第一课微波电子线路第三章上

1 固 态 电 路 中 ， 采 用 的 非 线 性 元 件 一 般 是 半 导 体 二 极 管 : 非 线 性 电 阻 二 极 管 肖 特 基 势 垒 二 极 管 非 线 性 电 容 二 极 管 变 容 管 、 阶 跃 恢 复 二 极 管 等 频 谱 搬 移 过 程 主 要 由 非 线 性 电 阻 完 成 、 即 核 心 元 件 是 非 线性 电 阻 的 频 率 变 换 器 称 为 “ 阻 性 变 频 器 ” 频 谱 搬 移 过 程 主 要 由 非 线 性 电 抗 完 成 、 即 核 心 元 件 是 非 线性 电 容 的 频 率 变 换 器 称 为 “ 参 量 变 频 器 ” 。 频 率 变 换 器 按 照 功 能 还 可 进 一 步 划 分 为 ： 下 变 频 器 、 上 变 频 器 和 倍 频 器微 波 频 率 变 换 器3.1 概 述 2 包 含 一 个 或多 个 非 线 性元 件 的 网 络微 波 下 变 频 器 的 组 成 微 波 频 率 变 换 器S L O本 地 振荡 信 号 LSif 中 频信 号 微 波 下 变 频 一 般 采 用 阻 性 变 频 器工 作 频 带 可 作 得 很 宽 ， 可 达 几个 甚 至 几 十 个 倍 频 程 ， 而 且 动态 范 围 比 较 大 ， 总 噪 声 系 数 可以 作 得 相 当 低 包 含 一 个 或多 个 非 线 性元 件 的 网 络微 波 上 变 频 器 的 组 成S OP 泵 浦信 号 PSu Su SPu Su 和 频信 号 微 波 上 变 频 一 般 采 用 参 量 变 频 器它 变 频 效 率 高 、 绝 对 稳 定 。 3 微 波 频 率 变 换 器 包 含 一 个 或多 个 非 线 性元 件 的 网 络微 波 倍 频 器 的 组 成S Sn 微 波 倍 频 器 也 是 微 波 毫 米 波 系 统 中 常 用 的 部 件 ， 在 一 些 微波 设 备 中 ， 例 如 频 率 合 成 器 和 微 波 倍 频 链 中 ， 它 更 是 不 可 缺 少的 关 键 部 件 之 一 。 称 为 倍 频 次 数 n 原 则 上 ， 各 种 半 导 体 元 件 只 要具 有 非 线 性 ， 都 可 以 用 来 构 成 倍 频器 。 实 际 上 ， 最 常 用 的 是 变 容 管 倍频 器 和 阶 跃 管 倍 频 器 。 变 容 管 倍 频器 适 用 于 低 次 倍 频 ， 其 效 率 较 高 ，如 果 忽 略 损 耗 电 阻 等 寄 生 参 量 的 影响 ， 效 率 甚 至 可 以 达 到 100 ； 而 阶跃 管 倍 频 器 多 用 在 高 次 倍 频 场 合 ，其 结 构 相 对 简 单 ， 倍 频 次 数 可 达 100 以 上 。 本 章 将 讨 论 变 容 管 倍 频 器 和 阶 跃 管 倍 频 器 的 性 能 及 电 路 结 构 。 4 微 波 频 率 变 换 器3.2 非 线 性 电 阻 微 波 混 频 器 非 线 性 电 阻 微 波 混 频 器 的 核 心 元 件 是 肖 特 基 势垒 二 极 管 。 常 见 的 非 线 性 电 阻 微 波 混 频 器 的 基 本 电路 有 三 种 类 型 ： 单 端 混 频 器 采 用 一 个 混 频 二 极 管 ，是 最 简 单 的 微 波 混 频 器 ； 单 平 衡 混 频 器 采 用 两 个 混频 二 极 管 ； 双 平 衡 混 频 器 采 用 四 个 二 极 管 。 本 节 将 以 元 件 的 特 性 为 基 础 ， 分 析 非 线 性 电 阻 微波 混 频 器 的 工 作 原 理 及 性 能 指 标 ， 包 括 电 路 时 频 域关 系 、 功 率 关 系 、 变 频 损 耗 、 噪 声 特 性 ， 并 给 出 各种 非 线 性 电 阻 微 波 混 频 器 的 电 路 实 现 （ 微 带 电 路 结构 ） 等 。 5 微 波 频 率 变 换 器3.2.1 电 路 工 作 原 理 与 时 频 域 关 系 微 波 混 频 器 只 采用 一 个 肖 特 基 势 垒 混频 二 极 管 ， 称 为 单 端混 频 器 是 信 号 源 内 阻 抗 ，是 本 振 源 内 阻 抗 ，表 示 输 出 负 载 阻 抗 ，为 直 流 偏 压 SZLZOZdcV tVtv SSS cos tVtv LLL cos 6 微 波 频 率 变 换 器1. 