1
§ 2.4.3 桥式混频器 (环形混频器、双平衡混频器 )
频带宽,0.01~2GHz,1~26GHz
隔离度好：管芯一致,结构对称
谐波干扰少,n?L? m?S,n和 m为偶数的不存在只剩四分之一组合频率，其余在环内。
动态范围：比单平衡混频器大 3dB,比单管混频器大 6dB。
if
f
f Lf S
(书 § 2.4.4)
(自学书 pp.76-79)
2
§ 2.4.4 镜频抑制与镜频回收混频器 (书§ 2.4.5)
)2c o s ()(1 tVtv SSS
)2c o s ()(1 tVtv LLL
101
)2(co s2)(
n Ln
tnggtg
tVgttVgti ifSLSSif c os)]2()2c os [ ()( 111
]2)2c os [ ()]2()2(2c os [)( 221 tVgttVgti SLSSLSi
M1混频器信号本振电导中频镜频假设 M1与 M2为具有完全相同特性的混频器
S >?L
中频,?if =?S-?L
镜频,?i = 2?L-?S
if
f
L
f
S
f
A
2
2
2
2
1
M
2
M
B
C
3
M2混频器
)2c o s ()(2 tVtv SSS
tVtv LLL?c o s)(2?
1
02 co s2)(
n
Ln tnggtg?
)2c o s ()( 12 tVgti ifSif
]2)2c o s [ ()]2(2c o s [)( 222 tVgttVgti SLSSLSi
if
f
L
f
S
f
A
2
2
2
2
1
M
2
M
B
C
4
结论,
1,输出中频（ B面）
M1的中频 移相?/2 （ 1）
M2的中频不移相 （ 2）
叠加有输出
2,镜频（ A面）
A点 M1镜频 （ 3）
A点 M2镜频 （ 4）
相位差?，相互抵消。 A是镜频短路点
)2c o s ()( 11 tVgti ifSif
)2c o s ()( 12 tVgti ifSif
]22)2c o s [ ()( 21 tVgti SLS
]22)2c os [ ()( 22 tVgti SLS
if
f
L
f
S
f
A
2
2
2
2
1
M
2
M
B
C
5
3,镜频回收
M1镜频移相?，到 M2端口
（ 5）
在 M2内混成中频
（ 6）
（ 6）和（ 1）相位一致，叠加输出
4,外镜频抑制
M1的外来镜频 （ 7）
M1本振 （ 8）
M1的中频 （ 9）
)2c os (])2c os [ ()(21 tVtVtV iiiii
)2c os ()]2(c os [)( 112 tVgttVgti ifiiLiif
)2c o s ()( '''1 tvtv iii
)2c o s ()(1 tvtv LLL
if
f
L
f
S
f
A
2
2
2
2
1
M
2
M
B
C
tVgttVgti ifiiLiif c o s)]2()2c o s [ ()( '1''1' 1
6
M1中频移相?/2 （ 10）
M2的外来镜频 （ 11）
M2本振 （ 12）
M2中频 （ 13）
外镜频在两管内产生的中频（ 10）与（ 13）相抵消
)2c o s ()( '1'' 1 tVgti ifiif
)2c o s ()( ''' 2 tVtv iii
tVtv LLL?c o s)(2?
)2c o s ()]2(c o s [)( '1''1' 2 tVgttVgti ifiiLiif
if
f
L
f
S
f
A
2
2
2
2
1
M
2
M
B
C
7
矢量关系图
iff
Lf
Sf
A 2
2
2
2
1M
2M
B
C
S
v
L
v
if
i
i
v
LS
SL
2
'
i
v
L
v
if
i
A
B
C
1
M
2
M
1
M
1
M
2
M
2
M
× ê?
oó μ?
t ′?
D?μ
à?￥
ò
180
μú
μ?μ
if
i
ifiiL
ii
v
μt?ó ê? 3? μt?ó?× ê?
òà 9 0
2? òà
i
L
'
ía à′?μ?μ μ
ê? èú?μ?μ?ì?·
óé A
à′ μ?
ía à′
μ?μ
±?
D
μ
ú
μ
μ
D
μ
±?
D?
o?
ì
μ
1ü
S
L
ii
L
i
'?
SLii
2
SLi
2'
8
镜频抑制混频器实用电路结构图
2
M
1
M
L
f
S
f
2
if
f
Z
Z Z
Z
Z Z
Z2
Z2
Z2
Z2
4
l
有隔离电阻时,
内镜频无回收；
两个混频器的特性应配对,通路须良好匹配 。 幅度和相位的不平衡会影响镜频回收及镜频抑制效果；
平衡式镜频回收混频器的工作频带受限于功分器等元件的频带 。
9
§ 2.5 谐波混频器 (书§ 2.8.2)
)s i n h (2)(
)1()1(21
vIeeI
eIeIiii
S
vv
S
v
S
v
S
)c o s h (2 vIdvdig S
tVv LL?c o s?
]3c o s)(2c o s)(2[2)( 31 tVItVIIti LLLLS
]4c o s)(22c o s)(2)([2)( 420 tVItVIVIItg LLLLLS
20 c os )()c o s (2 1)( tdtneVI LLtVLn LL
v
i
1i 2
i
21 iii
A
B
D 1
D 2
并联倒置混频管总电流
管对的电导
加入本振
电流傅里叶级数
10
结果：
电流中,只有本振的奇次谐波,没有偶次谐波和直流分量；
混频电导中,只有本振的偶次谐波,没有奇次谐波：不可能实现基波混频,可用?L的二,四次谐波进行混频,故也称谐波混频器；
电流和电导的各次谐波幅度都比单管时大一倍 。
电流,电导波形
g
t
i
v
i
t
t
11
结果：
混频电流中，有 2?Ls,4?Ls,?
