混頻器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)研究

從理論上來(lái)看，混頻器各個(gè)端口之間是互相隔離的，任意一個(gè)端口上的功率都不會(huì)泄露到其他端口上。但實(shí)際上，總有部分功率在各個(gè)端口之間相互泄露。利用隔離度就可以評(píng)價(jià)這種泄露的程度。由于本振端口的功率最大，如果泄露到信號(hào)端口會(huì)形成向外的輻射損耗，嚴(yán)重地干擾附近的接收機(jī)，這種影響最壞，因此一般情況下只規(guī)定本振端口到其他端口的隔離度。具體的定義有兩個(gè)，一個(gè)是本振功率與其泄露到信號(hào)端口的功率之比；另外一個(gè)是本振功率與其泄露到中頻輸出端口的功率之比，兩者都用分貝數(shù)來(lái)表示。

2.4減少混頻失真

混頻失真是混頻過(guò)程中非線性作用的結(jié)果，主要包括干擾哨聲、寄生通道干擾、交調(diào)失真、互調(diào)失真。

2.4.1 干擾哨聲

當(dāng)滿足下式：

式中，fM為干擾信號(hào)的頻率。f為可以聽到的音頻頻率，f《fI，該音頻頻率可以順利地進(jìn)入中頻帶寬范圍之內(nèi)。于是在接收到有用信號(hào)的同時(shí)，還會(huì)聽到檢波器檢波出來(lái)的差拍干擾信號(hào)，即頻率為f的干擾。由于此干擾頻率比較低，聽起來(lái)如同哨聲，故稱其為干擾哨聲。

上式經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以進(jìn)一步化簡(jiǎn)為：

理論上產(chǎn)生干擾哨聲的輸入信號(hào)頻率有無(wú)數(shù)個(gè)，但由于接收機(jī)接收頻段是有限的，因此只有落入接收頻段內(nèi)的信號(hào)才會(huì)產(chǎn)生干擾哨聲。同時(shí)在混頻過(guò)程中，只有p和q比較小的輸入信號(hào)才會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，而p和q比較大的輸入信號(hào)其組合頻率分量電流幅度較小，一般可以忽略不計(jì)。所以，只需將產(chǎn)生干擾哨聲最強(qiáng)的信號(hào)頻率移到接收頻段之外，就可以有效地減少這種干擾的影響。

分析式(6)可知，當(dāng)p=0，q=1時(shí)的干擾哨聲最強(qiáng)，這時(shí)fM=fI因此為了防止該干擾哨聲的影響，在實(shí)際接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，接收機(jī)的中頻總是選擇在接收的頻段之外。

2.4.2寄生通道干擾

在混頻器工作過(guò)程中，假設(shè)輸入端的有用信號(hào)頻率為fs，并且fI=fL-fS。如果混頻器輸入端還存在頻率為fM的干擾信號(hào)，該干擾和本振信號(hào)相作用就會(huì)產(chǎn)生許多組合頻率分量，當(dāng)滿足：

時(shí)，這時(shí)干擾信號(hào)產(chǎn)生的中頻干擾就可以順利地通過(guò)中頻放大器，這種干擾稱之為寄生通道干擾。

由于受fI=fL-fS的限制，由式(7)可得：

式(8)經(jīng)合并，可以得到寄生通道輸入干擾信號(hào)的頻率表達(dá)式：

p和q的取值理論上有無(wú)窮多個(gè)，但只有p和q較小的干擾信號(hào)才能形成較大的寄生通道干擾。主要的干擾頻率有兩個(gè)，即中頻干擾(p=0，q=1對(duì)應(yīng)的干擾頻率為fM=fI)和鏡像干擾(p=1，q=1對(duì)應(yīng)的干擾頻率為fM=fL+fI=fs+2fI)。

為了抑制寄生通道干擾，總的原則是加大寄生通道干擾信號(hào)與輸入有用信號(hào)間隔，使得寄生通道干擾信號(hào)能在混頻器之前的濾波器中得到濾除。為了濾除中頻干擾，中頻應(yīng)當(dāng)選擇在接收頻段之外，對(duì)于鏡像干擾的抑制可采取兩種方法：
(1)采用二次混頻方案，即將高頻的信號(hào)首先變?yōu)轭l率較高的第一中頻信號(hào)，然后再將第一中頻信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率較低的第二中頻信號(hào)。這種方案由于第一中頻選得較高，故在第一級(jí)混頻器之前就可以將鏡像干擾頻率濾除掉。

(2)采用高中頻方案，即將中頻選在高于接收頻段的范圍內(nèi)。這種方案的中頻很高，鏡像干擾頻率遠(yuǎn)高于有用信號(hào)頻率，可在混頻之前的濾波電路中被濾除。例如，某短波接收機(jī)的接收頻率范圍是2～30 MHz，高中頻頻率為70 MHz。

2.4.3 交調(diào)失真

假設(shè)混頻器的伏安特性為：

2.4.4 互調(diào)失真

當(dāng)兩個(gè)頻率為fM1和fM2的干擾信號(hào)加到混頻器輸入端與本振信號(hào)作用，產(chǎn)生出的干擾信號(hào)滿足下式：

時(shí)，引起混頻器輸出中頻信號(hào)失真，這種失真稱為互調(diào)失真。顯然p和q數(shù)值越小，產(chǎn)生的中頻干擾就越大，互調(diào)失真就越大。當(dāng)p和q比較小時(shí)(p=1，q=或p=2，q=1)產(chǎn)生的組合頻率有可能接近于fI。也就是滿足：