输 出 电 流 频 谱 （ 设 ） PS 先 假 设 、 和 均 被 短 路 ;负 载 电 压 （ 输 出 电 压 ） SZ LZ OZ 0tvO 加 于 二 极 管 两 端 的 电 压 为 信 号 电 压 、 本 振 电 压 及 直 流 偏 压（ 或 零 偏 压 ） 之 和 1exp nkTqVIVfI s肖 特 基 势 垒 二 极 管 的 特 性 可 以 表 示 为 : 二 极 管 电 流 为 : SLdc vvVfvfti （ 1） 小 信 号 情 况 信 号 电 压 幅 度 远 小 于 本 振 电 压 幅 度 ,按 台 劳 级 数 在 处 展 开 为 : Ldc vV lSLdclSLdcSLdcLdc vvVflvvVfvvVfvVfti !1!21 221 7 微 波 频 率 变 换 器 Ldc vVvllLdcl vivVf ,3,2,1l由 于 信 号 电 压 的 幅 度 很 小 ， 可 将 以 上 的 各 高 次 项 忽 略 不 计 2Sv SLdcSLdcLdc vtgvVfvvVfvVfti 1 二 极 管 的 时 变 电 导 假 设 混 频 二 极 管 对 所 有 本 振 谐 波 电 压 都 是 短 路 的 ， 仅 由 正 弦 本 振 电 压 决 定 是 仅 加 直 流 及 本 振 电 压 时 的 二 极 管 电 流 Ldc vVf 和 都 是 本 振 频 率 的 周 期 函 数 ,利 用 傅 立 叶 级 数 展 开 tg Ldc vVf L 10 cos2n Ln ntnggtg 8 微 波 频 率 变 换 器 1 cos2n LndcLdc ntnIIvVf 根 据 第 二 章 第 二 节 混 频 二 极 管 的 交 流 激 励 特 性 可 知（ 忽 略 反 向 饱 和 电 流 ） ： Ldcs aVJaVaIg 00 exp Lndcsn aVJaVaIg exp Ldcsdc VJVII 0exp Lndcsn VJVII exp SLdc vtgvVfti 1 cos2n Lndc ntnII tVg SS cos0 tVg LSS cos1 （ 本 振 电 流 ） （ 信 号 基 波 电 流 ） （ 输 出 中 频 电 流 ） 9 微 波 频 率 变 换 器 2 cosn LSSn ntnVg 1 cosn LSSn ntnVg （ 高 次 差 频 电 流 ） （ 各 次 和 频 电 流 ） 混 频 电 流 的 主 要 频 谱 频 率 称 为 和 频 ， 除 称 为 中 频 外 还 称 为 差频 ， 称 为 镜 像 频 率 。 LSu LSif ifLSLi 2 10 微 波 频 率 变 换 器得 出 以 下 基 本 结 论 : 在 非 线 性 电 阻 混 频 过 程 中 产 生 了 无 数 的 组 合 分 量 ， 其 中 包 含 有 中 频 分 量 ， 能 够 实 现 混 频 功 能 。 可 用 中 频 带 通 滤 波 器 取 出 所 需 的 中 频 分 量 而 将 其 它 组 合 频 率 滤 掉 。 中 频 电 流 的 振 幅 为 .它 与 输 入 信 号 振 幅 成 正 比 例 。 混 频 器 输 入 端 与 输 出 端 分 量 振 幅 之 间 具 有 线 性 关 系 , 这 一 点 对 信 号 接 收 时 的 保 真 无 疑 是 非 常 有 意 义 的 。 Sif VgI 1 由 于 本 振 信 号 是 强 信 号 ， 在 混 频 过 程 中 它 通 过 二 极 管 的 非 线 性 作 用 而 产 生 了 无 数 的 谐 波 ， 每 一 个 谐 波 都 包 含 了 部 分 有 用 的 信 号 功 率 ， 是 对 信 号 功 率 的 浪 费 ， 应 该 采 取 措 施 加 以 回 收 利 用 ， 以 提 高 从 信 号 变 换 为 中 频 的 变 换 效 率 。 但 各 谐 波 功 率 大 约 随 变 化 ， 因 此 混 频 产 物 电 路 的 组 合 分 量 强 度 随 增 加 而 很 快 减 小 。 