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混頻器PCB設計

混頻器的電路特點與主要參數

混頻器用于完成頻率的變換。混頻也稱變頻。混頻(變頻)是指將載頻為ωC(2πfC) 的已調波信號uS(t) 變換為載頻為ωIF(2πfIF) 的已調波信號uIF(t),即進行頻譜的搬移。混頻器要想完成頻率的變換要求必須保持原載頻已調波的調制方式不變,攜帶的信息也不變,而且不產生失真。

混頻器電路模型。混頻器有三個端口:一是射頻端口,輸入的是已調波信號uS(t);二是本振端口,輸入的是本振信號uL(t);三是中頻端口,接濾波器,輸出中頻信號uIF(t)。帶通濾波器用來取出其有用頻率分量,濾除不需要的無用頻率分量。

混頻器電路模型 從頻譜角度來看,混頻實際上是保持已調波調制方式不變情況下的頻譜搬移現象。實現頻譜搬移的基本方法是將兩個信號相乘。

實現信號相乘的方法有很多,如可以采用吉爾伯特乘法器電路,也可以采用工作在線性時變狀態的非線性器件(如二極管、雙極型三極管、場效應管)。二極管、雙極型三極管、場效應管及它們的組合電路都能實現信號相乘,但都是非線性相乘。即便是在特定條件下能進行所謂線性相乘,那也是近似的。混頻器在線性時變狀態下工作時,要求射頻輸入是小信號,本振輸入是大信號。混頻器對射頻信號而言應是線性系統,其電路參數隨本振信號做周期性變化,這樣才能保證在頻譜搬移時,射頻的頻譜結構不變。與FET、BJT相比,二極管不需要偏置,功耗低,開關速度快,因此常被用于混頻電路。FET是平方律特性器件,用它構成混頻器產生的無用頻率成分要比用BJT構成的混頻器少得多,具有更好的性能,因此其使用得更多。

混頻器的電路結構形式可分為有源混頻器電路和無源混頻器電路兩種。常見的有源混頻器電路形式有單管跨導型混頻電路、單平衡混頻電路、吉爾伯特雙平衡混頻電路等。常見的無源混頻器電路形式有二極管混頻電路、無源場效應管混頻電路等。

混頻器電路的主要技術指標包含變頻增益Gc、1dB壓縮點、三階互調阻斷點(三階截點)IP3、噪聲系數NF和隔離度等。

設計和生產出線性好的混頻器件是減弱三階互調的最有效的措施,集成的混頻器件通常用輸入三階互調阻斷點IP3來表示三階互調這一指標,IP3(dBm)越大,表明該混頻器件的混頻線性越好。目前很多公司生產的集成混頻器件都標明了IP3的值。設計電路時,應盡可能降低射頻信號的輸入幅度,使混頻工作在線性工作狀態,這也可以減少三階互調分量。

值得注意的是IP3還與本振功率電平有關。本振電平增加,混頻器件中的二極管或三極管、場效應管的開關工作線性范圍會加大,混頻器線性性能會有所改善,三階互調截點會上升,IP3值會加大。

混頻器的噪聲系數NF可以用輸入信號功率、輸出信號功率和噪聲功率的比值的對數來定義。接收機的噪聲系數主要取決于它的前端電路,在沒有前置LNA(低噪聲放大器)的情況下,噪聲系數主要取決于混頻電路。目前,所有出品的集成混頻器件都標明NF這一指標。

端口隔離度是表征混頻器內部電路平衡度的一個指標,即表示混頻器各端口之間泄漏和竄通的大小。理論上混頻器各端之間應該是嚴格隔離的。但實際上,由于混頻器器件內部電路的不對稱性,即平衡度稍有差別,所以會產生各端口間的竄通。

如果混頻器的各端口之間的隔離度低,會直接產生以下幾方面的影響。

一是本振(LO)信號端口向射頻(RF)端口的泄漏,會影響LNA的工作,甚至會通過天線輻射出去。特別是二極管環形混頻器,與本振信號通過本振端口竄入射頻輸入端口時,它將會通過天線將本振信號發射出去,去干擾鄰近電臺。

二是射頻端口向本振端口的竄通,會影響本機振蕩器的工作,如產生頻率牽引等,影響本振輸出頻率。

另外,由于本振端口向中頻端口的竄通,所以本振大信號會使以后的中頻放大器各級過載。由于集成混頻器(如集成模擬乘法器)的發展,所以混頻器的隔離度一般都能夠符合工程要求。
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