1、第3章微波混频器3.2微波混频器的小信号传输特性微波混频器的小信号传输特性变频损耗变频损耗微波混频器的作用是将微波信号转换为中频信号，频率变换后的能量损耗即为变频损耗。微波混频器的小信号传输特性的研究任务包括：(1)输入信号功率经过混频器后有多少功率转换成中频信号功率，即变频损耗。(2)当混频器的源电导Gg和输出电导G0为何值时，变频损耗最小。变频损耗定义为微波信号资用功率Psa与输出中频资用功率Poa之比，常用分贝表示，即 第3章微波混频器变频损耗主要包括以下三部分：(1)由寄生频率产生的净变频损耗L0。(2)由混频二极管寄生参量引起的结损耗Lj。(3)混频器输入/输出端的失配损耗La。(3
2、-19)saoa10lg()(dB)PLP第3章微波混频器3.2.1净变频损耗净变频损耗在混频过程中产生的寄生频率都含有一部分信号功率，如果它们消耗在电阻上，就会造成损耗，这些损耗称为净变频损耗。计算净变频损耗时，认为混频器输入、输出端口均已匹配，且将二极管只看做是一个受本振电压控制的时变电导g(t)。混频器的等效电路是一个三端口网络，净变频损耗不但与二极管的特性有关，还与各端口的负载阻抗有关。实际应用中，最关心的是镜像短路、镜像匹配和镜像开路这三种混频器的净变频损耗。为普遍起见，首先讨论镜像端口负载电导Gi为任意值时的净变频损耗，然后再讨论三种主要混频器的净变频损耗。第3章微波混频器1.Gi
3、为任意值时的净变频损耗为任意值时的净变频损耗 混频器的等效电路如图3-6(b)所示，根据网络方程式(3-16)，由镜像端口得Ii=GiUi (3-20)对式(3-16)和式(3-20)联立求解，得IS=m11US+m12U0I0=m21US+m22U0 用矩阵表示为(3-21)SS1112021220IUmmImmU(3-22)第3章微波混频器式中：于是把三端口网络简化成二端口网络，如图3-7所示。网络参数与镜像端口的负载电导Gi有关。(3-23)221100igmggG12122110ig gmmggG 212200igmggG 第3章微波混频器图 3-7镜像电导G为任意值时的混频器等效电路
4、第3章微波混频器为计算净变频损耗，首先应求出信号源的资用功率和混频器输出的中频资用功率，然后求两者之比。信号源的资用功率(Gi=Gg时)为 式中：IA是信号的电流幅值。为求得混频器输出的中频资用功率，在中频端口使用戴维南定理，把输出端口以左的电流等效成一个新的恒流源，如图3-8所示。(3-24)22SAingg8UIPRG第3章微波混频器图 3-8中频输出端等效电路第3章微波混频器图3-8中，Ie是恒流源电流，即输出端短路电流的幅值；G0是恒流源的内电导，即获取的中频输出电导。当中频端口短路时，Ie=I0，混频器的外部方程为IS=IAUSGgU0=0将式(3-25)和式(3-23)联立求解，得
5、(3-25)21eAg11mIIGm(3-26)第3章微波混频器混频器的中频输出电导G0是输入端恒流源IA开路时(即IA0)由输出端向左看过去的等效电导。当IA0时，IS=USGg，代入式(3-23)得 于是混频器输出的中频资用功率为(3-27)o122122o11goUm mGmImG222e21 Aoa0g112211g122188()()Im IPGGmmmGm m(3-28)第3章微波混频器因此，镜频端口的负载电导Gi为任意值时，混频器的净变频损耗为可见，净变频损耗是信号源电导Gg与网络参数m的函数。当混频器的激励状态一定时，L0随Gg变化。调整Gg可使L0达到最小。令，即可求得最小变
