第七章

微波混頻器

微波混頻器的定義與分類微波混頻器的功能與性能微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備

混頻器的定義（1）利用非線性或時(shí)變?cè)?lái)達(dá)到頻率變換的目的；（2）是微波集成電路接收系統(tǒng)中必不可少的部件；（3）基本上采用肖特基勢(shì)壘二極管做變頻元件；混頻器的分類（1）按工作性質(zhì)，可分為兩類，即加法混頻器和減法混頻器，分別得到和頻及差頻；（2）按電路元件，可分為二極管混頻器和三極管混頻器；（3）按非線性器件的不同性質(zhì)，可分為有源混頻器和無(wú)源混頻器；7.1微波混頻器的定義與分類Whatisthis-混頻器的定義與分類混頻器的分類（4）按電路結(jié)構(gòu)形式，可分為單管混頻器、兩管平衡混頻器和多管混頻器。（5）根據(jù)輸入信號(hào)在時(shí)域上的處理，微波混頻器又可以分為疊加型混頻器和乘積型混頻器兩大類。7.1微波混頻器的定義與分類Whatisthis-混頻器的定義與分類

微波混頻器在收發(fā)信道中扮演了重要角色。在微波通信、雷達(dá)、遙感、偵察與電子對(duì)抗等諸多系統(tǒng)中，都必須把微波信號(hào)用微波混頻器降到中低頻來(lái)進(jìn)行處理，尤其是在毫米波、亞毫米波波段，要實(shí)現(xiàn)高靈敏度和低噪聲接收，微波混頻器是關(guān)鍵性部件，它的性能（如噪聲特性、變頻損耗（或變頻增益）對(duì)整個(gè)微波系統(tǒng)）有十分重要的影響。目前，各種微波系統(tǒng)幾乎都采用了集成電路混頻器，主要是因?yàn)榧墒交祛l器體積較小，性能穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)技術(shù)成熟，而且結(jié)構(gòu)靈活多樣，適合各種特殊應(yīng)用。7.2微波混頻器的功能與性能Whatneedit-混頻器的功能變頻損耗：信源資用功率與中頻負(fù)載吸收功率之比。變頻增益：對(duì)于采用三端器件的微波混頻器，可能具有變頻增益。

7.2微波混頻器的功能與性能Howaboutit-混頻器的主要性能指標(biāo)噪聲系數(shù)：雙邊帶（Double-Sideband，DSB）噪聲系數(shù)單邊帶（Single-Sideband，SSB）噪聲系數(shù)

7.2微波混頻器的功能與性能Howaboutit-混頻器的主要性能指標(biāo)端口隔離度：端口隔離度是指微波混頻器各個(gè)端口之間的相互隔離，包括本振－射頻端口、射頻－中頻端口、本振－中頻端口和射頻－本振端口的隔離度。駐波比：駐波比是指在輸入端口和輸出端口之間的反射信號(hào)與正向傳輸信號(hào)之間的比值。它是描述微波混頻器輸入和輸出匹配程度的一個(gè)重要參數(shù)，反映了各特定端口阻抗在相應(yīng)頻率上與源或負(fù)載阻抗的匹配程度。動(dòng)態(tài)范圍：動(dòng)態(tài)范圍是指微波混頻器能正常工作的輸入信號(hào)功率范圍。7.2微波混頻器的功能與性能Howaboutit-混頻器的主要性能指標(biāo)微波混頻器的動(dòng)態(tài)范圍的下限通常是指信號(hào)與基底噪聲電平達(dá)到某比值時(shí)的功率。微波混頻器的動(dòng)態(tài)范圍的上限受輸出飽和的限制。微波混頻器的動(dòng)態(tài)范圍7.2微波混頻器的功能與性能Howaboutit-混頻器的主要性能指標(biāo)微波混頻器輸入P1dB和輸出P1dB：定義偏離線性1dB為微波混頻器的1dB壓縮點(diǎn)，如圖7-2所示，微波混頻器的1dB壓縮點(diǎn)對(duì)應(yīng)的RF輸入端口（PS）輸入功率點(diǎn)，稱為微波混頻器的輸入1dB壓縮點(diǎn)（PS1dB），同時(shí)對(duì)應(yīng)著IF輸出端口的中頻功率點(diǎn)則稱為微波混頻器的輸出1dB壓縮點(diǎn)（PI1dB）。微波混頻器的壓縮特性對(duì)微波混頻器而言，因?yàn)楦信d趣的是RF信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，所以微波混頻器的PS1dB更為重要。7.2微波混頻器的功能與性能Howaboutit-混頻器的主要性能指標(biāo)三階交調(diào)系數(shù)：式中，PIM3和PIF分別為三階交調(diào)信號(hào)功率和中頻信號(hào)功率，dBc為三階交調(diào)分量功率比有用信號(hào)（中頻信號(hào)）功率小的分貝數(shù)。鏡頻抑制度：指在所用RF信號(hào)和鏡頻信號(hào)分別輸入同樣的功率信號(hào)時(shí)所產(chǎn)生的中頻信號(hào)幅度之比，通常用dB表示，是用來(lái)表征微波混頻器對(duì)鏡頻信號(hào)抑制程度的指標(biāo)。其他指標(biāo)：頻帶寬度、交調(diào)失真、功耗、結(jié)構(gòu)尺寸、工藝和環(huán)境條件等。7.2微波混頻器的功能與性能Howaboutit-混頻器的主要性能指標(biāo)本振LO信號(hào)：中頻IF信號(hào)：輸出LO與IF的乘積：射頻輸出由輸入信號(hào)的和與差組成：7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howaboutit-微波混頻器的工作原理主要包括五個(gè)組成部分：①微波變阻管；②功率混合電路：信號(hào)、本振；