无基波混频，谐波成分比单管混频时少一半
直流和奇次谐波在环路中注意：
谐波混频必须用管芯,否则由于两管不一致会有移相作用,
奇次谐波出现,变频损耗变坏 。
tVtv SSS?c o s)(?
]4c o s)(22c o s)(2)([c o s2 420 tVItVIVItVIgvi LLLLLSSSs
同时加入小信号混频电流
12
本振噪声抑制单管混频 --- 二倍噪声：上,下边带噪声都将混成中频噪声平衡混频 --- 噪声互消：上,下边带噪声分在两管上反相抵消管对混频 --- 本振弱噪声：没有基波混频,上下边带不混成中频；在 2fL上下边带可能混成中频,但噪声本身已很弱 。
L
ffD fD
if
f
L
f2
f
13
§ 2.6 混频器的数值分析法 (书§ 2.5)
正弦分析法的缺陷 (三个近似 )
假设混频管上本振电压为正弦但实际不是正弦
混频过程只计算了 i(t)一次混频，
而各组合频率之间还有交叉混频、二次混频。
tVtVVfti SSLL co s)co s()( 0'
i
Z
L
v
ii
v
t
t
未计算混频管结电容 Cj(t)的变频作用
14
§ 2.6.1 结电容的变频效应
2
1
)1(
)0(
)(
v
C
vC jj
2
1
0 )c o s1(
)0(
)(
tVV
C
tC
LL
j
j?
C C
t
v?
tVVv
LL
c os
0
结电容表示式
tVVv LL?c o s0
电容上加本振电压
结电容变化
Cj(t)随时间 t 变化，变化频率是?L。 非线性电容也产生混频。
15
§ 2.6.2 大信号非线性谐波平衡概念
id(t),vd(t) --- 非线性器件时域电流、电压
iL(t),vL(t) --- 线性网络时域电流、电压
￥
μ?
·
￥
μ?
·
0
V
L
v
L
v
0
V
D?
μ·
· D?
μ·
A
A'
)( ti L
)( tv L )( tv d
)( ti d
è?
í?
0V Lv )(?SR
)( ti L
)( tv L )( tv d
)( ti d
)( tC j )( tg
)(?eZ )(?LZ
A
A'
16
混频管上的电流
)]()([)1()( tvvCteIti ddvSd d
9.0V )9.0(
)(
)(
9.0V )
)(
1(
)(
d9.09.0
d
2
1
0
V
dV
vdC
vC
tv
C
vC
V
j
Vj
d
j
d
目的是要求出 id(t),vd(t)时域波形和谐波成分,解此微分方程用谐波平衡原理的迭代法 。
17
谐波平衡概念
4,谐波电流流入线性网络产生各谐波端口电压
tVVtv LLd?co s)( 0)0(
)()0( tid
谐波数 3,2,1,)()0(KKI Ld?
)]()()[()( )0()1( SeLdLL RZKIKV
)0(
d
I
)0(
L
V
t
t
)0(
d
i
)0(
d
v
L
L
2
L
3
L
n
Ln?
L
L
2
L
3
1,本振刚接通时，正弦本振加到混频管结上
2,用 id(t)公式算出初始电流
3,FFT 变换，求出各次谐波的幅度
18
8,进行比较，平衡条件
)()1( tvL
)()( )1()1( tvtv Ld?
)()1( Ld KV?
)(),(),(),(),( )2()2()2()1()1( tvtvKVKIti dLLdLdd
)()( )1()( LmLLmd KVKV
)(
)1(
Ld
KI?
L
L
2
L
3
L
n
t
)(
)1(
tv
d
5,FFT 逆变换，得线性网络端口电压波形
6,此电压是修正后加在混频管结上的非正弦切顶电压算出电压频谱
7,按 2~6步重复计算，依次得
19
n
LndS tjngtvItg )ex p ()](ex p [)(
n Lndjj tjnCtvCtC )ex p (])(1)[0()( 21
)( tv
Lê±ó ò 2¨
ê± óò 2¨ )( tv
d
μ óò?× )(?KV L?μ óò?× )(?KI d
D? μ· · D? μ·
根据 vd(t) 时域解可得出时变电导时变电容小结
20
§ 2.7 混频器噪声系数
Pn0 --- 系统输出端总噪声功率
Pni --- 仅由有用信号输入端引入的噪声在输出端的噪声功率
ni
no
P
PF?
ì?μ
S
f
no
P
§ 2.7.1 噪声系数定义
21
一、单通道混频器通频带很窄，只有信号频率能进入，镜频及其它频率都不能进入。
包括：镜频开路 /短路，加有窄带滤波器
信源噪声 KT0B/Lm1
Lm1 --- 变频损耗（单通道混频器）
混频管噪声 Pnd包括
– 散弹噪声
– 热噪声
eIBin 22?
Sn K T B Ru 42?
ì?μ
0
T
1m
T
0
Z
no
P
no
P
22
,
nn
ui
1m
L
0
Z
§ 2.7.2 混频器噪声系数
22
--- 混频器噪声温度比，通常 tm1?1.05~1.1
nd
m
no PL
BKTP
1
0
BKTP mno 1?
11
1
0
1
1
0
1 mm
m
m
m
no
m tL
L
BKT
BKT
L
BKT
PF
0
1
1 T
Tt m
m?
