混频器特性分析.docx

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混频器特性分析

微波混频器技术指标与特性分析

一、噪声系数和等效噪声温度比

噪声系数的基本定义已在第四章低噪声放大器中有过介绍。

但是混频器中存在多个频率，是多频率多端口网络。

为适应多频多端口网络噪声分析，噪声系数定义改为式（9-1），其理论基础仍是式（6-1）的原始定义，但此处的表示方式不仅适用于单频线性网络，也可适用于多频响应的外差电路系统，即

（9-1）

式中Pno——-当系统输入端噪声温度在所有频率上都是标准温度T0=290K时，系统传输到输出端的总噪声资用功率；

Pns——仅由有用信号输入所产生的那一部分输出的噪声资用功率。

根据混频器具体用途不同，噪声系数有两种。

一、噪声系数和等效噪声温度比

1、单边带噪声系数

在混频器输出端的中频噪声功率主要包括三部分：

（1）信号频率fs端口的信源热噪声是kT0f，它

经过混频器变换成中频噪声由中频端口输出。

这部分

输出噪声功率是

式中f——中频放大器频带宽度；m——混频器变频损耗；T0——环境温度，T0=293K。

（2）由于热噪声是均匀白色频谱，因此在镜频fi附近f内的热噪声与本振频率fp之差为中频，也将变换成中频噪声输出，如图9-1所示。

这部分噪声功率也是kT0f／m。

（3）混频器内部损耗电阻热噪声以及混频器电流的散弹噪声，还有本机振荡器所携带相位噪声都将变换成输出噪声。

这部分噪声可用Pnd表示。

这三部分噪声功率在混频器输出端相互叠加构成混频器输出端总噪声功率Pno

把Pno等效为混频器输出电阻在温度为Tm时产生的热噪声功率，即Pno=kTmf，Tm称混频器等效噪声温度。

kTmf和理想电阻热噪声功率之比定义为混频器噪声温度比，即

按照定义公式（9-1）规定，可得混频器单边带工作时的噪声系数为

在混频器技术手册中常用FSSB表示单边带噪声系数，其中SSB是SingalSideBand的缩写。

Pns是信号边带热噪声（随信号一起进入混频器）传到输出端的噪声功率，它等于kT0f／m。

因此可得单边带噪声系数是

2、双边带噪声系数

在遥感探测、射电天文等领域，接收信号是均匀谱辐射信号，存在于两个边带，这种应用时的噪声系数称为双边带噪声系数。

此时上下两个边带都有噪声输入，因此Pns=kT0f／m。

按定义可写出双边带噪声系数

（9-5）

式中DSB是DoubleSideBand的缩写。

将公式（9-4）和（9-5）相比较可知，由于镜像噪声的影响，混频器单边带噪声系数比双边带噪声系数大一倍，即高出3dB。

为了减小镜像噪声，有些混频器带有镜频回收滤波器或镜像抑制滤波器。

因此在使用商品混频器时应注意：