③阻抗匹配電路：信號(hào)、本振、中頻④濾波電路：信號(hào)、本振、中頻；⑤直流通路。7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-單二極管混頻器

7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-單二極管混頻器主要包括五個(gè)組成部分：①微波變阻管；②功率混合電路：信號(hào)、本振；

③阻抗匹配電路：信號(hào)、本振、中頻④濾波電路：信號(hào)、本振、中頻；⑤直流通路。7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-90°相移型平衡混頻器設(shè)信號(hào)和本振分別從隔離臂①、②端口加入時(shí)初相位都是0°，考慮到傳輸相同路徑不影響相對(duì)相位關(guān)系，則通過(guò)定向耦合器作用并注意到電路中二極管的接向后，可寫出加到二極管D1和D2上的電壓分別為

D1和D2的混頻電流一般表示為

負(fù)載上輸出總電流為：7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-90°相移型平衡混頻器討論：1)m=1,n=-1:2)m=1,n=1:3)m=n;差頻，和頻，二極管D1和D2在本振電壓作用下產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)變電導(dǎo)分別為

設(shè)

，,則由上式中一次混頻電導(dǎo)項(xiàng)與二極管上信號(hào)電壓相乘,可得D1和D2產(chǎn)生的中頻電流分別為D1和D2產(chǎn)生的中頻電流反相，輸出到負(fù)載上的中頻電流為兩者相減，因此優(yōu)點(diǎn)：

（1）信號(hào)及本振功率得到充分利用，信號(hào)輸入的動(dòng)態(tài)范圍增加了一倍；

（2）抵消了本振引入的噪聲；

（3）抑制混頻產(chǎn)生的部分無(wú)用組合頻率成分；7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-90°相移型平衡混頻器單端混頻器：凡是和本振頻率之差落在中放帶寬內(nèi)的那些噪聲頻譜分量（wL±wif）會(huì)經(jīng)過(guò)混頻而變?yōu)橹蓄l噪聲。平衡混頻器：由于本振噪聲和本振是從同一端口加入的，所以加到D1和D2兩管時(shí)的傳播路徑與本振完全相同，本振噪聲和本振總是以相同的相位關(guān)系加到兩管，由兩管混頻產(chǎn)生的中頻噪聲必定同相，于是輸出到負(fù)載上的中頻噪聲電流因兩者相減而抵消。7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-單端混頻器和平衡混頻器本振噪聲抵消證明：加到D1和D2上的本振引入噪聲等效電壓的相位與本振相位相同，表示為從而得到D1和D2混頻產(chǎn)生的中頻噪聲電流分別為

因此在負(fù)載上輸出的中頻噪聲電流為抑制部分無(wú)用頻譜證明：由式（4.21）可寫出D1和D2的混頻電流一般表示為

因此負(fù)載上輸出電流為

當(dāng)m和n取值使

，此時(shí)

，說(shuō)明有一部分組合頻率成分被抵消而無(wú)輸出。如m=n=1，即和頻成分無(wú)輸出，本振和信號(hào)的任何同次譜波的和頻分量都無(wú)輸出。

主要包括四個(gè)組成部分：①微波變阻管②功率混合電路：信號(hào)、本振③阻抗匹配電路：中頻④濾波電路：中頻

7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-180°相移型平衡混頻器在各端口匹配的條件下，①、③為隔離端口；信號(hào)由①口輸入，從②、④口等分反相輸出，兩管上信號(hào)電壓相同；本振由③口輸入時(shí)，從②、④口等分同相輸出，因D1和D2接向相反而使兩管上本振電壓反相。設(shè)輸入端信號(hào)和本振的初相位為0°時(shí)，則二極管D1和D2在本振作用下產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)變電導(dǎo)分別為設(shè)