ì?μ
0
T
1m
T
0
Z
no
P
no
P
22
,
nn
ui
1m
L
0
Z
总输出噪声等效为单通道混频器噪声系数
23
二、双通道混频器信号通道和镜频通道的噪声都能混成中频
i
f
S
fL
f
if
f
if
f
B B
i
f
S
f
0
T
0
T
2m
L
2m
T
2n
P
2n
P
Lm2 --- 变频损耗（双通道混频器）
24
1,单边带信号工作状态 FSSB --- Single Side Band
输出端噪声 * 信号边带 * 镜频边带
* 混频管
Lm2 ---变频损耗（双通道混频器）
总输出噪声功率单边带信号情况的噪声系数
-- 双通道混频器的等效噪声温度比,tm2?1.05~1.1
2
0
mL
BKT
2ndP
BtKTBKTPL BKTP mmnd
m
n 2022
2
02 2
22
2
0
2
2
0
2
mm
m
m
m
n
S S B tL
L
BKT
BKT
L
BKT
PF
0
22 TTt mm?
2
0
mL
BKT
25
小结：
FDSB 双通道混频器、双边带信号，噪声最小
FSSB双通道混频器、单边带信号，噪声最大 (2倍 )
Fm1 单通道混频器,噪声略小于 FSSB
22
2
0
2
2
1
2 mm
m
n
D S B tL
L
BKT
PF
BKTPL BKTP mnd
m
n 22
2
02 2
2,双边带信号工作状态 FDSB --- Double Side Band
总输出噪声 (同前 )
信号有两个边带 KT0B+KT0B
双边带信号情况的噪声系数
26
一、混频器和中放级联
ifmifmmifmmm
m
if
m FLFtLFLtL
L
F
FF 111111
1
1 )1()1(1
1
)()()( 1 dBFdBLdBF ifm
ì?μ?D ·?BKT 0
1mL 1m
F ifG
ifF
noP
1.1~05.11?mt
§ 2.7.3 接收机噪声系数
1,单通道混频器
27
（ A） 单边带信号噪声系数
)1()1( 22222
2
0
ifmmifmmm
m
if
no
S S B FtLFLtL
L
BGKT
PF
)1l g (10)()( 22 ifmmS S B FtdBLdBF
ì?μ?D ·?BKT 0
2mL 2mF ifG ifF
noP
022 TtT mm?
ifififm
ifififmn
BGKTFBGTKt
BGKTFBGKTP
002
020
)1(
)1(
2,双通道混频器输出端总噪声功率
28
(B) 双边带信号
2
)1(
22 2
2
2
0
S S B
ifm
m
m
if
no
D S B
FFtL
L
BGKT
PF
dBdBF
dBFtdBLdBF
S S B
ifmmD S B
3)(
3)1l g(10)()( 22
ì?μ?D ·?BKT 0
2mL 2mF ifG ifF
noP
022 TtT mm?
29
1,单通道混频器情况
a
mao
G
FFF 1
D ·?
G m F m
ì?μ
G a F a
·? ′ó
混频器噪声系数二,有放大器的多级级联噪声
30
混频器噪声系数
mS SBm BGT
FKP
0)12(2
)2( 0 maaa GBGKTFP?
mao GBGKTP 0?
)
12
(2
a
SS B
a
o
ma
OS G
F
FP PPF
D ·?
Gm Fm
ì?μ·? ′ó
Ga Fa
f L f sf i
e
T2,双通道混频器
（ A） 单边带信号输入情况混频器输出噪声系数放大器噪声功率信源噪声功率 双通道单边带信号等效输入噪声温度 Te
m
SSB
mem
D S B
SSB
e
e
m
m
e
m
e
mm
SSB
BGT
F
KBGKTP
TFT
F
T
T
T
L
BKT
L
BKT
L
BKT
L
BKT
L
BKT
F
0
00
00
00
)1
2
(22
)1()1
2
(
)1(2
31
双边带信号噪声系数
mSSBm BGT
FKP
0)12(2
)2( 0 maaa GBGKTFP?
maoD GBGKTP 02?
a
SSB
a
oD
ma
D G
F
FP PPF
12
0
D ·?
Gm Fm
ì?μ·? ′ó
Ga Fa
f L f sf i '
e
T
（ B） 双边带信号输入情况信源噪声 双通道双边带信号等效输入噪声温度 T
e’
m
S SB
mem
S SB
D S Be
e
m
m
e
m
e
mm
D S B
BGT
F
KBGKTP
T
F
TFT
T
T
L
BKT
L
BKT
L
BKT
L
BKT
L
BKT
F
0
00
00
00
)1
2
(2'2
)1
2
()1('
'
1
2
''
32
镜像噪声使整机噪声增大 3dB。
解决方法：
用单通道混频器
高中频，使镜频噪声处于放大器带外
加抑制镜频滤波器
D ·?
G m F m
ì?μ
G a F a
·? ′ó
òμ?μ
2¨
f i L i
dBdBFFdBF aOSOS 3)(lg10)(
)(lg10)( dBFFdBF aODOD
比较：
a
S S B
i
a
a
ma
m
S S B
i
maa
maa
G
F
L
FF
GBGKT
BGTFK
L
GBGKTFGBGKTF
F
)1
2
(2)12(2
0
0
0
0?
总噪声系数：
33
小结：
通常所说混频器噪声是指 FSSB(dB)
双边带信号输入情况时 FDSB(dB) = FSSB(dB) -3dB
混频器几种状态噪声 FDSB < Fm1? FSSB
有宽频带高频放大器时，必须加抑镜频滤波器
注意输出口等效噪声温度 Tm与输入口等效噪声温度 Te的区别
34
匹配衰减器的输出噪声
3,按源噪声原理
BKTPn 0?
