混頻器設計中的關鍵技術研究

混頻器作為超外差接收機的重要組成部分，已經(jīng)在雷達、通信、電子對抗、廣播電視、遙控遙測等諸多領域中得到了廣泛的應用。其技術指標的好壞直接影響到整機性能的發(fā)揮。本文從工程角度出發(fā)，著重分析了混頻器設計中應當注意的幾個關鍵問題。

1混頻器的基本概念

混頻是指將信號從一個頻率變換到另外一個頻率的過程，其實質(zhì)是頻譜線性搬移的過程。在超外差接收機中，混頻的目的是保證接收機獲得較高的靈敏度，足夠的放大量和適當?shù)耐l帶，同時又能穩(wěn)定地工作?；祛l電路包括三個組成部分：本機振蕩器、非線性器件、帶通濾波器，如圖1所示。

由于非線性元件(如二極管、三極管、場效應管等)的作用，混頻過程中會產(chǎn)生很多的組合頻率分量：OpFL±qfsO一般來講，其中滿足需要的僅僅是fI=fL-fS或者是fI=fs-fL。前者產(chǎn)生中頻的方式稱為高差式混頻，后者稱為低差式混頻。在這里，混頻過程中產(chǎn)生的一系列組合頻率分量經(jīng)過帶通濾波器即可以選擇輸出相應的中頻，而其他的頻率分量會得到抑制。

2混頻器設計中的關鍵技術

2.1盡量選擇噪聲系數(shù)小、變頻損耗小或變頻增益大的混頻器

噪聲系數(shù)是衡量接收機內(nèi)部噪聲對靈敏度影響程度的一個指標。接收機的總噪聲系數(shù)為：

式中：F0表示接收機的總噪聲系數(shù)；FR表示高頻放大器的噪聲系數(shù)；FC表示混頻器的噪聲系數(shù)；FI表示中頻放大器的噪聲系數(shù)；kpaR表示高頻放大器額定功率放大量；kpaC表示混頻器額定功率放大量(kpaC>1時)或額定功率傳輸系數(shù)(kpaC1時)。

為了提高接收機的靈敏度，必須使總噪聲系數(shù)F0要小，而接收機多級電路總噪聲系數(shù)主要由第一級高頻放大器決定，也就是說，要保證高放噪聲系數(shù)小和額定功率放大量大的要求。

混頻器位于接收機的第二級，其噪聲系數(shù)、額定功率放大量或額定功率傳輸系數(shù)對整機噪聲系數(shù)也存在一定的影響，特別是對于無高放的接收機，混頻器噪聲系數(shù)、額定功率放大量(或額定功率傳輸系數(shù))及對整機噪聲系數(shù)的影響更大。

對于采用二極管等不具備放大作用的混頻元件，常使用變頻損耗來代替混頻器額定功率傳輸系數(shù)，他定義為額定功率傳輸系數(shù)的倒數(shù)。即有：

式中l(wèi)C表示變頻損耗。

由于二極管無放大作用，使得混頻器輸出中頻信號功率小于混頻器輸入端的高頻信號功率。當高放的額定功率增益不是很大時，他和變頻損耗的乘積可能比較小，因此混頻器的噪聲分量在整機的噪聲分量中占的比重變大，這時應保證使變頻損耗不宜過大。

采用三極管、場效應管或者模擬乘法器混頻時，由于他們具有放大作用，混頻器輸出中頻信號功率會大于輸入高頻信號的功率，這時常常采用變頻增益，即額定功率放大量kpaC(kpaC>1)來衡量混頻前后的功率變化。由于kpaC>1，因此為了降低總噪聲系數(shù)，需要使變頻增益愚kpaC大一些。

2.2確定混頻器的動態(tài)范圍 混頻器的動態(tài)范圍是指混頻器在規(guī)定的本振電平下，高頻信號輸入電平的可用范圍。設計時，要確定其下限和上限電平。

2.2.1 確定混頻器下限電平

混頻器下限電平由壕收機的靈敏度決定。接收機靈敏度可以表示為：

式中k為波爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23J／K；T0為接收機工作環(huán)境的絕對溫度，單位K；B為接收機帶寬，單位為Hz；F0為接收機總的噪聲系數(shù)；Psmin為最小可以檢測的信號功率，單位W。

如果以dBm為單位，在室溫17℃(T0=290 K)條件下，式(3)變換為：

假設B=2×106Hz，混頻器的噪聲系數(shù)為FC=6 dB，則Psmin為-105 dBm，如果系統(tǒng)中指示判據(jù)要求最小功率要高于噪聲電平10 dB，則混頻器的動態(tài)范圍下限為-95 dBm。

2.2.2 確定混頻器的上限電平

混頻器的上限電平由1 dB壓縮電平?jīng)Q定。當輸入信號功率比較小時，混頻后得到的輸出中頻功率隨著輸入信號功率線性地增大，但是當輸入信號功率增加到某個電平時，輸出和輸入之間由于混頻器出現(xiàn)飽和趨勢而呈現(xiàn)非線性。當輸出中頻功率比線性增漲低于1 dB時所對應的輸出中頻功率電平稱為1 dB壓縮電平，用PI1 dB表示，如圖2所示。事實上，1 dB壓縮電平隨著本振電平的增加而增加。