，

，則兩管產(chǎn)生的中頻電流成分為：以上是對(duì)應(yīng)D1和D2兩管上信號(hào)同相、本振反相的情況，故稱為本振反相型平衡混頻器。它能抵消本振引入的噪聲；也能在輸出端抵消由本振偶次諧波與信號(hào)及其各次諧波混頻產(chǎn)生的組合頻率成分。若本振同相、信號(hào)反相，則稱為信號(hào)反相型混頻器，輸出電流中被抵消的是信號(hào)偶次與本振及其各次諧波的組合頻率成分。在信號(hào)功率遠(yuǎn)小于本振功率的情況下，信號(hào)反相型混頻器在抑制組合頻率方面的得益不如本振反相型混頻器。又稱為環(huán)形管堆式混頻器，采用4只二極管首尾相接組成環(huán)形而得名。4只混頻管的電性能指標(biāo)、分布參數(shù)以及結(jié)構(gòu)尺寸必須嚴(yán)格一致。雙平衡混頻器原理圖7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-雙平衡混頻器多倍頻程工作帶寬?；祛l組合分量少：雙平衡混頻器比單平衡混頻器組合諧波成分要少一半。全部組合頻率可按奇次諧波和偶次諧波分成4類，即雙平衡混頻器只存在2、3、4類的其中之一，具體取決于端口安排；分支電橋：無(wú)m=n諧波；環(huán)形電橋：無(wú)n=偶次諧波，即無(wú)第1、3類；隔離度好：射頻端口與本振端口的隔離度基本上取決于4管環(huán)路的平衡程度。由于采用的是管堆。理論上應(yīng)該在很寬的頻帶內(nèi)具有極高的隔離度。動(dòng)態(tài)范圍大：由于二極管有4只，每只僅提供輸出功率的1/4，原則上應(yīng)比單平混頻器動(dòng)態(tài)范圍大3dB。是實(shí)現(xiàn)信號(hào)和中頻帶寬重疊且仍能保持信號(hào)、本振和中頻端口相互隔離的唯一形式。雙雙平衡混頻器需要雙環(huán)二極管和獨(dú)立的信號(hào)、本振和中頻巴倫。X波段雙雙平衡混頻器的原理圖7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-雙雙平衡混頻器設(shè)計(jì)良好的平面微帶巴倫的工作頻帶可以達(dá)到多個(gè)倍頻程。微帶巴倫示意圖微帶巴倫示正面電場(chǎng)微帶巴倫示反面電場(chǎng)7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-雙雙平衡混頻器能量回收目的：減少變頻損耗；途徑：對(duì)無(wú)用邊帶頻率造成短路或開路的終端條件，使其重新返回二極管參與混頻，得到新的具有同相位的中頻；在鏡頻離信頻很接近時(shí)，若混頻器電路不采取特殊措施，從二極管向外電路看去，對(duì)鏡頻的阻抗與對(duì)信頻的阻抗近似相等，稱為鏡像匹配混頻器。如果在電路中采取措施，使混頻器對(duì)鏡像頻率端口也造成短路條件，稱為鏡像短路混頻器。如果采取措施，使混頻器對(duì)鏡像頻率端口造成開路條件，稱為鏡像開路混頻器。對(duì)這三種鏡頻終端情況，其變頻損耗：7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-鏡像回收混頻器鏡像短路：電容耦合+l≈λ鏡/2的大感抗=>串聯(lián)諧振=>二極管處短路鏡像開路：λ鏡/4的平行耦合線+λ鏡/4的開路線=>二極管處開路對(duì)混頻產(chǎn)生的鏡頻能量進(jìn)行回收：要求二極管處于鏡頻短路或開路參考面；對(duì)外來(lái)鏡頻干擾產(chǎn)生抑制：無(wú)位置要求。向源：順時(shí)針7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-濾波器式鏡像回收混頻器鏡像抑制混頻器（

）+-+-+-+-7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-平衡式鏡像回收混頻器外來(lái)信號(hào)由兩個(gè)混頻器混出的中頻在中頻端口M處同相疊加輸出。外來(lái)鏡頻干擾或鏡頻噪聲由兩個(gè)混頻器混出的中頻在中頻端口M處反相抵消，從而獲得鏡頻抑制功率。兩混頻器產(chǎn)生的內(nèi)鏡頻即

