1、第4章 微波混頻器的主要指標(biāo)西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院微波技術(shù)研究所雷振亞、李磊1第1頁，共39頁。本章內(nèi)容復(fù)習(xí)變頻損耗噪聲系數(shù)其他電氣指標(biāo)2第2頁，共39頁。復(fù)習(xí)混頻器的本振激勵(lì)特性混頻跨導(dǎo)電流 大宗量近似 本振激勵(lì)功率為本振電導(dǎo) 可通過 和 來調(diào)節(jié) 3第3頁，共39頁。復(fù)習(xí)小信號(hào)一次混頻結(jié)果1 通過非線性器件產(chǎn)生了新的頻率成分.2 中頻輸出信號(hào) ， 中頻輸出幅度 與信號(hào)成正比，可以看成準(zhǔn)線性器件。3 關(guān)于 和 對(duì)稱，稱作鏡像頻率。諧波次數(shù)低時(shí)， 攜帶較大功率。 和 再次混頻產(chǎn)生中頻，可回收。距 很近（2個(gè) ）易和信號(hào)共同通道成為寄生頻率。4 稱作和頻，也攜帶不少功率，和 再次混頻也是中頻

2、，也可回收。大信號(hào)的頻譜，較大時(shí)，平方以上不能忽略 4第4頁，共39頁。復(fù)習(xí)混頻器中，本振信號(hào)體現(xiàn)為變頻跨導(dǎo)，信號(hào)、中頻、鏡頻三個(gè)頻率信號(hào)應(yīng)是重點(diǎn)關(guān)注的 .將含有非線性元件(混頻二極管)的單端口網(wǎng)絡(luò)表示為一個(gè)三端口的線性網(wǎng)絡(luò).在感興趣的頻率上 等效為 鏡頻 端口負(fù)載對(duì)混頻器性能有影響，典型負(fù)載為短路、開路、匹配等效條件： 小信號(hào)， 忽略5第5頁，共39頁。引言任何一個(gè)電路部件都必須用一些指標(biāo)來表示及性能.這些指標(biāo)既是電路性能好壞的量度,又是電路設(shè)計(jì)與調(diào)試的依據(jù)。對(duì)微波混頻器來講,這些指標(biāo)是:變頻損耗,噪聲系數(shù),端口隔離,輸入駐波比,動(dòng)態(tài)范圍和頻帶寬度等。其中，變頻損耗和噪聲系數(shù)是重要的指標(biāo).我

3、們本節(jié)予以重點(diǎn)討論.6第6頁，共39頁。變頻損耗變頻損耗定義:混頻器的輸入微波資用功率與輸出中頻資用功率之比.損耗來源及組成部分: 1、寄生頻率所產(chǎn)生的凈變頻損耗L1.2、二極管寄生參數(shù)Rs,Cj所引起的管內(nèi)損耗L2.3、輸入、輸出端不匹配所引起的失配損耗L3.4、電路連線產(chǎn)生的熱損耗L4. 一般混頻器中L4 L1S L1O變頻損耗三種凈變頻損耗隨本振功率的變化規(guī)律16第16頁，共39頁。 信號(hào)功率加到混頻二極管上并不等于全部加到非線形電阻Rj上,由二極管等效電路可知,Rs和本征參數(shù)串聯(lián),必然消耗一部分能量.同時(shí)電容Cj和Rj并聯(lián),還起到了分流作用.而真正加到Rj上的只是一部分功率.把Rs損耗

4、和Cj分流作用統(tǒng)稱為二極管寄生損耗. 變頻損耗管子寄生損耗L217第17頁，共39頁。變頻損耗管子寄生損耗L2加到二極管上的總功率為 因?yàn)?和 都和本振電壓有關(guān)，所以調(diào)節(jié) 使 時(shí)，可使結(jié)損耗最小 由此求得結(jié)損耗為18第18頁，共39頁。 由于輸入端不匹配,使信號(hào)功率部分反射、不能全部加到二極管上,而輸出端不匹配.使變頻后的中頻功率不能全部送給中頻負(fù)載.這兩部分的總損耗為變頻損耗輸入、輸出端的失配損耗L3 恰當(dāng)?shù)剡x擇本振幅度,能使實(shí)際變頻損耗達(dá)到最小,實(shí)際混頻器的總變頻損耗為2-8db.19第19頁，共39頁。 微波混頻器大都位于接收機(jī)前端.其噪聲性能對(duì)接收機(jī)靈敏度影響很大.盡可能降低噪聲是設(shè)計(jì)

