混頻器作為超外差接收機(jī)的重要組成部分，已經(jīng)在雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗、廣播電視、遙控遙測(cè)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。其技術(shù)指標(biāo)的好壞直接影響到整機(jī)性能的發(fā)揮。本文從工程角度出發(fā)，著重分析了混頻器設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)注意的幾個(gè)關(guān)鍵問題。

1混頻器的基本概念

混頻是指將信號(hào)從一個(gè)頻率變換到另外一個(gè)頻率的過程，其實(shí)質(zhì)是頻譜線性搬移的過程。在超外差接收機(jī)中，混頻的目的是保證接收機(jī)獲得較高的靈敏度，足夠的放大量和適當(dāng)?shù)耐l帶，同時(shí)又能穩(wěn)定地工作。混頻電路包括三個(gè)組成部分：本機(jī)振蕩器、非線性器件、帶通濾波器，如圖1所示。

由于非線性元件(如二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等)的作用，混頻過程中會(huì)產(chǎn)生很多的組合頻率分量：∣pFL±qfs∣一般來講，其中滿足需要的僅僅是fI=fL-fS或者是fI=fs-fL。前者產(chǎn)生中頻的方式稱為高差式混頻，后者稱為低差式混頻。在這里，混頻過程中產(chǎn)生的一系列組合頻率分量經(jīng)過帶通濾波器即可以選擇輸出相應(yīng)的中頻，而其他的頻率分量會(huì)得到抑制。

2混頻器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1盡量選擇噪聲系數(shù)小、變頻損耗小或變頻增益大的混頻器

噪聲系數(shù)是衡量接收機(jī)內(nèi)部噪聲對(duì)靈敏度影響程度的一個(gè)指標(biāo)。接收機(jī)的總噪聲系數(shù)為：

式中：F0表示接收機(jī)的總噪聲系數(shù)；FR表示高頻放大器的噪聲系數(shù)；FC表示混頻器的噪聲系數(shù)；FI表示中頻放大器的噪聲系數(shù)；kpaR表示高頻放大器額定功率放大量；kpaC表示混頻器額定功率放大量(kpaC>1時(shí))或額定功率傳輸系數(shù)(kpaC<1時(shí))。

為了提高接收機(jī)的靈敏度，必須使總噪聲系數(shù)F0要小，而接收機(jī)多級(jí)電路總噪聲系數(shù)主要由第一級(jí)高頻放大器決定，也就是說，要保證高放噪聲系數(shù)小和額定功率放大量大的要求。

混頻器位于接收機(jī)的第二級(jí)，其噪聲系數(shù)、額定功率放大量或額定功率傳輸系數(shù)對(duì)整機(jī)噪聲系數(shù)也存在一定的影響，特別是對(duì)于無高放的接收機(jī)，混頻器噪聲系數(shù)、額定功率放大量(或額定功率傳輸系數(shù))及對(duì)整機(jī)噪聲系數(shù)的影響更大。

對(duì)于采用二極管等不具備放大作用的混頻元件，常使用變頻損耗來代替混頻器額定功率傳輸系數(shù)，他定義為額定功率傳輸系數(shù)的倒數(shù)。即有：

式中l(wèi)C表示變頻損耗。

由于二極管無放大作用，使得混頻器輸出中頻信號(hào)功率小于混頻器輸入端的高頻信號(hào)功率。當(dāng)高放的額定功率增益不是很大時(shí)，他和變頻損耗的乘積可能比較小，因此混頻器的噪聲分量在整機(jī)的噪聲分量中占的比重變大，這時(shí)應(yīng)保證使變頻損耗不宜過大。

采用三極管、場(chǎng)效應(yīng)管或者模擬乘法器混頻時(shí)，由于他們具有放大作用，混頻器輸出中頻信號(hào)功率會(huì)大于輸入高頻信號(hào)的功率，這時(shí)常常采用變頻增益，即額定功率放大量kpaC(kpaC>1)來衡量混頻前后的功率變化。由于kpaC>1，因此為了降低總噪聲系數(shù)，需要使變頻增益愚kpaC大一些。

2.2確定混頻器的動(dòng)態(tài)范圍 混頻器的動(dòng)態(tài)范圍是指混頻器在規(guī)定的本振電平下，高頻信號(hào)輸入電平的可用范圍。設(shè)計(jì)時(shí)，要確定其下限和上限電平。

2.2.1 確定混頻器下限電平

混頻器下限電平由壕收機(jī)的靈敏度決定。接收機(jī)靈敏度可以表示為：

式中k為波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J／K；T0為接收機(jī)工作環(huán)境的絕對(duì)溫度，單位K；B為接收機(jī)帶寬，單位為Hz；F0為接收機(jī)總的噪聲系數(shù)；Psmin為最小可以檢測(cè)的信號(hào)功率，單位W。

如果以dBm為單位，在室溫17℃(T0=290 K)條件下，式(3)變換為：

假設(shè)B=2×106Hz，混頻器的噪聲系數(shù)為FC=6 dB，則Psmin為-105 dBm，如果系統(tǒng)中指示判據(jù)要求最小功率要高于噪聲電平10 dB，則混頻器的動(dòng)態(tài)范圍下限為-95 dBm。

2.2.2 確定混頻器的上限電平

混頻器的上限電平由1 dB壓縮電平?jīng)Q定。當(dāng)輸入信號(hào)功率比較小時(shí)，混頻后得到的輸出中頻功率隨著輸入信號(hào)功率線性地增大，但是當(dāng)輸入信號(hào)功率增加到某個(gè)電平時(shí)，輸出和輸入之間由于混頻器出現(xiàn)飽和趨勢(shì)而呈現(xiàn)非線性。當(dāng)輸出中頻功率比線性增漲低于1 dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出中頻功率電平稱為1 dB壓縮電平，用PI1 dB表示，如圖2所示。事實(shí)上，1 dB壓縮電平隨著本振電平的增加而增加。

2.3注意混頻器的隔離度

從理論上來看，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*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)來表示。

2.4減少混頻失真

混頻失真是混頻過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，聽起來如同哨聲，故稱其為干擾哨聲。

上式經(jīng)過推導(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：

p和q的取值理論上有無窮多個(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。混頻器設(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

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.