混頻器

變頻，是將信號頻率由一個量值變換為另一個量值的過程。具有這種功能的電路稱為變頻器（或混頻器）。

一般用混頻器產生中頻信號：

混頻器將天線上接收到的射頻信號與本振產生的信號相乘，cosαcosβ=[cos(α+β)+cos(α-β)]/2

可以這樣理解，α為射頻信號頻率量，β為本振頻率量，產生和差頻。當混頻的頻率等於中頻時，這個信號可以通過中頻放大器，被放大后，進行峰值檢波。檢波后的信號被視頻放大器進行放大，然後顯示出來。由於本振電路的振蕩頻率隨著時間變化，因此頻譜分析儀在不同的時間接收的頻率是不同的。

混頻器原理

當本振振蕩器的頻率隨著時間進行掃描時，屏幕上就顯示出了被測信號在不同頻率上的幅度，將不同頻率上信號的幅度記錄下來，就得到了被測信號的頻譜。

從頻譜觀點看，混頻的作用就是將已調波的頻譜不失真地從fc搬移到中頻的位置上，因此，混頻電路是一種典型的頻譜搬移電路，可以用相乘器和帶通濾波器來實現這種搬移。

從工作性質可分為二類，即加法混頻器和減法混頻器分別得到和頻及差頻。從電路元件也可分為三極體混頻器和二極體混頻器。從電路工作方式可分為有源混頻器和無源混頻器。

混頻器和頻率混合器是有區別的。後者是把幾個頻率的信號線性的迭加在一起，不產生新的頻率。

斜率鑒頻器

利用線性網路的幅頻特性把調頻波變換為調幅一調頻波的鑒頻器。圖1中(a)所示的是這種鑒頻器的原理電路圖。晶體管VT和LC迴路構成一個調諧放大器，但迴路的諧振頻率f0和調頻波的中心頻率fc是失諧的，如圖1中(b)所示。因此當調頻波瞬時頻率變化時，其幅度也隨之變化，LC迴路的輸出是一個調幅一調頻波。利用由二極體VD和RC並聯電阻所構成的包絡檢波器，就可以檢出所需的原來的調製信號，實現頻率檢波。斜率鑒頻器的電路簡單，但迴路的幅頻特性不是線性，因而鑒頻特性的線性差。此外，這種鑒頻器沒有抑制寄生調幅干擾的能力，通常必須在鑒頻之前,對調頻波進行限幅，使其幅度保持不變，以減小寄生調幅的影響。

相位鑒頻器

利用線性移相網路把調頻波變換為調相一調頻波的鑒頻器。圖2中(a)是這種鑒頻器的電路。初次級迴路L1C1和L2C2都和調頻波的中心頻率fc調諧，即fc=f1=f2=f0；耦合電容C0將初級迴路電壓u1加到次級迴路線圈的中心抽頭上，因此兩個二極體檢波器的輸入電壓分別是：

圖2

鑒頻器輸出電壓u則是檢波器負載電阻R1和R2的電壓差。圖2中(b)畫出了u2三種不同相位時加到兩個檢波器的電壓變化。當調頻波瞬時頻率f=f0時，U1與U2互相垂直，因而|UVD1|=|UVD2|，這時鑒頻器輸出等於零。當f>f0時，U2滯後於U1的相位大於90°，|UVD1|<|UVD2|，鑒頻器的輸出大於零；反之，當f0時，U2相對於U1的相位滯后小於90°，|UVD1|>|UVD2|，因而鑒頻器的輸出小於零。鑒頻器輸出電壓對輸入信號頻率f的關係曲線，叫做鑒頻特性曲線。相位鑒頻器的線性較好，鑒頻靈敏度（單位頻率變化時所產生的輸出電壓)也較高，但抗寄生調幅干擾性能較差。採用具有自限幅能力的比例鑒頻器是解決這個問題的較理想的辦法。