通 常 只 有 本 振 基 波 和 二 次 谐 波 等 分 量 才 足 够 强 ， 对 混 频 变 换 效 率 产 生 较 大 影 响 。 21 n 11 微 波 频 率 变 换 器（ 2） 大 信 号 情 况 如 果 混 频 器 的 输 入 信 号 是 强 信 号 （ 但 可 认 为 信 号 电 压 幅 度 仍远 小 于 本 振 电 压 幅 度 ） ， 不 能 忽 略 以 上 的 各 高 次 项 。 此 时 信 号也 将 产 生 各 次 谐 波 ， 混 频 产 物 电 流 的 频 谱 分 量 将 大 为 增 加 。 2Sv 为 使 问 题 分 析 及 表 达 简 洁 ， 可 以 借 助 欧 拉 公 式 把 上 述 各 三 角函 数 表 示 为 指 数 形 式 : tjnytjny tjnjngtjnjngntng LnLn LnLnLn expexp expexpexpexpcos2如 果 定 义 ， 则 有 ： nn gg nnnn yjngjngy expexp00 gy 从 而 ， 傅 立 叶 展 开 的 g(t)可 以 写 为 ： 12 微 波 频 率 变 换 器 n Lnn LnLnn LnLnn Ln tjny tjnytjnyy tjnytjnyy ntnggtg exp expexp expexpcos2 10 10 10 n Lnn Lnn Ln n LndcLdc tjnI tjnjnI ntnjI ntnIIvVf exp expexpexp cos2 1 n Lln vVvllLdcl tjnyvivVf Ldc exp,信 号 电 压 及 其 各 次 幂 同 样 可 以 写 成 ： lSSlSllSSlS tjtjVtVtv expexp21cos 表 示 为 ： ti n m SLmn tmnjIti exp, 混 频 输 出 电 流 的 一 般 表 达 式 13 微 波 频 率 变 换 器大 信 号 下 混 频 的 基 本 结 论 ： 在 非 线 性 电 阻 混 频 过 程 中 产 生 了 信 号 和 本 振 所 有 可 能 的 各 次 谐 波 组 合 分 量 ， 比 小 信 号 时 丰 富 得 多 。 其 中 包 含 有 中 频 分 量 ， 能 够 实 现 混 频 功 能 。 可 用 中 频 带 通 滤 波 器 取 出 所 需 的 中 频 分 量 而 将 其 它 组 合 频 率 滤 掉 。 二 极 管 电 流 中 包 含 中 频 分 量 为 ： tI tjItjIti LS LSLSif cos2 expexp1,1 1,11,1 其 振 幅 可 计 算 出 为 ： 33,11,11,1 812 SS VgVgI 中 频 电 流 振 幅 不 再 与 输 入 信 号 振 幅 成 线 性 关 系 ， 将 产 生 非 线性 失 真 。 由 于 信 号 也 产 生 各 次 谐 波 ， 将 有 可 能 在 输 出 端 产 生 组 合 干 扰 。ifLS nm 14 微 波 频 率 变 换 器3.2.2 电 路 功 率 关 系 与 变 频 损 耗 混 频 器 的 变 频 损 耗 一 般 可 定 义 为 ： L anammn PPL 它 表 示 混 频 器 中 任 意 边 带 频 率 到 另 一 边 带 频 率 之 间 的变 频 损 耗 ， 和 分 别 表 示 这 两 个 频 率 上 的 资 用 功 率 。 mf nfamP anP 由 于 一 般 只 关 注 输 出 中 频 的 情 况 ， 可 把 混 频 器 的 变 频 损 耗定 义 限 定 为 ： 01PPPPL aifaS 和 分 别 为 从 信 号 源 和 中 频 输 出 端得 到 的 资 用 功 率 。 aSP aifP1 混 频 器 的 功 率 关 系 二 极 管 这 一 非 线 性 电 阻 中 的 瞬 时 功 率 可 表 示 为 ： titvtrtititrtitp 2 15 微 波 频 率 变 换 器平 均 功 率 一 般 可 表 示 为 ： titvtpP ReRe k m Ltmkjmk tdeIVP L 21Re 当 时 ， 积 分 项 为 1， 当 时 ， 积 分 项 为 0mk mk m mm mm PIVP Re对 于 阻 性 二 极 管 来 说 ， 是 时 间 的 实 函 数 ， 而 且 对 所 有 的 时间 来 说 ， 则 可 见 为 实 数 ， 而 且 恒 有 。 