[科普中国]-晶体混频器

晶体混频器是以二极管作为混频器的非线性器件的混频电路。其中由微波晶体二极管组成的混频器，也称为二极管混频器。晶体混频器由二极管和滤波电路组成，如概述图所示。这种混频器具有电路简单、线性动态范围大、组合频率干扰少、噪声小和工作频率高等优点，它的主要缺点是变频增益小于11。

晶体混频器的结构在厘米波波段的超外差式接收机中，多半是用晶体混频器，在这类混频器中，用结晶半导体与有弹性的金属系间的接触偶作为非直线性元件。其中以应用硅及钨金属系的尖端所构成的接触偶最为普遍。

晶体混频器的接触偶通常置于一特别的套筒中。典型的套筒如下图所示。每一套筒都是由盖1、陶制的圆筒2、钨制的弹簧3、填以绝缘物的孔眼4、硅制的晶体5等所组成。有螺纹的轴6是在装配时调整用的。通过套筒的孔眼在套筒中填以绝缘物是为增加机械强度及防止晶体受潮。

下图是晶体混频器对直流的特性曲线。横坐标轴表示电压，纵坐标轴表示流经接触偶的电流。由特性曲线可以看出，外加电压的极性不同时，接触偶的电导是不同的。加正电压时的电导远大于加负电压时的电导2。

晶体混频器工作原理为了说明混频器的工作原理，首先讨论混频器输入端的电压波形，如下图所示。本振电压和信号电压同时串联加在混频器的输入端，输入电压是这两个电压之和。从本振来的是等幅正弦电压，画在下图中。从天线来的高频脉冲用同样的时间标尺画在它的旁边。由于本振电压较大，是十分之几伏，而信号电压很小，在微伏量级。在图中把信号电压画得扩大了很多倍。在图中还画出了在混频器输入端的本振电压和信号电压之和。这是把两个电压对应点相加起来所得到的结果。如下图所示。如果信号的频率比本振频率稍微高一点（稍微低一点也是一样的道理），那么在信号 电压与本振电压同相位时，它们加起来的结果会使合成电压缓慢的同时又是连续的增大。就是说，在两个电压同相位时，合成电压的振幅就扩张。同样道理，在两个电压反相位时，合成电压的振幅就逐渐压缩。合成波扩张和压缩的结果，使得信号在本振电压之上以另一个频率重复变化。当信号电压比本振电压小很多倍的时候，合成波包络线的振幅接近于正弦波。

现举例说明。例如，信号电压在1μs时间，通过1030个振荡周期（信号频率是1030MC），而本振电压在这1μs时间内通过1000个振荡周期（本振频率是1000MC），结果就使合成波的包络线在1μs时问隔内变化30个周期。因为，信号电压只有在向前行进大约30个振荡周期时，才会和本振电压同相位一次。在信号

频率比本振频率稍微低一点时，根据同样道理，也可以得到相同结论。因此，合成波的包络线按本振频率与信号频率之差的差频变化，而且这个差频就是中频。

混频晶体二极管是单方向导电，在一个方向上传导的电流比在另向一方向上大得多。在本振电压的作用下，晶体电流有：直流分量、本振频率的基波分量，以及本振频率整数倍的谐波分量。当信号脉冲加进来时，就出现了附加的频率分量。实际上，因为晶体电流的变化值增加或减少，取决于输入合成电压的差频分量，晶体电流也就出现本振电压和信号电压的差频分量。适当地调整本振频率以后，就可以使差频等于接收机的中频。因此，由混频器产生晶体电流的中频分量。

晶体电流的中频分量通过中频放大器的输入回路，就产生中频电压。因为中放输入回路调谐在中频，所以只有中频分量才能产生相当大的电压降，而且输出电压是中频脉冲。它的包络线和输入的高频脉冲一样。

当然，在混频器的负载上除了中频分量以外，还有其他频率分量，不过由于中放输入回路是谐振回路，在其他频率上阻抗很小，所以这些其他频率分量的电压很小，可以忽略不计。在只有本振电压加到混频晶体上时，实际上没有中频电压输出。虽然混频晶体在本振的每半个周期上继续导通，有电流流过。只有在信号电压与本振电压同时出现的时候，两个正弦波合成结果，才会出现差拍，混频晶体电流才产生中频分量，才有中频电压输出3。