6、频损耗及其相应的最佳源电导和最佳输出电导，即 (3-29)g112211g1221sa02oa21g()()GmmmGm mPLPm G0g0LG第3章微波混频器(3-30)11221221112211221221221122()m mm mm mm mm mm11gopt1122122122()mGm mm mm22copt1122122111()mGm mm mm(3-31)(3-32)gopt112211g12210min221g()()GmmmGm mLm G第3章微波混频器2.镜像匹配镜像匹配(GiGg)时的净变频损耗时的净变频损耗当混频器输入回路的带宽相对于中频来说足够宽时，输入回
7、路对镜频呈现的电导Gi和对信号频率所呈现的电导差不多相等，即GiGg，这种情况称为镜像匹配。在镜像匹配混频器中，镜频电压和镜频电流都不等于零。将GiGg代入式(3-31)，得到镜像匹配混频器的最小变频损耗、最佳源电导和最佳输出电导为(3-33)210022100211 2()211 2()ggggLgggg匹第3章微波混频器(3-34)(3-35)2102g00221000022()1()21()gGggggggGgggg匹匹第3章微波混频器3.镜像短路镜像短路(Gi)时的净变频损耗时的净变频损耗如果在输入端加入对镜频短路的窄带滤波器，使输入回路对镜频呈现短路，则称为镜像短路混频器，如图3-9
8、所示。在镜像短路混频器中，由于镜频电流没有流过信号源内阻，因此镜频能量没有消耗，而是被反射回混频器，所以净变频损耗比镜像匹配时要小。将Gi代入式(3-30)式(3-32)求得镜像短路混频器的最小变频损耗、最佳源电导和最佳输出电导为 第3章微波混频器(3-36)210001()ggGGgg短短(3-37)21021011()11()ggLgg短第3章微波混频器图 3-9镜像短路混频器第3章微波混频器4.镜像开路镜像开路(Gi0)时的净变频损耗时的净变频损耗如果在混频器的输入端与二极管之间嵌入一个镜频抑制滤波回路，则形成镜像开路，如图3-10所示。在镜像开路混频器中，由于镜频电流Ii0，因此不消耗
9、镜频能量，而将镜频能量储存起来，在镜频抑制滤波器的两端形成镜频电压U，U又与本振基波混频(Li=0)，得到有用的中频能量，使输出的中频功率增加。所以镜像开路混频器具有最低的净变频损耗。将Gi0代入到式(3-30)式(3-32)，得到镜像开路混频器的最小净变频损耗、最佳信号源电导和最佳输出电导为 第3章微波混频器图 3-10镜像开路混频器第3章微波混频器(3-38)22222002022101gggGggggg20开20（1-gg）（1-）(1+gg)(1-)(3-39)22102210221022101111ggggLgggg2020开2020（1-gg）(1+gg)(1-)（1-gg）(1+
10、gg)(1-)第3章微波混频器图3-11是采用正弦电压激励时三种镜像状态的最小变频损耗和本振电压幅值的关系曲线。由图可见，镜像开路混频器和镜像短路混频器由于镜频能量回收，使得L开L短L1。(2)当接收宽带或“双边带”信号时，Fm=L2tm双/2，故整机噪声系数为(3-64)2mAm1F1)2LFtF双（第3章微波混频器当tm双1时，则DSB：FmAL2+FIF3(dB)SSB：FmAL2+FIF (dB)3.3.4混频器的其他电气指标混频器的其他电气指标变频损耗和噪声系数是微波混频器的关键指标，是设计混频器时必须谨慎考虑的。设计一个工程化的混频器，还要正确处理下列指标，才能满足整机使用要求。第