tr 0tr tp 0tp 0Re m mPtptpP考 虑 到 只 有 信 号 源 对 时 变 电 阻 馈 给 功 率 ， 故 （ 信 号 频 率 上进 入 的 功 率 ） 是 正 的 ， 而 在 其 它 频 率 （ ） 上 均 吸 收 功 率 ，因 而 它 们 的 功 率 均 为 负 值 。 tr 1Pm 1m mP 16 微 波 频 率 变 换 器01,001 mm mm m PPPP 1,001 mm mPPP 可 得 出 结 论 ： 对 于 非 负 的 时 变 电 阻 和 时 变 电 导 来 说 ，混 频 器 中 所 有 混 频 产 物 所 得 到 的 总 功 率 不 大 于 信 号 源 所 供 给 的信 号 功 率 。 tr tg 变 频 损 耗 不 可 能 小 于 1， 即 不 可 能 有 变 频 增 益 ， 因 而 我 们 所讨 论 的 线 性 周 期 时 变 电 阻 网 络 是 无 源 的 。 由 于 其 无 源 性 ， 因 而它 是 绝 对 稳 定 的 ， 即 在 任 何 终 端 负 载 和 本 振 条 件 下 都 不 会 产 生自 激 振 荡 。 在 无 穷 多 个 混 频 产 物 频 率 中 ， 我 们 一 般 仅 需 要 输 出 一 种 频率 成 分 ， 即 中 频 。 那 些 不 需 要 输 出 的 混 频 产 物 （ 称 为 带 外 闲 频 ）在 相 应 频 率 的 端 口 阻 抗 上 造 成 功 率 损 耗 ， 如 果 能 使 混 频 器 对 这 些无 用 边 带 频 率 造 成 特 殊 的 终 端 条 件 ， 则 可 减 少 有 用 功 率 的 浪 费 ， 减 小 变 频 损 耗 。 相 当 于 在 频 率 为 的 端 口 上 分 别 具 有 短 路 、 开 路 和 电 抗 终 端 m 17 微 波 频 率 变 换 器2 Y混 频 器 及 其 变 频 损 耗 在 各 种 减 小 变 频 损 耗 的 措 施 中 ， 如 果 采 取 的 是 对 所 有 带 外闲 频 （ ） 提 供 短 路 终 端 ， 构 成 的 混 频 器 称 为 Y混 频 器 。m 1m Y混 频 器 电 路 原 理 图 SSCL LLCL ifif CL SLif所 有 带 外 闲 频 （ ）都 是 严 重 失 谐 而 呈 现 近 似短 路 的 终 端 阻 抗 。 m 1m相 当 于 前 面 线 性 分 析 中 加 在 混 频二 极 管 上 的 电 压 只 有 三 个 ： 信 号电 压 、 镜 频 电 压 和 中 频 电 压 ， 因此 混 频 器 是 三 端 口 网 络 。 18 微 波 频 率 变 换 器Y混 频 器 的 电 路 方 程 表 示 为 ： 101012 101 210101 VVVyyy yyy yyyIII 或 iifSiifS VVVyyy yyy yyyIII 012 101 210由 于 表 示 时 变 电 导 各 分 量 的 复 振 幅 ， 表 示 导 纳 ， 因 而 矩 阵是 Y矩 阵 （ 导 纳 矩 阵 ） ， 故 把 这 种 混 频 器 称 为 Y混 频 器 。 ny tg y以 Y混 频 器 为 例 来 具 体 分 析 变 频 损 耗 。 假 设 本 振 电 压 的 初 相 00nn gy nn gg Y混 频 器 的 矩 阵 方 程 式 为 ： iifSiifS VVVggg ggg gggIII 012 101 210 19 微 波 频 率 变 换 器 由 于 Y混 频 器 除 信 号 端 口 和 中 频 端 口 之 外 ， 还 有 一 个 镜 频 端 口 。混 频 产 生 的 镜 像 频 率 同 样 包 含 有 信 号 的 有 用 功 率 ， 也 会 造 成 变 频 损耗 的 降 低 ， 因 此 必 须 对 镜 频 端 口 进 一 步 施 加 特 殊 的 终 端 条 件 ， 以 利于 回 收 镜 像 频 率 混 频 产 物 中 包 含 的 有 用 信 号 功 率 ， 进 一 步 降 低 变 频损 耗 。 