[科普中国]-微波混频器

微波混频器，分为单平衡混频器和双平衡混频器等。波混频器是通信系统特别是无线通信收发机中的关键部件之一，也是其他微波测量系统中的关键部件之一。它影响并决定着系统的带宽和动态范围。

概述微波混频器是通信系统特别是无线通信收发机中的关键部件之一，也是其他微波测量系统中的关键部件之一。它影响并决定着系统的带宽和动态范围。对混频器的最基本的要求是低噪声、大动态范围和低变频损耗。这些都是混频器电路设计与研究的难点，其中低噪声是指要保证传输的信号要有良好的信噪比，使所需要的信号不会被电路产生的噪声淹没；较大的动态范围是为了使较宽功率范围内的信号对所需要信号的增益与频率产生影响较小；变频损耗是指要求输出的信号相对于输入信号的功率不能有大的功率损耗，这是一个优良的电路或者系统的基本要求。

混频器由三个部分组成；

(1)耦合本振信号与射频信号的输入电路；

(2)中频信号的 输出电路；

(3)非线性器件网络。1

基本原理广泛应用于通信系统特别是无线移动通信系统的微波混频器一般具有三个端口，即微波混频器是三端口元器件，一般是两个输入端，一个输出端。一般情况下，在接收机中一个输入端口接收到微弱的空间信号，经低噪声放大器LNA模块放大。另一个输入端口接到本地振荡器提供的本振LO信号，输出端口输出的是所需要进行低频处理的中频频率。

通信系统的发射机中信号在混频器中的变换机理与接收机中的混频器是一样的。只是在发射机中，是把系统产生的频率较低的中频IF信号与本振LO信号通过混频器非线性器件的作用产生射频信号，然后再通过系统的天线发射到空间中去。中频IF和射频RF与接收机中的混频器输入输出端口恰好相反。这说明不是每种混频器的输入总为射频RF，输出总为中频IF，这两个哪个信号做输入哪个信号做输出只是个相对而言。在这里，微波混频器称为上变频器。2

分类微波混频器有很多种分类方法，以下简单介绍下几种常见的分类方法。第一种分类是按混频器电路的拓扑结构可以分为平衡型微波混频器和非平衡型微波平衡器，典型的非平衡型混频器有单管混频器，而平衡型微波混频器又分为单平衡型、双平衡型以及双双平衡型。

1、单管混频器

混频器的输入端口输入的信号分别为射频信号fS和本振信号fL，输出端口输出的信号为可供端电路可以处理的中频信号fI。该微波混频器的微波/射频输入信号和本振信号是从其定向耦合模块的主端口和耦合端口输入，然后通过微波传输线的匹配作用下在定向耦合模块的另外一个端口加载到微波混频器的非线性混频器件上。由于定向耦合器的存在，使得射频微波输入信号与本振信号在一定程度上是相互隔离的，以防止两个信号相互串扰；同时在定向耦合器的作用下，这两个信号在定向耦合器四分之一工作波长耦合段的作用下在此后的微波电路中传输相应的能量。定向耦合器有耦合度、隔离度和方向性等重要技术指标。
单管混频器具有结构简单的优点，由于其隔离度、噪声系数等微波混频器的主要技术指标比其他形式微波混频模块的电路性能差，所以一般只是在某些混频模块的技术指标要求不高的情况下中才运用这种形式的电路。

2、单平衡混频器

由两只微波非线性晶体管或者场效应管按一定的拓扑结构连接在一起就形成了被人们通常称为的单平衡微波混频电路模块。通常情况下，单平衡微波混频器的形式多种多样，电路结构也形形色色，是一种应用非常广泛的微波混频器，是比较常见且普通的微波混频器。单平衡微波混频器可以按照加载在两个微波晶体管或者场效应管上的信号与本振信号之间的相位关系分为两种单平衡微波混频器：二分之一波长型单平衡混频器和180度的反相型单平衡混频器。无论他们的结构或电路形式差别有多大，这两种单平衡混频器的原理都是相同的，不过这两种单平衡混频器也在某些特定的技术指标的应用上各自有各自的特点。2