頻率變換

這是混頻器的一個眾所周知的用途。常用的有雙平衡混頻器和三平衡混頻器。三平衡混頻器由於採用了兩個二極體電橋。三埠都有變壓器，因此其本振、射頻及中頻帶寬可達幾個倍頻程，且動態範圍大，失真小，隔離度高。但其製造成本高，工藝複雜，因而價格較高。

鑒相

混頻器面板

理論上所有中頻是直流耦合的混頻器均可作為鑒相器使用。將兩個頻率相同，幅度一致的射頻信號加到混頻器的本振和射頻埠，中頻端將輸出隨兩信號相差而變的直流電壓。當兩信號是正弦時，鑒相輸出隨相差變化為正弦，當兩輸入信號是方波時，鑒相輸出則為三角波。使用功率推薦在標準本振功率附近，輸入功率太大，會增加直流偏差電壓，太小則使輸出電平太低。

可變衰減器

此類混頻器也要求中頻直流耦合。信號在混頻器本振埠和射頻埠間的傳輸損耗是有中頻電流大小控制的。當控制電流為零時，傳輸損耗即為本振到射頻的隔離，當控制電流在20mA以上時，傳輸損耗即混頻器的插入損耗。這樣，就可用正或負電流連續控制以形成約30dB變化範圍的可變衰減器，且在整個變化範圍內埠駐波變化很小。同理，用方波控制就可形成開關。

混頻器

相位調製器

（BPSK）此類混頻器也要求中頻直流耦合。信號在混頻器本振埠和射頻埠間傳輸相位是由中頻電流的極性控制的。在中頻埠交替地改變控制電流極性，輸出射頻信號的相位會隨之在0°和180°兩種狀態下交替變化。

參量混頻器

混頻器

利用非線性電抗特性將輸入信號變換為中頻信號的電路。電抗元件在理想情況下既不消耗功率也不產生雜訊，所以參量混頻器具有變換效率高、雜訊小的優點。雷達和微波系統常用參量混頻來實現低雜訊接收。在並聯電流型參量混頻電路中用高Q濾波器Fc、F1和Fi隔開的三個迴路,分別只允許信號電流ic、本振電流i1和差頻電流ii流過。非線性電抗元件一般由變容二極體構成,它在本振電壓(又稱泵電壓)的控制下,在輸入與輸出信號間起非線性變換作用。

正交相移鍵控調製

QPSK是由兩個BPSK、一個90度電橋和一個0度功分器構成。I/Q調製/解調器調製與解調實為相互逆反的過程，在系統中是可逆。這裡主要介紹I/Q解調器，I/Q解調器由兩個混頻器、一個90度電橋和一個同相功分器構成。

新型高性能混頻器

鏡像抑制混頻器

抑制鏡像頻率的濾波器一般都是固定帶寬的。但當信號頻率改變時，鏡頻頻率也隨之改變，可能移出濾波器的抑制頻帶。在多通道接收系統或頻率捷變系統中，這種濾波器將失去作用。這時採用鏡頻抑制混頻器，本振頻率變化時，由於混頻器電路內部相位配合關係，被抑制的鏡頻範圍也將隨之改變，使其仍能起到鏡頻抑制的作用。由於電路不是完全理想特性，存在幅度不平衡和相位不平衡，可能使鏡像抑制混頻器的電性能發生惡化，下圖為幅度不平衡和相位不平衡對電性能響加以說明。

單邊帶調製器

變頻混頻器

在多通道發射系統中，由於基帶頻率很低若採用普通混頻器作頻譜搬移，則在通道帶寬內將有兩個邊帶，從而影響頻譜資源的利用。這時可採用單邊帶調製器來抑制不需要的邊帶，其基本結構為兩個混頻器、一個90度功分器和一個同相功分器。將基帶信號分解為正交兩路與本振的正交兩路信號混頻，採用相位抵銷技術來抑制不需要的邊帶，本振由於混頻器自身的隔離而得到抑制。