Y混 频 器 按 照 对 于 镜 频 端 口 采 取 措 施 与 否 及 采 取 措 施 的 不 同 ，又 可 以 分 为 三 种 类 型 ： 镜 像 匹 配 、 镜 像 短 路 和 镜 像 开 路 ， 这 三 种 镜像 终 端 由 于 终 端 条 件 不 同 会 有 不 同 的 变 频 损 耗 性 能 ， 为 获 得 最 佳 变频 损 耗 ， 对 信 号 源 电 阻 和 负 载 电 阻 的 要 求 也 不 同 。 （ 1） 镜 像 匹 配 情 况 Sif 镜 频 距 离 信 号 频 率 仅 有 二 倍 中 频 从 二 极 管 向 外 电 路 看 去 ， 信 号 输 入 回 路 对 镜 频 的 阻 抗 与 对 信 号 频 率 的 阻抗 近 似 相 等 ， 这 种 混 频 器 称 为 “ 镜 像 匹 配 混 频 器 ” 。 20 微 波 频 率 变 换 器 输 出 电 导 一 般 混 频 器 等 效 电 路 outG ififout VIG 变 频 损 耗 L 最 佳 变 频 损 耗 与 最 佳 信 号 源 电 导 及 输 出 电 导 optL optSG optoutG 当 时 ， ， 这 意 味 着 在 极 限 本 振 激 励下 ， 信 号 输 入 功 率 仅 有 一 半 变 换 为 有 用 的 中 频 功 率 ， 而 另 一 半会 变 成 镜 像 功 率 在 信 号 源 内 导 上 消 耗 掉 。 LV 2匹L dB3 21 微 波 频 率 变 换 器 变 频 损 耗 与 本 振 电 压 和镜 像 终 端 类 型 的 关 系 归 一 化 最 佳 电 导 与 本 振 电 压 和镜 像 终 端 类 型 的 关 系 22 微 波 频 率 变 换 器（ 2） 镜 像 短 路 情 况 如 果 信 号 和 本 振 输 入 回 路 和 都 是 窄 带 的 ， 对 镜 像频 率 它 们 具 有 很 低 的 阻 抗 ， 可 以 使 得 镜 像 电 压 但 镜 像 电 流 ， 就 会 出 现 “ 镜 像 短 路 ” 情 况 。 SSCL LLCL 0iV0iI 加 有 镜 像 短 路 滤 波 器 的 混 频 器 在 实 际 电 路 中 ， 一 般 是 采 用“ 嵌 入 ” 镜 像 滤 波 器 的 办 法 来构 造 镜 像 短 路 ， 这 种 电 路 不要 求 输 入 回 路 具 有 能 区 分 信号 频 率 和 镜 像 频 率 的 窄 带 特性 ， 镜 像 短 路 由 专 门 的 结 构来 实 现 。 电 路 在 二 极 管 输 入 口 并 联 一 个 窄带 的 串 联 谐 振 回 路 ， 谐 振 于 镜 像频 率 ， 根 据 串 联 谐 振 的 特 性 ， 该 回 路 对 镜 像 频 率 提 供 近 似 短 路 的低 阻 抗 ， 但 对 信 号 频 率 提 供 高 阻 抗 ， 因 此 该 回 路 对 信 号 功 率 损 耗 很 小 23 微 波 频 率 变 换 器 当 时 ， ， 这 是 因 为 在 镜 像 短 路 情 况 下 ，包 括 镜 频 在 内 的 所 有 高 次 闲 频 分 量 均 被 短 路 而 没 有 功 率 损 耗 ，故 在 极 限 本 振 激 励 下 ， 所 有 信 号 输 入 功 率 都 可 变 成 中 频 功 率 。当 然 ， 实 际 混 频 器 本 振 激 励 是 有 限 的 ， 变 频 损 耗 总 是 大 于 1， 是有 耗 的 。 LV 1短L dB0（ 3） 镜 像 开 路 情 况 如 果 在 混 频 器 输 入 端 与 二 极 管 之 间 嵌 入 一 个 镜 像 频 率 的 并联 谐 振 回 路 ， 它 将 在 镜 像 频 率 上 呈 现 高 阻 抗 ， 使 得 镜 像 电 压 但 镜 像 电 流 ， 就 会 出 现 “ 镜 像 开 路 ” 情 况 。 0 iV 0iI 在 镜 频 谐 振 回 路 两 端 的 镜 像 电 压 将 又 加 在 二 极 管 上 ， 并 与 本振 再 次 混 频 产 生 中 频 ， 又 得 到 有 用 的 中 频 能 量 。 因 此 ， 这 里 镜像 频 率 的 并 联 谐 振 回 路 相 当 于 镜 频 的 能 量 存 储 器 ， 并 最 终 把 镜频 能 量 再 转 化 为 中 频 能 量 . 