（1）给出的噪声系数是单边带噪声还是双边带噪声，在不特别说明时，往往是指单边带噪声系数。

（2）镜频回收或镜频抑制混频器不宜用于双边带信号接收，否则将增大3dB噪声。

（此类混频器将在第二节镜频抑制混频器中详述）

（3）测量混频器噪声系数时，通常采用宽频带热噪声源，此时测得的噪声系数是双边带噪声系数。

在商品混频器技术指标中常给出整机噪声系数，这是指包括中频放大器噪声在内的总噪声系数。

由于各类用户的中频放大器噪声系数并不相同，因此通常还注明该指标是在中频放大器噪声系数多大时所测得的。

混频器和中频放大器的总噪声系数是

式中Fif——中频放大器噪声系数；m——混频器变频损耗；tm——混频器等效噪声温度比。

tm值主要由混频器性能决定，也和电路端接负载有关。

tm的范围大约是

厘米波段tm=~

毫米波段tm=~

在厘米波段，由于tm1，所以可粗估整机噪声是

二、变频损耗

混频器的变频损耗定义是：

混频器输入端的微波信号功率与输出端中频功率之比，以分贝为单位时，表示式是

（9-8）

混频器的变频损耗由三部分组成：

包括电路失配损耗，混频二极管芯的结损耗r和非线性电导净变频损耗g。

1、失配损耗

失配损耗取决于混频器微波输入和中频输出两个端口的匹配程度。

如果微波输入端口的电压驻波比为s，中频输出端口的电压驻波比为i，则电路失配损耗是

（9-9）

混频器微波输入口驻波比s一般为2以下。

的典型值约为~1dB。

管芯的结损耗主要由电阻Rs和电容Cj引起，参见图9-2。

在混频过程中，只有加在非线性结电阻Rj上的信号功率才参与频率变换，而Rs和Cj对Rj的分压和旁路作用将使信号功率被消耗一部分。

结损耗可表示为

（dB）

混频器工作时，Cj和Rj值都随本振激励功率Pp大小而变化。

Pp很小时，Rj很大，Cj的分流损耗大；随着Pp加强，Rj减小，Cj的分流减小，但Rs的分压损耗要增长。

因此将存在一个最佳激励功率。

当调整本振功率，使Rj=l／sCj时，可以获得最低结损耗，即

（dB）

可以看出，管芯结损耗随工作频率而增加，也随Rs和Cj而增加。

表示二极管损耗的另一个参数是截止频率fc为

图9-2混频管芯等效电路

通常，混频管的截止频率fc要足够高，希望达到

。

比如fc=20fs时，将有rmin=。

根据实际经验，硅混频二极管的结损耗最低点相应的本振功率大约为1~2mW，砷化镓混频二极管最小结损耗相应的本振功率约为3~5mW。

3、混频器的非线性电导净变频损耗

净变频损耗g取决于非线性器件中各谐波能量的分配关系，严格的计算要用计算机按多频多端口网络进行数值分析；但从宏观来看，净变频损耗将受混频二极管非线性特性、混频管电路对各谐波端接情况，以及本振功率强度等影响。