BKTLBKTLLBKTP n 000 1)1(1
BKT
L
BTLK
L
BKT
L
BKT
L
BKT
P en
0
00
0
)1(
BKT 0
0R
L nP
0R
BKT 0
0R
L nPBKT
e
BKT 0
0R
L nP
1,按级联噪声规律计算
2,按噪声温度计算
35
§ 2.8 上变频器
上变频器和混频器的变频机理一样,都是用非线性器件对频率进行变换 。
上变频器和混频器的区别,
上变频器的输入信号为较低频率的中频,输出信号为较高频率的和频或差频；
混频器输出是较低的中频,故混频器有时又称下变频器,动态范围较大的宽频带混频器也可作上变频器使用；
上变频器输入信号 (中频 )是强信号；
上变频器为获得较大输出功率,多使用变容管,比肖特基势垒二极管有较高的变频效率和承受更大功率；
噪声系数不再是主要指标,而变频效率相对更为重要 。
36
Ls --- 引线电感，典型值是零点几纳亨 (nH)
Cp --- 管壳电容，典型值是零点几皮法 (pF)
Rs --- 串联电阻，典型值是几欧姆
Cj --- 结电容
Rj --- 结电阻，一般工作于反向偏置、值很大，可忽略
2SiO
ía?ó 2?N
3? μ×?N
·? ·? ó ′￥
·? ·? ó ′￥
P
s
L
p
C
j
C
s
R
j
R
结构微波变容二极管
封装与肖特基势垒二极管类似，有同轴型、微带型及梁式引线二极管等。
37
n
j
j v
C
vC
)1(
)0(
)(
1,结电容 Cj
非线性系数 n表征 PN结电容随电压变化的非线性程度,与结的构造,材料,杂质浓度有关 。
P+N突变结,n=1/2
线性缓变结,n=1/3
* P+N突变结,线性缓变结的电容随电压变化平滑,工作于反偏状态可用于参放,变频及低次倍频 。
阶跃恢复结,n=1/15~1/30,近似 n?0
超突变结,n=0.5~6,一般 n=2较多,电容在某一反偏范围内随电压变化很陡,用于作电调谐器件 。
基本参数
38
2,截止频率 fc
品质因数
Q的大小表示变容管贮存交流能量与消耗能量之比,Q
越高，说明管子损耗越小。
sjs
j
RfCR
CQ
2
1
1
sj
c RCf?2
1?Q=1时，
一般以零偏压时的 Q,fc作为比较管子的指标
sj
c RCf )0(2
1
sj RfC
Q )0(2 10
j
C
s
R
39
3,反向击穿电压 VB
由于 VB限制了管子的激励电压，对 VB有特定要求，一般定义 VB
为反向电流达 1?A时的反偏电压值。
4,自谐振频率封装变容管的等效电路具有谐振电路形式
串联自谐振频率
并联自谐振频率
js
D CLf?2
1
1?
p
j
D
pj
pj
s
D C
C
f
CC
CC
L
f
1
2
1
12
对于变容管上变频器,要尽量减小封装参数,提高变容管的自谐振频率,至少在本振频率和输出频率上,不发生变容管自谐振现象 。
40
微波变容管的两种工作方式,
用于低噪声的小信号工作方式,Ps远小于 PL,分析方法同混频器 。 关心指标：变频增益,噪声系数等 。 很少用 。
用于发射源或激励源的大信号工作方式,Ps和 PL均为大信号,分析方法不同 。 关心指标：输出功率及变换效率,
称为功率上变频器 。
41
一、上变频器主要技术指标
1,变频效率与变频损耗
变频效率指输出微波信号功率 Pout与本振功率 PL之比,即
L
out
P
P
本振损耗是变频效率的倒数,即
o u t
L
L P
P
1
中频变频损耗指中频输入功率 Pif与 Pout之比,即
o u t
if
if P
P
中频变频增益
if
out
if
if P
PG
1
42
2,三阶交调系数三阶交调分量是,?m3 =?L +2?1 -?2?'m3 =?L +2?2 -?1
三阶交调系数
M3? 2(?L-?a )+12 dB
o u t
L
L P
Plg101lg10
a --- 本振电路和输出电路的总损耗 (dB)
L
L -? 1
P
L -? 2
L -? 2 +? 1? L +? 2 -? 1
L +? 1
L +? 2
L +2? 2 -? 1
L +2? 1 -? 2
1? 2
P
43
n
j
j v
C
vC
)1(
)0(
)(
C
)0(
j
C
v
Cj(0) --- v = 0时的结电容,0.05~0.3pF
v --- 外电压
--- 半导体接触电位,GaAs变容管约为 0.8 ~ 1.0V
当电压 V作用于变容管两端时,变容管结区的电荷为
0
100 )(
1)( qvn
Cdv
v
CdvCq nn
n
n
j
二、变容管上变频器
44
展开得
0n
n
n vaq
变容管上同时加：
中频信号,vif=Vifcos?ift
本振电压,vL=VLcos?Lt
结上电荷为
0 0
0,
0
)c o s (
)c o sc o s(
m n
Lnm
n
n
LLififn
tnmA
tVtVaq
用滤波器取出其中的?L+?0或?L－?0项,即完成了上变频作用 。
45
ifL
ff?
L
f
1
2
3
4
if
f
4
l
1
D
2
D
òà
1ü ê oa μ·
4
l
L
f
ifL
ff?
L
f
if
f
ifL
ff?