24 微 波 频 率 变 换 器 加 有 镜 像 开 路 滤 波 器 的 混 频 器 当 时 ,LV 1短L dB0 综 合 三 种 类 型 镜 像 终端 Y混 频 器 的 性 能 ， 可 以得 出 一 些 重 要 结 论 ： 在 同 样 的 本 振 激 励 功 率 下 ， 镜 像 开 路 的 变 频 损 耗 最 小 ， 而 镜 像 匹 配 的 损 耗 最 大 。 镜 像 开 路 混 频 器 所 要 求 的 最 佳 信 号 源 电 导 比 镜 像 短 路 混 频 器 的 小 的 多 ， 如 果 给 定 的 信 号 源 电 阻 较 低 （ 约 几 十 欧 ） ， 那 么 镜 像 短 路 混 频 器 比 较 容 易 与 信 号 源 匹 配 ， 实 际 上 所 得 性 能 并 不 比 镜 像 开 路 混 频 器 差 。 镜 像 匹 配 混 频 器 是 宽 带 混 频 器 ， 它 具 有 存 在 于 本 振 频 率 两 侧 的 信 号 及 镜 频 通 道 ， 是 双 通 道 混 频 器 ， 如 果 在 信 号 输 入 端 存 在 一 个 频 率 等 于 镜 像 频 率 的 外 来 干 扰 信 号 ， 能 够 在 中 频 输 出 端 造 成 中 频 干 扰 ， 使 混 频 器 性 能 变 坏 。 25 微 波 频 率 变 换 器 镜 像 短 路 与 开 路 混 频 器 是 窄 带 混 频 器 ， 只 在 本 振 频 率 一 侧 存 在 信 号 通 道 ， 是 单 通 道 混 频 器 ， 如 果 在 信 号 输 入 端 存 在 一 个 频 率 等 于 镜 像 频 率 的 外 来 干 扰 信 号 ， 它 也 会 被 输 入 回 路 中 的 镜 像 抑 制 滤 波 器 （ 短 路 或 开 路 ） 所 抑 制 ， 不 能 通 过 混 频 器 产 生 输 出 。 常 用 镜 像 匹 配 混 频 器 来 接 收 宽 带 信 号 或 调 制 产 生 的 双 边 带 信 号 ， 这 时 虽 然 每 个 通 道 的 变 频 损 耗 较 大 ， 但 中 频 功 率 可 以 是 两 个 通 道 之 和 ， 这 样 总 变 频 损 耗 并 不 会 恶 化 太 多 ； 而 用 镜 像 开 路 或 短 路 混 频 器 来 接 收 窄 带 或 单 边 带 信 号 。 如 果 必 须 用 镜 像 匹 配 混 频 器 来 接 收 窄 带 信 号 ， 就 必 须 尽 可 能 “ 抑 制 ” 或 “ 关 闭 ” 镜 像 通 道 以 减 小 中 频 干 扰 。 混 频 器 对 本 振 源 的 输 入 电 导 与 混 频 器 最 佳 信 号 源 电 导 数 值 相 近 ， 即 混 频 器 与 本 振 源 电 导 匹 配 得 到 的 性 能 与 最 佳 性 能 相 近 。 因 此 实 际 设 计 宽 带 混 频 器 时 ， 常 用 来 估 计 ， 这 给 宽 带 混 频 器 的 设 计 提 供 了 基 础 和 方 便 。 LG匹SGLG LG匹SG 26 微 波 频 率 变 换 器3.2.3 噪 声 特 性 混 频 器 的 噪 声 特 性 主 要 用 “ 噪 声 系 数 ” 和 “ 噪 声 比 ” 来 描 述 。针 对 混 频 器 输 出 的 核 心 变 频 产 物 -中 频 ， 混 频 器 的 噪 声 系 数 可定 义 为 ： aSaifaifaif aSaSm NNLNP NPF 输出中频噪声功率比输入信号噪声功率比aifaS PPL 为 混 频 器 的 变 频 损 耗 ; aSN aifN 分 别 为 混 频 器 输 入 和 输 出 的 噪 声 资 用 功 率 。 一 般 把 混 频 器 的 总 输 出 噪 声 等 效 为 温 度 的 电 阻 所 产 生 的 热 噪 声 ，称 为 混 频 器 的 等 效 噪 声 温 度 ， 并 可 定 义 混 频 器 的 噪 声 比 为 ： mT mt 0TTt mm 为 标 准 噪 声 温 度 ， 一 般 取 常 温 290K。 0T 27 微 波 频 率 变 换 器 混 频 器 的 噪 声 系 数 及 噪 声 比 与 混 频 器 的 电 路 结 构 （ 单 或 双 通道 ） 及 信 号 频 谱 宽 度 （ 单 或 双 边 带 ） 有 关 。 