5、混頻器時(shí)必先考慮的.定義噪聲系數(shù)時(shí),把混頻器看成一個(gè)準(zhǔn)線形二端口網(wǎng)絡(luò).雖然輸入信號(hào)的頻率和輸出中頻信號(hào)的頻率是完全不同的.但輸出中頻信號(hào)的幅度和輸入信號(hào)的幅度都是完全成線形比例關(guān)系的.因而包絡(luò)變化規(guī)律相同.對(duì)線形二端口網(wǎng)絡(luò),噪聲系數(shù)是表示其出口端信噪比比入口端信噪比惡化的程度.即噪聲系數(shù)F=輸入端微波信號(hào)的信噪比/輸出端微波信號(hào)的信噪比. 微波混頻器的噪聲系數(shù) 為變頻損耗 表示入出端信號(hào)資用功率. 表示相應(yīng)的噪聲資用功率.20第20頁，共39頁。 微波混頻器的噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)具有明確的物理意義.它表示網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部噪聲的影響,對(duì)于理想線性系統(tǒng),F=1.F越大,表示內(nèi)部噪聲越大. 通常規(guī)定以信號(hào)源內(nèi)

6、阻在標(biāo)準(zhǔn)溫度下T0=290K時(shí)產(chǎn)生的熱噪聲功率為輸入噪聲的標(biāo)準(zhǔn)功率,即K 波爾茲曼常數(shù)測(cè)試設(shè)備的通頻帶 為標(biāo)準(zhǔn)輸入額定噪聲通過”理想線性網(wǎng)絡(luò)”后,在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率.將總的輸出噪聲額定功率分為輸入噪聲和內(nèi)部噪聲. 為線性網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部噪聲等效到輸出端的額定噪聲功率21第21頁，共39頁。 微波混頻器的噪聲系數(shù) 微波電子系統(tǒng)總是由許多網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)而成,當(dāng)已知各級(jí)的噪聲系數(shù)和額定功率增益后,就可以求出系統(tǒng)的總噪聲系數(shù).級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)輸出的總的噪聲額定功率 第一級(jí)的噪聲在第二級(jí)輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率 是由第二級(jí)內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率22第22頁，共39頁。 在此類電路中,只有頻率為 的信號(hào)能

7、通過混頻器而變?yōu)橹蓄l信號(hào),鏡頻信號(hào)不能通過混頻器,因此輸入端只存在一個(gè)信號(hào)通道,故成單通道混頻器.微波混頻器的噪聲系數(shù)鏡像短路和開路混頻器 設(shè)網(wǎng)絡(luò)的衰減為 、二極管的噪聲溫度為 ，信號(hào)源內(nèi)阻的噪聲溫度 ，則混頻器輸出的噪聲功率為 式中的第一項(xiàng)為標(biāo)準(zhǔn)輸入噪聲經(jīng)混頻器衰減后的輸出噪聲功率，第二項(xiàng)為混頻器內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲功率。 23第23頁，共39頁。 為了求得溫度下的混頻器的內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的噪聲功率，假定整個(gè)系統(tǒng)處于同一溫度，即 ，于是混頻器輸出的總噪聲功率為微波混頻器的噪聲系數(shù)鏡像短路和開路混頻器故混頻器的內(nèi)部噪聲功率為混頻器輸出的總噪聲功率為為混頻管的噪聲比。 24第24頁，共39頁。微波