這時(shí)的干擾最嚴(yán)重，且很難用濾波器濾除。由這種干擾引起的失真也常被稱為三階互調(diào)失真。相對(duì)交調(diào)失真和其他非線性失真而言，三階互調(diào)失真危害最為嚴(yán)重。在混頻器的使用中，常常將其對(duì)應(yīng)的最大輸入干擾強(qiáng)度作為動(dòng)態(tài)范圍的上限，利用三階互調(diào)截點(diǎn)電平PIM3表示三階互調(diào)干擾的大小。PIM3比1 dB壓縮電平P1 dB高出10～15 dB，根據(jù)混頻器生產(chǎn)廠家使用說(shuō)明中提供1 dB壓縮電平，就可方便地確定三階互調(diào)截點(diǎn)電平，以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求?；祛l器設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量避免混頻器正常輸出中頻信號(hào)電平與三階截點(diǎn)電平距離太近，而是要使兩者之差留有一定余量。

2.5正確選用混頻器 混頻器一般可以分為三極管混頻器、場(chǎng)效應(yīng)管混頻器、模擬乘法器構(gòu)成的混頻器以及基于混頻二極管非線性元件構(gòu)成的混頻器。每種混頻器都有各自的適用場(chǎng)合。

三極管混頻器具有所需外圍元件少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有一定的混頻增益、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，常用在如廣播收音機(jī)等要求不高的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是工作頻率較低，混頻失真較大，產(chǎn)生的組合頻率干擾較大。

場(chǎng)效應(yīng)管混頻器，特別是雙柵場(chǎng)效應(yīng)管混頻器，和三極管混頻器相比較，具有混頻失真小、動(dòng)態(tài)范圍大、工作頻率可以高達(dá)1 GHz的優(yōu)點(diǎn)。這種混頻器除了具有較低的噪聲系數(shù)之外，同時(shí)還具有變頻增益，另外可以保證本振和信號(hào)端口的良好隔離度，且可以容易實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)端口的匹配，同時(shí)還可以省掉耦合元件。

模擬乘法器采用差分對(duì)作為基本電路，理論上輸出中頻只有兩種頻率，即和頻fI=fL+fS和差頻fI=fL-fS，因此其組合頻率的干擾極小，特別是交調(diào)互調(diào)干擾小，對(duì)濾波器的外圍電路要求不高，電路比較簡(jiǎn)單。同時(shí)變頻增益較高，且對(duì)輸入的信號(hào)幅度要求不嚴(yán)格，既可以大信號(hào)工作，也可以小信號(hào)工作，因此動(dòng)態(tài)范圍大。這類混頻器的缺點(diǎn)是噪聲系數(shù)往往較大，工作頻率不高，最高一般為幾十兆赫茲，常常用于接收機(jī)的第二混頻器。

采用二極管的混頻器可以分為兩大類：?jiǎn)味嘶祛l器和平衡混頻器。單端混頻器和平衡混頻器的缺點(diǎn)是存在一定的變頻損耗。單端混頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作的帶寬較窄，往往需要較大的本振功率，且不能消除本振噪聲，這種混頻器目前已很少采用。平衡混頻器工作帶寬可以從幾十千赫茲到幾十千兆赫茲，動(dòng)態(tài)范圍較大，混頻失真小(信號(hào)的偶次諧波被抵消，特別是二次諧波，所以等大大地降低輸出組合頻率的干擾)。同時(shí)，這種混頻器很容易匹配，各個(gè)端口具有較高的隔離度(每個(gè)倍頻程下降為5 dB)。此外平衡混頻器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以抑制本振噪聲，改善混頻器的噪聲性能，因此平衡混頻器得到了廣泛的應(yīng)用。在選用平衡混頻器時(shí)，應(yīng)注意在滿足需要的前題下，盡量選用本振電平低的平衡混頻器，一方面是價(jià)格便宜，另外可以保證本振信號(hào)泄露很小，同時(shí)應(yīng)保證本振電平比信號(hào)電平大10 dB左右。

3降低濾波器的設(shè)計(jì)難度

由前面分析可知，由于混頻器非線性作用的結(jié)果，產(chǎn)生出大量的組合頻率分量，這些頻率分量中除了正常輸出的中頻信號(hào)頻率外，往往還包括位于中頻帶寬范圍附近的組合頻率分量。如果這些不需要的組合頻率距離中頻帶寬很近的話，則帶通濾波器很難將其濾除，或者即使能夠?yàn)V除也會(huì)由于對(duì)濾波器的帶外抑制度要求太高而使濾波器的設(shè)計(jì)難度以及成本大大增加。因此，在設(shè)計(jì)混頻器的時(shí)候，必須對(duì)混頻過(guò)程中產(chǎn)生的組合頻率分量進(jìn)行充分地分析。為此，要選擇合適的本振頻率和信號(hào)頻率，以使無(wú)用的組合頻率分量，特別是低階組合頻率分量盡量遠(yuǎn)離帶通濾波器的通帶。

4結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)混頻器時(shí)，必須綜合考慮各種因素對(duì)混頻器性能的影響。除了前面提到的幾個(gè)要求之外，設(shè)計(jì)中還必須確定混頻器的封裝形式、工作頻率、價(jià)格等其他因素.