1 镜 像 开 路 和 短 路 混 频 器 的 噪 声 系 数 这 时 混 频 器 是 单 通 道 的 ， 它 是 二 端 口 有 耗 网 络 ， 其 噪 声 等效 电 路 为 ： 混 频 器 的 输 出 噪 声 由两 部 分 构 成 ： 一 部 分是 输 入 噪 声 经 过 混 频器 衰 减 后 的 噪 声 输 出功 率 ， 另 一 部 分 是 混 频 器 内 部 噪 声 产 生 的 输 出 功 率 。 下 标 “ 1” 表 示 单 通 道 混 频 器 。 将 噪 声 系 数 用 变 频 损 耗 和 噪 声比 表 示 ， 可 得 ： 1dt 11 mt1111 LtLF mm 混 频 器 的 噪 声 系 数 近 似 等 于 变 频 损 耗 ， 要 获 得 低 噪 声 系 数 ，必 须 使 混 频 器 的 变 频 损 耗 尽 可 能 低 ， 两 者 是 一 致 的 。 28 微 波 频 率 变 换 器2 镜 像 匹 配 混 频 器 的 噪 声 系 数 这 时 混 频 器 是 双 通 道 的 ， 它 是 三 端 口 有 耗 网 络 。 对 于 这 种 双 通 道混 频 器 ， 当 信 号 的 边 带 结 构 不 同 时 ， 如 单 边 带 （ SSB） 信 号 或 双 边带 （ DSB） 信 号 ， 其 噪 声 系 数 及 噪 声 比 是 不 同 的 ， 必 须 分 别 讨 论 。 （ 1） 单 边 带 信 号 情 况 这 时 信 号 功 率 仅 存 在 于 信 号 通 道 ，镜 像 通 道 没 有 信 号 ， 但 由 于 镜 像通 道 也 存 在 热 噪 声 ， 因 此 将 会 有两 个 通 道 的 噪 声 通 过 混 频 产 生 中频 噪 声 输 出 ， 其 噪 声 性 能 将 变 坏 。 这 时 噪 声 系 数 和 噪 声 比 为 ： 2222 1212 mdm tLtLSSBF dmm tLLTTt 1212 22022 29 微 波 频 率 变 换 器（ 2） 双 边 带 信 号 情 况 信 号 和 镜 像 通 道 都 存 在 信 号 功 率 ， 因 此 输 出 中 频 功 率 ， 而 输 出 的 总 中 频 噪 声 资 用 功 率 仍 为 ， 故 输 出 中 频 的 信 噪 比 比 单 边 带 信 号 情 况 增 加 一 倍 ；而 输 入 信 噪 比 这 时 并 没 有 改 变 。 噪 声 系 数 为 : SSBPDSBP aifaif 22aifN dmmm tLtLSSBFDSBF 1212121 22222 如 果 用 双 通 道 混 频 器 来 接 收 “ 单 边 带 ” 信 号 时 ， 由 于 噪 声输 出 是 双 通 道 的 ， 而 信 号 是 单 通 道 的 ， 噪 声 系 数 要 增 大 一 倍 ，或 者 说 输 出 信 噪 比 变 坏 3dB。 为 了 降 低 混 频 器 的 噪 声 系 数 以 改善 灵 敏 度 ， 应 将 镜 像 通 道 抑 制 ， 这 样 对 信 号 传 输 无 影 响 ， 但可 将 噪 声 削 弱 3dB。 30 微 波 频 率 变 换 器3 混 频 器 -中 放 组 件 的 噪 声 系 数 在 外 差 式 微 波 接 收 机 中 ， 一 般 采 用 混 频 器 -中 频 放 大 器 组 件 作为 接 收 前 端 。 由 于 阻 性 混 频 器 本 身 没 有 增 益 ， 其 后 面 中 频 放 大 器 的噪 声 影 响 不 能 忽 略 。 因 此 ， 以 混 频 器 作 前 端 器 件 的 整 机 噪 声 系 数 取决 于 混 频 器 -中 放 组 件 的 总 和 噪 声 系 数 。 总 噪 声 系 数 11 1 ifmifmmA FLFLFFF对 于 单 通 道 混 频 器 ， 因 111 mm tLF 1111 ifmmA FtLF若 ， 可 得 ： dBFdBLdBF ifmA 1111 mt对 于 双 通 道 混 频 器 接 收 单 边 带 信 号 情 况 : 1222 ifmmA FtLSSBF对 于 双 通 道 混 频 器 接 收 双 边 带 信 号 情 况 : 222 mm tLSSBF 2 222 mm tLDSBF 12 222 ifmmA FtLDSBF 31 微 波 频 率 变 换 器由 于 理 论 上 ， 因 此 理 想 的 镜 像 短 路 （ 开 路 ） 混 频 器 及低 噪 声 中 放 应 获 得 较 小 的 整 机 噪 声 系 数 。 