8、混頻器的噪聲系數(shù)鏡像短路和開路混頻器所以噪聲系數(shù)為 如果將 等效為溫度是 的電阻所產(chǎn)生的熱噪聲資用功率,即 ,式中 為混頻器的等效噪聲溫度,并定義混頻器的噪聲比為所以單通道混頻器的噪聲系數(shù)可表示為 由上式可知,混頻器的噪聲系數(shù)近似于變頻損耗,要獲得低噪聲必須使混頻器的變頻損耗盡可能的低.25第25頁，共39頁。 鏡像匹配混頻器是寬帶的,外來的鏡頻信號(hào)與微波信號(hào)一樣能夠通過混頻器而變成中頻信號(hào),因此輸入端存在信號(hào)和鏡頻兩個(gè)通道,故稱雙通道混頻器.鏡像匹配混頻器的噪聲系數(shù)與接收的信號(hào)形式有關(guān):分為窄帶單邊帶(SSB)、寬帶雙邊帶(DSB)。在鏡像匹配時(shí),鏡像頻率附近的噪聲也加到混頻管上.混頻之后也

9、成為中頻噪聲體現(xiàn)在總輸功噪聲功率中. 微波混頻器的噪聲系數(shù)鏡像匹配混頻器26第26頁，共39頁。 如果接收的信號(hào)是“窄帶”或“單邊帶”（SSB）信號(hào)，例如雷達(dá)、通信、電子偵察等接收機(jī)中的混頻器，信號(hào)只存在于信號(hào)通道，鏡頻通道沒有信號(hào)。但兩個(gè)通道的噪聲都將產(chǎn)生鏡頻噪聲輸出。因此輸出端的噪聲功率為微波混頻器的噪聲系數(shù)窄帶單邊帶同前面一樣分析，求得故混頻器輸出端的總噪聲功率為27第27頁，共39頁。微波混頻器的噪聲系數(shù)窄帶單邊帶噪聲比為 由于 和 應(yīng)在同一通道中，因此計(jì)算時(shí) 只考慮有信號(hào)的那個(gè)通道，即 ，故單邊帶噪聲系數(shù)為 28第28頁，共39頁。 對(duì)于射電天文接收和其它輻射計(jì)接收.測(cè)量對(duì)象是總輻射

10、的等效亮度溫度,信號(hào)頻率極寬、鏡像頻率端口也和信號(hào)端口一樣進(jìn)信號(hào).此時(shí)輸出的中頻信號(hào)功率為接收單邊帶信號(hào)時(shí)的兩倍，即 ，輸出信號(hào)/噪聲比值較前增加一倍，而信號(hào)輸入端的信號(hào)/噪聲比值仍然與前相同。因此鏡像匹配混頻器在接收“雙邊帶”信號(hào)時(shí)的雙邊帶噪聲系數(shù)為 微波混頻器的噪聲系數(shù)寬帶雙邊帶29第29頁，共39頁。微波混頻器的噪聲系數(shù)寬帶雙邊帶 可見，鏡像匹配混頻器的單邊帶噪聲系數(shù)是雙邊帶噪聲系數(shù)的兩倍，即增加3dB。這是由于雙通道混頻器在單通道使用時(shí)，鏡頻通道（亦稱空閑通道）不輸入信號(hào)，但照樣提供噪聲，因而使噪聲系數(shù)變壞。為了降低噪聲系數(shù)，應(yīng)將鏡頻通道抑制，通常在混頻器前加一個(gè)鏡頻抑制濾波器。 30

11、第30頁，共39頁。 由于二極管混頻器沒有增益，后面中頻放大器的噪聲影響不能忽略。因此，以混頻器作接收機(jī)前端的總噪聲系數(shù)取決于混頻器中放組件的總噪聲系數(shù)，如圖所示。微波混頻器的噪聲系數(shù)混頻器中頻放大器組件的噪聲系數(shù)設(shè) 、 分別為混頻器的變頻損耗和噪聲系數(shù)， 是中放噪聲系數(shù)。則整機(jī)噪聲系數(shù)為則整機(jī)噪聲系數(shù)為對(duì)于單通道混頻器， 故整機(jī)噪聲系數(shù)為 31第31頁，共39頁。對(duì)于雙通道混頻器來說，有兩種情況：微波混頻器的噪聲系數(shù)混頻器中頻放大器組件的噪聲系數(shù)1.當(dāng)窄帶或“單邊帶”信號(hào)接收時(shí) 2.當(dāng)寬帶或“雙邊帶”信號(hào)接收時(shí) 32第32頁，共39頁。其他電氣指標(biāo)信號(hào)端口與本振端口的隔離度 如果信號(hào)端口與本