（1）雜訊係數：混頻器的雜訊定義為：NF=Pno/PsoPno是當輸入埠雜訊溫度在所有頻率上都是標準溫度即T0=290K時，傳輸到輸出埠的總雜訊資用功率。Pno主要包括信號源熱雜訊，內部損耗電阻熱雜訊，混頻器件電流散彈雜訊及本振相位雜訊。Pso為僅有有用信號輸入在輸出端產生的雜訊資用功率。

混頻器原理

（2）變頻損耗：混頻器的變頻損耗定義為混頻器射頻輸入埠的微波信號功率與中頻輸出端信號功率之比。主要由電路失配損耗，二極體的固有結損耗及非線性電導凈變頻損耗等引起。

（3）1dB壓縮點：在正常工作情況下，射頻輸入電平遠低於本振電平，此時中頻輸出將隨射頻輸入線性變化，當射頻電平增加到一定程度時，中頻輸出隨射頻輸入增加的速度減慢，混頻器出現飽和。當中頻輸出偏離線性1dB時的射頻輸入功率為混頻器的1dB壓縮點。對於結構相同的混頻器，1dB壓縮點取決於本振功率大小和二極體特性，一般比本振功率低6dB。

混頻器原理

（4）動態範圍：動態範圍是指混頻器正常工作時的微波輸入功率範圍。其下限因混頻器的應用環境不同而異，其上限受射頻輸入功率飽和所限，通常對應混頻器的1dB壓縮點。

（5）雙音三階交調：如果有兩個頻率相近的微波信號fs1和fs2和本振fLO一起輸入到混頻器，由於混頻器的非線性作用，將產生交調，其中三階交調可能出現在輸出中頻附近的地方，落入中頻通帶以內，造成干擾，通常用三階交調抑制比來描述，即有用信號功率與三階交調信號功率比值，常表示為dBc。因中頻功率隨輸入功率成正比，當微波輸入信號減小1dB時，三階交調信號抑制比增加2dB。（6）隔離度：混頻器隔離度是指各頻率埠間的相互隔離，包括本振與射頻，本振與中頻，及射頻與中頻之間的隔離。隔離度定義為本振或射頻信號泄漏到其它埠的功率與輸入功率之比，單位dB。

混頻器原理

（7）本振功率：混頻器的本振功率是指最佳工作狀態時所需的本振功率。原則上本振功率愈大，動態範圍增大，線性度改善（1dB壓縮點上升，三階交調係數改善）。

（8）埠駐波比：埠駐波直接影響混頻器在系統中的使用，它是一個隨功率、頻率變化的參數。

變頻混頻器

（9）中頻剩餘直流偏差電壓：當混頻器作鑒相器時，只有一個輸入時，輸出應為零。但由於混頻管配對不理想或巴倫不平衡等原因，將在中頻輸出一個直流電壓，即中頻剩餘直流偏差電壓。這一剩餘直流偏差電壓將影響鑒相

在降低射頻產品成本的驅動下,如何採用成本低廉、集成度高的CMOS工藝實現高性能的射頻集成電路,已成為射頻集成電路設計研究的焦點。人們不斷提出基於CMOS工藝的射頻電路結構及設計技術,並逐漸推出成熟的CMOS射頻產品,取得了非常大的成績。混頻器作為接收機的關鍵模塊,其CMOS設計技術的研究也是非常重要的課題之一。 

