构难保证隔离度。本振与信号隔离度要求很高时，上述结构难保证隔离度。n 若工作频带较窄，分支电桥本身的隔离度可达若工作频带较窄，分支电桥本身的隔离度可达35dB以上。以上。n 实际电路中的混频管很难匹配得很好，本振实际电路中的混频管很难匹配得很好，本振fp在两支混频在两支混频管的反射波通过分支电桥后将在信号端口管的反射波通过分支电桥后将在信号端口2同相迭加，从同相迭加，从而使

47、隔离度变坏。而使隔离度变坏。n 假如混频管的驻波比为假如混频管的驻波比为1.5，仅只混频管反射功率强度已达，仅只混频管反射功率强度已达13.98dB，所以混频器总的隔离度必然还要更差。，所以混频器总的隔离度必然还要更差。Microwave Series分支电桥混频器有有移相臂移相臂的分支电桥混频器的分支电桥混频器n 下图的混频器结构对隔离度有很大改善。它在电桥的下图的混频器结构对隔离度有很大改善。它在电桥的3口口或或4口增加一段口增加一段 g4的移相段，使两只混频管对本振的反的移相段，使两只混频管对本振的反射波在信号端口反相而相互抵销，从而改善了隔离度。射波在信号端口反相而相互抵销，从而改善了

48、隔离度。n 但应看到，此时混频管反射波将在本振端口同相迭加，因但应看到，此时混频管反射波将在本振端口同相迭加，因此端口驻波比变坏。同样道理信号端口驻波比也将变坏。此端口驻波比变坏。同样道理信号端口驻波比也将变坏。n 相反，常规分支电桥的隔离度虽较差但驻波比很好。故需相反，常规分支电桥的隔离度虽较差但驻波比很好。故需根据整机对混频器指标根据整机对混频器指标要求的不同要求的不同来来选择选择电桥电桥结构结构形式。形式。Microwave Series环形电桥混频器等阻抗环形电桥混频器n 环的周长环的周长1.5 g。这种结构适用于较高微波频段，如。这种结构适用于较高微波频段，如X波段波段以上的频段。因

49、为随着频率升高，波长缩短，如果采用分以上的频段。因为随着频率升高，波长缩短，如果采用分支电桥结构，则电桥的每个臂可能太短且太宽，以致于电支电桥结构，则电桥的每个臂可能太短且太宽，以致于电桥难于实现。环形电桥桥难于实现。环形电桥每臂特性阻抗高，微带线窄，环的每臂特性阻抗高，微带线窄，环的周长也大，因此制作误差与设计误差都较小。若用在微波周长也大，因此制作误差与设计误差都较小。若用在微波低频段，则有可能使混频器整个尺寸过大。低频段，则有可能使混频器整个尺寸过大。n 本振本振fP由由1口馈入，经电桥等分口馈入，经电桥等分后加到两个反向安装的混频二后加到两个反向安装的混频二极管，所以两混频管上本振电极

50、管，所以两混频管上本振电压反相。压反相。n 信号信号fs由由2口馈入等分后经口馈入等分后经3、4两口同相加在两混频管。两口同相加在两混频管。n 此即此即本振反相型平衡混频器本振反相型平衡混频器。Microwave Series环形电桥混频器等阻抗环电桥混频器n 混频管匹配电路由移相段混频管匹配电路由移相段l和和 g4阻抗变换器组成。阻抗变换器组成。n 混频管复阻抗混频管复阻抗Zd经移相段经移相段l后右视只有实部后右视只有实部Rb，再用，再用 g4阻抗变换器把阻抗变换器把Rb变换为电桥入口的特性阻抗变换为电桥入口的特性阻抗50 ，阻抗变，阻抗变换器的特性阻抗为：换器的特性阻抗为：50cbZRn