当混频管参数及电路结构固定时，净变频损耗将随本振功率增加而降低，如图9-3所示。

本振功率过大时，由于混频管电流散弹噪声加大，从而引起混频管噪声系数变坏。

对于一般的肖特基势垒二极管，正向电流为l~3mA时，噪声性能较好，变频损耗也不大。

图9-3变频损耗、噪声系数对本振功率的关系

三、动态范围

动态范围是混频器正常工作时的微波输入功率范围。

（1）动态范围的下限通常指信号与基噪声电平相比拟时的功率。

可用下式表示

式中m——混频器变频损耗；Fif——中频放大器噪声系数；

fif——中放带宽；M——信号识别系数。

例如混频器有m=6dB，中放噪声系数为Fif=1dB，中频带宽fif=5MHz，要求信号功率比热噪声电平高10倍，即M=10，此时混频器动态范围下限是

在不同应用环境中，动态范围下限是不一样的。

比如在辐射计中由于采用了调制技术，能接收远低于热噪声电平的弱信号。

雷达脉冲信号则要高于热噪声约8dB，而调频系统中接收信号载噪比约需要8~12dB。

数字微波通信信号取决于要求的误码率，一般情况下比特信噪比也要在10~15dB以上。

（2）动态范围的上限受输出中频功率饱和所限。

通常是指1dB压缩点的微波输入信号功率Pmax，也有的产品给出的是1dB压缩点输出中频功率。

二者差值是变频损耗。

本振功率增加时，1dB压缩点值也随之增加。

平衡混频器由2支混频管组成，原则上1dB压缩点功率比单管混频器时大3dB。

对于同样结构的混频器，1dB压缩点取决于本振功率大小和二极管特性。

一般平衡混频器动态范围的上限为2~10dBm。

混频器动态范围曲线如图9-4所示。

图9-4混频器动态范围

四、双频三阶交调与线性度

如果有两个频率相近的微波信号s1、s2和本振p一起输入列混频器，这时将有很多组合谐波频率，其中

称双频交调分量。

定义m+n=k为交调失真的阶数，例如k=2（当m=1，n=1）是二阶交调，二阶交调产物有

当k=2+1=3时是三阶交调，其中有两项

和

三阶交调分量出现在输出中频附近的地方。

当s1和s2相距很近时，m3将落入中频放大器工作额带内，造成很大干扰。

这种情况在微波多路通信系统中是一个严重问题，如果各话路副载波之间有交叉调制，将造成串话和干扰。

上述频谱关系如图9-5所示。

图中if是中频带宽。

图9-5混频器频谱分布

四、双频三阶交调与线性度

1、混频器三阶交调系数

三阶交调系数Mi的定义为

其值为负分贝数，单位常用dBc，其物理含义是三阶交调功率比有用中频信号功率小的分贝数。

三阶交调功率

随输入微波信号功率Ps的变化斜率较大，而中频功率Pif随Ps的变化呈正比关系，基本规律是Ps每减小1dB，Mi就改善2dB，如图7、6所示。

图9-6混频器基波和三阶交调成分随信号功率的变化

2、三阶交调截止点

Mi值与微波输入信号强度有关，是个不固定的值。

所以有时采用三阶交调截止点Ma对应的输入功率PM作为衡量交调特性的指标。

三阶交调截止点Ma是Pi直线和直线段延长的交点，此值和输入信号强度无关。

1dB压缩点P1dB和三阶交调截止值PM都常作为混频器线性度的标志参数。

有关三阶交调变化特性的改进可参见第六章，区别仅在于混额器的输出饱和是指中频功率。

通常三阶交调截止值比1dB压缩点值高10~15dB，微波低频端约高出15dB，微波高频段高10dB。

在混频器应用中，只要知道了三阶交调截止值就能计算出任何输入电平时的三阶交调系数。

由于三阶交调截止值处，Mi为0dB，输入信号每减弱1dB，Mi就改善2dB，例如信号功率比PM小15dB时，Mi将为–30dBc。

三阶交调特性及饱和点，都和使用时的本振功率及偏压有关。

混频管加正偏压时，动态范围上限下降，三阶交调特性变坏，但可节省本振功率或改善变频损耗；加负偏压时，上述情况刚好相反。

另外。

混领管反向饱和电流越小，接触电位越大时，要求的本振功率大，此时1dB压缩点提高，三阶交调特性也较好。

五、工作频率

混频器是多频率器件，除了应指明信号工作频带以外，还应该注明本振频率可用范围及中频频率。

分支电桥式的集成混频器工作频带主要受电桥频带限制，相对频带约为10%~30%，加补偿措施的平衡电桥混频器可做到相对频带为30%~40%。

双平衡混频器是宽频带型，工作频带可达多个倍频程。

六、隔离度

混濒器隔离度是指各频率端口之间的隔离度，该指标包括三项，信号与本振之间的隔离度，信号与中频之间的隔离度，本振与中频之间的隔离度。

隔离度定义是本振或信号泄漏到其他端口的功率与原有功率之比，单位为dB。

例如信号至本振的隔离度定义是

信号至本振隔离度是个重要指标，尤其是在共用本振的多通道接收系统中，当一个通道的信号泄漏到另一通道时，就会产生交叉干扰。

例如，单脉冲雷达接收机中的合信号漏入差信号支路时将使跟踪精度变坏。

在单通道系统中信号泄漏就要损失信号能量，对接收灵敏度也是不利的。

本振至微波信号的隔离度不好时，本振功率可能从接收机信号端反向辐射或从天线反发射，造成对其他电设备干扰，使电磁兼容指标达不到要求，而电磁兼容是当今工业产品的一项重要指标。