μ￥ 1ü ê? μ·
变容管上变频器电路特点：
匹配特性好
隔离度好
受环形器频带限制特点：
匹配特性好
隔离度好
受电桥频带限制
尺寸大
§ 2.4.3 桥式混频器 (环形混频器、双平衡混频器 )
频带宽,0.01~2GHz,1~26GHz
隔离度好：管芯一致,结构对称
谐波干扰少,n?L? m?S,n和 m为偶数的不存在只剩四分之一组合频率，其余在环内。
动态范围：比单平衡混频器大 3dB,比单管混频器大 6dB。
if
f
f Lf S
(书 § 2.4.4)
(自学书 pp.76-79)
2
§ 2.4.4 镜频抑制与镜频回收混频器 (书§ 2.4.5)
)2c o s ()(1 tVtv SSS
)2c o s ()(1 tVtv LLL
101
)2(co s2)(
n Ln
tnggtg
tVgttVgti ifSLSSif c os)]2()2c os [ ()( 111
]2)2c os [ ()]2()2(2c os [)( 221 tVgttVgti SLSSLSi
M1混频器信号本振电导中频镜频假设 M1与 M2为具有完全相同特性的混频器
S >?L
中频,?if =?S-?L
镜频,?i = 2?L-?S
if
f
L
f
S
f
A
2
2
2
2
1
M
2
M
B
C
3
M2混频器
)2c o s ()(2 tVtv SSS
tVtv LLL?c o s)(2?
1
02 co s2)(
n
Ln tnggtg?
)2c o s ()( 12 tVgti ifSif
]2)2c o s [ ()]2(2c o s [)( 222 tVgttVgti SLSSLSi
if
f
L
f
S
f
A
2
2
2
2
1
M
2
M
B
C
4
结论,
1,输出中频（ B面）
M1的中频 移相?/2 （ 1）
M2的中频不移相 （ 2）
叠加有输出
2,镜频（ A面）
A点 M1镜频 （ 3）
A点 M2镜频 （ 4）
相位差?，相互抵消。 A是镜频短路点
)2c o s ()( 11 tVgti ifSif
)2c o s ()( 12 tVgti ifSif
]22)2c o s [ ()( 21 tVgti SLS
]22)2c os [ ()( 22 tVgti SLS
if
f
L
f
S
f
A
2
2
2
2
1
M
2
M
B
C
5
3,镜频回收
M1镜频移相?，到 M2端口
（ 5）
在 M2内混成中频
（ 6）
（ 6）和（ 1）相位一致，叠加输出
4,外镜频抑制
M1的外来镜频 （ 7）
M1本振 （ 8）
M1的中频 （ 9）
)2c os (])2c os [ ()(21 tVtVtV iiiii
)2c os ()]2(c os [)( 112 tVgttVgti ifiiLiif
)2c o s ()( '''1 tvtv iii
)2c o s ()(1 tvtv LLL
if
f
L
f
S
f
A
2
2
2
2
1
M
2
M
B
C
tVgttVgti ifiiLiif c o s)]2()2c o s [ ()( '1''1' 1
6
M1中频移相?/2 （ 10）
M2的外来镜频 （ 11）
M2本振 （ 12）
M2中频 （ 13）
外镜频在两管内产生的中频（ 10）与（ 13）相抵消
)2c o s ()( '1'' 1 tVgti ifiif
)2c o s ()( ''' 2 tVtv iii
tVtv LLL?c o s)(2?
)2c o s ()]2(c o s [)( '1''1' 2 tVgttVgti ifiiLiif
if
f
L
f
S
f
A
2
2
2
2
1
M
2
M
B
C
7
矢量关系图
iff
Lf
Sf
A 2
2
2
2
1M
2M
B
C
S
v
L
v
if
i
i
v
LS
SL
2
'
i
v
L
v
if
i
A
B
C
1
M
2
M
1
M
1
M
2
M
2
M
× ê?
oó μ?
t ′?
D?μ
à?￥
ò
180
μú
μ?μ
if
i
ifiiL
ii
v
μt?ó ê? 3? μt?ó?× ê?
òà 9 0
2? òà
i
L
'
ía à′?μ?μ μ
ê? èú?μ?μ?ì?·
óé A
à′ μ?
ía à′
μ?μ
±?
D
μ
ú
μ
μ
D
μ
±?
D?
o?
ì
μ
1ü
S
L
ii
L
i
'?
SLii
2
SLi
2'
8
镜频抑制混频器实用电路结构图
2
M
1
M
L
f
S
f
2
if
f
Z
Z Z
Z
Z Z
Z2
Z2
Z2
Z2
4
l
有隔离电阻时,
内镜频无回收；
两个混频器的特性应配对,通路须良好匹配 。 幅度和相位的不平衡会影响镜频回收及镜频抑制效果；
平衡式镜频回收混频器的工作频带受限于功分器等元件的频带 。
9
§ 2.5 谐波混频器 (书§ 2.8.2)
)s i n h (2)(
)1()1(21
vIeeI
eIeIiii
S
vv
S
v
S
v
S
)c o s h (2 vIdvdig S
tVv LL?c o s?
]3c o s)(2c o s)(2[2)( 31 tVItVIIti LLLLS
]4c o s)(22c o s)(2)([2)( 420 tVItVIVIItg LLLLLS
20 c os )()c o s (2 1)( tdtneVI LLtVLn LL
v
i
1i 2
i
21 iii
A
B
D 1
D 2
并联倒置混频管总电流
管对的电导
加入本振
电流傅里叶级数
10
结果：
电流中,只有本振的奇次谐波,没有偶次谐波和直流分量；
混频电导中,只有本振的偶次谐波,没有奇次谐波：不可能实现基波混频,可用?L的二,四次谐波进行混频,故也称谐波混频器；
电流和电导的各次谐波幅度都比单管时大一倍 。
电流,电导波形
g
t
i
v
i
t
t
11
结果：
混频电流中，有 2?Ls,4?Ls,?