晶体混频器的变频损耗通常用混频器的“变频损耗”来衡量混频器把高频信号功率变成中频功率的能力。顾名思义，变频损耗就是从天线来的高频信号功率与混频器输出的中频功率之比。变频损耗的倒数就是混频器的功率增益。对于理想的混频元件而言，它是一个无损耗的开关，输出中频功率等于输入高频功率，并且在混频器上其他高频谐波都没有损失，把混频器调谐得和中放输入电路匹配，调谐得和射频输入端匹配，在这些条件下，变频损耗就等于1。在实际的混频器中，变频损耗至少是6db。也就是说，在典型状态下，输出的中频功率只有输入的高频功率的四分之一。即使在把中放输入电路调谐得完全匹配，谐波频率的功率损耗很小到可以忽略不计时，仍然有这么大的变频损耗。因为混频晶体不是理想的开关元件，它具有一定的内阻，还有PN结电容。变频损耗就是表达了信号功率在这些内阻和PN结电容上的损失。特别是由于PN结电容较大，在结电容中通过很大部分高频电流时，它对混频晶体起旁路作用，使得通过内阻中的电流就小，混频晶体的非线性作用就不明显，从而使变频损耗更大。比如说，把一个10cm波段的混频晶体，用在3cm波段中，那变频损耗就很大了。变频损耗和所使用的晶体质量有很大关系。

同时，变频损耗还与本振功率有关。在本振电压足够大的情况下，在混频晶体伏安曲线陡峭部分工作时，所得到的中频输出电流最大。也就是说，在同样信号功率时，工作点处在伏安特性曲线的斜率越大的区域，有效的中频输出功率也就越大，变频损耗越小。在混频晶体电流越大时，伏安特性曲线上的斜率就越陡。所以，晶体电流越大，变频损耗越小，如下图所示。从图中可以看出，当晶体电流在0.5mA以后，变频损耗几乎没有变化。而且在0.2mA~0.5mAa区间内，变频损耗变化也比较缓慢。这是因为在晶体电流超过0.5mA以后，伏安特性曲线几乎是直线，斜率没有变化。

噪声系数混频晶体内载流子不规则运动也会产生噪声。这种噪声性能用噪声系数表示。晶体管的噪声系数与工作效率有关。当工作频率高于某一数值（截止频率）时，工作频率越高，噪声系数越大。而在工作频率低于这一频率时，噪声系数几乎与工作频率无关。这是因为，随着工作频率升高时，PN结电容所起的作用越大，从而使噪声增加，而且变频损耗升高，也就是功率增益下降。噪声系数与工作频率的关系如下图3所示。

当工作频率时，噪声系数F基本不变。此时，热噪声和散弹噪声起作用，它们是与工作频率无关的。而晶体电流越大，散弹噪声就越大，从而使噪声系数增大。噪声系数与晶体电流的关系如变频损耗、噪声系数与晶体电流的关系图所示。

从图2的两条曲线，就可以确定出加到混频晶体上本振电压振幅。本振电压振幅可以由混频晶体电流来测量，这是混频晶体把本振电压整流而产生的电流。在雷达接收机中，有专门的插孔来测试这个电流。从图2的曲线可以看出，晶体电流越大，噪声系数越大。只从噪声角度来考虑，希望本振电压振幅小一些。但是，在本振电压振幅太小时，晶体电流小，变频损耗就大，输出的有用信号小。综合考虑的结果，一般使晶体电流0.5mA左右。

在实际的混频器上，在本振波导与信号波导之间有衰减器。调节衰减器的衰减量，可以改变加到混频晶体上的本振电压。同时调节混频晶体后面的活塞，使混频晶体与信号波导匹配，此时混频晶体电流最大。选择衰减器的适当位’置，使晶体电流在0.15mA~0.5mA范围内3。

本词条内容贡献者为:

方正 - 副教授 - 江南大学