毫米波混频器技术分析

2017-08-18 10:33:46      点击:

  毫米波混频器是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。

 

  混频器的分类

 

  从工作性质可分为二类,即加法混频器和减法混频器分别得到和频及差频。

 

  从电路元件也可分为三极管混频器和二极管混频器。

 

  从电路分有混频器(带有独立震荡器)和变频器(不带有独立震荡器)。

 

  混频器和频率混合器是有区别的。后者是把几个频率的信号线性的迭加在一起,不产生新的频率。

 

  一般用混频器产生中频信号:

 

  毫米波混频器将天线上接收到的信号与本振产生的信号混频,cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2,可以这样理解,α为信号频率量,β为本振频率量,产生和差频。当混频的频率等于中频时,这个信号可以通过中频放大器,被放大后,进行峰值检波。检波后的信号被视频放大器进行放大,然后显示出来。由于本振电路的振荡频率随着时间变化,因此频谱分析仪在不同的时间接收的频率是不同的。当本振振荡器的频率随着时间进行扫描时,屏幕上就显示出了被测信号在不同频率上的幅度,将不同频率上信号的幅度记录下来,就得到了被测信号的频谱。

 

  毫米波混频器的相关参数

 

  (1)噪声系数:混频器的噪声定义为:NF=Pno/PsoPno是当输入端口噪声温度在所有频率上都是标准温度即T0=290K时,传输到输出端口的总噪声资用功率。Pno主要包括信号源热噪声,内部损耗电阻热噪声,混频器件电流散弹噪声及本振相位噪声。Pso为仅有有用信号输入在输出端产生的噪声资用功率。

 

  (2)变频损耗:混频器的变频损耗定义为混频器射频输入端口的微波信号功率与中频输出端信号功率之比。主要由电路失配损耗,二极管的固有结损耗及非线性电导净变频损耗等引起。

 

  (31dB压缩点:在正常工作情况下,射频输入电平远低于本振电平,此时中频输出将随射频输入线性变化,当射频电平增加到一定程度时,中频输出随射频输入增加的速度减慢,混频器出现饱和。当中频输出偏离线性1dB时的射频输入功率为混频器的1dB压缩点。对于结构相同的混频器,1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性,一般比本振功率低6dB

 

  射频混频器的主要应用

 

  这是混频器的一个众所周知的用途。常用的有双平衡混频器和三平衡混频器。三平衡混频器由于采用了两个二极管电桥。三端口都有变压器,因此其本振、射频及中频带宽可达几个倍频程,且动态范围大,失真小,隔离度高。但其制造成本高,工艺复杂,因而价格较高。

 

  理论上所有中频是直流耦合的混频器均可作为鉴相器使用。将两个频率相同,幅度一致的射频信号加到混频器的本振和射频端口,中频端将输

 

  出随两信号相差而变的直流电压。当两信号是正弦时,鉴相输出随相差变化为正弦,当两输入信号是方波时,鉴相输出则为三角波。使用功率推荐在标准本振功率附近,输入功率太大,会增加直流偏差电压,太小则使输出电平太低。

 

  此类混频器也要求中频直流耦合。信号在混频器本振端口和射频端口间的传输

 

  损耗是有中频电流大小控制的。当控制电流为零时,传输损耗即为本振到射频的隔离,当控制电流在20mA以上时,传输损耗即混频器的插入损耗。这样,就可用正或负电流连续控制以形成约30dB变化范围的可变衰减器,且在整个变化范围内端口驻波变化很小。同理,用方波控制就可形成开关。

 

  (BPSK)此类混频器也要求中频直流耦合。信号在混频器本振端口和射频端口间传输相位是由中频电流的极性控制的。在中频端口交替地改变控制电流极性,输出射频信号的相位会随之在0°和180°两种状态下交替变化。

 

  QPSK是由两个BPSK、一个90度电桥和一个0度功分器构成。

 

  I/Q调制/解调器调制与解调实为相互逆反的过程,在系统中是可逆。这里主要介绍I/Q解调器,I/Q解调器由两个混频器、一个90度电桥和一个同相功分器构成。

 

  抑制镜像频率的滤波器一般都是固定带宽的。但当信号频率改变时,镜频频率也随之改变,可能移出滤波器的抑制频带。在多信道接收系统或频率捷变系统中,这种滤波器将失去作用。这时采用镜频抑制混频器,本振频率变化时,由于混频器电路内部相位配合关系,被抑制的镜频范围也将随之改变,使其仍能起到镜频抑制的作用。由于电路不是完全理想特性,存在幅度不平衡和相位不平衡,可能使镜像抑制混频器的电性能发生恶化,下图为幅度不平衡和相位不平衡对电性能响加以说明。

 

  在多信道发射系统中,由于基带频率很低若采用普通混频器作频谱搬移,则在信道带宽内将有两个边带,从而影响频谱资源的利用。这时可采用单边带调制器来抑制不需要的边带,其基本结构为两个混频器、一个90度功分器和一个同相功分器。将基带信号分解为正交两路与本振的正交两路信号混频,采用相位抵销技术来抑制不需要的边带,本振由于混频器自身的隔离而得到抑制。

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