无基波混频，谐波成分比单管混频时少一半
直流和奇次谐波在环路中注意：
谐波混频必须用管芯,否则由于两管不一致会有移相作用,
奇次谐波出现,变频损耗变坏 。
tVtv SSS?c o s)(?
]4c o s)(22c o s)(2)([c o s2 420 tVItVIVItVIgvi LLLLLSSSs
同时加入小信号混频电流
12
本振噪声抑制单管混频 --- 二倍噪声：上,下边带噪声都将混成中频噪声平衡混频 --- 噪声互消：上,下边带噪声分在两管上反相抵消管对混频 --- 本振弱噪声：没有基波混频,上下边带不混成中频；在 2fL上下边带可能混成中频,但噪声本身已很弱 。
L
ffD fD
if
f
L
f2
f
13
§ 2.6 混频器的数值分析法 (书§ 2.5)
正弦分析法的缺陷 (三个近似 )
假设混频管上本振电压为正弦但实际不是正弦
混频过程只计算了 i(t)一次混频，
而各组合频率之间还有交叉混频、二次混频。
tVtVVfti SSLL co s)co s()( 0'
i
Z
L
v
ii
v
t
t
未计算混频管结电容 Cj(t)的变频作用
14
§ 2.6.1 结电容的变频效应
2
1
)1(
)0(
)(
v
C
vC jj
2
1
0 )c o s1(
)0(
)(
tVV
C
tC
LL
j
j?
C C
t
v?
tVVv
LL
c os
0
结电容表示式
tVVv LL?c o s0
电容上加本振电压
结电容变化
Cj(t)随时间 t 变化，变化频率是?L。 非线性电容也产生混频。
15
§ 2.6.2 大信号非线性谐波平衡概念
id(t),vd(t) --- 非线性器件时域电流、电压
iL(t),vL(t) --- 线性网络时域电流、电压
￥
μ?
·
￥
μ?
·
0
V
L
v
L
v
0
V
D?
μ·
· D?
μ·
A
A'
)( ti L
)( tv L )( tv d
)( ti d
è?
í?
0V Lv )(?SR
)( ti L
)( tv L )( tv d
)( ti d
)( tC j )( tg
)(?eZ )(?LZ
A
A'
16
混频管上的电流
)]()([)1()( tvvCteIti ddvSd d
9.0V )9.0(
)(
)(
9.0V )
)(
1(
)(
d9.09.0
d
2
1
0
V
dV
vdC
vC
tv
C
vC
V
j
Vj
d
j
d
目的是要求出 id(t),vd(t)时域波形和谐波成分,解此微分方程用谐波平衡原理的迭代法 。
17
谐波平衡概念
4,谐波电流流入线性网络产生各谐波端口电压
tVVtv LLd?co s)( 0)0(
)()0( tid
谐波数 3,2,1,)()0(KKI Ld?
)]()()[()( )0()1( SeLdLL RZKIKV
)0(
d
I
)0(
L
V
t
t
)0(
d
i
)0(
d
v
L
L
2
L
3
L
n
Ln?
L
L
2
L
3
1,本振刚接通时，正弦本振加到混频管结上
2,用 id(t)公式算出初始电流
3,FFT 变换，求出各次谐波的幅度
18
8,进行比较，平衡条件
)()1( tvL
)()( )1()1( tvtv Ld?
)()1( Ld KV?
)(),(),(),(),( )2()2()2()1()1( tvtvKVKIti dLLdLdd
)()( )1()( LmLLmd KVKV
)(
)1(
Ld
KI?
L
L
2
L
3
L
n
t
)(
)1(
tv
d
5,FFT 逆变换，得线性网络端口电压波形
6,此电压是修正后加在混频管结上的非正弦切顶电压算出电压频谱
7,按 2~6步重复计算，依次得
19
n
LndS tjngtvItg )ex p ()](ex p [)(
n Lndjj tjnCtvCtC )ex p (])(1)[0()( 21
)( tv
Lê±ó ò 2¨
ê± óò 2¨ )( tv
d
μ óò?× )(?KV L?μ óò?× )(?KI d
D? μ· · D? μ·
根据 vd(t) 时域解可得出时变电导时变电容小结
20
§ 2.7 混频器噪声系数
Pn0 --- 系统输出端总噪声功率
Pni --- 仅由有用信号输入端引入的噪声在输出端的噪声功率
ni
no
P
PF?
ì?μ
S
f
no
P
§ 2.7.1 噪声系数定义
21
一、单通道混频器通频带很窄，只有信号频率能进入，镜频及其它频率都不能进入。
包括：镜频开路 /短路，加有窄带滤波器
信源噪声 KT0B/Lm1
Lm1 --- 变频损耗（单通道混频器）
混频管噪声 Pnd包括
– 散弹噪声
– 热噪声
eIBin 22?
Sn K T B Ru 42?
ì?μ
0
T
1m
T
0
Z
no
P
no
P
22
,
nn
ui
1m
L
0
Z
§ 2.7.2 混频器噪声系数
22
--- 混频器噪声温度比，通常 tm1?1.05~1.1
nd
m
no PL
BKTP
1
0
BKTP mno 1?
11
1
0
1
1
0
1 mm
m
m
m
no
m tL
L
BKT
BKT
L
BKT
PF
0
1
1 T
Tt m
m?