在端口2反相抵消，因而減少了鏡頻在信源的損耗。射頻相對(duì)于本振的位置是固定的，對(duì)如圖所示的結(jié)構(gòu)，必須

；若是

，則中頻移相線要放在混頻器A端；

平衡式鏡像回收混頻器要求：兩個(gè)單平衡混頻器電性能一致，如變頻損耗等一致；4支混頻二極管應(yīng)嚴(yán)格一樣，如其靜態(tài)參數(shù)和駐波一致；本振功率大于單平衡混頻器?；祛l器動(dòng)態(tài)范圍比單平衡混頻器要大。觸須式金屬-半導(dǎo)體結(jié)二極管：結(jié)面積很小，截止頻率高，又有完善的肖特基表面勢(shì)壘，因此，用于毫米波有良好性能。但可靠性和機(jī)械強(qiáng)度較差，造價(jià)也較貴，一般適用于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及固定裝置。梁式引線二極管：靠加厚的引線來(lái)支撐，沒(méi)有管殼；兼有截止頻率高和機(jī)械上結(jié)實(shí)的優(yōu)點(diǎn)，其封裝參數(shù)小，且可批量生產(chǎn)，參數(shù)重復(fù)性好，其截止頻率可達(dá)500GHz以上。倒裝二極管：粘接處位于基材底部，截止頻率底，寄生電阻小，參數(shù)重復(fù)性好，其截止頻率可達(dá)500GHz以上。DMK27907.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-諧波混頻器懸置微帶混頻器外形圖

懸置微帶混頻器電路圖懸置微帶混頻器本振口輸入懸置微帶混頻器信號(hào)口輸入7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-懸置微帶混頻器（正交場(chǎng)混頻器）此正交場(chǎng)混頻器對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)混頻管二極管串聯(lián)（同相），呈現(xiàn)高阻抗；對(duì)本振來(lái)說(shuō)，懸置微帶線在本振波導(dǎo)的寬邊進(jìn)行耦合，兩管并聯(lián)反相，呈現(xiàn)低阻抗；對(duì)中頻來(lái)說(shuō)，兩管并聯(lián)，呈現(xiàn)低阻抗。懸置微帶混頻器中混頻二極管的極性接法7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-懸置微帶混頻器（正交場(chǎng)混頻器）鰭線混頻器電路

鰭線激勵(lì)共面線同軸線激勵(lì)共面線另一種結(jié)構(gòu)的鰭線平衡混頻器7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-鰭線混頻器諧波混頻器：將本振頻率降低為工作頻率（基波頻率）的一半或四分之一進(jìn)行混頻。設(shè)計(jì)目的：降低本振頻率；設(shè)計(jì)方案：采用管對(duì)式混頻電路——把兩個(gè)混頻二極管極

性相反地并聯(lián)在傳輸線上；此時(shí)：

或

。諧波混頻的原理電路圖7.3微波混頻器的設(shè)計(jì)與制備Howtorealizeit-諧波混頻器兩只混頻二極管極性相反地并聯(lián)在傳輸線上，直流偏壓為零；單個(gè)肖特基二極管的電流特性：管對(duì)的總電流：外加本振電壓是得：式中，系數(shù)是n階第一類變型Bessel函數(shù)，即

電流i是奇函數(shù)，展開式中沒(méi)有偶次項(xiàng)，可做奇次倍頻；管對(duì)的混頻電導(dǎo):

為偶函數(shù)，其傅氏展開式中沒(méi)有奇次項(xiàng)：管對(duì)的非線性特性可歸納為：（1）加本振后的管對(duì)電流只有奇次諧波，沒(méi)有偶次諧波，沒(méi)有直流分量。（2）混頻電導(dǎo)只有偶次諧波，沒(méi)有奇次諧波。（3）電流和電導(dǎo)的各次諧波幅度都比單管時(shí)大一倍。在已加本振的混頻管上，再加一個(gè)小的信號(hào)電壓：則混頻后的小信號(hào)混頻電流是管對(duì)的混頻特性是：（1）混頻電流諧波

中只存在m為偶數(shù)的項(xiàng)，沒(méi)有基波混頻，也沒(méi)有三次諧波混頻項(xiàng)。諧波成分比單管混頻少了一半。（2）m為奇數(shù)的混頻電流諧波信號(hào)僅存在于兩管的環(huán)路中。本振電壓足夠大時(shí)，諧波混頻器可以獲得較低的變頻損耗；

極限值（易達(dá)到）：與基波單平衡混頻相同。本振噪聲的抑制是混頻器的重要問(wèn)題之一基波平衡混頻器：可有效抑制本振噪聲

產(chǎn)生的基波混頻信號(hào)（中頻噪聲