技术参数（1）变频损耗和噪声系数

变频损耗（简称“变损”，下同）和噪声系数是混频器的两个重要参数。变损就是频率变换的效率，它等于单边带中频输出与射频输入的功率之比，用dB表示。

混频器的噪声系数是混频器输入端的信噪比与混频器输出端的信噪比之比，用dB表示，混频器的噪声系数由以下几个部分组成：单边带变频损耗，二极管串联电阻上的热噪声以及当频率低于 10KHz时的二极管的1/f噪声，混频器的噪声系数通常比变频损耗大0.5～1dB，这个参数一般不测试。

（2）变频压缩

变频压缩是混频器线性运用状态下最大射频输入偏离线性某一压缩量来说明的，通常规定为 1dB，“称1dB压缩点”（如图二），混频器工作的输入电平比1dB压缩点相应的输入电平越小，混频器的失真产物越小，因此，应使混频器的输入电平小于1dB压缩点相应的输入电平。

（3）动态范围

动态范围是指混频器在规定本振电平下，射频输入电平的可用范围。一般认为动态范围的上限受 1dB压缩点限制。若1dB压缩点的输入电平为1dBm，即表示其射频输入功率最大不能超过1.25mw。

为了扩大混频器动态范围的上限，以减少混频器的失真，要用高势垒或超高垫垒肖特基二极管。

相应地、混频器的本振必须使用高电平或超高电平来激励。

动态范围下限受接收机灵敏度限制，而接收机灵敏度又和其通带宽度成反比。

例：若混频器噪声系数为 7dB，则通常最小可检测功率可达 -107dBm，如果系统中指示判据要求最小功率要高于判据10dB，则动态范围下为-97 dBm。

（4）隔离度

隔离度是混频器电路平衡度的一个量度，当电路很平衡时，各端口间的隔离度很好，信号的相互泄漏很小。对于很多应用，本振功率泄漏到射频端的指标是很重要的，因为它可以反映出本振信号从天线再辐射的强弱程度。

当电路很平衡时，本振功率的大小不影响隔离度，但平衡度随频度提高而下降。通常，隔离度以每倍频程约5 dB的速度下降。

（5）交调性能

在混频器中，有两种主要形式的失真产物：单音交调和双音交调产物。单音交调产物是混频器本振信号和它的谐波对射频信号和它的谐波组合的结果，形成为 mLO±nRF，通常把它们分为“阶”。

确保分配到二极管的射频和本振功率一致及相应的相位平衡以及二极管的更精密配对，是降低单音交调产物的有效途径。

双音交调产物是射频端有两个信号同时加入的结果，这些信号可以产生谐波，互相组合，然后按（2RF1+RF2）±LO=IF（或）（RF1+2RF2）±LO=IF与本振组合。对这些产物感兴趣是由于它们有相对大的振幅，而其频率又刚好落在所需中频的两边，很难用滤波器消除。

双音交调产物的输出是与输入电压的立方成正比的，因此又叫“双音三阶交调”。图三所示的是混频器的基本响应和三阶响应，两响应的交叉点称为“三阶交叉点”，有了这个点，任何输入电平下的三阶响应就可以估算，并可以比较部件的失真性能，交叉点与1dB压缩点有一定关系，（约比1dB压缩点高出10-15dB）。因此，一旦知道了1dB压缩点，就可确定混频器的动态范围并粗略估算交调电平。

（6）混频器的选用

实践证明，混频器的正确选择、安装及有效接地，对其性能及保证宽带特性很有关系。选择不当就可能承担不良后果，正确地选择混频器可总结为以下三个基本步骤： ·选择混频器所需要的本振激励电平或按最大射频电平（1dB压缩点）及允许失真水平确定本振激励电平。

·确定封装形式、电路连接关系及方式。

·根据频率范围选择型号。

混频器的电性能是在规定本振电平及线性应用时，在50Ω系统下测试的。实际工作中，混频器的本振功率及源阻抗和负载阻抗允许与规范值有一定差别，其电参数也将略有变化双平衡混频器是一种宽带电路组件，其带宽通常以倍频程表示。混频器变损在频带中段是平坦的，为正确而方便地选择并掌握其性能，在电参数表中，将频率范围分为三段，定义 fL 为下边频、M（m）为中段、fU为上边频，则：L段fL～10fL M段：10fL～1/2fU U段：1/2fU～fU m段：2fL～1/2fU。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学