ì?μ
0
T
1m
T
0
Z
no
P
no
P
22
,
nn
ui
1m
L
0
Z
总输出噪声等效为单通道混频器噪声系数
23
二、双通道混频器信号通道和镜频通道的噪声都能混成中频
i
f
S
fL
f
if
f
if
f
B B
i
f
S
f
0
T
0
T
2m
L
2m
T
2n
P
2n
P
Lm2 --- 变频损耗（双通道混频器）
24
1,单边带信号工作状态 FSSB --- Single Side Band
输出端噪声 * 信号边带 * 镜频边带
* 混频管
Lm2 ---变频损耗（双通道混频器）
总输出噪声功率单边带信号情况的噪声系数
-- 双通道混频器的等效噪声温度比,tm2?1.05~1.1
2
0
mL
BKT
2ndP
BtKTBKTPL BKTP mmnd
m
n 2022
2
02 2
22
2
0
2
2
0
2
mm
m
m
m
n
S S B tL
L
BKT
BKT
L
BKT
PF
0
22 TTt mm?
2
0
mL
BKT
25
小结：
FDSB 双通道混频器、双边带信号，噪声最小
FSSB双通道混频器、单边带信号，噪声最大 (2倍 )
Fm1 单通道混频器,噪声略小于 FSSB
22
2
0
2
2
1
2 mm
m
n
D S B tL
L
BKT
PF
BKTPL BKTP mnd
m
n 22
2
02 2
2,双边带信号工作状态 FDSB --- Double Side Band
总输出噪声 (同前 )
信号有两个边带 KT0B+KT0B
双边带信号情况的噪声系数
26
一、混频器和中放级联
ifmifmmifmmm
m
if
m FLFtLFLtL
L
F
FF 111111
1
1 )1()1(1
1
)()()( 1 dBFdBLdBF ifm
ì?μ?D ·?BKT 0
1mL 1m
F ifG
ifF
noP
1.1~05.11?mt
§ 2.7.3 接收机噪声系数
1,单通道混频器
27
（ A） 单边带信号噪声系数
)1()1( 22222
2
0
ifmmifmmm
m
if
no
S S B FtLFLtL
L
BGKT
PF
)1l g (10)()( 22 ifmmS S B FtdBLdBF
ì?μ?D ·?BKT 0
2mL 2mF ifG ifF
noP
022 TtT mm?
ifififm
ifififmn
BGKTFBGTKt
BGKTFBGKTP
002
020
)1(
)1(
2,双通道混频器输出端总噪声功率
28
(B) 双边带信号
2
)1(
22 2
2
2
0
S S B
ifm
m
m
if
no
D S B
FFtL
L
BGKT
PF
dBdBF
dBFtdBLdBF
S S B
ifmmD S B
3)(
3)1l g(10)()( 22
ì?μ?D ·?BKT 0
2mL 2mF ifG ifF
noP
022 TtT mm?
29
1,单通道混频器情况
a
mao
G
FFF 1
D ·?
G m F m
ì?μ
G a F a
·? ′ó
混频器噪声系数二,有放大器的多级级联噪声
30
混频器噪声系数
mS SBm BGT
FKP
0)12(2
)2( 0 maaa GBGKTFP?
mao GBGKTP 0?
)
12
(2
a
SS B
a
o
ma
OS G
F
FP PPF
D ·?
Gm Fm
ì?μ·? ′ó
Ga Fa
f L f sf i
e
T2,双通道混频器
（ A） 单边带信号输入情况混频器输出噪声系数放大器噪声功率信源噪声功率 双通道单边带信号等效输入噪声温度 Te
m
SSB
mem
D S B
SSB
e
e
m
m
e
m
e
mm
SSB
BGT
F
KBGKTP
TFT
F
T
T
T
L
BKT
L
BKT
L
BKT
L
BKT
L
BKT
F
0
00
00
00
)1
2
(22
)1()1
2
(
)1(2
31
双边带信号噪声系数
mSSBm BGT
FKP
0)12(2
)2( 0 maaa GBGKTFP?
maoD GBGKTP 02?
a
SSB
a
oD
ma
D G
F
FP PPF
12
0
D ·?
Gm Fm
ì?μ·? ′ó
Ga Fa
f L f sf i '
e
T
（ B） 双边带信号输入情况信源噪声 双通道双边带信号等效输入噪声温度 T
e’
m
S SB
mem
S SB
D S Be
e
m
m
e
m
e
mm
D S B
BGT
F
KBGKTP
T
F
TFT
T
T
L
BKT
L
BKT
L
BKT
L
BKT
L
BKT
F
0
00
00
00
)1
2
(2'2
)1
2
()1('
'
1
2
''
32
镜像噪声使整机噪声增大 3dB。
解决方法：
用单通道混频器
高中频，使镜频噪声处于放大器带外
加抑制镜频滤波器
D ·?
G m F m
ì?μ
G a F a
·? ′ó
òμ?μ
2¨
f i L i
dBdBFFdBF aOSOS 3)(lg10)(
)(lg10)( dBFFdBF aODOD
比较：
a
S S B
i
a
a
ma
m
S S B
i
maa
maa
G
F
L
FF
GBGKT
BGTFK
L
GBGKTFGBGKTF
F
)1
2
(2)12(2
0
0
0
0?
总噪声系数：
33
小结：
通常所说混频器噪声是指 FSSB(dB)
双边带信号输入情况时 FDSB(dB) = FSSB(dB) -3dB
混频器几种状态噪声 FDSB < Fm1? FSSB
有宽频带高频放大器时，必须加抑镜频滤波器
注意输出口等效噪声温度 Tm与输入口等效噪声温度 Te的区别
34
匹配衰减器的输出噪声
3,按源噪声原理
BKTPn 0?