此外，在发送设备中，变频电路是上变频器，它把中频信号混频成微波信号，这时本振至微波信号的隔离度有时要求高达80~100dB。

这是因为，上变频器中通常本振功率要比中频功率高10dB以上才能得到较好的线性变频。

变频损耗可认为10dB，如果隔离度不到20dB，泄漏的本振将和有用微波信号相等甚至淹没了有用信号。

所以还得外加一个滤波器来提高隔离度。

信号至中额隔离度指标在低中频系统中影响不大，但是在宽频带系统中就是个重要因素了。

有时微波信号和中频信号都是很宽的频带，两个频带可能边沿靠近，甚至频带交叠，这时，如果隔离度不好，就造成直接泄漏干扰。

单管混频器隔离度依靠定向耦合器，很难保证高指标，一般只有10dB量级。

平衡混频器则是依靠平衡电桥。

微带式的集成电桥本身隔离度在窄频带内不难做到30dB量级，但由于混频管寄生参数、特性不对称、或匹配不良，不可能做到理想平衡。

所以实际混频器总隔离度一般在15~20dB左右，较好者可达到30dB。

七、镜频抑制度

在本节噪声系数论述中已提到过单边带混频器镜频噪声的影响，它将使噪声系数变坏3dB。

在混频器之前如果有低噪声放大器，就更必须采取措施改善对镜频的抑制度。

现在优良的低噪声放大器在C波段已能做到Nf=，若采用无镜频抑制功能的常规混频器，整机噪声将恶化到。

此外，如果在镜频处有干扰，甚至可能破坏整机正常工作。

抑制镜频的方式大都是在混频器前加滤波器，可采用对镜频带阻式或对信频带通式。

对于捷变频雷达则必须用自动抑制镜频的混频器，将在下节详述。

镜频抑制度一般是10~20dB，对于抑制镜频噪声来说已经够用，详见第四章第二节。

有些特殊场合，为抑制较强镜频干扰，则需25dB或更高。

八、本振功率与工作点

混频器的本振功率是指最佳工作状态时所需的本振功率。

商品混频器通常要指定所用本振功率的数值范围，比如指定Pp=10~12dBm。

这是因为，本振功率变化时将影响到混频器的许多项指标。

本振功率不同时，混频二极管工作电流不同，阻抗也不同，这就会使本振、信号、中频三个端口的匹配状态变坏；此外也将改变动态范围和交调系数。

不同混频器工作状态所需本振功率不同。

原则上本振功率愈大，则混频器动态范围增大，线性度改善，1dB压缩点上升，三阶交调系数改善。

本振功率过大时，混频管电流加大，噪声性能要变坏。

此外混频管性能不同时所需本振功率也不一样。

截止频率高的混频管（即Q值高）所需功率小，砷化镓混频管比硅混频管需要较大功率激励。

本振功率在厘米波低端大约需2~5mW，在厘米波高端为5~10mW，毫米波段则需10~20mW；双平衡混频器和镜频抑制混频器用4只混频管，所用功率自然要比单平衡混频管大一倍。

在某些线性度要求很高、动态范围很大的混频器中，本振功率要求高达近百毫瓦。

九、端口驻波比

在处理混频器端口匹配问题时，常常受许多因素影响。

在宽频带混频器中很难达到高指标，不仅要求电路和混频管高度平衡，还要有很好的端口隔离。

比如中频端口失配，其反射波再混成信号，可能使信号口驻波比变坏，而且本振功率漂动就会同时使三个端口驻波变化。

例如本振功率变化4~5dB时，混频管阻抗可能由500变到1000，从而引起三个端口驻波比同时出现明显变化。

所以混频器驻波比指标一般都在2~量级。

十、中频输出阻抗

在70MHz中频时，中频输出阻抗大多是200~400，中频阻抗的匹配好坏也影响变频损耗。

中频频率不同时，输出阻抗差别很大，有些微波高频段混频器的中频是1GHz左右，其输出阻抗将低于100。

以上叙述的混频器指标参数是表征混频器主要性能的一些参数。

对于一般商品微波集成混频器，在产品目录中所给出的特性指标并不齐全，当用于整机系统时，有些特性需要自己测量。

详细测量方法将在本章最后一节介绍。

六、混顿器与前置中放组件

混频器必然要与中频放大器联接，在多数微波系统中，为了保证系统性能，常把中放分成两部分，一部分是主中放，用于提供优良的频带特性和高增益；另一部分是前置中放，紧置于混频之后，虽无频带要求，但要求噪声很低。