12、振端口的隔離較差，信號(hào)能量將會(huì)泄漏到本振端口，造成能量損失，以及本振能量泄漏到信號(hào)端口，造成信號(hào)源的不穩(wěn)定及向外輻射能量，因此要求信號(hào)端與本振端之間具有一定的隔離度。 用 表示輸入信號(hào)功率， 表示信號(hào)泄漏到本振端口的功率，則隔離度定義為 。也可用 表示輸入本振功率， 表示本振泄漏到信號(hào)端口的功率，則隔離度定義為 。根據(jù)互易原理， 。一般信號(hào)端口與本振端口的隔離是通過采用特殊的電路結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，如采用定向耦合器來接入信號(hào)及本振。 33第33頁，共39頁。其他電氣指標(biāo)輸入駐波比 混頻器輸入端反射不僅導(dǎo)致失配損耗，而且當(dāng)混頻器為接收機(jī)前置級(jí)時(shí)，由于反射信號(hào)在天線與接收機(jī)之間來回傳輸，使輸入端信號(hào)產(chǎn)生

13、相位失真。在某些相位關(guān)系要求嚴(yán)格的系統(tǒng)里，對(duì)輸入駐波比有特別嚴(yán)格的要求，在一般情況下，要求輸入駐波比小于2。34第34頁，共39頁。其他電氣指標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍 混頻器的動(dòng)態(tài)范圍指能夠使混頻器有效工作的輸入電平范圍。當(dāng)輸入電平較低時(shí)，輸入功率與輸出中頻功率成線性關(guān)系，變頻損耗也是常數(shù)；當(dāng)輸入功率增加到一定電平時(shí)，由于大信號(hào)作用，寄生頻率增多，使變頻損耗增加。定義變頻損耗相對(duì)于低電平恒定值增大1 dB時(shí)的輸入電平為1 dB壓縮點(diǎn)，混頻器的動(dòng)態(tài)范圍上限即是1 dB壓縮點(diǎn)，下限決定于噪聲電平。35第35頁，共39頁。其他電氣指標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍 混頻器的動(dòng)態(tài)范圍也可用輸入微波功率和輸出中頻功率的關(guān)系來描述，類似于飽

14、和功率放大器，輸入功率大于1 dB壓縮點(diǎn)，就存在交調(diào)干擾（IMD）的可能。如果輸入為單一頻率，則輸出為中頻的各次諧波如果輸入為兩個(gè)接近的微波信號(hào)，就會(huì)出現(xiàn)高次雙音交調(diào)，上IM邊帶 下IM邊帶 N=2,3,4 36第36頁，共39頁。其他電氣指標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍 圖3-17給出了雙音IMD的頻譜圖，圖中本振頻率為10GHz，信號(hào)頻率為9.9 GHz，輸出中頻為100MHz，假定輸入兩個(gè)微波頻率為9.89GHz和9.91GHz?？梢姡铒@著的IMD是三階輸出 90 MHz; =110MHz，最容易出現(xiàn)在中頻帶寬內(nèi)。 37第37頁，共39頁。其他電氣指標(biāo)動(dòng)態(tài)范圍 圖318給出了1 dB壓縮點(diǎn)與三階交調(diào)的關(guān)系。輸入信號(hào)大于1 dB壓縮點(diǎn)后，線性外推到基頻響應(yīng)與三階IMD響應(yīng)相交的點(diǎn)成為理論三階截點(diǎn)?；祛l器的三階截點(diǎn)值越大，對(duì)三階IMD的抑制越好，典型值為大于1 dB壓縮點(diǎn)10dB左右。混頻器應(yīng)工作在輸入功率小于1 dB壓縮點(diǎn)的范圍內(nèi)，門限噪聲電平與1 dB壓縮點(diǎn)的區(qū)間成為線性范圍，一般地應(yīng)大于60dB 。 38第38頁，共39頁。其他電氣指標(biāo)頻