因此,混頻器的設計通常需要考慮轉換增益、線性度、雜訊係數、埠之間的隔離度以及功耗等性能指標。1)為了彌補中頻濾波器的損耗,以及降低混頻器後續電路雜訊對系統雜訊的貢獻,混頻器需要有一定的轉換增益,但是,增益太大又會影響混頻器的輸出。2)混頻器的線性度是各項性能中最重要的性能,直接決定接收機的動態範圍。當射頻輸入信號的功率過大,超過混頻器的1dB壓縮點時,中頻輸出信號的功率就會比預期值有大幅度的衰減,偏離原來的線性軌跡;由於混頻器存在三次非線性項,相鄰頻道的射頻信號造成的三階互調量會對中頻輸出信號造成嚴重的干擾,通常用IIP3(inputthird-orderinterceptpoint)或OIP3(outputthird-orderinterceptpoint)來表徵混頻器對三階互調量的抑制能力。3)為了降低系統雜訊及減輕LNA的設計壓力,混頻器應該具有較低的雜訊係數。4)混頻器中的本振信號LO擺幅通常比較大,很容易造成信號饋通引起干擾,特別是饋通到射頻輸入端,影響其他接收機或引起自混頻(對零中頻接收機的性能影響非常大)。因此,混頻器需要具有良好的隔離度。5)功耗是所有模塊必須考慮的問題,降低混頻器的功耗,可有效地降低系統功耗。

輸出信號頻率等於兩輸入信號頻率之和、差或為兩者其他組合的電路。混頻器通常由非線性元件和選頻迴路構成（圖1）。輸入頻率f和來自本地振蕩器的本振頻率f1經混頻器作用后，輸出頻率變為fi（見超外差）。它們的關係可用fi=│±pf1±qf│表示，其中p和q是任意正整數。若混頻和本地振蕩由同一裝置完成，則稱為變頻器。

混頻器的輸出信號除中心頻率有所改變外，其餘參數，如包絡波形和所含頻譜成分的相對關係均不改變。輸出信號頻率高於輸入信號頻率的稱為上混(變)頻，反之，則稱為下混（變）頻。圖2表示某調幅信號下混（變）頻前後的波形和頻譜。

混頻器最早用於等幅電報信號的接收，稱為差拍檢波器，後來已是超外差接收機、載波電話（見有線載波通信）和許多電子設備的基本組成單元。

非線性變換

若非線性元件的特性用下式描述：

i(t)＝ɑ0+ɑ1u(t)+ɑ2u(t)+ɑ3u(t)+… (1)

當兩不同頻率的信號電壓u1(t)=U1cos2πf1t和u2(t)＝U2cos2πfit同時作用於非線性元件時，則元件中的電流i(t)將含有豐富的諧波和組合頻率成分，它們與f1及fi的關係為

(2)

式中p＝0，1，2，…，n，q=1，2…,m。要使輸出信號頻率變為fi＝ff,只須使i(t)通過一調諧於fi的選擇性迴路便可取出fi而濾掉其他頻率成分。

二極體混頻器

典型電路如圖3。調整偏置電壓E0，使二極體工作特性呈非線性，而輸出迴路則調諧在fi即可實現兩輸入信號的混頻。這種混頻器結構簡單，可以工作在較高頻段，但變頻增益較低，各迴路之間相互影響較嚴重，組合頻率干擾也較大。

平衡混頻器

典型電路如圖4。由於採用平衡電路結構，輸出的諧波及其組合干擾成分較少，本振電路產生的雜訊也不會出現在它的輸出端。

晶體管變頻器

兼具振蕩和混頻兩種功能的電路(圖5）。圖中晶體管T、電感線圈L4、L3和電容器C3、構成一互感耦合振蕩器。經輸入迴路(L1,)引入的信號電壓與加到電阻器Re兩端的本振電壓在晶體管中進行混頻，並由中頻變壓器取出其中的差頻，即可將高頻輸入信號變換為中頻輸出信號。、為一同軸雙連電容器，可使本振頻率同步地隨輸入頻率變化，保證全波段的中頻頻率不變。晶體管變頻器的優點是變頻增益較高，輸出與輸入電路的隔離度好，常用於各種超外差電路中。