11、3章微波混频器1.信号端口与本振端口的隔离度信号端口与本振端口的隔离度如果信号端口与本振端口的隔离较差，信号能量将会泄漏到本振端口，造成能量损失，以及本振能量泄漏到信号端口，造成信号源的不稳定及向外辐射能量，因此要求信号端口与本振端口之间具有一定的隔离度。用PS表示输入信号功率，PLS表示信号泄漏到本振端口的功率，则隔离度定义为LSL=10 lg(PS/PLS)。也可用PL表示输入本振功率，PSL表示本振泄漏到信号端口的功率，则隔离度定义为LLS=10 lg(PL/PSL)。根据互易原理，可得到LLS=LSL。一般信号端口与本振端口的隔离是通过采用特殊的电路结构来实现的，如采用定向耦合器来接入
12、信号及本振。第3章微波混频器2.输入驻波比输入驻波比 混频器的输入端反射不仅导致失配损耗，而且当混频器为接收机前置级时，由于反射信号在天线与接收机之间来回传输，从而使输入端信号产生相位失真。在某些相位关系要求较高的系统里，对输入驻波比有特别严格的要求，在一般情况下，输入驻波比应小于2。第3章微波混频器3.动态范围动态范围 混频器的动态范围指能够使混频器有效工作的输入电平范围。如果用图3-17来表示混频器变频损耗与输入功率的关系，结合前面对小信号混频器的讨论，可见当输入电平较低时，输入功率与输出中频功率成线性关系，变频损耗也是常数；当输入功率增加到一定电平时，由于大信号作用，寄生频率增多，因而使
13、变频损耗增加。定义变频损耗相对于低电平恒定值增大1 dB时的输入电平为1 dB压缩点，混频器的动态范围上限即是1 dB压缩点，下限决定于噪声电平。第3章微波混频器图 3-17混频器的动态特性第3章微波混频器混频器的动态范围也可用输入微波功率和输出中频功率的关系来描述，类似于饱和功率放大器，只要输入功率大于1 dB压缩点，就存在交调干扰(IMD)的可能。如果输入为单一频率，则输出为中频的各次谐波，即Nfi=NfLNfS如果输入为两个接近的微波信号，就会出现高次双音交调，即上IM边带：fLNfS1(N1)fS2下IM边带：fLNfS2(N1)fS1N2，3，4第3章微波混频器图3-18给出了双音I
14、MD的频谱图，图中本振频率为10 GHz，信号频率为9.9 GHz，输出中频为100 MHz，假定输入的两个微波频率为9.89 GHz和9.91 GHz。可见，最显著的IMD是3阶输出fL(2fS1fS2)70 MHz和fL(2fS2fS1)=130 MHz，最容易出现在中频带宽内。第3章微波混频器图 3-18双音IMD的频谱图第3章微波混频器图3-19给出了1 dB压缩点与三阶交调的关系。输入信号的功率大于1 dB压缩点后，线性外推到基频响应与三阶IMD响应相交的点成为理论三阶截点。混频器的三阶截点值越大，对三阶IMD的抑制越好，典型值为大于1 dB压缩点10 dB左右。混频器应工作在输入功
15、率小于1 dB压缩点的范围内，门限噪声电平与1 dB压缩点的区间成为线性范围，一般应大于60 dB。第3章微波混频器图 3-191 dB压缩点与三阶交调的关系第3章微波混频器对于一般接收机，动态范围的限制一般并不构成太大的影响，但对用于测试仪表的混频器，由于需用混频器输出来表征待测量参数，因此输入、输出信号之间需保持严格的线性关系，动态范围就必须予以限制。对于运动目标系统，接收机在近距离时是大功率工作，动态范围直接影响系统的工作性能。4.频带宽度频带宽度 频带宽度是指满足各项指标的混频器工作频率范围，它主要取决于二极管的寄生参量及组成电路各元件的频带宽度。除了这些指标，由于应用场合的不同，对混频器还会有不同的要求，应用中应具体问题具体分析。第3章微波混频器5.结构尺寸和环境条件结构尺寸和环境条件混频器的外形结构及接口形式由整机给出，在此基础上来确定混频器的电路拓扑形式，并进行电气指标设计。环境条件包括温度、湿度、振动、冲击、加速度、盐雾和低气压等，应根据混频器的使用场合采取相应的措施，以保证混频器的电气指标。