21 LL 从 以 上 的 分 析 可 见 ， 要 获 得 低 噪 声 ， 必 须 降 低 变 频 损 耗 、二 极 管 的 噪 声 比 以 及 中 频 放 大 器 的 噪 声 系 数 。 在 一 定 的 噪 声比 和 中 频 放 大 器 的 噪 声 系 数 下 ， 降 低 是 获 得 低 噪 声 系 数 的 关键 。 因 此 低 噪 声 混 频 器 必 须 具 有 低 损 耗 。 4 本 振 源 引 入 的 噪 声 在 计 算 噪 声 系 数 和 噪 声 比 时 ， 除 混 频 二 极 管 本 身 产 生 噪 声外 ， 仅 考 虑 了 信 号 源 部 分 的 噪 声 输 入 在 中 频 端 造 成 的 噪 声 输 出 。实 际 上 ， 本 阵 源 也 会 有 噪 声 ， 并 会 将 其 噪 声 引 入 混 频 过 程 ， 对混 频 造 成 影 响 。 由 于 本 振 源 谐 振 滤 波 器 的 作 用 ， 噪 声 频 谱 包 络 与 谐 振 器 的 频 率 特 性 相 同 。 32 微 波 频 率 变 换 器本 振 源 输 出 噪 声 频 谱 本 振 源 有 效 噪 声 频 谱 在 微 波 波 段 ， 噪 声 系 数 增 加 大 约 2 3dB， 这 是 一 个 可 观 的 数 值 ，因 此 在 电 路 设 计 中 必 须 尽 可 能 采 取 措 施 消 去 本 振 噪 声 的 影 响 。 33 微 波 频 率 变 换 器3.2.4 混 频 器 的 其 它 电 气 指 标 如 果 信 号 端 口 与 本 振 端 口 的 隔 离 较 差 ， 将 会 发 生 信 号 能 量 泄 漏到 本 振 端 口 ， 造 成 能 量 损 失 ， 以 及 本 振 能 量 泄 漏 到 信 号 端 口 ， 造 成信 号 源 的 不 稳 定 及 向 外 辐 射 能 量 ， 因 此 要 求 信 号 端 与 本 振 端 之 间 保证 一 定 的 隔 离 度 。 1 信 号 端 口 与 本 振 端 口 的 隔 离 度 用 表 示 输 入 信 号 功 率 ， 表 示 信 号 泄 漏 到 本 振 端 口 的 功 率 ，则 隔 离 度 定 义 为 ： SP LSP LSSSL PPL lg10 用 表 示 输 入 本 振 功 率 ， 表 示 本 振 泄 漏 到 信 号 端 口 的 功 率 ，则 隔 离 度 定 义 为 ： LP SLP SLLLS PPL lg10根 据 互 易 原 理 ， 。 LSSL LL 34 混 频 器 输 入 端 反 射 不 仅 导 致 失 配 损 耗 ， 而 且 当 混 频 器 为 接 收机 前 置 级 时 ， 由 于 反 射 信 号 在 天 线 与 接 收 机 之 间 来 回 传 输 ， 使 输入 端 信 号 产 生 相 位 失 真 。 在 某 些 相 位 关 系 要 求 严 格 的 系 统 里 ， 对输 入 驻 波 比 有 特 别 严 格 的 要 求 ， 在 一 般 情 况 下 ， 要 求 输 入 驻 波 比小 于 2。 2 输 入 驻 波 比 微 波 频 率 变 换 器3 动 态 范 围 混 频 器 的 动 态 范 围 指 能 够 使 混 频 器 有 效 工 作 的 输 入 电 平 范 围 。 35精品课件！ 36精品课件！ 37 微 波 频 率 变 换 器 频 带 宽 度 是 指 满 足 各 项 指 标 的 混 频 器 工 作 频 率 范 围 ， 它 主 要 取决 于 二 极 管 的 寄 生 参 量 及 组 成 电 路 各 元 件 的 频 带 宽 度 。 4 频 带 宽 度 可 见 当 输 入 电 平 较 低 时 ， 输 入 功 率 与 输 出 中 频 功 率 成 线 性 关系 ， 变 频 损 耗 也 是 常 数 ； 当 输 入 功 率 增 加 到 一 定 电 平 时 ， 由于 大 信 号 作 用 ， 寄 生 频 率 增 多 ， 使 变 频 损 耗 增 加 。 可 定 义 变 频损 耗 相 对 于 低 电 平 恒 定 值 增 大 1dB时 的 输 入 电 平 为 “ 1dB压 缩点 ” 。