參量混頻器

利用非線性電抗特性將輸入信號變換為中頻信號的電路。電抗元件在理想情況下既不消耗功率也不產生雜訊，所以參量混頻器具有變換效率高、雜訊小的優點。雷達和微波系統常用參量混頻來實現低雜訊接收。圖6為並聯電流型參量混頻電路。用高Q濾波器F、F1和Fi隔開的三個迴路，分別只允許信號電流i、本振電流i1和差頻電流ii流過。非線性電抗元件一般由變容二極體構成，它在本振電壓(又稱泵電壓)的控制下，在輸入與輸出信號間起非線性變換作用。

變頻干擾

工作於非線性狀態的變頻器除了能把有用輸入信號變換為規定的輸出頻率外，其他頻率不同的輸入信號（或其諧波）在滿足某種條件時也能被變換到該輸出頻段，形成對有用信號的干擾，稱為變頻干擾。對於超外差接收機所用的變頻器，主要的變頻干擾有以下5種。①像頻干擾：頻率為fn=f1+fi的輸入信號與本振信號混頻后形成的對有用中頻的干擾。②中頻干擾：頻率等於中頻的信號通過混頻器后，在其輸出端形成的對有用中頻的干擾。③組合頻率干擾：由於混頻管有非線性特性，某些輸入頻率(或其諧波)與本地振蕩（或其諧波）的混頻結果恰好也為中頻頻率，從而形成對有用中頻的干擾。④交叉干擾：由於混頻管或高頻放大管具有三階以上非線性特性，使干擾信號能量轉移到有用輸入頻率f上形成對有用中頻的干擾。⑤互調干擾：兩個不同頻率的強幹擾信號經高階非線性元件作用，產生與有用輸入信號頻率相同的成分。這一成分再與本振信號混頻而形成對有用中頻的干擾。

抑制或消除各種干擾的辦法有：提高混頻前各放大級的選擇性，接入預選器或陷波電路，選擇合適的混頻管、高放管，控制本振輸出幅度和採用二次乃至三次變頻技術等。

我們在選擇混頻器的時候是依據什麼？怎麼知道一個混頻器的好壞是否符合自己的要求？今天將為大家介紹混頻器的技術指標問題，方便大家以後自己辨別混頻器的好壞。

混頻器工作頻率

徠混頻器是多頻工作器件，除指明射頻信號工作頻率外，還應注意本振和中頻頻率應用範圍。

混頻器雜訊係數

混頻器的雜訊定義為：NF=Pno/Pso Pno是當輸入埠雜訊溫度在所有頻率上都是標準溫度即T0=290K時，傳輸到輸出埠的總雜訊資用功率。Pno主要包括信號源熱雜訊，內部損耗電阻熱雜訊，混頻器件電流散彈雜訊及本振相位雜訊。Pso為僅有有用信號輸入在輸出端產生的雜訊資用功率。

混頻器變頻損耗

混頻器的變頻損耗定義為混頻器射頻輸入埠的微波信號功率與中頻輸出端信號功率之比。主要由電路失配損耗，二極體的固有結損耗及非線性電導凈變頻損耗等引起。

1dB壓縮點

在正常工作情況下，射頻輸入電平遠低於本振電平，此時中頻輸出將隨射頻輸入線性變化，當射頻電平增加到一定程度時，中頻輸出隨射頻輸入增加的速度減慢，混頻器出現飽和。當中頻輸出偏離線性1dB時的射頻輸入功率為混頻器的1dB壓縮點。對於結構相同的混頻器，1dB壓縮點取決於本振功率大小和二極體特性，一般比本振功率低6dB。

混頻器動態範圍

動態範圍是指混頻器正常工作時的微波輸入功率範圍。其下限因混頻器的應用環境不同而異，其上限受射頻輸入功率飽和所限，通常對應混頻器的1dB壓縮點。

總結

以上從工作頻率、雜訊係數、變頻損耗、1dB壓縮點和動態範圍方面，講述了混頻器選擇時應該注意的問題。大家以後可以嘗試自己確定一個混頻器的好壞。