BKTLBKTLLBKTP n 000 1)1(1
BKT
L
BTLK
L
BKT
L
BKT
L
BKT
P en
0
00
0
)1(
BKT 0
0R
L nP
0R
BKT 0
0R
L nPBKT
e
BKT 0
0R
L nP
1,按级联噪声规律计算
2,按噪声温度计算
35
§ 2.8 上变频器
上变频器和混频器的变频机理一样,都是用非线性器件对频率进行变换 。
上变频器和混频器的区别,
上变频器的输入信号为较低频率的中频,输出信号为较高频率的和频或差频；
混频器输出是较低的中频,故混频器有时又称下变频器,动态范围较大的宽频带混频器也可作上变频器使用；
上变频器输入信号 (中频 )是强信号；
上变频器为获得较大输出功率,多使用变容管,比肖特基势垒二极管有较高的变频效率和承受更大功率；
噪声系数不再是主要指标,而变频效率相对更为重要 。
36
Ls --- 引线电感，典型值是零点几纳亨 (nH)
Cp --- 管壳电容，典型值是零点几皮法 (pF)
Rs --- 串联电阻，典型值是几欧姆
Cj --- 结电容
Rj --- 结电阻，一般工作于反向偏置、值很大，可忽略
2SiO
ía?ó 2?N
3? μ×?N
·? ·? ó ′￥
·? ·? ó ′￥
P
s
L
p
C
j
C
s
R
j
R
结构微波变容二极管
封装与肖特基势垒二极管类似，有同轴型、微带型及梁式引线二极管等。
37
n
j
j v
C
vC
)1(
)0(
)(
1,结电容 Cj
非线性系数 n表征 PN结电容随电压变化的非线性程度,与结的构造,材料,杂质浓度有关 。
P+N突变结,n=1/2
线性缓变结,n=1/3
* P+N突变结,线性缓变结的电容随电压变化平滑,工作于反偏状态可用于参放,变频及低次倍频 。
阶跃恢复结,n=1/15~1/30,近似 n?0
超突变结,n=0.5~6,一般 n=2较多,电容在某一反偏范围内随电压变化很陡,用于作电调谐器件 。
基本参数
38
2,截止频率 fc
品质因数
Q的大小表示变容管贮存交流能量与消耗能量之比,Q
越高，说明管子损耗越小。
sjs
j
RfCR
CQ
2
1
1
sj
c RCf?2
1?Q=1时，
一般以零偏压时的 Q,fc作为比较管子的指标
sj
c RCf )0(2
1
sj RfC
Q )0(2 10
j
C
s
R
39
3,反向击穿电压 VB
由于 VB限制了管子的激励电压，对 VB有特定要求，一般定义 VB
为反向电流达 1?A时的反偏电压值。
4,自谐振频率封装变容管的等效电路具有谐振电路形式
串联自谐振频率
并联自谐振频率
js
D CLf?2
1
1?
p
j
D
pj
pj
s
D C
C
f
CC
CC
L
f
1
2
1
12
对于变容管上变频器,要尽量减小封装参数,提高变容管的自谐振频率,至少在本振频率和输出频率上,不发生变容管自谐振现象 。
40
微波变容管的两种工作方式,
用于低噪声的小信号工作方式,Ps远小于 PL,分析方法同混频器 。 关心指标：变频增益,噪声系数等 。 很少用 。
用于发射源或激励源的大信号工作方式,Ps和 PL均为大信号,分析方法不同 。 关心指标：输出功率及变换效率,
称为功率上变频器 。
41
一、上变频器主要技术指标
1,变频效率与变频损耗
变频效率指输出微波信号功率 Pout与本振功率 PL之比,即
L
out
P
P
本振损耗是变频效率的倒数,即
o u t
L
L P
P
1
中频变频损耗指中频输入功率 Pif与 Pout之比,即
o u t
if
if P
P
中频变频增益
if
out
if
if P
PG
1
42
2,三阶交调系数三阶交调分量是,?m3 =?L +2?1 -?2?'m3 =?L +2?2 -?1
三阶交调系数
M3? 2(?L-?a )+12 dB
o u t
L
L P
Plg101lg10
a --- 本振电路和输出电路的总损耗 (dB)
L
L -? 1
P
L -? 2
L -? 2 +? 1? L +? 2 -? 1
L +? 1
L +? 2
L +2? 2 -? 1
L +2? 1 -? 2
1? 2
P
43
n
j
j v
C
vC
)1(
)0(
)(
C
)0(
j
C
v
Cj(0) --- v = 0时的结电容,0.05~0.3pF
v --- 外电压
--- 半导体接触电位,GaAs变容管约为 0.8 ~ 1.0V
当电压 V作用于变容管两端时,变容管结区的电荷为
0
100 )(
1)( qvn
Cdv
v
CdvCq nn
n
n
j
二、变容管上变频器
44
展开得
0n
n
n vaq
变容管上同时加：
中频信号,vif=Vifcos?ift
本振电压,vL=VLcos?Lt
结上电荷为
0 0
0,
0
)c o s (
)c o sc o s(
m n
Lnm
n
n
LLififn
tnmA
tVtVaq
用滤波器取出其中的?L+?0或?L－?0项,即完成了上变频作用 。
45
ifL
ff?
L
f
1
2
3
4
if
f
4
l
1
D
2
D
òà
1ü ê oa μ·
4
l
L
f
ifL
ff?
L
f
if
f
ifL
ff?
μ￥ 1ü ê? μ·
变容管上变频器电路特点：
匹配特性好
隔离度好
受环形器频带限制特点：
匹配特性好
隔离度好
受电桥频带限制
尺寸大