1、混频一前置中放集成组件

若把混频器与前置中放制做在同一块基片上，构成一个整体接收组件，将有如下优点。

（1）前置中放的输入匹配电路可专门按最佳噪声信源阻抗设计，以获得整机最低噪声系数。

如果用单独的混频和前置中放相连，往往由于混频器输出阻抗的差异，尤其当中频高于1GHz时较难得到最好性能。

（2）避免接插转换损耗。

常规微波集成混频器用微带同轴转换器把微带转换成同轴接头再与中放联接，其接插损耗不可避免，而且结构稳定性差。

（3）工作频带可以合理分配。

在宽频带系统中信号频带和中频频带有时相距很近，甚至有重叠，一体设计时可以合理分配频带，避免直通干扰。

（4）体积尺寸小，结构紧凑。

可以合理设置混频工作点的直流监视电路。

2、混频器电流监测电路

在有些微波通信系统中需要监视接收机工作状态。

测量混频二极管电流是一种简便易行的方式。

一种方法如图9-30所示。

此方式很简单，原混频电路变动最小，在混频器中频端口并接微安表。

正常工作情况下，两混频器也会略有差异，微安表可测出约几十微安量级的直流电流差值I。

如果发现此差电流I剧增，必有一个混频管损坏，接收机尚能工作，但指标急剧下降；若差电流变小，则说明可能本振功率减弱，或本振停振。

图9-30混频器总电流监视图9-31混额管电流监视

另一种方式如图9-31所示。

用两支电流表分别监测两支混频管整流电流，并能根据电流大小调整本振功率，使混频器工作到最佳状态。

为避免电流表串入直流电路引起附加反偏压而影响混频器，需并联电阻以降低电流表直流电阻。

电感则是对中频滤波。

3、前置中频放大器

前置中频放大器的主要任务是使混频器输出口获得匹配，而且对混频输出信号进行预放大，这样就可以把主中放安装在机柜的另一个框架中，用较长电缆把混频一前置中放联至主中放。

前置中放的频率在微波中继通信中较多采用70MHz或140MHz。

C波段卫星通信第1前置中放为避开镜频噪声而取为1200MHz。

毫米波系统中，前置中放频率可能为几吉赫。

前置中放在频率低于30MHz时，宜采用双极型晶体管，可获得较好噪声性能，而且其增益和噪声系数随温度的变化很小。

在较高中频时，常用GaAsFET，可以获得更好的噪声系数和较大的动态范围。

对前置中放的要求是

（1）低噪声。

尤其中频较高时，更需要按照最佳噪声匹配原则设计输入电路。

在1GHz以上的前置中放已经属于微波集成放大器电路范畴，应按照微波放大器原则进行设计。

（2）宽频带。

工作频带必须大于混频器工作频带，更要远大于主中放频带，而且要求带内增益平坦度较好，一般要求带内增益起伏小于，有些高质量数字通信系统要求增益起伏为，以免影响信号质量。

（3）阻抗匹配。

在100MHz以下时混频器输出阻抗常在300~500左右；前置中放输出阻抗大多数取为75，以使之和主中放匹配。

三极管混频器

场效应晶体三极管（FET）混频器是把本振功率和信号同时加在FET的栅极，利用漏极电流和栅极电压之间的非线性关系来实现混频。

微波FET三极管混频器相对于二极管混频器的主要优点有三个方面。

（1）有变频增益。

根据工作状态不同，可设计成高增益和高线性两种不同工作状态。

通常为了获得较好线性度，用增益较低状态，此时增益约为几分贝。

即使低增益状态，也比二极管混频的衰减状态改善了许多。

（2）输出饱合点高。

典型的FET混频器1dB输出功率压缩点可能做到20dBm，它比一般的二极管混频器高了许多，所以不仅动态范围上限提高，而且三阶交调性能也很好。

（3）组合谐波分量少。

本振工作点可以选在变频跨导的直线段，以获得最好直线性和最小谐波分量。

但是FET混频器的噪声系数高于同样FET微波放大器时的噪声系数。